اقتصاديات تغطية نظام المياه في كاليفورنيا بألواح شمسية

36

طاقة متجددة ، تبخر أقل ، صيانة أقل ، والمزيد.

تكبير / الكثير من أنظمة توصيل المياه في كاليفورنيا يتعرض للهواء. عامل رئيسي يقود كان نمو الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة هو اقتصاديات مشاريع الطاقة الشمسية الكبيرة على نطاق المرافق. يضمن حجم المصانع أن مطوريها يمكنهم شراء المكونات بكميات كبيرة ، واستخدام أجهزة أكبر وأكثر قوة ، وتركيب كل شيء بكفاءة. هذا في تناقض كبير مع معظم المنشآت الموزعة ، مثل الطاقة الشمسية على الأسطح. لكن هذه التركيبات تأتي مع سلبيات. غالبًا ما تحدث في الأراضي غير المستغلة ، والتي يمكن أن تعوض بعض مساهماتها الإيجابية في تغير المناخ ، خاصة إذا كانت الأرض التي يجب تطهيرها هي عزل الكربون. من الناحية المثالية ، سيكون من الأفضل إيجاد طريقة لخلط أفضل الميزات لكليهما – استخدام المواقع المطورة مسبقًا ، ولكن على نطاق يجعلها على قدم المساواة مع المنشآت المخصصة.

أحد الحلول التي تم طرحها (يقصد التورية) هو وضع الألواح على الخزانات. الخزانات كبيرة وتم تطويرها بالفعل ، وهناك فائدة جانبية تتمثل في تعويم الألواح على الماء: فهي تقلل من التبخر ، مما يحتمل أن يعزز قيمة الخزان. الآن ، قام الباحثون بفحص بديل: تغطية جميع قنوات المياه المفتوحة في كاليفورنيا ، والتي تزود واحدة من أكثر المناطق الزراعية إنتاجية على هذا الكوكب ، بالخلايا الكهروضوئية.

مزايا متعددة

يشير الباحثون هنا ، ومقرهم في فرعي جامعة كاليفورنيا في ميرسيد وسانتا كروز ، إلى نظام توصيل المياه في كاليفورنيا على أنه قنوات لأنها تقع على مستوى سطح الأرض. لكنهم لا يحملون أي حركة مرور بالقوارب ، ويميل السكان المحليون إلى تسميتها بالقنوات المائية ، نظرًا لتركيزهم على نقل المياه. يلعبون دورًا حاسمًا في أخذ المياه من مناطق الولاية التي تتراكم فيها (إلى حد كبير بسبب الجليد في الجبال) وإيصالها إلى المناطق الزراعية في الوادي الأوسط بالولاية. بغض النظر عن كيفية وصفك له ، هناك أكثر من 6000 كيلومتر من الممرات المائية متضمنة في هذا النظام ، وغالبًا ما يتم عرضه في مساحة 30 متر. بعبارة أخرى ، يمكن للنظام أن يستضيف مجموعة من الألواح الشمسية.

ولكن لكي تعمل المياه في هذه القنوات يجب أن تتحرك لتوصيل المياه إلى المواقع التي تحتاجها. لذا فليس الأمر بسيطًا أن يتم تعويم مجموعة من الألواح في الخزان. يفكر الباحثون في خيارين مختلفين لوضع الألواح على القناة: إما دعامة صلبة تثبتها فوق السطح أو كبل مثبت على كل بنك. هذا الأخير ينتج باستمرار نتائج أفضل ، لأنه يتضمن مواد خام أقل وأسهل في البناء ، لذلك سنتجاهل الخيار الأول. تم استخدام كلا الخيارين في الهند ، لذلك هناك بعض الخبرة في تشغيلهما.

في هذا التكوين ، يتوقع الباحثون أنه ستكون هناك فوائد متعددة لنظام قائم على القناة. أولاً ، ستظل الألواح المعلقة القناة وتقلل التبخر ، وبالتالي تزيد من إمداد المياه. سيؤدي ذلك أيضًا إلى تقليل نمو أي نباتات مائية وطحالب قد تجعل القناة موطنًا لها ، مما يقلل من الحاجة إلى الصيانة والتنظيف. أخيرًا ، ستعمل المياه الباردة نسبيًا في القناة على تلطيف درجة حرارة الألواح نفسها ، مما قد يؤدي إلى تحسين كفاءة بعض فئات الألواح الشمسية. (يفترض المؤلفون تركيب ألواح CadTel ذات الأغشية الرقيقة.)

كان السؤال هو ما إذا كانت هذه الفوائد الإضافية ستوازن التكلفة الإضافية لتعليق الألواح فوق القناة. لمعرفة ذلك ، قارن الباحثون اقتصاديات التثبيت بتلك الخاصة بالتثبيت القياسي على نطاق المرافق على التضاريس المجاورة. البيئة + الاقتصاد لم يكن اكتشاف ذلك عملية سهلة. يمتد نظام القناة في معظم أنحاء الولاية ، وستكون للألواح الموجودة في الطرف الشمالي منها ظروف بيئية مختلفة للغاية وستلتقط ضوءًا أقل من تلك الموجودة في الجنوب. ستؤثر هذه العوامل أيضًا على التبخر ، لذلك قام الباحثون بدمج نموذج بيئي في نظامهم. ووجدوا أيضًا عدة طرق لتقدير فقد المياه في الأدبيات ، لذلك استخدموا هذه الطرق لإنشاء نطاقات عالية ومنخفضة من المدخرات المتوقعة من التبخر.

أخيرًا ، تم إدخال كل هذه البيانات في حساب اقتصادي بناءً على ما يسمى صافي القيمة الحالية. تضمنت هذه العملية الحسابية تكاليف التركيب ، وقيمة المياه التي تم توفيرها ، وقيمة الكهرباء المولدة ، وقيمة صيانة القناة التي يمكن تجنبها. كل ذلك تم مقارنته بالقيمة الناتجة عن تركيب نظام معياري لمقياس المرافق يعمل في نفس الظروف المناخية وظروف ضوء الشمس.

بشكل عام ، كما هو مذكور أعلاه ، فإن أي نظام يستخدم دعامة صلبة لدعم اللوحة ينطوي على تكاليف تركيب كبيرة والتي ، في أحسن الأحوال ، ستخسر المال على أساس الطاقة المولدة في جميع المناطق المشمسة في الولاية. كان أداء الأنظمة المدعومة بالكابلات أفضل بكثير ، حيث قامت بتوليد طاقة ذات قيمة موجبة صافية حالية في جميع الظروف.
من الواضح أن الأنظمة لم تكن مربحة مثل تثبيت النظام المكافئ على الأرض. ولكن بمجرد النظر في صيانة القناة السفلية وزيادة كفاءة الألواح بسبب تأثير تبريد الماء ، تفوقت الأنظمة بشكل كبير على الألواح الأرضية في كل موقع تم فحصه. في المخطط الكبير للأشياء ، لم تكن قيمة المياه التي بقيت في النظام بفضل الألواح ذات أهمية كبيرة ؛ كان هناك موقع واحد في جنوب الولاية جعله ارتفاع أسعار المياه عاملاً أكبر.

قام الباحثون أيضًا بحساب التكلفة المعيارية للطاقة لكل موقع من المواقع. ولكن هنا ، لم يكن هناك فرق كبير بين الخيارات ، حيث أن زيادة كفاءة اللوحة بسبب التبريد من المياه القريبة انتهى بها الأمر إلى تعويض التكاليف الإضافية للتصاميم فوق القناة. ما وراء التكاليف

يترك عدم اليقين بشأن معدل التبخر مجموعة كبيرة من تقديرات توفير المياه ، من 40.000 متر مكعب من المياه إلى 250 مليون متر مكعب. هذا في أي مكان من حوالي دقيقة من التدفق من نهر ساكرامنتو إلى خليج سان فرانسيسكو إلى أقل قليلاً من خمسة بالمائة من حجم أكبر خزان للولاية. إنه ليس شيئًا ، لكنه لا يغير الحياة أيضًا.

ومع ذلك ، هناك عدد من الأشياء التي تجعل هذه الحسابات أكثر تعقيدًا مما قد يوحي به التحليل الاقتصادي. على سبيل المثال ، قد يؤدي توصيل الكابلات فوق القنوات إلى تعقيد الصيانة ، حتى لو لم يكن من الضروري إجراء الصيانة المذكورة في كثير من الأحيان. ولا توجد القنوات دائمًا بالقرب من المواقع التي سيكون من السهل توصيلها بشبكة كهرباء كاليفورنيا. على عكس الموقع الأكثر إحكاما ، فإن توصيل صف طويل ممتد من الألواح يمكن أن يضيف بشكل كبير إلى التكلفة. ولكن هناك أيضًا عوامل معادلة. على سبيل المثال ، خلال فترات الجفاف ، يمكن أن يرتفع سعر المياه بشكل كبير ، وبالتالي فإن المياه الإضافية في النظام ستأخذ بشكل متقطع قيمة أعلى بكثير. يمكن

أن تساعد مدخرات المياه أيضًا في الحد من انخفاض المياه الجوفية في ولاية كاليفورنيا ، والتي تسببت في جميع أنواع المشاكل في البنية التحتية للولاية ، بما في ذلك القنوات نفسها. أخيرًا ، يتم تشغيل الكثير من مضخات الري في الوادي الأوسط بمحركات الديزل ، وهي شديدة التلوث ، لذلك هناك احتمال أن تعمل الشبكات الشمسية المصغرة على الحد من التلوث واستخدام الوقود الأحفوري حتى لو لم يتم توصيلها الشبكة.

من نواح كثيرة ، ومع ذلك ، قيمة هذا العمل ليست بالضرورة خاصة بكاليفورنيا. من المحتمل أن يكون النموذج الذي تم تطويره هنا مفيدًا لأي سياق تكون فيه هذه الأنواع من التركيبات ممكنة ، مما يسمح للمواقع الأخرى بتقييم إمكانات – والمفاضلات – لهذا النهج في مجال الطاقة الشمسية.

استدامة الطبيعة
، 2021. DOI: 10.1038 / s41893-021-00693- 8 (حول DOIs).