Pokrycie 10 proc. światowych zbiorników wodnych pływającymi ogniwami fotowoltaicznymi pozwoliłoby na zainstalowanie takiej mocy elektrycznej, jaką obecnie dysponują elektrownie wykorzystujące paliwa kopalne.

Aby obniżyć emisyjność energii elektrycznej, panele słoneczne muszą zostać rozmieszczone na ogromnych obszarach na całym świecie – pisze redakcja Nature.com. Do 2050 roku w Stanach Zjednoczonych może być potrzebnych nawet 61 tys. kilometrów kwadratowych paneli słonecznych – to obszar większy niż Niderlandy. Kraje o niewielkiej powierzchni, takie jak Japonia i Korea Południowa, będą musiały przeznaczyć 5 proc. swojej ziemi na farmy słoneczne.

Gdzie umieścić te panele? Panuje ostra konkurencja o grunty, które są również potrzebne do produkcji żywności i ochrony bioróżnorodności. Jednym z pojawiających się rozwiązań jest umieszczanie pływających paneli słonecznych (tzw. floatowoltaiki) na zbiornikach wodnych.

Idea pływających ogniw słonecznych jest bardzo obiecująca, a liczba instalacji i inwestycji w tym zakresie szybko rośnie. Nadal jednak pozostaje wiele niewiadomych dotyczących wpływu tej technologii na środowisko, a także jej wymiaru społecznego, technicznego i ekonomicznego.

Najlepsze lokalizacje dla paneli

Energia słoneczna zajmuje dużo miejsca. Do wyprodukowania jednego gigawata (GW) energii elektrycznej potrzeba co najmniej 20 razy więcej powierzchni niż w przypadku konwencjonalnych elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi.

Pustynie są dobrze nasłonecznione i nie mają dużej konkurencji w zakresie użytkowania gruntów. Jednak nawet tutaj istnieją kompromisy. Przykładowo na Saharze ciemny kolor dużych połaci paneli słonecznych zmieniłby lokalne temperatury i globalne wzorce przepływu powietrza w sposób, który mógłby spowodować m.in. susze w Amazonii oraz zanik lodu morskiego w Arktyce. Budowa elektrowni słonecznych na pustyni Mojave na południowym zachodzie USA odbiła się na rośnięciu kaktusów, które są kulturowo ważne dla rdzennych mieszkańców Ameryki Północnej. Z logistycznego punktu widzenia trudno jest dostarczyć energię z odległych regionów pustynnych do miejsc, w których jest ona potrzebna.

Kolejną obiecującą możliwością są pola uprawne, ale naukowcy dopiero zaczynają rozumieć, w jaki sposób połączenie paneli słonecznych z uprawami w systemach agrokultury wpłynie na produkcję żywności. Dobrym rozwiązaniem są także dachy, parkingi i autostrady, ale ich skala jest ograniczona.

Floatowoltaika – co to jest?

Umieszczenie baterii słonecznych na zbiornikach wodnych może mieć wiele zalet. Są to po prostu konwencjonalne panele słoneczne zainstalowane na pływakach, które są zakotwiczone za pomocą lin cumowniczych. Bliskość wody sprawia, że są one chłodniejsze, dzięki czemu panele pływające są o około 5 proc. bardziej wydajne niż panele lądowe. Układy paneli osłaniają powierzchnię wody przed słońcem i mogą ograniczyć parowanie, zatrzymując wodę do celów hydroenergetycznych, pitnych czy też nawadniania. Zbiorniki hydroenergetyczne posiadają już infrastrukturę sieciową do przesyłania energii elektrycznej do odbiorców, co zmniejsza koszty przesyłu.

Floatowoltaika może zmniejszyć intensywność emisji dwutlenku węgla (emisji na jednostkę wyprodukowanej energii) w przypadku niektórych elektrowni wodnych. Wiele elektrowni wodnych jest równie niskoemisyjnych jak inne źródła odnawialne. Jednak w przypadku niektórych projektów z gnijącej zanurzonej materii roślinnej uwalniana jest tak duża ilość metanu – silnego gazu cieplarnianego – że mogą one emitować tyle samo węgla na jednostkę energii, co elektrownie wykorzystujące paliwa kopalne. W przypadku niektórych z tych obiektów umieszczenie paneli słonecznych na zaledwie 2 proc. powierzchni zbiornika mogłoby podwoić produkcję energii elektrycznej, a tym samym zmniejszyć o połowę intensywność emisji dwutlenku węgla.

Na razie pływające ogniwa fotowoltaiczne stanowią niewielką część rynku energii elektrycznej. W 2020 roku globalna moc zainstalowana pływających paneli słonecznych wynosiła zaledwie 3 GW, w porównaniu z ponad 700 GW w przypadku systemów lądowych. Potencjał rozwoju jest jednak znaczny, biorąc pod uwagę ogromną liczbę zbiorników na całym świecie, których łączna powierzchnia jest w przybliżeniu równa powierzchni Francji. Pokrycie 10 proc. światowych zbiorników wodnych pływającymi panelami słonecznymi pozwoliłoby na zainstalowanie prawie 4000 GW mocy słonecznej. To odpowiada mocy wytwórczej wszystkich elektrowni na paliwa kopalne działających na świecie.

Cena pływającej fotowoltaiki

Fotowoltaika pływająca jest obecnie droższa od lądowej, ale nie o wiele: pomimo niedojrzałości tego nowego rynku, koszty opłacalności pływających projektów solarnych są tylko o 4-8 proc. wyższe od kosztów naziemnej energii słonecznej. Rynek ten szybko się rozwija , a dziesiątki projektów są w trakcie realizacji. Jeden z nich, w Batam w Indonezji, którego ukończenie zaplanowano na 2024 rok, zakłada produkcję 2,2 GW dzięki rozmieszczeniu paneli słonecznych na 16 km2 wody, co niemal podwoi światową produkcję energii z pływających ogniw fotowoltaicznych.

Ewentualne problemy floatowoltaiki

Szybkie upowszechnienie każdej nowej technologii energetycznej może mieć nieprzewidziane konsekwencje. Na przykład turbiny wiatrowe szkodziły ptakom i nietoperzom, a ich instalacja na morzu może powodować hałas zagrażający życiu morskiemu, zakłócać migracje wielorybów i powodować komplikacje w rybołówstwie komercyjnym.

Kompromisy między rozwojem technologii fotowoltaicznych a celami środowiskowymi, społecznymi i ekonomicznymi pozostają w dużej mierze niezbadane zarówno w koncepcji, jak i w praktyce. Gospodarka zbiornikami wodnymi często służy wielu innym potrzebom poza zaopatrzeniem w wodę, takim jak kontrola powodzi i hydroenergetyka.

Potencjał floatowoltaiki na świecie

Aby zbadać potencjał floatowoltaiki, naukowcy porównali potencjał dużych zbiorników wodnych w zakresie energii słonecznej z przewidywanym krajowym zapotrzebowaniem na dodatkową energię słoneczną do roku 2050.

Stwierdzono, że kraje obu Ameryk i Afryki mogą odnieść największe korzyści: nawet niewielkie pokrycie zbiorników wodnych przez ogniwa fotowoltaiczne powinno wygenerować całą energię słoneczną potrzebną do dekarbonizacji sektora elektroenergetycznego tych krajów. Brazylia i Kanada mogą stać się liderami, w których do zaspokojenia ogromnego zapotrzebowania na energię słoneczną wystarczy pokrycie jedynie około 5 proc. ich obfitych zbiorników. W ubiegłym roku Brazylia wprowadziła zmiany w przepisach, które mają pomóc w rozwoju branży.

Z kolei krajom wyspiarskim oraz znacznej części Europy i Bliskiego Wschodu trudniej będzie wykorzystać pływające ogniwa słoneczne do zaspokojenia swoich potrzeb ze względu na ograniczoną powierzchnię zbiorników wodnych w małych lub suchych krajach oraz słabsze nasłonecznienie na wysokich szerokościach geograficznych. W niektórych krajach uprzemysłowionych, w tym w Chinach, zapotrzebowanie na energię słoneczną w połowie stulecia będzie tak duże, że nie wystarczyłoby nawet pokrycie wszystkich zbiorników wodnych za pomocą systemów fotowoltaicznych.

Skutki floatowoltaiki dla środowiska

Zmiany klimatyczne powodują ocieplenie zbiorników wodnych na całym świecie, co ma wpływ na środowisko, np. w postaci szkodliwych zakwitów glonów. Badacze sprawdzili, czy pływające ogniwa fotowoltaiczne mogą przeciwdziałać tym skutkom w jeziorach i innych zbiornikach wodnych. Stwierdzili, że mogą – ale tylko wtedy, gdy ponad połowa powierzchni wody jest zakryta.

Zacienienie dużej części zbiornika może wywołać efekty kaskadowe. Zmniejszona ilość światła utrudnia rozwój organizmów fotosyntetyzujących, takich jak rośliny wodne i fitoplankton, co może być korzystne w zbiornikach zanieczyszczonych substancjami odżywczymi, w których rozmnażają się szkodliwe glony. Jednak zmniejszona produkcja tlenu może być szkodliwa dla ryb i innych zwierząt. Skrajny niedobór tlenu sprzyjałby bakteriom produkującym metan, co mogłoby zniwelować korzyści płynące z dekarbonizacji.

Konflikty na tle użytkowania zbiorników

Pływające ogniwa fotowoltaiczne mą zakłócić inne wykorzystanie zbiorników. Jeśli projekt floatowoltaiczny koliduje z łowiskami, może zagrozić źródłom utrzymania ludności, która już ucierpiała w wyniku budowy zbiornika. Trudno też przewidzieć, jak na zacienienie zareagują sieci pokarmowe, które wspierają rybołówstwo. Pływające baterie słoneczne mogą pogorszyć krajobraz i ograniczyć rekreacyjne wykorzystanie zbiorników, prowadząc do spadku cen nieruchomości w okolicy.

Wyzwania operacyjne floatowoltaiki

Większe koszty może nieść utrzymywanie paneli w czystości: zabrudzenie paneli spowodowane ptasimi odchodami i biofilmami mikrobiologicznymi będzie prawdopodobnie bardziej problematyczne na wodzie niż na lądzie i może zmniejszyć moc fotowoltaiczną. Konieczne może być częste czyszczenie, co wymaga łatwego i bezpiecznego dostępu do paneli.

Innym czynnikiem są niekorzystne warunki atmosferyczne. Na dużych szerokościach geograficznych tworzenie się i rozpad pokrywy lodowej wywołuje duże, nieprzewidywalne fale, co prowadzi do problemów z eksploatacją i konserwacją. W regionach nawiedzanych przez cyklony tropikalne silne wiatry mogą tworzyć fale i powodować szkody.

Wyzwaniem mogą być także zmienne poziomy wody. Potrzeby związane z zaopatrzeniem w wodę pitną i nawadnianiem prawdopodobnie wzięłyby górę nad dążeniem do utrzymania stabilnego poziomu wody dla systemów fotowoltaicznych. Branża floatowoltaiczna ma szansę na szybki rozwój. Nauka i polityka muszą działać równie szybko, aby zapewnić zrównoważone i sprawiedliwe wykorzystanie światowych zbiorników wodnych.