Больше энергии на меньших площадях: стремление уменьшить след солнечной энергии

Овцы пасутся рядом с солнечной батареей в Даббо, Австралия. ДЖЕНИ БАРРЕТТ / THE SYDNEY MORNING HERALD ЧЕРЕЗ GETTY IMAGES

Поскольку стремление к возобновляемым источникам энергии приводит к конфликтам в области землепользования, строительство высокоэффективных солнечных ферм коммунального масштаба на все меньших участках земли стало главным приоритетом. Новые подходы варьируются от установки фотоэлектрических массивов, которые занимают меньше места, до выращивания сельскохозяйственных культур между рядами панелей.

С земли новая солнечная ферма мерцает, как мираж оазисf в жаркий летний день. Вместо косых рядов блестящих панелей, тянущихся выше кукурузы, этот массив, установленный прямо на земле, лежит ровно и напоминает водную поверхность. С воздуха это выглядит как бассейн размером с акр. Тем не менее, несмотря на свои скромные размеры, этот новый тип фотоэлектрической установки — одна из пяти, производящих в настоящее время совокупную мощность 2,5 мегаватта энергии. В Центральной долине Калифорнии она может сравниться по мощности с обычными солнечными фермами почти в три раза большими по размеру.

На лугу на юго-западе Германии солнечные батареи стоят вертикально, выстроившись в длинные тонкие ряды, как ряд заборов. Пока фермеры возделывают сено на широких пространствах между рядами, вертикальная электростанция вырабатывает безуглеродную электроэнергию для близлежащего города.

Через границу во Франции, и вино и ватты текут из виноградников, покрытых панелями. Чай растет под солнечными панелями в Японии, в то время как опыляемые культуры выращиваются в Соединенных Штатах. А от Канады до Австралии солнечные фермы коммунального масштаба, производящие электроэнергию для тысяч домов, делят пространство с овцами.

Эти разнообразные подходы преследуют одну и ту же цель — помочь удовлетворить растущий глобальный спрос на зеленую энергию за счет уменьшения площади солнечных ферм.

Резкое и немедленное сокращение выбросов ископаемого топлива, необходимое для сдерживания изменения климата, требует значительного увеличения производства экологически чистой энергии во всем мире. Международное энергетическое агентство призывает ежегодно к 2030 году добавлять 630 гигаватт новой солнечной энергии и 390 гигаватт новой ветровой энергии. (Один гигаватт в среднем может питать примерно 190 000 домов в США ). Эти темпы роста в четыре раза превышают рекорд, установленный в 2020 году. Что касается солнечной энергетики, это означает что почти каждый день надо вводить в эксплуатацию солнечную ферму, эквивалентную по размерам крупнейшим из ныне существующих.

Стремление перейти на зеленое электричество сталкивается с проблемой поиска участков земли достаточной площади

Страны вынуждены ускорить развертывание экологически чистой энергии. Заявка США на декарбонизацию своей электросети к 2035 году потребует, чтобы солнечная мощность страны увеличилась примерно в десять раз в течение следующих десяти лет. Европейский союз, вынужденный после вторжения на Украину считаться со своей зависимостью от российской нефти и газа, теперь призывает к 2025 году удвоить солнечную мощность стран-членов. Основные проекты создания солнечных электростанций находятся в разработке в Южной Америке, Индии, Китае и по всему миру.

Но стремление перейти на зеленое электричество сталкивается с проблемой: найти подходящую землю для его производства. Аналитики говорят, что фаланги панелей на крышах являются ключевой частью энергетического перехода, но солнечная энергия в коммунальном масштабе, подключенная к сети, имеет решающее значение для быстрого и экономичного энергоснабжения городов. Однако наземная солнечная энергетика требует много земли, а массивы коммунального масштаба часто занимают сотни акров. У ветряных электростанций есть свои обширные потребности в земле. И все чаще предлагаемые экологически чистые энергетические установки вызывают конфликты с сельским хозяйством, дикой природой, отдыхом, культурой и многим другим.

Сражения ведутся по всей территории США такими группами, как жители Джакумба-Хот-Спрингс, крошечного городка в пустыне округа Сан-Диего, которые в прошлом году подали в суд, чтобы остановить строительство близлежащей солнечной электростанции площадью 600 акров и мощностью 90 мегаватт из-за опасений за их имущественные ценности и сельский образ жизни. Десятки крупных проектов были отложены или остановлены индейскими племенами, обеспокоенными воздействием на священные ландшафты, защитниками природы, обеспокоенными ущербом для экосистем, фермерами, обеспокоенными посягательством на сельскохозяйственные угодья, и другими. Новое исследование, проведенное Массачусетским технологическим институтом, заключает, что местное сопротивление представляет собой «значительное препятствие» для целей страны в области чистой энергии. Развитие возобновляемых источников энергии сталкивается с аналогичными препятствиями в Европе и других странах.

«Наличие земли очень важно, и мы не можем считать это чем-то само собой разумеющимся, — говорит Джулия Цукерман, исполнительный директор Clearway Energy, которая разрабатывает Arica и Victory Pass Solar — 465 мегаватт солнечной мощности плюс 400 мегаватт четырехчасового аккумулятора на 2665 акрах калифорнийской пустыни к востоку от Палм-Спрингс.

Выбор площади для размещения солнечных панелей ограничен потребностью в хорошем солнечном свете, достаточно ровной земле и близости к электросети. «Таким образом, чем больше требуемая площадь, тем труднее её найти», говорит Цукерман, ” « количество вариантов для выбора участка, где мы можем разместить производство возобновляемой энергии действительно сокращается».

Благодаря совершенствованию технологий, например разработке двусторонних панелей, способных собирать солнечный свет с обеих сторон, солнечные фермы уже производят больше энергии на меньшей площади. Недавнее исследование, проведенное Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли при Министерстве энергетики США, показало, что средняя удельная мощность или пиковая производительность на акр коммунальных предприятий за последнее десятилетие увеличилась на 52 процента. Плотность энергии, или общее количество мегаватт-часов, вырабатываемых на акр в течение года, увеличилась на одну треть.

Тем не менее, по словам соавтора исследования Марка Болинджера, большинство оценок потребностей в земле для солнечной энергетики устарели и по-прежнему основаны на цифрах, полученных с первых дней работы коммунальных предприятий, когда эффективность была значительно ниже. Массивы, которые отслеживают движение солнца в течение дня, доминирующая технология, используемая в настоящее время, требуют около четырех акров панелей для каждого мегаватта мощности — меньше половины земли, необходимой десять лет назад. Эта тенденция, по словам Болинджера, «должна сохраниться в обозримом будущем».

Ряды вертикальных панелей занимают очень мало места, оставляя место для посевов между ними.

Действительно, производители упаковывают кремниевые пластины большего размера в солнечные элементы и повышают способность панелей преобразовывать солнечный свет в ватты. Все более эффективные технологии, такие как ячейки с гетеропереходом, способные улавливать фотоны, которые могут проходить через традиционные ячейки, набирают обороты. И фотоэлектричество продолжает развиваться.

«Существует множество способов сделать клетку более эффективной», — говорит Дженни Чейз, глава отдела солнечного анализа BloombergNEF.

Чейз говорит, что новые проекты, направленные на уменьшение воздействия солнечной энергии, вряд ли в ближайшее время заменят обычные электростанции коммунального масштаба. Но эти новые подходы могут помочь ускорить развертывание солнечной энергетики, сделав ее использование земли для неё более эффективным и ослабив конфликты при размещении.

В Центральной долине Калифорнии пять новых горизонтальных солнечных ферм переворачивают с ног на голову традиционную архитектуру фотоэлектрических установок.

«Мы называем это солнечными батареями высокой плотности», — говорит Дэниел Фланиган, директор по маркетингу и продуктам Erthos, дизайнера проектов из Аризоны. По словам Фланиган, укладка панелей бок о бок на землю вместо металлических стоек, расположенных поверх рядов, чтобы предотвратить самозатенение и обеспечить возможность отслеживания, сокращает использование земли на две трети. По словам компании, плоские солнечные электростанции также дешевле и быстрее строить, потому что они устраняют необходимость в дорогостоящей стали и технике обычных солнечных ферм. А низкий профиль панелей делает их менее заметными в ландшафте.

В то время как плоская конструкция теряет преимущества систем слежения за солнцем, Фланиган говорит, что система компенсирует это, упаковывая больше панелей. Кроме того, земля служит поглотителем тепла, не давая солнечным элементам терять эффективность при нагреве. Erthos рассчитывает, что к концу этого года в США будут работать еще 40 мегаватт горизонтальных солнечных батарей, говорит Фланиган. Подобные горизонтальные установки появляются в Нидерландах, Австралии и других странах.

Инновационная солнечная ферма в Германии использует противоположный подход — вертикальные панели. По словам разработчика Next2Sun, вертикальные двусторонние модули на электростанции мощностью 4,1 мегаватта в Баден-Вюртемберге генерируют электроэнергию для 1400 домов. Эта новая планировка наиболее продуктивна, когда солнце находится под низким углом, что увеличивает подачу электроэнергии в утренние и дневные часы низкой мощности и высокого спроса. Недавний анализ, проведенный Лейпцигским университетом прикладных наук в Германии, пришел к выводу, что добавление вертикальных солнечных электростанций к возобновляемым источникам энергии может помочь стабилизировать электрическую сеть и снизить потребность в «пиковых» электростанциях, работающих на природном газе, которые вырабатывают электроэнергию в периоды максимального спроса.

Более того, ряды вертикальных панелей занимают очень мало места, оставляя место для сельскохозяйственных культур и сельскохозяйственной техники между ними — технология, известная как агровольтаика или агросолар.

«Мы не обязательно уменьшаем площадь земли, но на самом деле уменьшаем влияние земли», — говорит Джордан Макник, исследователь из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, который возглавляет InSPIRE, проект Министерства энергетики США, работающий над способами интеграции сельского хозяйства и других отраслей, использующих землю, с солнечными фермами.

В Японии все, от цветов до риса, выращивают под приподнятыми солнечными панелями.

Хотя агроэлектроэнергетика все еще довольно ограничена, в последние годы она резко выросла. По данным немецкого Фраунгоферовского института систем солнечной энергии, по состоянию на прошлый год общая глобальная мощность превышает 14 гигаватт. По данным института, крупнейшая в мире система двойного назначения находится в Китае, где солнечные панели, установленные на массивной ягодной ферме на краю пустыни Гоби, могут производить 700 мегаватт электроэнергии.

Сельское хозяйство какое-то время смешивалось с солнечным отоплением в Японии, где все, от цветов до риса, выращивалось под приподнятыми панелями. В Европе расширяются установки, такие как солнечный виноградник на юге Франции, который производит 2 мегаватта электроэнергии, наряду с шардоне и другими сортами винограда. США отстают, но проекты начинают реализовываться, в том числе 13-мегаваттная ферма по выращиванию пчел в Орегоне и 2,9-мегаваттная ферма в Коннектикуте, на которой будут выращивать овощи, а также обеспечивать электричеством колледжи и университеты штата. По словам Макника, исследователи экспериментируют с тем, какие растения лучше всего себя чувствуют под солнечными батареями, и даже пытаются выращивать помидоры и картофель между рядами на существующих фермах коммунального масштаба.

В то время как диверсифицированные урожаи усугубляют преимущества солнечной земли, аналитики отмечают, что агроэлектроэнергетику трудно масштабировать, и она может никогда не стать чем-то большим, чем нишевым использованием. Сочетание сельского хозяйства и энергетики может быть дорогостоящим, требуя специальных технологий, таких как приподнятые панели, чтобы освободить место для растений или животных. На сегодняшний день большинство операций двойного назначения являются довольно небольшими.

«Существует ограниченное количество культур, которые вы можете выращивать, и большая часть работы была сосредоточена либо на овощах, либо на ягодах, которым не нужно полное количество света», — говорит Чейз из Bloomberg.

И фермеры не особо торопятся добавлять производство энергии к своим обязанностям. Макник говорит: «Мы наблюдаем некоторый дисбаланс, связанный больше с солнечной стороной, чем с сельскохозяйственной». Тем не менее, говорит он, «эта область действительно только зарождается… Я думаю, что в ближайшие пару лет мы увидим много инновационных демонстраций».

Так называемая солнечная энергия высокой плотности также сталкивается с вопросами масштабируемости аналитиков. Размещение панелей горизонтально на земле вызывает опасения по поводу задувания почвы на панели и повреждения от сильного ветра или града. Более того, землю под плотно уложенными модулями нельзя использовать ни для каких других целей.

Эртос Фланиган возражает, утверждая что система построена таким образом, чтобы выдерживать град и ураганы. Панели очищаются роботом. А сжатый профиль расширяет возможности для размещения солнечной фермы. «Скажем, у вас есть уязвимая среда обитания или культурно чувствительные области на этом участке», — говорит Фланиган. «У вас больше свободы, чтобы избегать этих конкретных областей».

План Калифорнии по возобновляемым источникам энергии предусматривает выделение около 400 000 акров для развития экологически чистой энергии в пустыне.

Несмотря на трудности, энергетический переход по-прежнему поддерживается благоприятной экономикой. «Сейчас во многих странах солнечная энергия является самым дешевым способом производства электроэнергии», — говорит Чейз.

Крайне важно найти способы как производить гигаватт экологически чистой электроэнергии и одновременно охранять землю для других важных нужд, говорит Айлин Андерсон, старший научный сотрудник и директор государственных земель Центра биологического разнообразия. Андерсон «осторожно оптимистичен» в отношении того, что Калифорнийский план сохранения возобновляемых источников энергии в пустыне является хорошим первым шагом. Совместные усилия выделяют почти 400 000 акров для развития экологически чистой энергии в коммунальных масштабах на общественных землях в пустынях Мохаве и Колорадо / Сонора, сохраняя при этом миллионы для дикой природы, культуры и отдыха.

«На этот план ушло много работы, — говорит Андерсон. «Много сидели за столом, слушали и пытались решить проблемы, возникающие со всех сторон». Результат: «У нас есть план, все знают, каковы правила, и он реализуется, пока мы говорим».

В декабре прошлого года солнечные фермы Arica и Victory Pass, которые снабдили электроэнергией 132 000 домов, были изменены, чтобы избежать чувствительных природных ресурсов, и стали первыми двумя проектами, получившими одобрение в соответствии с планом. Ранее в этом месяце, после смягчения последствий для среды обитания, солнечный проект Oberon мощностью 500 мегаватт и площадью 2700 акров стал третьим.

Шерил Кац — независимый научный писатель из Северной Калифорнии, освещающий вопросы изменения климата, наук о Земле, природных ресурсов и энергетики. Ее статьи публиковались в журналах National Geographic, Scientific American, Eos и Hakai Magazine, а также в других изданиях.