Плавучие солнечные панели: как они влияют на морское дно

Плавучие солнечные установки обещают эру устойчивой энергетики, объединяя ветровую и солнечную энергию в морском пространстве. Однако, согласно последним исследованиям, морское дно может ощущать напряжение от таких инноваций.

Ученые исследовали, как плавучие фотоэлектрические (FPV) конструкции, размещенные в Бельгийском секторе Северного моря в сочетании с оффшорной ветровой электростанцией, изменяют гидродинамику, влияя на течения, турбулентность и напряжение на морском дне.

Северное море уже является центром развития оффшорной возобновляемой энергетики. Планы предусматривают увеличение мощности с нынешних 25 гигаватт до 300 гигаватт к 2050 году.

Для оптимизации использования морского пространства набирает популярность концепция размещения FPV-установок над существующими ветряными турбинами или вокруг них. Солнечные панели, установленные на плавучих платформах или приподнятых конструкциях, могут использовать солнечный свет в более солнечных и спокойных участках, совместно используя сетевую инфраструктуру с ветрогенераторами.

Ожидается, что это принесет взаимную выгоду: увеличение общей выработки энергии и более эффективное использование морского пространства. Тем не менее, данное исследование предостерегает, что, помимо выработки электричества, могут возникнуть и другие физические последствия для экосистемы.

Исследователи из Королевского бельгийского института естественных наук использовали высокодетализированную трехмерную гидродинамическую модель (COHERENS) для моделирования различных сценариев в районе, прилегающем к ветровой электростанции "Mermaid" в Бельгийском Северном море.

Было проведено сравнение базового сценария без конструкций, сценария только с ветряными турбинами и двух смешанных сценариев с ветряными турбинами и FPV, с редким или плотным размещением солнечных панелей (соответственно, около 126 мегаватт и 252 мегаватт солнечной мощности).

Основное внимание уделялось четырем ключевым гидродинамическим показателям: степени затенения (и влиянию на температуру поверхности моря), изменениям скорости течений, изменениям турбулентной кинетической энергии (показатель уровня турбулентности в воде) и различиям в напряжениях на дне (сила, с которой вода воздействует на морское дно).

Эффект затенения оказался незначительным. Летом установки плотного FPV охлаждали поверхность моря в среднем на 0,006°C, достигая максимума в 0,03°C в местах непосредственно под плавучими конструкциями. Масштабные солнечные массивы, расположенные над водой, не оказали существенного влияния на температуру воды.

Однако воздействия на течения, турбулентность и напряжение на дне были более значительными. По сравнению со сценарием только с ветряными турбинами, добавление FPV снизило среднюю скорость поверхностных течений в сценарии плотного размещения до 20,7%.

Плавучие солнечные панели не только замедляют поверхностные течения, но и увеличивают турбулентность в воде, поднимая осадочные породы и изменяя поток энергии в морской среде.

Влияние на придонные течения было гораздо меньше, всего около 0,5% разницы. Однако FPV-конструкции создают значительно больше подводных поверхностей (таких как поплавки, опорные рамы и крепления), чем типичные фундаменты ветряных турбин. Это важно, поскольку подводные структуры действуют как препятствия для потока: они замедляют и перенаправляют течения; создают турбулентность; изменяют процессы перемещения, осаждения или эрозии донных отложений; и, в конечном итоге, влияют на напряжение на морском дне.

В сценарии плотного размещения FPV, напряжение на дне изменилось до 63% локально по сравнению со сценарием только с ветряными турбинами. Примечательно, что площадь морского дна, где напряжение изменилось более чем на 10% (критерий, используемый при мониторинге рисков для донных местообитаний), превысила площадь ветропарка в 1,8 раза и площадь, покрытую самими FPV-установками, более чем в 23 раза.

Проще говоря: влияние на морское дно оказалось гораздо масштабнее, чем сами плавучие солнечные панели. Удвоение фотоэлектрической мощности более чем втрое увеличило площадь затрагиваемого морского дна.

Это имеет значение, поскольку морское дно является домом для донных местообитаний и организмов, а сила движения воды над осадками играет центральную роль в транспорте, эрозии, осаждении и взмучивании донных отложений. Увеличение напряжения на дне может привести к эрозии, изменению мутности воды, а уменьшение — к осаждению, изменяя среду обитания.

Таким образом, гидродинамические сдвиги, вызванные плавучими солнечными установками, могут изменить функционирование морских экосистем, влияя на биогеохимические циклы, отложение питательных веществ и углерода, расселение личинок и процессы седиментации.

Исследователи подчеркивают, что, хотя воздействия оффшорных ветряных электростанций изучены, плавучие солнечные установки остаются менее исследованными. Данная работа подчеркивает необходимость уделять больше внимания совместному размещению плавучих солнечных установок и ветрогенераторов.

Команда указывает на некоторые ограничения своих выводов: разрешение моделирования (сетка 50 × 50 м) не позволяет выявить очень мелкомасштабные процессы, а модель не учитывала воздействие волн, систем якорения или биообрастания (роста организмов на конструкциях, что увеличило бы сопротивление).

Также отсутствуют данные полевых наблюдений для этих процессов в условиях оффшорной эксплуатации, что означает, что результаты моделирования следует рассматривать как предварительную оценку, а не как окончательное измерение. Тем не менее, исследование представляет собой новаторскую оценку гидродинамических воздействий приподнятых FPV в контексте оффшорных ветряных электростанций.

Для политиков, планировщиков и разработчиков возобновляемых источников энергии исследование посылает ясный сигнал: интеграция плавучих солнечных установок в оффшорные ветряные электростанции может показаться эффективным способом максимизации использования морского пространства, но это не обходится без экологических издержек. Масштаб гидродинамического влияния на состояние морского дна и донные экосистемы может быть значительным и выходить далеко за пределы видимой площади солнечных установок.

По мере расширения использования оффшорных возобновляемых источников энергии, кумулятивные эффекты от множественных установок (ветровых, солнечных и волновых) должны быть учтены при планировании морского пространства, оценке воздействия на окружающую среду и программах мониторинга.

В контексте общественных дебатов о морских возобновляемых источниках энергии, где основное внимание уделяется экономической эффективности, интеграции в энергосистему, использованию пространства и сокращению выбросов углерода, данное исследование служит напоминанием о том, что экологические и физические морские воздействия должны оставаться в центре внимания. Энергетический переход неизбежно потребует инжиниринга в море, но инжиниринг и экология должны идти рука об руку.

Хотя плавучие солнечные установки могут по-прежнему вносить ценный вклад в развитие оффшорной возобновляемой энергетики, разработчикам стоит учитывать гидродинамические последствия: проектировать компоновки и плотность размещения, минимизирующие нарушение потока, системы якорения и крепления, ограничивающие воздействие на морское дно, а также проводить тщательный мониторинг донных отложений и донных организмов.

В конечном счете, следующее поколение гибридных плавучих солнечных и ветровых установок должно задавать не только вопрос о том, сколько энергии можно выработать, но и о том, как они изменят среду морского дна.