رشد فزاینده انرژی خورشیدی شناور در دنیا و مزایا و محدودیت‌های این فناوری در ایران

به گزارش برق نیوز، امروزه با افزایش نیاز به منابع انرژی نو و پایدار، تکنولوژی‌های مبتنی بر انرژی خورشیدی به‌عنوان یکی از راه‌حل‌های مؤثر برای تولید انرژی به‌شدت موردتوجه قرار گرفته‌اند. یکی از این تکنولوژی‌ها، پنل‌های فتوولتائیک هستند که نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
علی‌رغم گسترش بسیار سریع انرژی خورشیدی و رسیدن به ظرفیت تجمیعی ۱۶۰۰ گیگاوات تا انتهای سال ۲۰۲۳، اما چالش‌هایی همچون کاهش بهره‌وری در دما‌های بالا و محدودیت‌های سطح زمین برای نواحی که فضای اشغال نشده محدود دارند، سبب عدم استفاده از این انرژی در برخی از نواحی متراکم دنیا شده است.
به دنبال این چالش‌ها، مفهوم «پنل‌های فتوولتائیک شناور بر سطح آب» به‌عنوان یک راهکار نوآورانه برای استفاده از فضای آب در دستور کار قرار گرفته است. انرژی خورشیدی شناور را می‌توان به‌صورت پنل­‌های خورشیدی نصب شده بر روی یک سیستم یا سازه شناور، روی سطح آب تعریف کرد. پنل‌های فتوولتائیک شناور به دلیل مزایای فراوان خود، موردتوجه بسیاری از محققان و سرمایه گذاران حوزه انرژی قرار گرفته‌اند.
از جمله مزایای این تکنولوژی می‌توان به نبود موانع سایه‌انداز، عدم اشغال زمین، خنک‌شوندگی بهتر پنل‌ها توسط آب و به‌تبع آن افزایش راندمان سیستم و همچنین نصب سریع و آسان این پنل­‌ها اشاره کرد. در دسترس نبودن زمین مناسب در نواحی پر تراکم، مهم‌ترین عامل استفاده از انرژی خورشیدی شناور است.
ژاپن پیشروترین کشور در زمینه احداث نیروگاه­‌های خورشیدی شناور بوده است. کمبود زمین در ژاپن و نیاز به تولید انرژی تجدیدپذیر از مهم‌ترین دلایل این کشور برای توسعه این نوع فناوری بوده است. در برخی از کشور‌ها همانند چین نیز، به سبب نبود زمین در نواحی پرجمعیت و کاهش هزینه‌­های انتقال برق، استفاده از پنل­‌های خورشیدی شناور رواج بسیاری یافته است.
علی‌رغم اینکه محرک ابتدایی برای استفاده از انرژی خورشیدی شناور، کمبود زمین مناسب در برخی از کشور‌ها بود، اما در حال حاضر تأثیر پنل­‌های شناور بر کاهش تبخیر آب در نواحی خشک، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در تحقیقی که در سال ۲۰۲۱ توسط محققان ایتالیایی انجام گرفت، مشخص شد که امکان کاهش تبخیر سالیانه آب به میزان ۷۰۰۰ الی ۱۰ هزار مترمکعب به‌ازای هر مگاوات پنل خورشیدی وجود دارد. همین امر سبب شده است که در برخی از نواحی که دچار تنش آبی هستند، طرح­‌های بزرگی از انرژی خورشیدی شناور در حوضچه سد‌ها و یا روی کانال‌های انتقال آب اجرا شود. برای مثال می‌توان به پروژه پوشش سطح کانال‌های انتقال آب در کالیفرنیا اشاره کرد.
انرژی خورشیدی شناور یک فناوری نسبتاً جدید است که در چند سال گذشته رشد سریعی را تجربه کرده است. نرخ رشد سالانه پیش‌بینی‌شده انرژی خورشیدی شناور ۲۲ درصد است. پیش‌بینی می‌شود که بازار انرژی خورشیدی شناور جهانی تا سال ۲۰۳۱ از آستانه ۶ گیگاوات ظرفیت جدید در سال فراتر رود.
بر اساس داده‌های سولار پاور اروپا، در سال ۲۰۲۲ ظرفیت تجمعی جهانی انرژی خورشیدی شناور به ۵.۷ گیگاوات رسید که روند روبه‌رشد فناوری انرژی خورشیدی شناور را در مقیاس جهانی نشان می‌دهد. این نشان‌دهنده استقبال احتمالی این فناوری در سراسر جهان است.
بر اساس اطلاعات درج شده در پایگاه خبری بلومبرگ، ظرفیت تجمیعی انرژی خورشیدی شناور در پایان سال ۲۰۲۳ به ۱۳ گیگاوات رسیده است که بیش از دوبرابر سال ۲۰۲۲ است.

تاریخچه ظرفیت و بازار نیروگاه­‌های خورشیدی شناور
اولین سیستم خورشیدی شناور در سال ۲۰۰۷ در ژاپن و به دنبال آن در کشور‌های دیگر از جمله فرانسه، کره جنوبی و ایالات متحده ساخته شد. همه این کشور‌ها تأسیسات کوچک خورشیدی شناور را برای اهداف تحقیقاتی آزمایش کردند. سرانجام، اولین نیروگاه تجاری خورشیدی شناور یک سیستم ۱۷۵ کیلوواتی بود که در سال ۲۰۰۸ در کالیفرنیا ساخته شد. در سال ۲۰۲۲، بزرگ‌ترین نیروگاه خورشیدی شناور جهان در چین (شاندونگ) با ظرفیت عملیاتی ۳۲۰ مگاوات به شبکه متصل شد.
تا سال ۲۰۱۵، کل انرژی خورشیدی شناور نصب شده در سراسر جهان زیر ۱۰۰ مگاوات بود. بااین حال، ظهور بازار‌های جدید در آسیای جنوب شرقی و اجازه استفاده از سایت‌های معدنی سیل‌زده در چین، سبب شکوفایی این صنعت شد. از سال ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۷، ظرفیت نصب شده تجمعی خورشیدی شناور، ۷۴۳% افزایش یافت و از ۷۰ مگاوات به تقریباً ۶۰۰ مگاوات رسید و در سال ۲۰۱۸ به ۱.۱ گیگاوات رسید که تقریباً دو برابر ظرفیت نسبت به سال ۲۰۱۷ بود. به دنبال این سیر صعودی، انرژی خورشیدی شناور در جهان با نرخ رشد متوسط سالیانه ۵۱% درصد از سال ۲۰۱۹ تا پایان سال ۲۰۲۲ گسترش یافت.
این امر نشان‌دهنده افزایش متوسط قابل توجه سالانه در تأسیسات است. تنها در سال ۲۰۲۲، ۲.۳ گیگاوات در سراسر جهان نصب شد که به ۵.۷ گیگاوات ظرفیت تجمعی رسید.
بزرگ‌ترین بازار انرژی خورشیدی شناور جهان در چین است، با تقریباً ۷۰ درصد از ظرفیت کل (در سال ۲۰۲۲ نزدیک به ۴ گیگاوات)، و مابقی به ژاپن و کره و پس از آن به اروپا اختصاص دارد. برای آینده، انتظار می‌رود که نیروگاه­‌های خورشیدی شناور با سرعت ثابتی رشد کنند، زیرا کمبود زمین و افزایش هزینه‌های زمین برای پروژه‌های خورشیدی، همچنان به تقاضا برای انرژی خورشیدی شناور نیرو می‌بخشند.
بانک جهانی در سال ۲۰۱۸ تخمین زد، درصورتی‌که ۱۰ درصد از سطح کل مخازن آب شیرین ساخته دست بشر استفاده شود، پتانسیل فنی جهانی برای انرژی خورشیدی شناور اندکی بیش از ۴ تراوات خواهد بود (۳ برابر ظرفیت خورشیدی نصب شده تا انتهای سال ۲۰۲۳). تحقیقات جدید نشان دادند در صورتی که ۲۵ درصد از سطح آب پشت سد‌ها با پنل‌های خورشیدی پوشانده شوند، امکان دستیابی به ۴.۵ تراوات انرژی الکتریکی در هر ساعت وجود دارد.
در نیروگاه خورشیدی شناورارزش زمین حذف شده است؛ اما موقعیت مخزن و تأثیرات لجستیکی ممکن است تأثیر زیادی بر قیمت تمام شده داشته باشد. عمق آب، تغییرات سطح آب، جنس کف مخازن، طریقه شناورسازی و مهار پنل­‌ها تأثیر قابل‌توجهی بر هزینه تمام شده دارد. در سال ۲۰۲۲ در پروژه‌های مگاواتی هزینه تمام شده در حدود یک دلار در هر وات پنل بوده است. درحالی‌که پروژه‌­های بزرگ زمینی در حدود ۰.۵۵ دلار در هر وات پنل بوده است.
انرژی خورشیدی شناور در آب‌های فراساحلی، هنوز در مراحل ابتدایی توسعه خود است. این فناوری به طور مداوم در حال توسعه است و حدود ۲۵ پروژه در سراسر جهان در مرحله آزمایشی هستند که عمدتاً در اروپا واقع شده ­اند و در مجموع ظرفیت تخمینی ۲۰ مگاوات دارند. علی‌رغم مواجهه با چالش‌های بیشتری نسبت به انرژی خورشیدی شناور در آب­های ساکن، انرژی خورشیدی شناور فراساحلی می‌تواند بخش بزرگی از نیاز انرژی کشور‌هایی که به آب­های آرام استوایی دسترسی دارند را فراهم کند. به‌عنوان مثال، تحقیقات نشان می­‌دهد که کشور اندونزی توان تولید بالقوه حدود ۳۵ هزار تراوات ساعت انرژی خورشیدی شناور فراساحل در سال را دارد که تقریباً برابر با کل مصرف برق این کشور است.

مزایا و معایب انرژی خورشیدی شناور
مواردی مانند حذف ارزش زمین، افزایش راندمان پنل­‌های خورشیدی به جهت کاهش دمای سطح پنل‌ها، کاهش تبخیر آب، کاهش رشد جلبک­ها به جهت دریافت نور خورشید کمتر و به‌تبع آن فتوسنتز کمتر به‌عنوان مهم‌ترین مزایای استفاده از سیستم­‌های خورشیدی شناور یاد می­شوند. در کنار این مزایا می­توان به معایبی همانند پیچیدگی مهار پنل‌ها و حساسیت بیشتر به طوفان، پیچیدگی در سیستم­های برق‌رسانی به جهت مجاورت با آب، هزینه اولیه و هزینه تعمیرات و نگهداری بالاتر اشاره نمود.
طریقه مهار سازه سیستم خورشیدی شناور به عوامل مختلفی مانند عمق مخزن، سرعت باد بیشینه، ارتفاع امواج، ابعاد سیستم و ... بستگی دارد.
باتوجه‌به تحقیقات صورت‌گرفته، تأثیرات منفی انرژی خورشیدی شناور در دریاچه‌­های بسته و استخر‌های کشاورزی یا آبزی‌پروری بسیار محتمل است. درصورتی که پنل‌های شناور مانع تبادل اکسیژن بین سطح آب و محیط اطراف شوند، سبب بروز شرایط بی‌هوازی شده که باکتری­‌های داخل آب، شیمی و اکوسیستم آب را تحت‌تأثیر قرار می‌­دهند.
درصورتی که سطح پوشش پنل‌های شناور بسیار بالا باشد، اکوسیستم آب به دلیل عدم دریافت تشعشع خورشید و تغییرات دما از شرایط طبیعی خود فاصله می‌­گیرد. ریسک آلودگی شیمیایی آب به دلیل نشت اتفاقی یا تدریجی مواد شیمیایی در پروسه‌های نصب، نگهداری و تعمیرات پنل‌های شناور بسیار محتمل است.
باتوجه به مجاورت سیستم مذکور با محیط آبی خوردگی افزایش خواهد یافت. همچنین بایستی تدابیر ایمنی بیشتری برای سیستم‌های الکتریکی در نظر گرفت. امکان خرابی قابل‌توجه و آتش‌سوزی در اثر طوفان نیز نسبتاً زیاد است. برای نمونه می­توان به آتش­ سوزی و تخریب نیروگاه ۷/۱۳ مگاواتی ژاپن در سال ۲۰۱۹ به دلیل سرعت باد ۱۲۰ مایل بر ساعت و آتش­سوزی جزئی در نیروگاه ۱۷ مگاواتی جنوب فرانسه در سال ۲۰۲۲ پس از چندین روز باد شدید و اصطکاک زیاد در کابل­ها اشاره داشت.

مزیت انرژی خورشیدی شناور در ایران
میزان بارندگی سالانه در کشور ما به طور میانگین، ۲۵۰ میلی‌متر است که در مقایسه با میزان متوسط جهانی (حدوداً ۸۵۰ میلی‌متر) تقریباً یک سوم است. از طرفی متوسط ظرفیت تبخیر در ایران با مقدار ۲۱۰۰ میلی‌متر به طور تقریبی سه برابر متوسط ظرفیت تبخیر سالانه جهانی با مقدار ۷۰۰ میلی‌متر است.
باتوجه‌به میزان بسیار زیاد تلفات آب در کشور و تبخیر بیش از سه میلیارد مترمکعب در سال از سد‌های کشور، لازم است که تدابیری جهت کاهش تلفات آب تحت اثر تبخیر اتخاذ شود. کاهش سطح تماس آب با پرتو‌های خورشید به‌عنوان یکی از اصلی‌­ترین راهکار‌های کاهش تبخیر پیشنهاد شده است. استفاده از پنل‌های خورشیدی شناور می‌تواند به طور همزمان نیاز بسیار زیاد کشور به انرژی برق را تا حدودی مرتفع کند و همچنین تبخیر آب را به میزان مطلوبی کاهش دهد.
باتوجه به وجود زمین کافی در کشور و قیمت تمام شده بالاتر انرژی خورشیدی شناور، استفاده از انرژی خورشیدی شناور تنها در صورتی صرفه اقتصادی خواهد داشت که ارزش‌گذاری میزان آب تبخیر نشده توسط وزارت نیرو و دولت در قیمت برق خریداری شده از مالکان نیروگاه خورشیدی شناور به‌درستی انجام پذیرد.

محمد چمنی عضو هیئت علمی پژوهشگاه نیرو