إن تغطية 10٪ من خزانات الطاقة الكهرومائية في العالم بـ “الخلايا الكهرومائية العائمة” من شأنه أن يركب قدرًا من السعة الكهربائية المتوفرة حاليًا لمحطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري.
وقبل ذلك يجب تقييم الآثار البيئية والاجتماعية.
يجب نشر الألواح الشمسية على مساحات شاسعة في جميع أنحاء العالم لإزالة الكربون من الكهرباء.
بحلول عام 2050، قد تحتاج الولايات المتحدة إلى ما يصل إلى 61000 كيلومتر مربع من الألواح الشمسية – وهي مساحة أكبر من مساحة هولندا .
قد تضطر الدول التي تعاني من ندرة الأراضي مثل اليابان وكوريا الجنوبية إلى تخصيص 5٪ من أراضيها لمزارع الطاقة الشمسية .
السؤال عن مكان وضع هذه اللوحات ليس بالأمر الهين.
هناك منافسة شرسة على الأراضي اللازمة أيضًا لإنتاج الغذاء والحفاظ على التنوع البيولوجي.
يتمثل أحد الحلول الناشئة في نشر الألواح الشمسية العائمة (“الخلايا الكهروضوئية العائمة”) على الخزانات.
تحمل فكرة الخلايا الكهروضوئية العائمة الكثير من الأمل، وكان هناك ارتفاع سريع في التركيبات والاستثمارات.
ولكن لا يزال هناك الكثير من المجهول حول التأثيرات البيئية للتكنولوجيا، جنبًا إلى جنب مع أبعادها الاجتماعية والتقنية والاقتصادية.
يجب سد هذه الثغرات المعرفية في أسرع وقت ممكن لتجنب المبالغة في الوعود بشأن فوائد هذا النهج، أو الخروج عن مسار نشره بسبب حواجز الطرق غير المتوقعة.
تتطلب الطاقة الشمسية مساحة تزيد 20 مرة على الأقل عن محطات الوقود الأحفوري التقليدية لإنتاج واحد جيجاوات من الكهرباء.
تم اقتراح العديد من البيئات كمواقع للتركيبات الواسعة، لكل منها إيجابيات وسلبيات.
تتمتع الصحاري بأشعة الشمس الغزيرة ولا يوجد بها منافسة كبيرة على استخدام الأراضي.
ولكن حتى في الصحراء هناك مقايضات.
على سبيل المثال، تشير النمذجة إلى أنه في الصحراء الكبرى، فإن اللون الداكن لمساحات كبيرة من الألواح الشمسية من شأنه أن يغير درجات الحرارة المحلية وأنماط تدفق الهواء العالمي بطرق قد تسبب الجفاف
في الأمازون وفقدان الجليد البحري في القطب الشمالي وغير ذلك.
أدت تطورات الطاقة الشمسية في صحراء موهافي في جنوب غرب الولايات المتحدة إلى تقليص غطاء نبات الصبار المهم ثقافيًا للأمريكيين الأصليين المقيمين.
ومن الناحية اللوجستية، قد يكون من الصعب الحصول على الطاقة من المناطق الصحراوية البعيدة إلى حيث تكون مطلوبة.
تعد الحقول الزراعية احتمالًا واعدًا آخر، لكن الباحثين بدأوا فقط في فهم كيفية إقران الألواح الشمسية بالمحاصيل في أنظمة “الزراعة الفولتية” سيؤثر على إنتاج الغذاء .
تعتبر أسطح المنازل ومواقف السيارات والطرق السريعة أيضًا خيارات جيدة، ولكنها محدودة النطاق.
المصفوفات عبارة عن ألواح شمسية تقليدية مثبتة على عوامات مثبتة عبر خطوط إرساء.
يميل القرب من الماء إلى إبقائها باردة، مما يجعل الألواح العائمة أكثر كفاءة بنسبة 5٪ تقريبًا من الألواح الأرضية.
تحمي المصفوفات السطح من أشعة الشمس وقد تقلل التبخر، وتحتفظ بالمياه من أجل الطاقة الكهرومائية والشرب والري.
تمتلك خزانات الطاقة الكهرومائية بالفعل البنية التحتية للشبكة لنقل الكهرباء للمستهلكين، وتقليل تكاليف النقل.
يمكن أن يؤدي إقران الطاقة الشمسية بالطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها بالضخ إلى معالجة التحدي المزدوج المتمثل في توفير الطاقة عندما يكون ضوء الشمس ضعيفًا وتخزينها كطاقة محتملة في الخزانات عندما
يكون إنتاج الطاقة الشمسية مرتفعًا.
قد تقلل الخلايا الكهروضوئية أيضًا من كثافة الكربون – الانبعاثات لكل وحدة طاقة منتجة – لبعض عمليات الطاقة الكهرومائية.
لكن بالنسبة لبعض المشاريع، يتم إطلاق الكثير من الميثان من المواد النباتية المغمورة المتحللة بحيث يمكن أن ينبعث منها نفس القدر من الكربون لكل وحدة طاقة كما تفعل محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري.
بالنسبة لبعض هذه المواقع، يمكن أن يؤدي وضع الألواح الشمسية على 2٪ فقط من سطح الخزان إلى مضاعفة إنتاج الكهرباء، وبالتالي خفض كثافة الكربون إلى النصف – وهو مقياس مهم في سياسة المناخ.
في الوقت الحالي، تشكل الخلايا الكهروضوئية العائمة جزءًا صغيرًا من صورة الكهرباء.
اعتبارًا من عام 2020، كانت السعة العالمية المركبة للألواح الشمسية العائمة 3 جيجاواط فقط ، مقارنة بأكثر من 700 جيجاوات للأنظمة الشمسية الأرضية.
لكن إمكانات التوسع كبيرة، بالنظر إلى العدد الهائل من الخزانات في جميع أنحاء العالم – بمساحة إجمالية تعادل تقريبًا مساحة فرنسا.
إن تغطية 10٪ من خزانات الطاقة الكهرومائية في العالم بألواح شمسية عائمة من شأنه أن يركب ما يقرب من 4000 جيجاوات من الطاقة الشمسية 9 – أي ما يعادل قدرة توليد الكهرباء لجميع محطات الوقود الأحفوري العاملة في جميع أنحاء العالم.
تعد الخلايا الكهروضوئية العائمة حاليًا أكثر تكلفة من تلك القائمة على الأرض، لكنها أعلى بنسبة 4-8٪ فقط من تكلفة الطاقة الشمسية المثبتة على الأرض.
ينمو السوق بسرعة 14، مع عشرات المشاريع قيد التنفيذ.
أولها من المقرر أن يكتمل بحلول عام 2024 في باتام، إندونيسيا، يخطط لإنتاج 2.2 جيجاوات من خلال نشر الألواح الشمسية على مساحة تزيد عن 16 كيلومترًا مربعًا من المياه، مما يضاعف تقريبًا إنتاج الطاقة
الكهروضوئية العالمية.
على سبيل المثال، أضرت توربينات الرياح بالطيور والخفافيش، ويمكن أن يتسبب تركيبها في البحر في تلوث ضوضائي للحياة البحرية، ويتداخل مع هجرات الحيتان، ويشكل تعقيدات لمصايد الأسماك التجارية.
لا تزال المفاضلات بين توسيع الخلايا الكهروضوئية والأهداف البيئية والاجتماعية والاقتصادية غير مستكشفة إلى حد كبير في كل من المفهوم والممارسة.
الخزانات هي أنظمة بيئية اصطناعية تم انتقادها بسبب مجموعة واسعة من التأثيرات الاجتماعية والبيئية غير المرغوب فيها.
ومع ذلك، في العديد من الأماكن، فإنها توفر أيضًا موائل للحياة البرية، ولها دور مهم في مصايد الأسماك والاستجمام.
غالبًا ما تخدم إدارة الخزانات العديد من الاحتياجات إلى جانب إمدادات المياه، مثل التحكم في الفيضانات والطاقة الكهرومائية.
سوف يشتد الضغط على الاستخدامات المتعددة للخزانات في ظل تغير المناخ.
قد يؤدي إهمال هذه المقايضات إلى زيادة المعارضة العامة للخلايا الكهروضوئية العائمة، وإطالة عملية الموافقة على الأثر البيئي وردع المستثمرين من القطاع الخاص، وبالتالي إعاقة تحول إزالة الكربون.
لاستكشاف إمكانات الخلايا الكهروضوئية العائمة، قمنا بمقارنة إمكانات الطاقة الشمسية لخزانات كبيرة مع الطلب المتوقع على الطاقة الشمسية الإضافية بحلول عام 2050 .
وجدنا أن البلدان في الأمريكتين وأفريقيا يمكن أن تستفيد أكثر: حتى التغطية المنخفضة للخزانات بواسطة الخلايا الكهروضوئية العائمة يجب أن تولد كل الطاقة الشمسية اللازمة لإزالة الكربون من قطاع الكهرباء.
يمكن أن تكون البرازيل وكندا من النقاط الساخنة، حيث تتطلب كل منهما تغطية 5٪ فقط من خزاناتها الوفيرة لتلبية احتياجاتها الهائلة من الطاقة الشمسية.
في العام الماضي، نفذت البرازيل تغييرات تنظيمية لمساعدة الصناعة على التطور.
على النقيض من ذلك، ستجد الدول الجزرية والكثير من أوروبا والشرق الأوسط صعوبة في استخدام الخلايا الكهروضوئية العائمة لتلبية احتياجاتها، بسبب مناطق الخزانات المحدودة في الدول الصغيرة أو القاحلة وضعف ضوء الشمس عند خطوط العرض العالية.
في بعض الدول الصناعية، بما في ذلك الصين، سيكون الطلب في منتصف القرن على الطاقة الشمسية مرتفعًا جدًا لدرجة أنه حتى تغطية جميع خزاناتها بالخلايا الكهروضوئية العائمة لن يكون كافياً.
يؤدي تغير المناخ إلى ارتفاع درجة حرارة المسطحات المائية في جميع أنحاء العالم، مع تأثيرات مثل تكاثر الطحالب الضارة.
لقد درس واضعو النماذج ما إذا كانت الخلايا الكهروضوئية العائمة قد تواجه هذه التأثيرات في البحيرات والخزانات الأخرى، ووجدوا أنها تستطيع ذلك، ولكن فقط عندما يتم تغطية أكثر من نصف سطح الماء.
هناك حاجة إلى تعلم المزيد عن النتائج المترتبة على العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية، وجودة مياه الشرب، والأحياء المائية، والحياة البرية الأرضية والنظم الإيكولوجية الواقعة في اتجاه مجرى النهر.
يمكن أن يؤدي تظليل نسبة كبيرة من الخزان إلى تأثيرات متتالية.
يؤدي انخفاض الضوء إلى صعوبة ازدهار كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات المائية والعوالق النباتية.
وقد يكون هذا مفيدًا في الخزانات الملوثة بالمغذيات حيث تتكاثر الطحالب الضارة.
ومع ذلك، فإن انخفاض إنتاج الأكسجين يمكن أن يضر الأسماك والحيوانات الأخرى.
سيؤدي استنفاد الأكسجين الشديد إلى تفضيل البكتيريا المنتجة للميثان، والتي يمكن أن تعوض فوائد إزالة الكربون.
إذا كانت تغطية الألواح الشمسية منخفضة، فمن المحتمل أن تكون هذه التأثيرات طفيفة.
ولكن من غير المعروف بالضبط مدى شدة أي نوع معين من التأثيرات، أو كيف ستتفاوت التأثيرات باختلاف خطوط العرض ونوعية المياه وعوامل أخرى.
هناك حاجة لدراسات ميدانية واسعة النطاق لتقييم استجابة النظم البيئية للتغطية الكهروضوئية العائمة.
إقرأ أيضا:
قد تتأثر الاستخدامات المجتمعية للخزانات أيضًا بواسطة الخلايا الكهروضوئية العائمة.
إذا كان المشروع يتدخل في مصايد الأسماك، فإنه يمكن أن يقوض سبل عيش السكان المتضررين بالفعل من بناء الخزان.
على سبيل المثال، تعد بحيرة كاريبا، الواقعة على الحدود بين زامبيا وزيمبابوي، موطنًا لأكثر مصايد الخزانات إنتاجية في العالم،
وسيكون من الصعب نشر معدات الصيد الحرفي المستخدمة في حصاد السردين هناك بالقرب من أو تحتها مصفوفات فلطائية كبيرة.
من الصعب أيضًا التنبؤ بكيفية استجابة الشبكات الغذائية التي تدعم مصايد الأسماك للتظليل.
قد تشوه صفائف الطاقة الشمسية العائمة المشهد وتحد من الاستخدام الترفيهي للخزانات، مما يؤدي إلى انخفاض أسعار العقارات المحلية؛
ومن المحتمل أن يواجه مطورو الخلايا الكهروضوئية العائمة مقاومة من ملاك الأراضي القريبين.
يجب على علماء الاجتماع تصنيف مثل هذه المخاوف والعمل على الظروف التي من شأنها أن تجعل المشاريع الكهروضوئية الطافية مقبولة للجمهور.
التحديات التقنية يمكن أن تزيد التكاليف للمطورين.
فمن المحتمل أن يكون الحشف الحيوي للألواح بواسطة براز الطيور والأغشية الحيوية الميكروبية أكثر إشكالية على الماء منه على الأرض، ويمكن أن يقلل من إنتاج الخلايا الكهروضوئية.
قد يكون التنظيف المتكرر ضروريًا، مما يتطلب وصولاً سهلاً وآمنًا إلى الألواح.
عند خطوط العرض المرتفعة، يؤدي تكوين الغطاء الجليدي وانهياره إلى خلق قوى كبيرة غير متوقعة، مما يؤدي إلى تحديات تشغيلية وصيانة.
وفي المناطق التي تضربها الأعاصير المدارية، يمكن أن تخلق الرياح العاتية أمواجًا وتسبب أضرارًا.
في عام 2019، على سبيل المثال، ضرب إعصار تيفون مشروعًا فلطائيًا عائمًا على سد ياماكورا في اليابان؛ تراكمت الألواح في مهب الريح وأشعلت النار.
تقع بحيرتا Mead و Powell أكثر من 40 مترًا تحت مستوياتهما الكاملة بعد الجفاف المستمر في جنوب غرب الولايات المتحدة.
يمكن أن تتفاقم هذه التقلبات بسبب تغير المناخ.
من المحتمل أن تتجاوز احتياجات إمدادات مياه الشرب والري الرغبة في الحفاظ على مستويات مياه مستقرة للخلايا الكهروضوئية.
يجب تطوير الحلول الهندسية وأخذها في الاعتبار في تكاليف المشروع.
يجب الإعلان عن خطط معالجة هذه القضايا بحيث يمكن للصناعة والمجتمع التحرك بسرعة نحو الممارسات المقبولة للطرفين وتقييم واقعي لإمكانات الطاقة الكهروضوئية.
كما يحتاج الباحثون إلى نموذج التكاليف في ضوء الظروف في كل موقع ، وتوثيق النتائج بعد بدء المشاريع الكبيرة.
إلى جانب النمذجة، هناك حاجة إلى دراسات ميدانية تجريبية.
من غير الواقعي أن نفترض أن شركات الطاقة ستقوم بكل هذا العمل بنفسها.
يجب أن يتحرك العلم والسياسة بسرعة متساوية لضمان أن يكون هذا الاستخدام لخزانات العالم مستدامًا ومنصفًا.