Стоимость солнечной энергии резко упала за последнее десятилетие, что делает ее самым дешевым источником электроэнергии во многих странах мира. Очевидно, что это может означать более дешевую электроэнергию. Но это также означает, что мы потенциально можем устанавливать панели в местах, которые в противном случае были бы слишком дорогими, и при этом производить электроэнергию с прибылью.
Один из наиболее интересных вариантов - разместить панели над искусственными водоемами, плавающими или подвешенными на тросах. Несмотря на то, что они дороже, чем наземные установки, это создает беспроигрышный вариант: панели ограничивают испарение воды, а вода охлаждает панели, позволяя им работать более.
Хотя потенциал плавающих солнечных батарей был изучен в ряде мест, группа исследователей провела глобальный анализ и обнаружила, что он огромен. Даже если мы ограничим установку частью поверхности существующих резервуаров, плавающие панели могут вырабатывать около 10 000 ТераВатт-часов в год, сохраняя при этом более 100 кубических километров воды от испарения.
Выход на глобальный уровень
Международная команда исследователей, стоящая за новой работой, признает, что они далеко не первые, кто изучает потенциал плавающих солнечных батарей. Но большинство предыдущих анализов были ограничены одной страной или одной системой водохранилищ. Новая работа отличается тем, что она выходит на глобальный уровень и использует современную модель фотоэлектрических характеристик в различных условиях окружающей среды, разработанную Национальной лабораторией Sandia Министерства энергетики США. Команда также получила данные о температурах, солнечной радиации и скорости ветра за два десятилетия от двух разных спутниковых систем наблюдения Земли.
Исследователи отмечают, что плавающие солнечные панели на водохранилищах имеют ряд преимуществ, помимо охлаждения панелей и снижения потерь воды. Во-первых, вы не жертвуете поверхностью земли, чтобы покрыть ее панелями. В то время как панели будут блокировать попадание света в воду и потенциально могут вызвать проблемы для любых экосистем, которые там развились, это также может помочь ограничить вредное цветение водорослей в системах водоснабжения.
Еще одним преимуществом является то, что многие водохранилища находятся близко как к энергозатратным населенным пунктам, так и к сетям, которые их обслуживают, что облегчает использование вырабатываемой там электроэнергии. Наконец, многие водохранилища связаны с гидроэлектростанциями, и двумя источниками энергии можно управлять как единым целым для поддержания стабильного уровня производства круглосуточно и при любых погодных условиях.
Чтобы помочь сохранить экосистемы в водохранилищах и использовать водохранилища для отдыха, исследователи ограничили площадь, которая будет покрыта панелями, максимум 30 процентами его поверхности или 30 квадратными километрами.
Почувствуйте силу
В глобальном масштабе количество электроэнергии, которое может быть произведено, составляет около 9 400 ТераВатт-часов в год. Для сравнения, мировое потребление электроэнергии составляет около 22 800 ТВтч, что означает, что плавающие солнечные батареи могут обеспечить более 40 процентов мировых потребностей в электроэнергии. Ограничение покрытия поверхности резервуара 10 процентами — довольно значительное сокращение — все равно позволит производить 4300 ТВтч.
Очевидно, что этот потенциал распределен неравномерно, и такие страны, как Канада и Северные страны, получают меньше солнечного света, чтобы извлечь из этого выгоду. Крупнейшим победителем в области плавающих солнечных батарей станут США, которые имеют потенциал для производства 1900 ТВтч при ограничениях 30/30. США используют около 3900 ТВтч в год, так что это составляет чуть менее половины их потребления электроэнергии. По состоянию на прошлый год, существующие возобновляемые источники энергии и ядерная энергия обеспечивали около 40 процентов нашего энергобаланса, так что это будет иметь большое значение для обезуглероживания энергосистемы, если мы сможем управлять необходимым хранилищем.
По порядку, остальные 10 стран с потенциалом плавающей солнечной энергии - это Китай, Бразилия, Индия, Канада, Россия, Мексика, Австралия, Турция и Южная Африка. Очевидно, что в этом списке содержится ряд стран, которым потребуется приложить немало усилий для обезуглероживания. И, на данный момент, только три из них (Бразилия, Китай и Индия) имеют сколько-нибудь значительные плавающие солнечные батареи.
Исследователи также подсчитали, что есть 40 стран, которые могут полностью удовлетворить свои текущие потребности в энергии за счет плавающих солнечных батарей, хотя, опять же, хранение остается проблемой. Хотя многие из них небольшие и имеют экономику, которая все еще развивается, в список, в частности, входит Бразилия с большой экономикой и спросом на энергию. Анализ также показывает, что существует около 150 городов с населением более миллиона человек, которые могут полностью удовлетворить свои потребности в электроэнергии за счет солнечной энергии на близлежащих водохранилищах.
Борьба с жарой
Когда дело доходит до экономии воды, панели будут иметь эффект значительно больший, чем предполагает их 30-процентное покрытие. Это потому, что они действуют, понижая температуру воды, а не просто блокируя солнечный свет. В результате испарение снижается примерно на 45 процентов. В целом, снижение испарения составляет примерно 100 кубических километров воды в год, чего, по словам авторов, достаточно для удовлетворения потребностей около 300 миллионов человек.
Они специально ссылаются на страны с высокой численностью населения и нехваткой воды, которые могут извлечь выгоду, такие как Египет и Южная Африка. Последняя, по их оценкам, может генерировать 144 из 205 ТВтч годового потребления электроэнергии с помощью плавающих солнечных батарей и избежать потери 1,6 кубических километров воды на испарение.
Опять же, все это будет дороже, чем простая установка панелей на суше, где многолетний опыт позволил снизить значительную часть затрат на строительство солнечных электростанций. Здесь также есть компромисс в эффективности. Почти все современные наземные панели увеличивают свою выработку, отслеживая движение Солнца по небу. Это будет намного сложнее сделать в плавучей системе, а наклон панелей, вероятно, приведет к значительному испарению.
Эти дополнительные затраты будут сбалансированы с учетом факторов, которые трудно поддаются количественной оценке, таких как обеспечение достаточного водоснабжения для различных пользователей и ограничение освоения ранее незанятых земель. Необходимо будет разобраться с затратами и неопределенностями, чтобы сделать плавающие солнечные батареи чем—то большим, чем ошибка округления - в глобальном масштабе ожидается, что до 2027 года установленная мощность не превысит 5 гигаватт. Только в этом году США, вероятно, задействуют почти в шесть раз больше мощностей.