الطاقة الشمسية في كل مكان: فرصة البنية التحتية

تعد الطاقة الشمسية الكهروضوئية إحدى ركائز تحول الطاقة في أوروبا. ومع تركيب أكثر من 65 جيجاوات من القدرة الجديدة في عام 2025 وأكثر من 405 جيجاوات قيد التشغيل بالفعل، يمضي الاتحاد الأوروبي نحو هدفه المتمثل في 750 جيجاوات من الطاقة الشمسية الكهروضوئية بحلول عام 2030. وسيتطلب الوصول إلى هذا الهدف تركيب 345 جيجاوات إضافية أو نحو ذلك على مدى السنوات الخمس المقبلة. إن جغرافية إضافات القدرة الشمسية الكهروضوئية تتغير. يتم تدريجيًا استخدام الأسطح الكبيرة-الموجهة جيدًا والمواقع المتصلة بسهولة والمواقع الأكثر ملائمة. وفي الوقت نفسه، تواجه مشاريع الطاقة الشمسية{11}المثبتة على الأرض في بعض البلدان مخاوف بشأن الاستخدامات التنافسية للأراضي، وحماية الأراضي الزراعية، والتنوع البيولوجي، والقبول المحلي.

 

لقد ناقشنا مؤخرًا في هذه الصفحات أن الوحدات خفيفة الوزن يمكن أن تطلق العنان لأكثر من 85 جيجاوات من أسطح المنازل الأوروبية المقيدة هيكليًا. والضغط وراء هذه الحجة هو نفسه، حيث يدفع المطورين إلى النظر إلى ما هو أبعد من المواقع الأكثر وضوحًا. ولم يعد السؤال هو ما إذا كانت أوروبا تريد المزيد من الطاقة الشمسية؛ فهو تحديدًا المكان الذي ستذهب إليه الجيجاوات التالية فعليًا، وكيف سيتم دمج الكهرباء التي تولدها في الشبكة وتحويلها إلى قيمة.

 

الاستخدام المزدوج للطاقة الشمسية-: منطق "الطاقة الكهروضوئية في كل مكان"
تشترك بعض القطاعات الجديدة الواعدة في فكرة واحدة، تم جمعها تحت شعار "الطاقة الكهروضوئية في كل مكان": بدلاً من البحث عن أراضٍ جديدة، شارك الأسطح التي نستخدمها بالفعل. تحافظ شركة Agrivoltaics على الأراضي الزراعية قيد الإنتاج أثناء توليد الطاقة. تعمل الطاقة الكهروضوئية العائمة والمباني- والمركبات-المتكاملة على تحويل الخزانات والواجهات والسيارات والمزيد إلى أصول لإنتاج الكهرباء. وفي كل الأحوال فإن الإنجاز هو نفسه: الطاقة الشمسية لم تعد تنافس على الفضاء بل تتقاسمه.

 

هناك فئة أخرى من الفضاء، والتي لا تتم مناقشتها كثيرًا، تتناسب مع هذا المنطق نفسه: الأرض التي تمتد إلى جانب البنية التحتية للنقل والمياه لدينا. حواف الطرق السريعة وسدودها، ومسارات السكك الحديدية وقطعها، وحواجز الضوضاء، وواجهات سدود الفيضانات، وضفاف القنوات، ومسارات الدراجات، والحقوق الفنية-لـ-حدود الطريق تقريبًا لكل طريق وخط سكك حديدية في القارة. لا يزال القطاع يستقر على اسم: البنية التحتية-الخلايا الكهروضوئية المدمجة (IIPV) في الأدبيات البحثية، أو "الكهروضوئية الخطية" لهندستها، أو بشكل أكثر وضوحًا، الطرق السريعة الشمسية، والسكك الحديدية الشمسية والقنوات-الطاقة الشمسية العلوية في الصحافة. لكن المنطق مألوف. تم تطوير هذه الأرض بالفعل، وتسيطر عليها بالفعل هيئة عامة أو صاحب امتياز، وتؤدي بالفعل وظيفة أساسية. إن إضافة جيل فوقها مع الحفاظ على الممرات الطبيعية والبرية يميل إلى إثارة اعتراضات أقل بكثير. ليس نوعًا جديدًا من التضاريس، بل علاقة جديدة مع التضاريس التي بنينا عليها بالفعل.

 

 

تحجيم الجائزة الأوروبية
الإمكانات ليست سوى هامشية. في تقييم أوروبي شامل، قدر مركز الأبحاث المشترك التابع للمفوضية الأوروبية أن الطاقة الكهروضوئية المطبقة عبر أسطح المنازل والخزانات والبنية التحتية للطرق والسكك الحديدية يمكن أن تتجاوز 1 تيراواط من القدرة المركبة، وهو ما يتجاوز بكثير هدف الاتحاد الأوروبي لعام 2030. تعتبر حصة البنية التحتية -الخطية ملفتة للنظر بشكل خاص: تضع هذه الدراسة إجمالي الإمكانات الكهروضوئية العمودية على طول الطرق والسكك الحديدية في الاتحاد الأوروبي عند 403 جيجاوات، أي ما يقرب من 50% من هدف 2030. ويخلص التحليل أيضًا إلى أن نشر الطاقة الكهروضوئية العمودية والشرقية والغربية-ثنائية الجانب على نطاق واسع من شأنه أن يرفع القيمة السوقية لتوليد الطاقة الشمسية ويحد من تفكيك أسعار منتصف النهار الذي يؤدي بشكل متزايد إلى تآكل إيرادات المصفوفات التقليدية{11}}المواجهة للجنوب. وفي حين أن هذه إمكانات فنية وليست توقعات للسوق، إلا أن جزءًا صغيرًا من الإمكانات سيكون كبيرًا.

 

إذا أخذنا كثافة طاقة خطية واقعية تتراوح بين 0.3 ميجاوات تقريبًا لكل كيلومتر لصف واحد من الوحدات الرأسية ثنائية الجانب وأكثر من 2 ميجاوات لكل كيلومتر للأنظمة الأوسع، فإن أوامر الحجم تتراكم بسرعة بمجرد تطبيقها على عشرات الآلاف من الكيلومترات من ممرات البنية التحتية.

 

 

علاوة على ذلك، فإن الفرصة تمتد إلى ما هو أبعد من الأرض. العديد من أصول البنية التحتية هذه (الطرق السريعة والسكك الحديدية والقنوات) تستهلك الكهرباء بالفعل أو تقع بجوار اتصالات الشبكة الحالية. يحول هذا القرب وسيطة استخدام الأرض- إلى وسيطة نظام-الطاقة: يمكن للتوليد الموجود على البنية التحتية أن يغذي الحمل المحلي مباشرة أو نقطة اتصال موجودة، مما يقلل من مخاطر التقليص وتخفيف تحدي تكامل الشبكة- الذي يقيد العديد من مشاريع الطاقة الشمسية التقليدية.

 

ما يبنيه العالم بالفعل

لقد تحركت الصين بشكل أسرع وعلى نطاق أوسع بكثير، حيث طورت-سوقًا للطاقة الكهروضوئية مرتبطة بوسائل النقل لا مثيل لها في أي مكان آخر. وصلت الطاقة الشمسية المرتبطة بالطرق السريعة- إلى حوالي 1.7 جيجاوات بحلول نهاية عام 2024، وتقدر الأكاديمية الصينية لعلوم النقل إمكانات الطريق بما يقرب من 944 جيجاوات. يتم الآن تطوير مقاطعات متعددة بالقرب من مناطق خدمة الطرق السريعة-صفر-الكربون. على سبيل المثال، يحمل ممر جينان-ويفانغ الرئيسي 68 ميجاوات، ويولد حوالي 68 جيجاوات في الساعة سنويًا وفقًا لمشغله.

 

وتقدم آسيا متظاهرين آخرين من عدة أنواع. تمتد مظلة مسار الدراجات دايجون-سيجونغ في كوريا الجنوبية عبر الممر المركزي للطريق السريع منذ منتصف عام 2010، مع حوالي 7500 لوح على مسافة 4.8 كيلومتر، كما تتقاسمها وزارة البنية التحتية والنقل في كوريا الجنوبية.

 

كانت الهند رائدة في استخدام الطاقة الشمسية السطحية للقناة-في ولاية غوجارات منذ أكثر من عقد من الزمن: أفادت الهيئة العامة لقناة نارمادا بتوسيع نطاق إنتاجها من 1 ميجاوات تجريبيًا في عام 2012 إلى ما يقرب من 35 ميجاوات اليوم، مع تقليل التبخر. في اليابان، يتزايد الاهتمام بالنقل-الطاقة الكهروضوئية المتكاملة. أطلقت وزارة الأراضي والبنية التحتية والنقل والسياحة (MLIT) برنامجًا وطنيًا لتقييم تقنيات الطاقة الشمسية لأسطح الطرق-، بينما يستكشف مشغلو الطرق السريعة استخدام السدود وحواجز الصوت وأراضي مناطق الخدمة- لتوليد الطاقة الكهروضوئية.

 

وفي الولايات المتحدة الأمريكية، يضم ممر The Ray، وهو ممر إرشادي على طول الطريق السريع 85 في جورجيا، شبكة بقدرة 1 ميجاوات على جانب الطريق، في حين يشير التحليل الذي أجرته جامعة تكساس في أوستن إلى أن أرض التبادل وحدها، التي تمثل حوالي 000 21 هكتار، يمكن أن تولد نظريًا ما يصل إلى 36 تيراواط في الساعة سنويًا. على الجانب المائي، قام المجتمع الهندي لنهر جيلا في أريزونا بتشغيل ما يصفه بأنه أول مشروع تشغيلي للطاقة الشمسية في نصف الكرة الغربي-فوق-قناة بقدرة تبلغ حوالي 1.3 ميجاوات في عام 2024، ويأتي خلفه مشروع Nexus المدعوم من ولاية كاليفورنيا-.

 

والأمثلة الأوروبية تتضاعف أيضاً. حواجز الضوضاء هي المسار الأكثر نضجا. تشير الدراسات الاستقصائية المنشورة إلى أن منشآت الطرق السريعة الألمانية الأكبر حجمًا تبلغ ما بين 1 إلى 2 ميجاوات لكل قطعة؛ تدير هيئة الطرق الهولندية "طريقًا سريعًا شمسيًا" تجريبيًا ثنائي الجانب على الطريق السريع A50، ويقوم مشغلو الطرق السريعة والسكك الحديدية في النمسا وسويسرا بفتح حواجز الضوضاء بشكل متزايد أمام الطاقة الكهروضوئية على نطاق واسع. وبعيداً عن الحواجز، فإن تنوع الأسطح مذهل: وحدات قابلة للإزالة بين القضبان على خط سويسري بالقرب من بوتس، ومصفوفات رأسية ثنائية الجانب على سدود نهر الرون، وما يقرب من 900 متر من المظلات فوق طريق الدراجات الفرنسي، وحتى رصيف مراكب صغيرة للطاقة الشمسية في مرسى البحر الأبيض المتوسط.

 

هندسة التحدي

لا شيء من هذا سهل. التحدي الأهم الذي تواجهه الطاقة الكهروضوئية الخطية هو-الاستخدام المشترك: يجب ألا تؤثر الألواح أبدًا على الوظيفة الأساسية للبنية التحتية، سواء أكان استقرار أحد السد، أو الوصول في حالات الطوارئ إلى طريق سريع، أو الوصول إلى السكك الحديدية للصيانة، أو إمكانية الملاحة في الممر المائي. يحمل كل تصنيف قيوده الخاصة، سواء كانت دراسات الوهج أو الوصول في حالات الطوارئ أو الشفافية الهيدروليكية أو الأحمال الميكانيكية.

يؤدي أيضًا توزيع توليد الكهرباء عبر الكيلومترات إلى مضاعفة نقاط الاتصال أو-تكثيف المحولات، وتشغيل الكابلات وفقدانها، ويدفع المطورين نحو تصميمات جديدة. يستكشف مشروع بحث فرنسي تيارًا مباشرًا بجهد متوسط- لنقل الطاقة بكفاءة على طول مسار الدراجات، بينما في سويسرا، يتعامل العمل على "شبكة السكك الحديدية الذكية" مع الممر باعتباره شبكة صغيرة حقيقية، تجمع بين الطاقة الشمسية بجانب المسار وإمدادات الجر وطاقة الكبح المستردة وشحن المركبات الكهربائية.

 

ونظرًا لأن مشروعًا واحدًا يمكن أن يعبر العديد من الولايات القضائية، فإن التصاريح المجزأة يمكن أن تشكل عقبة؛ وبإضافة مجموعة متنوعة من حيازة الأراضي، من الملك العام إلى أصحاب الامتيازات والملاك من القطاع الخاص، تصبح نماذج الأعمال أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ من المصانع التقليدية.

 

جعل القضية التجارية

مثل أي محطة للطاقة الشمسية، يمكن للنظام المتكامل للبنية التحتية-بيع الكهرباء (بموجب -آلية الشراء المدعومة من الدولة مثل عقد الفرق أو التغذية-بالتعريفة الجمركية، أو بأسعار سوق الجملة)، أو استهلاكها في الموقع أو بالقرب منه، أو الجمع بين كلا المسارين. ومع ذلك، يمكن أن تكون دراسة الجدوى أكثر تطلبًا من الطاقة الشمسية المثبتة على الأرض-: يمكن أن تكون التكاليف الأولية أعلى، مما يعكس بنية كهربائية خطية أكثر تعقيدًا، وتركيب مرتفع وطلاءات محددة للوحدات، بينما يمكن أن ترتفع تكاليف التشغيل أيضًا بسبب التلوث وتقييد الوصول والتعرض، حتى عندما تكون الأرض رخيصة أو مجانية. من الناحية العملية، يبدو أن الاستهلاك الذاتي-من جانب المتعهدين القريبين-والتعاقد مقابل الفروقات الذي يتم الحصول عليه في مكالمات مخصصة للمناقصات هي الطرق الأكثر موثوقية لتحقيق جدوى المشروع.

 

من الطيارين إلى النطاق

إن الطريق إلى الأمام لا يتمثل في التعامل مع الطاقة الكهروضوئية الخطية كمنتج واحد، ولكن كمجموعة من النماذج في مراحل مختلفة من النضج تساهم في مسار واحد من بين عدة مسارات نحو هدف عام 2030، مكملة أسطح المنازل والخلايا الكهروضوئية العائمة. يبدأ المسار العملي بالتكوينات الأقل-تقييدًا والأكثر قابلية للتكرار بسهولة. وتتمثل المهمة الموازية الحاسمة في مواصلة بناء قاعدة الأدلة التي يحتاجها المشغلون: المراقبة المنظمة لعمليات النشر المبكرة لإظهار أن النظام الكهروضوئي والتوليد لا يتداخلان مع وظيفة البنية التحتية الأساسية وأن تشغيل البنية التحتية وصيانتها واهتزازاتها لا تؤدي إلى انخفاض أداء الطاقة الكهروضوئية.

 

ثلاث روافع من شأنها تسريع الانتقال من المتظاهرين إلى الانتشار. (1) هناك حاجة إلى مشاريع توضيحية-واسعة النطاق لبناء قاعدة الأدلة. (2) تحتاج المشاريع إلى مبادئ واضحة للسماح وموافقات منسقة. (3) ويجب تضمين هذه المواقع بشكل واضح في المناقصات العامة، سواء من خلال مظروف مخصص لمشاريع البنية التحتية-أو علاوة السعر التي تعوض تكلفة تطويرها المرتفعة، على الأقل في الوقت الحالي.

 

إن قصة الطاقة الشمسية في أوروبا لم تنته بعد، ولكنها تدخل فصلاً أكثر صعوبة. وسوف تأتي الجيجاوات القادمة على نحو متزايد من مواقع أكثر تقييدا ​​وأكثر إبداعا. يجيب الاستخدام المزدوج على قيود توافر السطح، وتنتج الطاقة الكهروضوئية الخطية وحدها مئات الجيغاوات من الإمكانات التي يمكن الوصول إليها تقنيًا على طول الطرق والسكك الحديدية والقنوات في القارة. لقد كانت الأرض هناك طوال الوقت. الفرصة تكمن الآن في تعلم كيفية مشاركتها.