DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114463
تاريخ النشر: 2024-05-09
المؤلف: Steven Benjamins وآخرون
الموضوع الرئيسي: انبعاثات وكفاءة النقل البحري
نظرة عامة
تتناول الورقة البحثية النمو المتوقع لأنظمة الطاقة الشمسية العائمة (FPV) في البيئات العذبة والبحرية استجابةً للحاجة الملحة لإزالة الكربون مع تقليل المنافسة على الأراضي. تسلط الضوء على الآثار البيئية المحتملة المرتبطة بنشر صفوف FPV، والتي تشمل تأثيرات الظل، والتغيرات في الديناميات الهيدروليكية وتبادل الماء والجو، وانبعاثات الطاقة، وتأثيرات على المجتمعات القاعية والأنواع المتنقلة. تؤكد الدراسة على أهمية فهم هذه التأثيرات في سياق الصناعات القائمة وتؤكد الحاجة إلى التعاون عبر القطاعات بين أصحاب المصلحة لمعالجة فجوات البيانات وتنفيذ حلول فعالة.
تؤكد الاستنتاجات أن تقنية FPV أصبحت لاعبًا مهمًا في جهود إزالة الكربون من الطاقة العالمية. من المتوقع أن تتزايد الآثار البيئية مع مساحة سطح الماء المغطاة بأنظمة FPV، مع احتمال حدوث التأثيرات الأكثر وضوحًا في النظم البيئية العذبة والمواقع الساحلية المحمية. تشمل التأثيرات الرئيسية المتوقعة تغييرات في مستويات الضوء، وتغيرات هيدروديناميكية، وانبعاثات الطاقة، وتأثيرات على كل من الأنواع القاعية والمتنقلة. تدعو الورقة إلى جهود تعاونية بين الباحثين والمطورين والجهات التنظيمية لتطوير ممارسات مستدامة، بما في ذلك التعديلات المحتملة على تصاميم FPV واستراتيجيات التواجد المشترك مع الأنشطة البحرية الأخرى. يُعتبر إنشاء مواقع اختبار FPV أمرًا ضروريًا لتطوير استراتيجيات فعالة لمراقبة البيئة والتخفيف من الآثار.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية المتزايدة لصفوف الطاقة الشمسية (PV)، وخاصة أنظمة الطاقة الشمسية العائمة (FPV)، في سياق الجهود العالمية لإزالة الكربون من إمدادات الطاقة. مع مواجهة التركيبات التقليدية للطاقة الشمسية على اليابسة قيودًا مكانية، تقدم صفوف FPV بديلاً قابلاً للتطبيق من خلال استخدام المسطحات المائية للنشر. منذ تركيب أول نظام FPV في اليابان في عام 2007، زادت السعة العالمية لـ FPV بشكل كبير، حيث وصلت إلى 2.4 جيجاوات بحلول عام 2019، مع توقعات للنمو المستمر، خاصة في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي ومصادر الطاقة التقليدية غير الموثوقة. ومع ذلك، لا تزال الآثار البيئية والاجتماعية لمشاريع FPV، وخاصة في البيئات البحرية، بحاجة إلى مزيد من البحث، مما يستدعي إجراء تقييمات شاملة للأثر البيئي (EIA) وتقييمات الأثر الاجتماعي (SIA) لإبلاغ التطورات المستقبلية.
تهدف المراجعة إلى معالجة الأسئلة الحرجة المتعلقة بالآثار البيئية المتوقعة لأنظمة FPV، وأهميتها، والاختلافات بين التأثيرات في البيئات البحرية مقابل العذبة. تسعى إلى تحديد فجوات البيانات الحالية واقتراح اتجاهات البحث لتعزيز فهم هذه التأثيرات. بينما تركز بشكل أساسي على القضايا البيئية، تعترف المراجعة أيضًا بالآثار الاجتماعية لمشاريع FPV. ستقدم الدراسة نظرة عامة على تصميم وتشغيل أنظمة FPV، تليها تقييمات للآثار البيئية عبر فئات مختلفة، مما يضع في النهاية إطارًا لتقييم أنظمة FPV بغض النظر عن بيئة نشرها. من الجدير بالذكر أن المراجعة لا تشمل تحليل دورة حياة كامل لهياكل FPV، مما يستثني الآثار المتعلقة باستخراج المواد الخام وعمليات التصنيع.
نقاش
يسلط النقاش حول تصميم الطاقة الشمسية العائمة (FPV) الضوء على التنوع والتحديات الهندسية المرتبطة بتقنيات FPV الحالية. تتكون أنظمة FPV من ألواح شمسية مثبتة على هياكل عائمة، والتي يمكن أن تكون إما صلبة أو مرنة. تستفيد هذه الأنظمة من كفاءة تشغيل محسنة بسبب تأثيرات تبريد الماء، خاصة في المناخات الدافئة. ومع ذلك، يجب تصميمها لتحمل حركات الماء والأمواج، مما يتطلب تعزيزات هيكلية. تم اقتراح حلول تصميم متنوعة، بما في ذلك التصاميم المودولارية التي تسمح بالمرونة وتقلل من تأثير الأمواج، والهياكل ذات الطبقات الرقيقة التي تستقر مباشرة على سطح الماء لتقليل الضغط الميكانيكي. تتطلب مدة خدمة أنظمة FPV، المتوقع أن تتجاوز عشرين عامًا، اختيارًا دقيقًا للمواد لتحمل التعرض المائي لفترات طويلة.
تناقش القسم أيضًا الآثار البيئية لأنظمة FPV، خاصة فيما يتعلق بتأثيرات الظل على النظم البيئية المائية. يمكن أن تقلل تركيبات FPV بشكل كبير من الإشعاع تحت الماء، مما يؤثر على الكائنات الضوئية مثل العوالق النباتية والأنواع القاعية، مما قد يؤدي إلى انخفاض مستويات الأكسجين وتغير الديناميات المجتمعية. بينما يمكن أن يخفف الظل من ازدهار الطحالب الضارة في بعض الأنظمة العذبة، فإنه يشكل مخاطر على التنوع البيولوجي، خاصة في البيئات البحرية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر أنظمة FPV على الديناميات الهيدروليكية وتفاعلات الماء والجو، مما قد يقلل من التبخر ويغير درجات حرارة الماء. تتطلب تداعيات هذه التغييرات على الحياة المائية المحلية وديناميات المغذيات مزيدًا من التحقيق، خاصة من خلال دراسات النمذجة الهيدروديناميكية. بشكل عام، بينما تقدم أنظمة FPV حلول طاقة متجددة واعدة، يجب أن يأخذ تصميمها وتنفيذها بعين الاعتبار التحديات الهندسية والآثار البيئية على حد سواء.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114463
Publication Date: 2024-05-09
Author(s): Steven Benjamins et al.
Primary Topic: Maritime Transport Emissions and Efficiency
Overview
The research paper discusses the anticipated growth of floating photovoltaic (FPV) systems in freshwater and marine environments as a response to the urgent need for decarbonization while minimizing land competition. It highlights the potential environmental impacts associated with the deployment of FPV arrays, which include shading effects, alterations in hydrodynamics and water-atmosphere exchange, energy emissions, and impacts on benthic communities and mobile species. The study emphasizes the importance of understanding these impacts in the context of existing industries and stresses the need for cross-sectoral collaboration among stakeholders to address data gaps and implement effective solutions.
The conclusions underscore that FPV technology is becoming a significant player in global energy decarbonization efforts. The environmental impacts are expected to scale with the area of water surface covered by FPV systems, with the most pronounced effects likely occurring in freshwater ecosystems and sheltered coastal locations. Key anticipated impacts include changes in light levels, hydrodynamic alterations, energy emissions, and effects on both benthic and mobile species. The paper advocates for collaborative efforts among researchers, developers, and regulators to develop sustainable practices, including potential modifications to FPV designs and co-location strategies with other marine activities. Establishing FPV test sites is deemed essential for developing effective environmental monitoring and mitigation strategies.
Introduction
The introduction highlights the growing significance of photovoltaic (PV) arrays, particularly floating photovoltaic (FPV) systems, in the context of global efforts to decarbonize energy supplies. As traditional land-based PV installations face spatial constraints, FPV arrays offer a viable alternative by utilizing water bodies for deployment. Since the installation of the first FPV system in Japan in 2007, global FPV capacity has surged, reaching 2.4 GW by 2019, with expectations for continued growth, especially in regions with high solar irradiation and unreliable conventional power sources. However, the environmental and social impacts of FPV projects, particularly in marine environments, remain under-researched, necessitating thorough Environmental Impact Assessments (EIA) and Social Impact Assessments (SIA) to inform future developments.
The review aims to address critical questions regarding the anticipated environmental impacts of FPV systems, their significance, and the differences between impacts in marine versus freshwater environments. It seeks to identify existing data gaps and propose research directions to enhance understanding of these impacts. While focusing primarily on environmental concerns, the review also acknowledges the societal implications of FPV projects. The study will provide an overview of FPV system design and operation, followed by an evaluation of environmental impacts across various categories, ultimately establishing a framework for assessing FPV systems regardless of their deployment environment. Notably, the review does not encompass a full life cycle analysis of FPV structures, omitting impacts related to raw material extraction and manufacturing processes.
Discussion
The discussion on Floating Photovoltaic (FPV) design highlights the diversity and engineering challenges associated with current FPV technologies. FPV systems consist of photovoltaic panels mounted on floating structures, which can be either rigid or flexible. These systems benefit from enhanced operational efficiency due to the cooling effects of water, particularly in warm climates. However, they must be designed to withstand water movements and waves, necessitating structural reinforcements. Various design solutions have been proposed, including modular designs that allow flexibility and reduce wave impact, and thin-layer structures that rest directly on the water surface to minimize mechanical stress. The longevity of FPV systems, expected to exceed twenty years, requires careful selection of materials to withstand prolonged aquatic exposure.
The section also addresses the environmental impacts of FPV systems, particularly concerning shading effects on aquatic ecosystems. FPV installations can significantly reduce underwater irradiance, affecting photosynthetic organisms such as phytoplankton and benthic species, which may lead to decreased oxygen levels and altered community dynamics. While shading can mitigate harmful algal blooms in some freshwater systems, it poses risks to biodiversity, particularly in marine environments. Additionally, FPV systems can influence hydrodynamics and water-atmosphere interactions, potentially reducing evaporation and altering water temperatures. The implications of these changes on local aquatic life and nutrient dynamics require further investigation, particularly through hydrodynamic modeling studies. Overall, while FPV systems present promising renewable energy solutions, their design and implementation must carefully consider both engineering challenges and ecological impacts.