اولین پروژه کانال خورشیدی یک پیروزی برای آب، انرژی، هوا و آب و هوا در کالیفرنیا است

1 مارس 2022نوشته راجر بیلز، گفتگو – نقاشی یک هنرمند از یک کانال خورشیدی. اعتبار: رابین راج، سیتیزن گروپ و سولار آکواگرید

شواهد فزاینده نشان می دهد که غرب ایالات متحده اکنون در بدترین خشکسالی حداقل در 1200 سال گذشته است. منابع آب زیرزمینی در بسیاری از نقاط بیش از حد پمپاژ می شود، و خشکی، آتش سوزی های جنگلی و کاهش ذخایر آب، تغییرات آب و هوایی را برای میلیون ها نفر ایجاد می کند.

به عنوان یک مهندس، من با همکارانم روی راهی کار کرده ام تا هم از منابع آب محافظت کنم و هم انرژی های تجدیدپذیر را برای محافظت از آب و هوا تقویت کنم.ما آن را  کانال خورشیدی می نامیم و در حال آزمایش در کالیفرنیا است.

این کانال حدود 4000 مایل کانال آب را به حدود 35 میلیون کالیفرنیایی و 5.7 میلیون هکتار زمین کشاورزی در سراسر ایالت منتقل می کند. همانطور که در مطالعه‌ای در سال 2021 توضیح دادیم، پوشاندن این کانال‌ها با پنل‌های خورشیدی تبخیر آب گرانبها – یکی از حیاتی‌ترین منابع کالیفرنیا – را کاهش می‌دهد و به تحقق اهداف انرژی تجدیدپذیر ایالت کمک می‌کند و در عین حال در هزینه‌ها نیز صرفه‌جویی می‌کند.

اولین نمونه های اولیه در ایالات متحده برای کانال های با دهانه وسیع و باریک اکنون در دره مرکزی کالیفرنیا در حال توسعه هستند. محققان دانشگاه کالیفرنیا، در این پروژه مشارکت دارند، و ما در تلاش خواهیم بود تا مشخص کنیم که چگونه این می تواند به یک راه حل در مقیاس بزرگ تبدیل شود.

حفظ آب و زمین

کالیفرنیا مستعد خشکسالی است و آب یک نگرانی دائمی است. اکنون، تغییر اقلیم هوای گرم تر و خشک تر را به ارمغان می آورد.خشکسالی های شدید طی 10 تا 30 سال گذشته، چاه ها را خشک کرده، مسئولان را مجبور به اعمال محدودیت های آبی و دامن زدن به آتش سوزی های گسترده کرده است.

در عین حال، کالیفرنیا اهداف بلندپروازانه حفاظتی دارد. دولت موظف است پمپاژ آب زیرزمینی را کاهش دهد و در عین حال منابع قابل اعتماد را برای مزارع، شهرها، حیات وحش و اکوسیستم ها حفظ کند. به عنوان بخشی از یک ابتکار گسترده تغییر آب و هوا، در اکتبر 2020، فرماندار گاوین نیوسام، به آژانس منابع طبیعی کالیفرنیا دستور داد تا تلاش ها را برای حفظ 30 درصد از خشکی و آب های ساحلی تا سال 2030 رهبری کند.

بیشتر باران و برف کالیفرنیا در طول زمستان در شمال ساکرامنتو می‌بارد، در حالی که 80 درصد از آب مصرفی آن در جنوب کالیفرنیا و بیشتر در تابستان انجام می‌شود. به همین دلیل است که کانال ها در سراسر ایالت ایجاد می شوند – این بزرگترین از نوع خود در جهان است. ما تخمین می زنیم که حدود 1٪ – 2٪ از آبی که آنها حمل می کنند در اثر تبخیر در زیر آفتاب داغ کالیفرنیا از دست می رود.

در یک مطالعه در سال 2021، ما نشان دادیم که پوشاندن تمام 4000 مایل کانال های کالیفرنیا با پنل های خورشیدی با کاهش تبخیر، سالانه بیش از 65 میلیارد گالن آب را ذخیره می کند. این برای آبیاری 50000 هکتار زمین کشاورزی یا تامین آب مورد نیاز مسکونی بیش از 2 میلیون نفر کافی است. با تمرکز تاسیسات خورشیدی بر روی زمین هایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند، به جای ساخت آنها در زمین های توسعه نیافته، این رویکرد به کالیفرنیا کمک می کند تا به اهداف مدیریت پایدار خود برای منابع آب و زمین دست یابد.

 سازگاری با آب و هوا

سایه انداختن کانال های کالیفرنیا با پنل های خورشیدی می تواند مقدار قابل توجهی برق تولید کند. تخمین‌های ما نشان می‌دهد که می‌تواند حدود 13 گیگاوات ظرفیت انرژی تجدیدپذیر را تامین کند که تقریباً نیمی از منابع جدیدی است که دولت برای دستیابی به اهداف برق پاک خود باید اضافه کند: 60٪ از منابع بدون کربن تا سال 2030 و 100٪ قابل تجدید تا سال 2045.

نصب پنل های خورشیدی بر روی کانال ها هر دو سیستم را کارآمدتر می کند. پنل های خورشیدی تبخیر کانال ها را به ویژه در تابستان های گرم کالیفرنیا کاهش می دهد. و از آنجایی که آب کندتر از زمین گرم می شود، آب کانالی که در زیر پانل ها جریان دارد می تواند آنها را تا 10 درجه فارنهایت خنک کند و تولید برق را تا 3 درصد افزایش دهد.

این سایبان ها همچنین می توانند برق محلی را در بسیاری از مناطق کالیفرنیا تولید کنند و تلفات انتقال و هزینه را برای مصرف کنندگان کاهش دهند. ترکیب انرژی خورشیدی با ذخیره باتری می تواند به ساخت ریزشبکه ها در مناطق روستایی و جوامع محروم کمک کند و سیستم قدرت را کارآمدتر و انعطاف پذیرتر کند. این امر خطر تلفات برق ناشی از آب و هوای شدید، خطای انسانی و آتش‌سوزی‌های جنگلی را کاهش می‌دهد.

ما تخمین می زنیم که هزینه دهانه کانال ها با پنل های خورشیدی بیشتر از ساخت سیستم های روی زمین خواهد بود. اما وقتی برخی از مزایای مشترک مانند اجتناب از هزینه‌های زمین، صرفه‌جویی در آب، کاهش علف‌های هرز آبزی و افزایش راندمان PV را اضافه کردیم، متوجه شدیم که کانال‌های خورشیدی سرمایه‌گذاری بهتری هستند و برقی را ارائه می‌کنند که در طول عمر خورشیدی هزینه کمتری دارد. این امر همراه با فواید سلامت انسان ناشی از بهبود کیفیت هوا و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است.

منافع برای زمین

به طور واضح، کانال های خورشیدی چیزی فراتر از تولید انرژی تجدیدپذیر و صرفه جویی در آب هستند. ساخت این آرایه های خورشیدی طولانی و نازک می تواند از تبدیل بیش از 80000 هکتار زمین کشاورزی یا زیستگاه طبیعی به مزارع خورشیدی جلوگیری کند.

کالیفرنیا برای جمعیت جهانی در حال افزایش غذا تولید می کند و بیش از 50 درصد میوه ها، آجیل ها و سبزیجاتی را که مصرف کنندگان آمریکایی می خورند تولید می کند. با این حال، تا 50 درصد از ظرفیت انرژی تجدیدپذیر جدید برای رسیدن به اهداف کربن زدایی می تواند در مناطق کشاورزی، از جمله بخش های وسیعی از زمین های کشاورزی برتر مستقر شود.

تاسیسات کانال خورشیدی همچنین از حیات وحش، اکوسیستم ها و زمین های مهم فرهنگی محافظت می کند. توسعه های خورشیدی در مقیاس بزرگ می تواند منجر به از دست دادن زیستگاه، تخریب و تکه تکه شدن آن شود که می تواند به گونه های در معرض تهدید مانند لاک پشت صحرای موهاوی آسیب برساند.

آنها همچنین می توانند به جوامع گیاهی صحرا، از جمله گیاهانی که از نظر فرهنگی برای قبایل بومی مهم هستند، آسیب برسانند. به عنوان مثال، ساخت مرکز انرژی خورشیدی جنسیس در صحراهای سونوران و موهاوه در سال‌های 2012-2014 مسیرها و مکان‌های دفن را ویران کرد و به آثار فرهنگی مهم آسیب رساند و منجر به درگیری حقوقی طولانی شد.

پاک کردن هوا  و علف های هرز

با تولید برق پاک، کانال های خورشیدی می توانند کیفیت هوا را بهبود بخشند.مزیت دیگر مهار علف های هرز آبزی است که کانال ها را خفه می کند. در هند، جایی که توسعه دهندگان از سال 2014 کانال های خورشیدی می سازند، سایه پانل ها رشد علف های هرز را محدود می کند که زهکشی ها را مسدود کرده و جریان آب را محدود می کند.

مبارزه با این علف های هرز هزینه بر است و علف کش ها سلامت انسان و محیط زیست را تهدید می کنند. برای کانال‌های بزرگ با عرض 100 فوت در کالیفرنیا، ما تخمین می‌زنیم که کانال‌های سایه‌بان حدود 40000 دلار در هر مایل صرفه‌جویی می‌کنند. در سراسر ایالت، پس انداز می تواند به 69 میلیون دلار در سال برسد.

آوردن کانال های خورشیدی به کالیفرنیا

زیرساخت های برق قدیمی کالیفرنیا به آتش سوزی های فاجعه بار و خاموشی های چند روزه کمک کرده است. ایجاد طرحهای خورشیدی هوشمند در کانال‌ها و دیگر زمین‌ها می‌تواند زیرساخت‌های برق و آب را انعطاف‌پذیرتر کند و در عین حال صرفه‌جویی در مصرف آب، کاهش هزینه‌ها و کمک به مبارزه با تغییرات اقلیمی را فراهم کند.

منطقه آبیاری تورلاک، در دره سن خواکین کالیفرنیا، اولین نمونه اولیه کانال خورشیدی را با مشارکت توسعه‌دهنده پروژه Solar Aquagrid، محققان و دیگران و با حمایت وزارت منابع آب ایالتی خواهد ساخت.

نمونه‌های اولیه در این پروژه نمایشی مایلی طولانی، همراه با آزمایش‌کنندگان آینده، به اپراتورها، توسعه‌دهندگان و تنظیم‌کننده‌ها کمک می‌کنند تا طرح‌ها را اصلاح کنند، منافع مشترک را ارزیابی کنند و نحوه عملکرد این سیستم‌ها را ارزیابی کنند. با داده‌های بیشتر، می‌توانیم استراتژی‌هایی را برای گسترش کانال‌های خورشیدی در سراسر ایالت و به طور بالقوه در سراسر غرب ترسیم کنیم.