محطات الطاقة الشمسية العائمة.. كهرباء نظيفة وحل لأزمة المياه في مصر والخليج

يتنامى انتشار محطات الطاقة الشمسية العائمة في منطقة الشرق الأوسط، لا سيما بمصر ودول الخليج العربي، في ضوء مساعي تلك الدول للحصول على الكهرباء النظيفة، مع محدودية مساحات الأراضي المُخصصة لإنشاء المحطات البرية، في بعض منها.

وتعوّل تلك الدول على تلك التقنية المتطورة في سد الطلب المتنامي على الكهرباء، مع المضي قدمًا في الوفاء بالتزاماتها المناخية، أملًا في تحقيق أهداف الحياد الكربوني.

وبينما يمتلك عدد من دول الشرق الأوسط، لا سيما في منطقة الخليج العربي، احتياطيات هائلة من النفط والغاز، فقد تسبّبت وفرة مصادر الوقود الأحفوري تلك في زيادة استهلاكها بصورة زائدة وغير مقننة إلى حد كبير، حسبما ذكر موقع معهد الشرق الأوسط في واشنطن.

وبما أن حرق هذا الوقود الأحفوري هو العامل الرئيس في التغيرات المناخية، يبرز الشرق الأوسط -على الأرجح- بين المناطق الأكثر تضررًا جراء تلك الظاهرة.

فالمناخ الجاف وشبه الجاف يعني أن موارد المياه تقع تحت وطأة ضغوط شديدة، وتفسر أشهر الصيف الحارة، وكذلك موجات الحرارة المتطرفة، السبب في المعاناة التي تنتظرها منطقة الشرق الأوسط جراء الآثار المناخية، مقارنة بمناطق أخرى من العالم، ما يشكّل ضغوطًا إضافية على النُظم الزراعية غير الكافية وموارد المياه العذبة النادرة.

خفض الانبعاثات الكربونية

لتخفيف آثار التغيرات المناخية، يبرز خفض معدلات استعمال الوقود الأحفوري عاملًا أساسيًا في هذا الخصوص، وفق ما هو منصوص عليه في اتفاقية باريس للمناخ 2015.

وبالفعل، تلتزم البلدان في منطقة الشرق الأوسط بخفض انبعاثاتها الكربونية، في إطار تلك الجهود العالمية. ومع ذلك، فإن النمو السكاني المطرد، وتسارع وتيرة مظاهر التحضر، يضعان عقبة كؤودًا أمام مساعي تلك الدول لسد احتياجاتها المتنامية من الطاقة، مع خفض انبعاثاتها الكربونية.

ولعل أقصر طريق لتحقيق تلك الغاية هو دمج مزيد من مصادر الطاقة المتجددة، وخفض حصة الوقود الأحفوري في حافظات الطاقة الخاصة ببلدان المنطقة.

ويُعد مؤتمر المناخ كوب 28 -المقرر انعقاده في دبي نوفمبر/تشرين الثاني (2023)- فرصة ذهبية لإظهار التزام الشرق الأوسط بالتحول من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة، رغم الجدل المثار حول تولي رئيس شركة أدنوك الإماراتية سلطان أحمد الجابر، الرئاسة الدورية للمؤتمر في نسخته المرتقبة هذا العام.

ويوضح التصميم أدناه -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- أكبر مشروعات الطاقة الشمسية في العالم:

بصيص أمل

ما يزال هناك بصيص أمل مع شروع بعض الدول في المنطقة باتخاذ خُطوات ملموسة لإضافة المصادر المتجددة إلى مزيج الطاقة لديها، مثل مجمع محمد بن راشد آل مكتوم للطاقة الشمسية في الإمارات.

ويتمثّل أحد الجوانب الإيجابية للمناخ الجاف الذي يتسم بدرجة كبيرة من السطوع الشمسي طوال أيام العام، والمساحات المفتوحة مترامية الأطراف، في إيجاد بيئة مواتية لإنشاء المحطات الشمسية الكبيرة.

ومع ذلك، تتوقف استدامة تلك المشروعات -إلى حد كبير- على استعمال التقنية المناسبة لظروف المنطقة.

ففي منطقة الشرق الأوسط -على سبيل المثال- يجب الأخذ في الحسبان الرمال والعواصف الرملية المتكررة التي تُغطّي الألواح الشمسية في المحطات، وتقليل الإشعاع الشمسي الذي تستقبله تلك الألواح، ومن ثم خفض مستوى كفاءتها الوظيفية.

وعلاوة على ذلك، تُنتج معظم الألواح الشمسية المُصنعة كهرباء أقل حينما ترتفع درجات الحرارة عن 25 درجة مئوية، ويستمر الجُهد الكهربائي المُولد في الانخفاض، مع تزايد درجات الحرارة.

وتلك المشكلة هي ما تواجهه الألواح الشمسية إبان الأيام المشمسة في منطقة الشرق الأوسط، ويستمر هذا التحدي مع تكرار موجات الحرارة الممتدة.

محطات الطاقة الشمسية العائمة

وسط تلك التحديات، تبرز تقنية شمسية ناشئة أكثر كفاءة من المحطات الشمسية التقليدية، والتي تساعد -أيضًا- على توفير المياه عبر خفض درجة التبخّر، وتلك التقنية هي "محطات الطاقة الشمسية العائمة"، التي لديها القدرة على تلبية احتياجات الكهرباء النظيفة وتقليل نقص المياه في الشرق الأوسط.

وفي محطات الطاقة الشمسية العائمة، تُوضع مجموعة من الألواح الشمسية على هياكل عائمة، ما يبقيها طافية -بصورة آمنة- على سطح المياه.

وتظل تلك الهياكل تؤدي وظيفتها بنجاح تحت الظروف البيئية المختلفة، من بينها الرياح العاتية ومستوى المياه المتذبذب.

ويمكن استعمال محطات الطاقة الشمسية العائمة في جميع أنواع الأجسام المائية الطبيعية او الصناعية، مثل خزانات المياه الدائمة أو الموسمية.

أصل المفهوم والسعة

نشأ مفهوم محطات الطاقة الشمسية العائمة، في البداية، من محطة طاقة شمسية عائمة سعة 1.1 ميغاواط مبنية على بركة تحتفظ بمياه الأمطار في مدينة أوكيغاوا اليابانية عام 2013.

ووفقًا لتقديرات وكالة الطاقة الدولية، لامس إجمالي السعة المركبة لمحطات الطاقة الشمسية العائمة 3 غيغاواط عالميًا في عام 2021.

ويقلل تأثير التبريد التبخري للمياه من درجة الحرارة العاملة للألوح الشمسية، ما يُسهم في تحسين كفاءتها.

وتعتمد قوة تأثير التبريد التبخري على محطات الطاقة الشمسية العائمة على تصميم ألواح تلك المحطات، والهياكل العائمة ومنطقة الألواح المعرضة للمياه.

وتشير بعض الدراسات إلى أن كفاءة المحطات الشمسية العائمة تزيد بنحو 11% في المتوسط عن الألواح الشمسية المثبتة على الأرض.

التبريد والسدود الكهرومائية

سيكون تأثير التبريد التبخري للمياه، وكذا درجة حرارة الألواح الشمسية المنخفضة، مفيدين -بوجه خاص- في منطقة الشرق الأوسط لمواجهة موجات الحرارة المتزايدة بمعدلات مطردة، والأيام الحارة بأعلى من المتوسط.

وعلاوة على ذلك فإنه وبسبب وضعها على المياه، تكون محطات الطاقة الشمسية العائمة أقل حساسية لترسب الغبار، ما يعني أن الألواح تظل نظيفة لمدة أطول، ومن ثم تستقبل كمية أكبر من ضوء الشمس، في المتوسط، مقارنة بالمحطات الشمسية البرية.

ليس هذا فحسب، وإنما يمكن -كذلك- دمج محطات الطاقة الشمسية العائمة في السدود الكهرومائية، لتعزيز إنتاجية الكهرباء المولدة من تلك الأنظمة عبر إضافة الطاقة الشمسية النظيفة والفاعلة.

وفضلًا عن ذلك فإن تزويد السدود الكهرومائية بمحطات الطاقة الشمسية العائمة، يُعزز سعتها، بما يلبي احتياجات الكهرباء إبان ساعات الذروة، لا سيما حينما تشهد الخزانات تراجعًا في المنسوب بسبب تقلبات المياه الموسمية بفعل التغيرات المناخية.

ولا يقتصر دمج محطات الطاقة الشمسية العائمة في خزانات المياه المفتوحة على السدود الكهرومائية، وإنما يمكن إضافتها إلى السدود والخزانات العادية.

وقد اتصلت أول محطة طاقة شمسية عائمة ونظام كهرومائي مُجمع بالشبكة في عام 2016، واشتملا على تركيب محطات شمسية عائمة سعة 220 كيلوواط، في سد راباغاو بالبرتغال.

البرازيل مثال ناجح

أظهرت دراسة حديثة أن دمج محطات الطاقة الشمسية العائمة في السدود الكهرومائية في البرازيل قد عزّز مصادر الكهرباء القائمة، وأثبت جدواه في سد الطلب المحلي المتنامي على الكهرباء، دون الحاجة إلى بناء سدود جديدة، أو حتى مواجهة الآثار البيئية السلبية المرتبطة ببناء السدود.

وهناك فائدة أخرى أساسية من تقنية محطات الطاقة الشمسية العائمة، وتتمثل في إسهامها بتحسين أمن المياه، عبر تخفيف درجة تبخرها، رغم أن مدى هذا التخفيف هو مسؤولية يضطلع بها تصميم تلك المزارع وموقعها، والمقاييس البيئية الأخرى، مثل سرعة الرياح.

وأظهرت البحوث الخاصة بمناطق المناخ شبه الجاف في البرازيل أن سيناريوهات تغطية محطات الطاقة الشمسية العائمة، البالغة نسبتها 20% و50% و70%، من الممكن أن تقلل درجة تبخر المياه بواقع 15.3% و37% و55.2%، على الترتيب، من الخزانات.

وبينما تتفاوت كمية خفض التبخر، أظهرت دراسات بحثية شتى أن تغطية أسطح المياه بألواح شمسية عائمة هي وسيلة فاعلة لتوفير المياه، وخفض التبخر من تلك الخزانات.

فكرة جديدة في الشرق الأوسط

ما تزال فكرة استعمال محطات الطاقة الشمسية العائمة جديدة نسبيًا، لا سيما في منطقة الشرق الأوسط، وشمال أفريقيا.

وجرت محاولات لنشر تلك التقنية في إيران منذ عام 2017، لكن وبسبب عدم اليقين الاقتصادي، باءت كل تلك المحاولات بالفشل.

وبُنيت أولى محطات الطاقة الشمسية العائمة متصلة بالشبكة في الإمارات، وهي الأولى من نوعها في الشرق الأوسط، خلال مشروع اختبار تجريبي سعة 80 كيلوواط.

تحلية مياه البحر

بالنسبة إلى دول مجلس التعاون الخليجي، مثل الإمارات، يمكن استعمال الكهرباء النظيفة المولدة من محطات الطاقة الشمسية العائمة -أيضًا- لتحلية مياه البحر في المناطقة الساحلية، ما يؤدّي دورًا حاسمًا في تزويد مياه الشرب النظيفة.

ودشنت تونس -أيضًا- محطة شمسية عائمة سعة 200 كيلوواط، في العام الفائت (2022)، التي تُعد أول محطة من نوعها في شمال أفريقيا.

ويتجلى إسهام محطات الطاقة الشمسية العائمة في توفير المياه عبر تقليل فقدان المياه من التبخر، ما يُنظر إليه على أنه وسيلة غاية في الأهمية لتحسين أمن المياه، لدول الشرق الأوسط وشمال أفريقيا.

وفي المنطقة يعتمد أمن المياه والغذاء في العديد من الدول على مدى السيادة التي تتمتع بها تلك الدول على مياه كافية لسد احتياجات القطاع الغذائي وغير الغذائي على حد سواء.

ولعل من أبرز الأمثلة في السعي إلى هذا الهدف الجهود التي تبذلها دولة قطر لتحسين بنيتها التحتية الخاصة بالمياه، ما قاد إلى وضع اللبنة الأولى في مشروع عملاق لتخزين المياه بمليارات الدولارات، سيشتمل على بناء 5 خزانات عملاقة لمياه الشرب، وشبكة متداخلة لخطوط أنابيب المياه الضخمة.

مشروع تركي عملاق

يبرز مثال آخر على محطات الطاقة الشمسية العائمة، يتجلى في مشروع جنوب شرق الأناضول الذي بدأت أعمال بنائه في سبعينيات القرن الماضي، ولم تكتمل بعد حتى الآن.

ويشتمل هذا المشروع الطموح -أكبر مشروع تنموي في تركيا- على بناء 22 سدًا، و10 محطات طاقة كهرومائية على نهري دجلة والفرات، وشبكات ري موسعة لإنتاج الكهرباء، والمياه لـ1.8 مليون هكتار من الأراضي في جنوب شرق تركيبا.

كما يستهدف المشروع مضاعفة الأراضي المروية، بالإضافة إلى إنتاج الكهرباء المولدة من المياه.

وبالإضافة إلى ذلك، يأخذ مشروع جنوب شرق الأناضول أبعادًا عالمية مباشرة، إذ إنه يساعد أنقرة في السيطرة على المياه من نهري دجلة والفرات، التي كانت -لولا هذا المشروع- ستذهب إلى العراق وسوريا.

ويُعد سد أتاتورك، الذي بُني في عام 1990، جزءًا من مشروع جنوب شرق الأناضول، ويقع على نهر الفرات، ويُعد أكبر سد على الإطلاق يُبنى في تركيا لأغراض الري وتوليد الطاقة الكهرومائية.

التقنية تقلل الحاجة إلى بناء السدود

قد تخفف محطات الطاقة الشمسية العائمة، بصورة كبيرة، الحاجة إلى بناء مثل تلك السدود الكهرومائية الكبيرة، مع تقليل التبخر من خزانات المياه المفتوحة، لا سيما الخزانات الصناعية.

وعالميًا، طُورت محطات الطاقة الشمسية العائمة خصيصًا لأسطح المياه الداخلية، من بين ذلك كل أنواع خزانات المياه. ويُعزى هذا -بصفة أساسية- إلى أن البيئات البحرية تفرض تحديًا كبيرًا بالنظر إلى التأثير المحتمل لظروف الطقس المتطرفة في الهياكل العائمة اللازمة للمحطات.

ومع ذلك بدأت بعض الشركات في أوروبا العمل على تطوير المحطات الشمسية العائمة البحرية.

وفي منطقة الشرق الأوسط، إذ تفرض قضايا تحول الطاقة ونقص المياه، وأشهر الصيف شديدة الحرارة، وموجات الحرارة المتطرفة، تحديات عصيبة، يمكن أن يقترن نشر تقنية الطاقة الشمسية تلك على خزانات المياه -البرية أو البحرية- بنتائج إيجابية كبيرة في إتاحة الكهرباء النظيفة، ومواجهة نقص المياه في المنطقة.

ثُلث الكهرباء العالمية

شهدت تكلفة الطاقة الشمسية هبوطًا دراماتيكيًا خلال العقد الماضي، ما يجعلها أرخص مصدر للكهرباء في معظم دول العالم، وفق ما أورده موقع "إيه آر إس تيكنيكا" ars technica.

وبينما فُحصت إمكانات الطاقة الشمسية العائمة في مناطق عدة، أجرت مجموعة من الباحثين -الآن- تحليلًا عالميًا خلصت نتائجه إلى أن تلك التقنية تمتلك إمكانات هائلة.

وقال الباحثون إنه حتى إذا ما اقتصرت تلك التركيبات على جزء من سطح الخزانات القائمة، فإنه من الممكن أن تُنتج الألواح الشمسية العائمة نحو 10 آلاف تيراواط/ساعة سنويًا، مع حماية ما يزيد على 100 كيلومتر مكعب من المياه من التبخر.

(كيلومتر مكعب = مليار متر مكعب)

ويقر فريق الباحثين بأنهم ليسوا أول من نظر في إمكانات الطاقة الشمسية العائمة، لكنهم أوضحوا أن معظم الدراسات السابقية اقتصرت على دولة بعينها، أو حتى نظام خزانات بعينه.

ومع ذلك قالوا إن دراستهم تتفرد بكونها عالمية، وبأنها تستعمل نموذجًا محدثًا من كفاءة الطاقة الشمسية في بيئات مختلفة، طورها مختبر سانديا الوطني التابع لوزارة الطاقة الأميركية.

واستقى العملاء -أيضًا- البيانات ذات الصلة بدرجات الحرارة، والإشعاع الشمسي، وسرعة الرياح على مدار عقدين، من نظامي أقمار صناعية مختلفين.

مزايا متنوعة

سرد الباحثون مجموعة من المزايا المقترنة بالألواح الشمسية العائمة المثبتة على خزانات المياه، بخلاف تبريد الألواح وخفض فقدان المياه.

إحدى تلك المزايا هي أنه في حين ستحجب الألواح ضوء الشمس من الوصول إلى المياه، وما يترتب على ذلك من مشكلات محتملة على أي نظام بيئي، تساعد تلك التقنية كذلك في الحد من نمو الطحالب الضارة في إمدادات المياه.

وثمة ميزة أخرى تتمثل في أن العديد من الخزانات تكون قريبة من مجتمعات السكان المتعطشين للكهرباء، والشبكات التي توفر الخدمات لتلك المجتمعات.

والميزة الثالثة هي أن الكثير من الخزانات مرتبطة بأنظمة الطاقة الكهرومائية، ويمكن إدارة مصدري الكهرباء هذين في وحدة واحدة للمحافظة على مستوى ثابت من الإنتاج على مدار الساعة، وفي كل ظروف الطقس المختلفة.

السعة المُنتَجة

تصل كمية الكهرباء التي يمكن توليدها من محطات الطاقة الشمسية العائمة إلى قرابة 9 آلاف و400 تيراواط/ساعة سنويًا.

وللمقارنة، تصل كمية الكهرباء العالمية إلى نحو 22 ألفًا و800 تيراواط/ساعة، ما يعني أن الطاقة الشمسية العائمة من الممكن أن تولّد ما يربو على 40% من احتياجات الكهرباء العالمية.

يُشار إلى أن خفض مساحة تغطية أسطح الخزانات بالألواح الشمسية العائمة إلى ما نسبته 10% -الذي يُعد خفضًا كبيرًا- سيسمح، رغم ذلك، بتوليد كهرباء بسعة 4 آلاف و300 تيراواط/ساعة.

لكن الأمر يشتمل على سلبية تتمثل في أن تلك الإمكانات ليست موزعة بالتساوي، مع تعرّض دول مثل كندا والدول القطبية لكمية أقل لضوء الشمس، ما يحول دون استفادتها بصورة كاملة من التقنية الحيوية.

والمستفيد الأكبر من محطات الطاقة الشمسية العائمة هي الولايات المتحدة الأميركية التي تمتلك قدرات في هذا الخصوص، تصل إلى ألف و900 تيراواط/ساعة، علمًا بأن الاقتصاد الأكبر في العالم يستعمل قرابة 3 آلاف و900 تيراوط/ساعة سنويًا، ما ينخفض قليلًا عن نصف استهلاكها الوطني من الكهرباء.

وبدءًا من العام الماضي (2022)، أتاحت المصادر المتجددة القائمة، والطاقة النووية نحو 40% من مزيج الطاقة في الولايات المتحدة، ما يجعل المسار نحو إزالة الكربون من الشبكة طويلًا.

وتتمثّل الدول الـ10 الكبرى المتبقية في قائمة الأكثر امتلاكًا لإمكانات محطات الطاقة الشمسية العائمة في: الصين والبرازيل والهند وكندا وروسيا والمكسيك وأستراليا وتركيا وجنوب أفريقيا، على الترتيب.

ويقدر الباحثون أن هناك 40 دولة تستطيع تلبية مطالب الطاقة الحالية الإجمالية بالكلية عبر محطات الطاقة الشمسية العائمة، رغم أن التخزين يظل مشكلة تواجهها.

وأشار الباحثون -أيضًا- إلى أن هناك نحو 50 مدينة حول العالم، يزيد تعدادها السكاني على مليون شخص، وتستطيع سد مستويات الطلب على الكهرباء لديها بالكامل عبر المحطات الشمسية العائمة.

الحفاظ على المياه

تعمل تقنية الألواح الشمسية العائمة على خفض درجة حرارة المياه، وليس فقط حجب ضوء الشمس، ما يقلل التبخر بنحو 45%.

وبوجه عام، يضيف الانخفاض في التبخر 100 كيلومتر مكعب من المياه سنويًا، وهو ما يكفي لسد احتياجات قرابة 300 مليون شخص حول العالم، بحسب الباحثين.

وخص الباحثون بلدانًا كثيفة السكان، مثل مصر وجنوب أفريقيا، تعاني ندرة المياه، ومن ثم يمكنها الاستفادة من تقنية محطات الطاقة الشمسية العائمة في توفير المياه.

وتشير الدراسة إلى أن جنوب أفريقيا يمكنها إنتاج 144 من إجمالي استهلاكها السنوي من الكهرباء والبالغ 205 تيراواط/ساعة بتلك التقنية المتطورة، ومن ثم تجنب فقدان 1.6 كيلومتر مكعب من المياه بسبب التبخر.

موضوعات متعلقة..

• محطات الطاقة الشمسية العائمة.. هل توفر طاقة نظيفة دون مخاطر بيئية؟ (تقرير)
• الطاقة الشمسية العائمة.. تصور جديد يتغلب على الظروف البحرية الصعبة (صور وفيديو)
• الصين تفكك مشروعًا عملاقًا للطاقة الشمسية

اقرأ أيضًا..

• تطورات صفقة إسالة الغاز الإسرائيلي في مصر.. مسؤول أوروبي يتحدث لـ"الطاقة"
  
• أنس الحجي: أسعار النفط تنهار بسبب "سيليكون فالي".. وهذا المتوقع من أوبك+
• 9 دول تتعاقد على صفقات هيدروجين أخضر من سلطنة عمان (صور)
• تقرير دولي: المغرب ومصر في صدارة طفرة طاقة الرياح بالدول النامية