Prednosti i nedostaci inovacije: plutajući solarni paneli za uštede uz zaštitu biodiverziteta

U potrazi za prostorom za velike solarne nizove, mnoge zemlje traže plutajuće sisteme. Sada Holandija ide korak dalje, sa nizovima na bazi vode koji prate Sunce.

Na jezeru u Holandiji pluta sjajno okruglo ostrvo, prekriveno desetinama svetlucavih solarnih panela, javlja BBC.

Ovo nije normalan solarni niz, pa čak ni samo jedna od mnogih novih plutajućih solarnih farmi instalisanih na jezerima, rezervoarima i obalnim područjima širom svijeta. Njegovi paneli rade nešto što nijedna od ovih drugih plutajućih solarnih farmi ne može: pažljivo prate i prate Sunce dok se kreće po nebu, kako bi uhvatili što više zraka.

Blistava instalacija, nazvana Proteus po drevnom grčkom bogu mora, među prvima je kombinovala plutajuće solarne panele s tehnologijom praćenja Sunca – sve u nastojanju da maksimizira količinu čiste električne energije koju može proizvesti.

Ostrvo, koje pluta u Oostvoornse Meer, jezeru u jugozapadnoj Holandiji, pokriveno je sa 180 ovih pokretnih solarnih panela, sa ukupnim instalisanim kapacitetom od 73 kilovata vršne snage (kWp). To je mala količina u svijetu koji brzo pokušava da se prebaci na obnovljive izvore energije, ali SolarisFloat, portugalska kompanija koja je izgradila Proteus, vjeruje da bi se ova mala instalacija mogla povećati kako bi proizvela velike količine čiste električne energije – i, što je najvažnije, bez zauzimanja vrijednog zemljišta.

Solarna revolucija – plutajući solarni paneli za budućnost bez karbona

Od brazilske Amazonije do Japana, plutajući solarni paneli doživljavaju procvat širom svijeta. Plutajući solarni kapacitet je značajno porastao u protekloj deceniji, sa 70 MWp u 2015. na 1.300 MWp u 2020. Očekuje se da će tržište ove tehnologije rasti za 43% godišnje u narednoj deceniji, dostižući 24,5 milijardi dolara (21,7 milijardi funti) do 2031.

„Plutajuća solarna energija je prilično nova opcija [obnovljive energije], ali ima ogroman potencijal na globalnom nivou“, rekao je Thomas Reindl, zamjenik izvršnog direktora Instituta za istraživanje solarne energije u Singapuru za BBC. Pokrivanje samo 10% svih akumulacija koje je napravio čovjek na svijetu sa plutajućim solarnim sistemom rezultiralo bi instalisanim kapacitetom od 20 teravata (TW) – 20 puta više od globalnog solarnog fotonaponskog kapaciteta danas, prema analizi koju je objavio BBC Future Planet.

Uspon tehnologije plutajuće solarne energije jedan je od najnovijih trendova u revolucionarnoj ekspanziji solarne fotonaponske električne energije posljednjih godina. Globalno, solarni fotonaponski kapacitet se povećao skoro 12 puta u protekloj deceniji, sa 72GW u 2011. na 843GW u 2021. Tehnologija sada čini 3,6% globalne proizvodnje električne energije, u odnosu na 0,03% u 2006. U isto vrijeme, nizovi za solarnu energiju su doživjeli zapanjujući pad cijena što ih je učinilo najjeftinijim izvorom energije na svijetu.

Prema Međunarodnoj agenciji za energiju, očekuje se dalje povećanje kapaciteta solarne energije, koji treba da dostigne šest puta veću količinu do 2030. kako bi ostao na pravom putu prema svijetu neto nulte emisije karbona. Globalna geopolitika također igra ulogu u sve većem oslanjanju na solarnu energiju. Evropska unija je predložila masovno povećanje obnovljive energije jer ima za cilj da smanji ovisnost o ruskoj nafti i plinu nakon invazije ove zemlje na Ukrajinu.

Pored ovog ogromnog rasta, nauka nastavlja da traga za poboljšanjima u solarnoj tehnologiji. Većina do sada postavljenih solarnih panela širom svijeta leži na čvrstoj zemlji, ali solarne tehnologije koje plutaju na vodi nude jedinstvenu prednost: ne zauzimaju kopneni prostor koji bi mogao biti potreban za druge svrhe.

„Proizvodnja obnovljive energije će se povećati širom svijeta“, kaže Antonio Duarte, vodeći tehnički inženjer u SolarisFloatu. On je dodao da će se ulaganja u solarne instalacije na vodi, s obzirom da  zemljište postaje veoma dragocjena imovina.

U svijetu koji želi brzo proširiti solarne nizove, to daje plutajućem solaru značajnu prednost, posebno za zemlje koje se suočavaju s nedostatkom zemlje. Konvencionalne solarne farme često su kritikovane zbog količine zemlje koju zauzimaju, zemljišta koje bi se inače koristilo za uzgoj usjeva za prehranu rastuće svjetske populacije ili za drveće koja upija karbon. Solarna energija zahtijeva ogromnu količinu prostora, 40-50 puta više od elektrana na ugalj i 90-100 puta više od plina, pokazalo je istraživanje Univerziteta Leiden u Holandiji.

Plutajuće solarne instalacije nude jedinstvenu prednost: ne zauzimaju vrijedan kopneni prostor

„Ipak, trenutno manje od 1% svjetskih solarnih instalacija pluta“, ukazao je Michael Walls, profesor u Centru za tehnologiju sistema obnovljivih izvora energije na Univerzitetu Loughborough, u Velikoj Britaniji. „To je dijelom zbog tehničkih i finansijskih ograničenja – slana voda uzrokuje koroziju, a pozicioniranje panela pod uglom je teško i skupo na plutajućoj platformi“, kaže Walls, dodajući da se instalacije na slatkovodnim tijelima također mogu suočiti sa otporom ako se takmiče s drugim aktivnostima, kao što su plivanje, vožnja čamcem ili pecanje.

Ipak, plutajuće farme na sunce rješavaju još jedan problem koji muči konvencionalnu solarnu energiju: neefikasnost onda kada solarni paneli postanu previše topli. U stvari, plutajući solarni paneli stvaraju dodatnu energiju zbog rashladnog efekta vode nad kojom lebde.

Solarni paneli proizvode električnu energiju koristeći zrake svjetlosti sa Sunca, a ne njegovu toplinu. Ali kada postanu prevruće, njihova efikasnost opada. To je zato što toplota pobuđuje elektrone panela, koji pretvaraju energiju Sunca u električnu, čineći razliku između visoke energije i stanja mirovanja manjom, što zauzvrat smanjuje napon i količinu proizvedene električne energije. Solarni fotonaponski paneli obično rade na maksimalnoj efikasnosti između 15C i 35 Celzijusa, ali se mogu zagrijati i do 65 Celzijusa, što ometa efikasnost.

„Blizina vode plutajućeg solara pomaže panelima da rade efikasnije i povećava njihovu proizvodnju električne energije do 15%“, kaže Nuno Correia, direktor kompozitnih materijala na Institutu za nauku i inovacije u mašinskom i industrijskom inženjerstvu u Portu.

Plutajući solarni paneli koji prate Sunce

Postoje i drugi načini da se poveća proizvodnja energije solarnih panela – kao što je njihovo naginjanje prema putanji Sunca, slično načinu na koji mladi suncokreti prate sunce od istoka prema zapadu tokom dana. Tehnologija praćenja, koja se već koristi na nekim kopnenim solarnim nizovima, pomaže u povećanju ukupne proizvodnje električne energije, jer se paneli stalno okreću prema Suncu.

Istraživanja su pokazala da bi dvostrani paneli koji prate Sunce mogli povećati proizvodnju energije za 35% i smanjiti prosječnu cijenu električne energije za 16% u poređenju sa konvencionalnim sistemima. Očekuje se da će potražnja za tehnologijom praćenja solarnih panela rasti za 16% godišnje između 2022. i 2030. zbog ovog povećanja efikasnosti.

Spajanjem te dvije tehnologije, SolarisFloat kaže da može povećati proizvodnju električne energije do 40%, u poređenju sa statičnim kopnenim instalacijama.

SolarisFloat je napravio Proteus kao pilot projekat, kako bi testirao ovu vrhunsku tehnologiju i analizirao načine za ppvećanje proizvodnje čiste energije. Prototip im je donio poziciju finaliste za European Inventor Award ove godine.

Proteusovi jednostrani paneli polako se rotiraju svakih nekoliko sati na dvije ose, koristeći mehaničke, geoprostorne i svjetlosne senzore kako bi precizno pratili elevaciju Sunčeve putanje, dok se kreće od istoka prema zapadu.

„Postoji mnogo pogodnih lokacija za sisteme za praćenje kao što je Proteus, ali najvjerovatnije niše su instalacije na višim geografskim širinama koje neće iskusiti jake vjetrove“, kaže Reindl. Lokacije moraju biti pažljivo odabrane kako bi se izbjeglo da plimske sile i olujno vrijeme unište panele kao i njihove sisteme za privez i sidrenje.

Dodavanje trackera povećava ukupne kapitalne troškove i troškove održavanja instalacije. Ali dobit od električne energije čini ovu tehnologiju vrijednom investicijom, “posebno na lokacijama sa sunčanim pojasom”, ocjenjuje Walls.

„Još jedna mana solarnih nizova sa praćenjem Sunca postavljenih na vodi je to što ih je teško instalisati“, priznaje Duarte. “Sistemi za praćenje zemljišta su obično ‘usidreni’ za tlo pomoću stubova i samo se platforma sa modulima solarnih panela na vrhu stubova kreće”, objašnjava on. Kako bi se osigurala stabilnost na vodi, propeleri i motori su ugrađeni na Proteusovu platformu za sidrenje panela.

“Ostaje da se vidi kolike bi bile maksimalne brzine vjetra i visine talasa koje sistem može podnijeti, a da i dalje radi glatko i pouzdano tokom vremena”, kaže Reindl.

Ekološke prednosti

Povezivanje tehnologije praćenja s plutajućim solarnim sistemom moglo bi povećati proizvodnju električne energije, ali prednosti se protežu i dalje od toga. Plutajuća solarna energija može pomoći u smanjenju isparavanja i spriječiti širenje toksičnog cvjetanja algi, što ugrožava vodosnabdijevanje, kažu naučnici.

Plutajuće solarne instalacije hlade temperature vode štiteći njenu površinu od Sunca. Time se sprječava rast toksičnih cvjetova plavo-zelenih algi, koje uspijevaju u toplijim vodama i mogu proizvesti štetne toksine koji uzrokuju iritaciju očiju i kože, kao i povraćanje kod ljudi i ozbiljne bolesti ili čak smrt kod životinja.

Niže temperature takođe sprečavaju isparavanje vode, što je posebno važna prednost u sušnim područjima gde je voda dragocjeni resurs. Studija iz 2021. godine pokazala je da su plutajući solarni paneli na rezervoaru u Jordanu, jednoj od zemalja s najvećim nedostatkom vode, smanjili isparavanje za 42%, dok su proizvodili 425 MWh električne energije godišnje.

„Ako se dobro uradi i na pravom mestu, plutajuća solarna energija ima potencijal da obezbijedi toliko potrebnu energiju sa niskim sadržajem karbona bez zauzimanja kopna i uz poboljšanje stanja vodenog tijela“, kaže Alona Armstrong, viša predavačica energetike i ekoloških nauka na Univerzitetu Lankaster i koautor studije koja razmatra ekološke koristi i rizike plutajućih solarnih farmi. “Naše istraživanje pokazuje da plutajuće solarno tijelo hladi vodeno tijelo i smanjuje biomasu fitoplanktona.” Visoke koncentracije biomase fitoplanktona mogu potaknuti rast cvjetanja algi.

Međutim, šira upotreba plutajuće solarne energije mogla bi imati i ekološke nedostatke. Plutajući solarni paneli mogu uticati na stratifikaciju, slojeve u vodnom tijelu s različitim svojstvima, kao odgovor na promjene sunčevog zračenja i vjetra na površini. Povećanje slojevitosti moglo bi uzrokovati deoksigenaciju donjeg sloja, “izazivajući nepoželjno povećanje koncentracije hranjivih tvari i ubijanje ribe”, primjećuje Armstrongova studija.

„Plutajuća solarna energija mogla bi uzrokovati korisne i štetne utjecaje na vodno tijelo, a vjerovatno i kombinaciju oboje“, kaže Armstrong. “Sve se bazira na dobro planirane i izvedbu na pravom mjestu.”

Plutajući solarni paneli također mogu ponuditi korisne prednosti u kombinaciji s drugim čistim tehnologijama. Kao prvo, postoji “ogromna prilika” za spajanje plutajuće solarne energije sa postojećom hidroenergetskom infrastrukturom, kaže Reindl. Ovo bi pomoglo u rješavanju jednog od najvećih izazova obnovljive energije: kako osigurati stabilno napajanje tokom promjenjivih vremenskih uslova.

„Mogli biste koristiti solarnu energiju danju, a hidro vodu noću“, kaže Reindl. “Ako to učinite na pametan način, u principu biste mogli koristiti rezervoar kao ogromnu bateriju.”

Da bi bio komercijalno uspješan, SolarisFloat ne samo da treba pokazati povećanje proizvodnje električne energije, već i pokazati da se početna ulaganja u cijeli sistem i operativni troškovi mogu zadržati na niskim nivoima, kaže Reindl.

Ipak, čini se jasnim da je budućnost plutajućeg solara svijetla, a očekuje se da će globalno tržište porasti za petinu u narednih osam godina, na 180,2 miliona dolara.