آیا مزارع خورشیدی شناور، کاربردی‌ترین فناوری سبز را ارائه می‌دهند؟

جامعه خورشیدی

ایده استفاده از مزارع خورشیدی شناور چند سالی است مطرح شده است، زیرا صاحبان صنایع بزرگ متوجه شده‌اند که می‌توانند بدون قرار دادن پنل‌های خورشیدی بر روی سقف ساختمان‌ها از انرژی خورشید استفاده کنند. این نوع مزارع خورشیدی که گاهی‌اوقات به‌عنوان باغ خورشیدی یا خورشید بدون سقف شناخته می‌شوند، مزارعی هستند که توانایی تامین انرژی چندین خانوار را به‌شکل همزمان دارند. این باغ‌های خورشیدی شبیه به مزارع خورشیدی هستند، اما اغلب اندازه کوچک‌تری دارند. در این حالت، مصرف‌کنندگان می‌توانند سهمی از یک باغ خورشیدی را خریداری کنند و مالک آن بخش از مجموعه باشند یا این‌که می‌توانند به میزان مصرف، انرژی را اجاره کنند و شبیه به پرداخت‌های ماهانه قبوض آب و برق، هزینه استفاده ماهانه از این انرژی را پرداخت کنند که معمولا مقرون‌به‌صرفه‌تر است. مزارع خورشیدی محلی، تاسیسات خورشیدی در مقیاس کوچک هستند که نزدیک به 5 مگاوات برق در اختیار خانه‌ها و مشاغل قرار می‌دهند. در این حالت، انرژی میان همه مصرف‌کنندگانی که قصد استفاده از آن‌را دارند، تقسیم می‌شود. شیوه کار پنل‌های خورشیدی به این صورت است که پنل‌ها در یک قسمت باز و بزرگ منطقه‌ای نصب می‌شوند که بالاترین میزان جذب نور خورشید را دارد. در ادامه، انرژی خورشیدی به شبکه بزرگ‌تر برق منطقه وارد می‌شود. در ادامه، افرادی که مشترک برنامه خورشیدی شده‌اند، قادر هستند از این انرژی طبیعی استفاده کنند. این رویکرد با فناوری موسوم به نت‌سنجی شبکه مجازی (Virtual Net Metering) امکان‌پذیر است. در روش فوق، شرکت فروشنده انرژی، صورت‌حساب شما را برای مقدار برقی که مزرعه خورشیدی محله شما تولید می‌کند، متناسب با مصرف انرژی خانه شما تنظیم می‌کند.

به‌طور کلی، باید بگوییم مزرعه خورشیدی در مقیاس کاربردی که اغلب به‌عنوان نیروگاه خورشیدی شناخته می‌شود، یک مزرعه خورشیدی بزرگ است که از پنل‌های خورشیدی زیادی تشکیل شده و متعلق به شرکتی است که برق را به شبکه ارسال می‌کند. بسته به موقعیت جغرافیایی تاسیسات، برق تولیدشده در این مزارع یا از طریق قرارداد خرید برق (PPA) به خریداران برق فروخته می‌شود یا به‌شکل مستقیم متعلق به یک شرکت برق است. فارغ از ساختار دقیق، مشتری اصلی انرژی خورشیدی، شرکت برق است که برق تولیدشده را بین مشتریان مسکونی، تجاری و صنعتی متصل به شبکه توزیع می‌کند. با این‌حال، همان‌گونه که مشاهده خواهیم کرد، مزارع و باغ‌های خورشیدی با محدودیت‌هایی در زمینه استقرار و کاربری روبه‌رو هستند. همین مسئله باعث شده تا شرکت‌ها به سراغ پنل‌های خورشید قابل نصب روی آب بروند. 

پنل‌های خورشیدی قابل استقرار روی آب‌ 

دو سوم سطح زمین را آب فرا گرفته، اما به‌رغم تمام وعده‌های داده‌شده و ظرفیت بالایی که فتوولتائیک‌ها در کشورهای پیشرفته‌ مثل ایالات متحده دارند، میزان استفاده از آن‌ها تنها 2 درصد است. فتوولتائیک‌ها می‌توانند مشکلاتی را که پنل‌های خورشدی سنتی دارند برطرف کنند. از محدودیت‌های پیرامون پنل‌های خورشیدی باید به استفاده اختصاصی از زمین، توزیع انرژی و پراکندگی گرما اشاره کرد. این فناوری امید‌بخش می‌تواند به پیاده‌سازی مقررات هیدرولوژیک برای کانال‌ها، ذخایر و منابع طبیعی آبی در مناطق مستعد خشکسالی کمک کند. در شرایطی که انرژی خورشیدی ارزان‌ترین منبع تامین الکتریسیته تجدیدپذیر در جهان به‌شمار می‌رود، چگالی انرژی آن در مقایسه با سوخت‌های فسیلی کمتر و وابستگی آن به فضایی برای استقرار پنل‌های خورشیدی زیاد است. به‌طور متوسط، مزارع متداول خورشیدی، به ازای تولید هر وات انرژی به فضای بیشتری نسبت به سوخت‌های فسیلی نیاز دارند. به‌عنوان مثال، چگالی انرژی گاز طبیعی به‌طور تقریبی 80 برابر انرژی خورشیدی است. همین مسئله باعث شده تا مخالفت‌هایی درباره احداث مزارع خورشید به‌وجود آید. مخالفان، با ذکر دلایلی مثل کاهش قیمت املاک و زمین‌ها، آسیب به زیست‌گاه طبیعی جانوران و ازدست‌رفتن زمین قابل کشت، به مزارع خورشیدی به چشم یک آفت کشاورزی نگاه می‌کنند. 

نیروگاه‌های خورشیدی شناور

سامانه پنل خورشیدی که به‌منظور شناور بودن روی سطح آب ساخته می‌شود، نیاز به زمین برای تولید انرژی تجدیدپذیر را برطرف می‌کند. طراحان پروژه‌ها می‌توانند پنل‌های فتوولتائیک‌ را با توجه به مکانی که قرار است مورد استفاده قرار گیرند به هر شکلی طراحی کرده و نصب کنند. سطوح مناسب آبی برای پنل‌های فتوولتائیک‌ها، شامل حوضچه‌های ساحلی، دریاچه‌ها، ذخایر، تالاب‌ها یا مناطق دور از سواحل است (شکل 1). 

شکل 1-  سیستم جدید پنل خورشیدی شناور که در آمریکا نصب شده است.
 

استفاده بهینه از این مناطق آبی، مشکل غیرقابل استفاده شدن زمین‌ها را برطرف می‌کند و فضای بیشتری را برای کشاورزی، احداث زیرساخت‌ها و کاربردهای دیگر به‌وجود می‌آورد. 

پنل‌های فتوولتائیک‌ علاوه بر بازدهی بیشتر در مقایسه با مزارع خورشیدی سنتی، افزایش بازدهی نیروگاه‌های برق آبی را به‌همراه دارند. هنگامی که پنل‌های فتوولتائیک‌ در مخازن سدها نصب می‌شوند، میزان تبخیر آب پشت سد را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. علاوه بر این، نزدیکی تاسیسات شبکه برق نیروگاه‌های برق‌آبی به پنل‌های فتوولتائیک،‌ هزینه اتصال به شبکه برق را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. هفت کشور صنعتی دنیا موسوم به گروه G7 و کشورهای اعضای سازمان همکاری و توسعه‌ اقتصادی که شامل کشورهای متعهد به اقتصاد آزاد هستند، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای را در اولویت خود قرار داده‌اند. سال گذشته، ایالات متحده اعلام کرد که در یک پروژه بلندمدت، بخش تولید برق در این کشور تا سال 2035 به انتشار کربن صفر دست پیدا می‌کند. بخش بزرگی از این برنامه شامل استفاده از انرژی تجدیدپذیر خورشیدی است. فناوری فتوولتائیک می‌تواند نقش موثری در استفاده از انرژی‌های سبز با وجود هزینه‌ اولیه‌ بالای این فناوری داشته باشد (شکل 2).

شکل 2-  عکسی که در ژانویه سال 2021 گرفته شده و یک مزرعه‌ شناور خورشیدی در دریا، نزدیک سواحل شمالی سنگاپور را نشان می‌دهد.

آسیا، پیشگام در زمینه استفاده از پنل‌های خورشیدی شناور

در شرایطی که مزایای فتوولتائیک برای مردم ایالات‌متحده چندان آشنا نیست، در شرق آسیا، جائی که اغلب زمین‌های قابل‌ استفاده به ساختمان‌سازی، احداث صنایع و کشاورزی اختصاص یافته، استفاده از فناوری مزارع خورشیدی شناور باعث تغییر اولویت‌گذاری در زمینه‌ تولید انرژی شده است.

به‌طور مثال، در سال 2007 میلادی، اولین نیروگاه خورشیدی شناور به‌شکل آزمایشی در آیچی ژاپن راه‌اندازی شد. درحال‌ حاضر، چین کشور پیشرو در زمینه توسعه‌ تاسیسات فتوولتائیک در آسیا است و پس از آن کشورهای هند و کره‌ جنوبی قرار دارند. در شرایطی که ژاپن بیشترین تعداد پروژه‌های فتوولتائیک تمام‌شده در مقیاس جهانی را به ‌خود اختصاص داده، اما کشورهای اندونزی، ویتنام، تایلند و مالزی به بازار نوظهور ساخت نیروگاه‌های خورشیدی شناور تبدیل شده‌اند. بانک توسعه‌ آسیا که حامی اصلی توسعه‌ این فناوری در آسیا است در سال 2018 و با شروع برنامه‌ توسعه‌ محلی فتوولتائیک که یکی از پروژه‌های متعلق به این بانک است، همراه با استفاده از انرژی فتوولتائیک در شرق آسیا سود چشم‌گیری داشت (شکل 3). 

شکل 3-  کارگری که در حال کشیدن یک کابل در امتداد پنل خورشیدی شناور است.

محدودیت‌های فناوری پنل‌های خورشیدی شناور

با وجود علاقه فراوان به فناوری فتوولتائیک هنوز موانعی بر سر راه توسعه‌ آن وجود دارد. با این‌که مزارع خورشیدی شناور عمری در حدود 20 تا 30 سال دارند، زنگ‌زدگی تجهیزات می‌تواند عملکرد آن‌ها را کاهش دهد. همچنین، هزینه‌های نگه‌داری، به‌ویژه در آب‌های شور، به میزان قابل توجهی زیاد است. از طرف دیگر احداث فتوولتائیک‌ بین 10 تا 15 درصد هزینه‌ بیشتری نسبت به پنل‌های خورشیدی زمینی دارد. یکی از مشکلات نیروگاه‌های خورشیدی تولید غیرمستمر برق است، موضوعی که در مورد نیروگاه‌های خورشیدی شناور نیز صادق است. تولید انرژی از طریق مزارع خورشیدی در صورت آفتابی نبودن هوا وجود ندارد؛ در این حالت، فشار مضاعفی به شبکه‌ برق وارد می‌شود. 

توسعه‌ فناوری باتری‌‌ها برای استفاده درست از فتوولتائیک، یک فرصت و یک گلوگاه به‌‌شمار می‌رود. تمام تاسیسات نیروگاه خورشیدی شناور، به‌ویژه در تاسیسات نیروگاهی، نیازمند تجهیزات ذخیره‌‌سازی انرژی مخصوصی هستند. از این‌رو، تولید انرژی خورشیدی در صورت توسعه‌ فناوری‌های پیشرفته‌تر قابلیت ذخیره‌‌سازی انرژی را بیشتر می‌کند. در همین خصوص، شرکت‌هایی مثل تسلا، وستینگ‌هاوس و جنرال‌موتورز در زمینه‌ توسعه‌ نسل جدید باتری‌ها در جهان در حال تحقیق و توسعه هستند. 

نیاز جهان به استفاده از نیروگاه‌های خورشیدی زمینی با هدف کاهش گازهای گلخانه‌ای باعث شده تا وضعیت تولید انرژی در کشورهای مختلف با چالش جدی روبه‌رو شود. علاوه بر این، رقابت بر سر تولید پنل‌های خورشیدی در جهان میان ایالات متحده و چین به این بحران دامن زده است. با این‌حال، امنیت زنجیره‌ تامین تاسیسات فتوولتائیک یک فرصت سرمایه‌گذاری استثنائی برای توسعه‌ متقابل ایجاد کرده که می‌تواند به میزان زیادی این مشکلات را برطرف کند. 

کارخانه‌های تولیدکننده پنل‌های خورشیدی شناور در کشورهایی مثل سنگاپور، کره جنوبی، اندونزی و ژاپن می‌توانند جایگزین واردات از چین شوند و به تقویت امنیت زنجیره‌های تامین کمک کنند. شرکت‌هایی مثل هانوا سیلوشنز (Hanwha Solutions) کره جنوبی و کیوسرا (Kyocera) ژاپن آماده ورود به بازارهای جهانی هستند. علاوه بر این، بازیگران بزرگی در اروپا وجود دارند که می‌توانند به این بازار وارد شوند. به‌طور مثال، بزرگ‌ترین شرکت فعال در صنعت پنل‌های شناور، شرکت فرانسوی Ciel & Tierre International، نقش مهمی در این زمینه دارد. 

این‌گونه به‌نظر می‌رسد که آینده‌ انرژی‌های تجدید‌پذیر به‌شکل فزاینده‌ای تحت‌ تاثیر محدودیت‌های زیست‌محیطی، به‌ویژه محدودیت در استفاده از زمین، قرار خواهد گرفت. مزارع خورشیدی و بادی اکنون با چالش‌های مختلفی روبه‌رو هستند. به همین دلیل، فناوری فتوولتائیک با استفاده از سطوح بلاستفاده‌ منابع آبی، قادر است راه‌حل امیدوارکننده‌ای در این زمینه ارائه کند. 

پنل‌های خورشیدی شناور می‌توانند مشکلات مربوط به زنجیره تامین، استفاده موثر از زمین و چالش‌های دیگر را برطرف ‌کنند. فتوولتائیک یکی از آینده‌دارترین و کاربردی‌ترین فناوری‌های انرژی سبز، به‌ویژه در کشورهایی به‌شمار می‌رود که دارای منابع آبی فراوان مانند رودها و دریاچه‌ها هستند.