المحطات الشمسية العائمة أحد الحلول لمواجهة العجز المائي

كتب: د.صبحي فهمي منصور تعتبر المياه من اهم المحددات الرئيسية فهى تؤثر على نوع النشاط الاقتصادى وحجمه بل ومكانه وحيثما وجدت توجد الحياة فهى ثانى اهم متطلبات الحياة بعد الهواء، ويجب أن يظل كذلك حتى نصل الى حل دائم يضمن حقنا وحق الاجيال القادمة فى مياه النيل لانه يعتبر بحق موضوع بقاء او فناء امه، والمياه فى مصر مستوردة لانها تأتى من خارج حدودنا.

يجب ان نعلم ان مواردنا من نهر النيل محدوده للغاية ومحدده منذ كان تعداد مصر 20 مليون نسمة واستمر محدودية مواردنا المائية فى ظل استمرار الزيادة السكانية حتى وصل الى 100 مليون نسمة ولم تزداد مواردنا من نهر النيل لتر واحد ما اثر على خطط استصلاح اراضى جديدة وبمقارنة بسيطة نجد ان نسبة السكان ذات إلى 800% فى حين لم تتعدى الزيادة فى الرقعة المزروعة عن 70% ما يترتب عليه انخفاض نصيب الفرد من الارض من 12 قيراط سنه 1900 الى 2قيراط فى 2014 هذا بالاضافة الى انخفاض نصيب الفرد من المياه من 4800 الى 585 م3 \سنة ما يعنى ان نصيب الفرد فى مصر من المياه اقل من الفقر المائي والذى حدد بـ(1000م3 \سنة) واصبحنا فى نطاق الشح المائي او المجاعة المائية ما يهدد كل مظاهر التنمية فى مصر واليوم نعانى من عجز مائى يصل الى ما يقرب من 42 مليارم3من المياه فى ظل الظروف المعاكسة والتى يمكن ايجازها فى الاتى:

1- قيام اثيوبيا ببناء سد النهضة على النيل الازرق احد روافد نهر النيل والذى يأتى منه ما يقرب من 90% من ايرادنا المائى بالاضافة الى زيادة تصميمه فبدلا من 14 مليار (التصميم الاساسي) زاد الى ما يزيد على 74 مليار م3 من المياه (ثبت من تحليل صور الاقمار الصناعية والتى تصل دقة تصويرها الى مسافة اقل من نصف متر فى الاول من فبراير 2016 ان اثيوبيا تستطيع تخزين 96 مليار متر مكعب).

2- عزم اثيوبيا بناء ثلاثة سدود اخرى.

3- قيام السودان ببناء سد على الشلال الرابع بمساعدة قطر وبعض دول الخليج مقابل استغلال هذه الدول عشرات الالاف من الافدنة فى الزراعة، ورغم الضبابية التى تكسوا هذه المشكلة الا ان هناك بارقة امل يمكننا النفاذ من خلالها لايجاد حل جزئى لهذه المشكلة وبارقة الامل هذه تكمن فى الاستفادة من المحطات الشمسية العائمة، وهي نوع جديد من النظم الشمسية يتم تشييدها فوق المسطحات المائية لتحقيق عدة فوائد غير متوفرة حال تنفيذها علي الأرض الصلبة كما هو متبع في معظم الحالات.

بدء تشييد هذا النوع من النظم في عام 2014 وتميزت الصين بتطوير وتنفيذ هذا الفكر حيث قامت بتنفيذ عدة مشاريع عملاقة منها مشروع بقدرة 250 ميجا وات في محافظة انهوى وتستحوذ الصين وحدها علي 70% من القدرات المركبة عالميا، وهناك نمو مطرد في هذا القطاع الذي ينمو حاليا بمعدل 500% سنويا, حيث وصل اجمالي القدرات المركبة حول العالم الي 750 ميجاوات في منتصف عام 2018 بالمقارنة مع 250 ميجاوات عام 2017، وتكلفة تنفيذ هذا النظام عادية جدا بالمقارنة بالنظم الشمسية علي الأرض الصلبة, ولا يحتاج الي اي امكانيات فنية أو تكنولوجية غير عادية.

لكن سبب عدم تطبيقه حتي اليوم في دولنا هو الخوف من التجديد وعدم وجود روح التطوير كما هو الحال في ثقفاتنا العربية رغم كون هذا النظام مناسب جدا للظروف المناخية والبيئية في الدول العربية, وبطبيعة الحال سوف يتنشر هذا النظام انتشار واسع في المستقبل القريب بعد زوال الرهبة والخوف منه.

يتم تنفيذ المحطات الشمسية العائمة بالنظم المتصلة أو المنفصلة عن الشبكة أو المحطات الهجينية, وذلك حسب الأحتياج فلا يوجد اي عوائق فنية من استخدام اي نظام شمسي عادي متعارف عليه، كما يتم تصميم حجم المحطة الشمسية ومكوناتها بالطرق التقليدية العادبة.

فوائد تشييد المحطات الشمسية العائمة

1- التوفير في المساحة، حيث يتم اسغلال مسطح المياه دون اهدار في الأرض, وهذا الفكر مفيد جدأ عندما تكون جهة التنفيذ لا تمتلك ارض. مثال ذلك (وزارة الري وشركات مياه الشرب تمتلك حق استغلال المسطحات المائية في الترع والبحيرات, ولكنها لا تمتلك اي أراضي حول هذه المسطحات).

2- تقليل البخر في المسطح المائي عند تغطية جزء منه بالألواح الشمسية، وهذه الفكرة مفيدة جدا في دولنا العربية التي تعاني من الفقر المائي, فيمكن مثلا تنقيذ المشروع علي بحيرة السد العالي والترع ونهر النيل للحفاظ علي الموارد المائية.

قيمة البخر في مناخ مثل مصر حوالي 3 م3سنويا لكل متر مسطح من المسطحات المائية وبحسبة بسيطة بحيرة السد العالي كمثال مسطحها حوالي 5250 كيلو متر مربع, ويبلغ معدل البخر السنوي في هذه المساحة الكبيرة حوالي 16 مليار م3مياه سنويا وهو ما يمثل 30% من حصة مصر السنوية في مياه نهر النيل, هذا بالاضافة الى ان سد أسوان في مصر الذى يفقد حاليًا ربع مدخلاته المائية السنوية نتيجة التبخر تحت شمس الصحراء واذا اضفنا الى ذلك ان طول المجارى المائية فى مصر تصل الى 55 الف كم (33 الف كم ترع + 22 الف كم مصارف) بالاضافة الى 1500 كم طول نهر النيل بفرعيه.

اذا اقمنا المحطات الشمسية العائمة على نصف هذه الاطوال خاصة فى النصف الجنوبى لمصر، حيث درجات الحرارة المرتفعة لاستطعنا توفير ما يزيد على 40% من حصة مصر السنوية في مياه نهر النيل وسوف يعود بفائدة عظيمة علي الموارد المائية وذلك عكس ما تم فعليا من اقامتها في صحراء بنبان باسوان اهدارا للأرض وبعيدا عن مصارد المياه وشبكة الكهرباء القومية ما تسبب في اقامة بنية تحتية مكلفة لتوصيل الكهرباء الي المنطقة فضلا عن مشاكل الحصول علي المياه الأزمة لصيانة المحطات الشمسية وغسيلها بصفة دورية علي مدار عمرها الافتراضي، هذا بالاضافة الى كمية الكهرباء الى سوف نحصل عليها من وراء بناء هذه المحطات العائمة.

لقد نجح هذا النموذج فى تغطية الترع بالهند من قبل، ومنذ نحو عامين افتتح وزير الموارد المائية والرى بالفعل المشروع الإرشادى لاستخدام الطاقة الشمسية فى الرى السطحى بنطاق محافظة البحيرة، وهو يعد المشروع الأول من نوعه فى مصر الذى يتم فيه تركيب الخلايا الشمسية اللازمة لتشغيل الطلمبات فوق مجرى الترعة المغذية، كأحد الحلول للتغلب على مشكلة تركيب الخلايا فوق الأراضى الزراعية، والتى ينتج عنها هدر فى هذه الأراضى، بالإضافة لكون هذا النمط فى تركيب الخلايا الشمسية فعالا فى تقليل فواقد المياه من الترع عن طريق البخر.

من حسن الطالع إن لدينا التكنولوجيا المحلية اللازمة لتنفيذ هذا المشروع، فقد صمم باحثون مصريون نموذجا أوليا لقناة مغطاة بعوامات بلاستيكية مجهزة بألواح شمسية بهدف خفض مستويات البخر والحفاظ على المياه، وقدرت الباحثة الرئيسية فى هذا المشروع الدكتورة شيرين البرادعى أنه فى ظل هذا النموذج، سيتم توفير 4,5 مليون متر مكعب من المياه سنوياً نتيجة لتغطية نصف قناة الشيخ زايد الرئيسية التى يبلغ طولها 50 كيلومترا فى توشكى، كما يمكن توليد ما بين 500 إلى 1000 كيلو وات من الطاقة المتجددة سنويا.

3- تقليل تكوين الطحالب وورد النيل في الماء نتيجة عدم تعرض المياه للهواء الطلق, كما هو معروف يقل تكوين هذه الكائنات حال تغطية المسطح المائي وعدم تعرضها لضوء الشمس المباشر لمنع التمثيل الضوئي لهذه الكائنات.

4- زيادة كفائة الالواح في الجو الحار نتيجة تلطيف المياه لحرارة الخلايا الشمسية, ومن المعلوم ان الخلايا الشمسية تزيد من انتاجيتها للكهرباء عند درجات الحرارة المنخقضة، وهناك دراسة كورية تمت بهذا الصدد اثبتت ان المحطات الشمسية العائمة تتفوق علي مثيلتها بنسبة 10% في معدلات توليد الطاقة.

5- حماية المحطة من السرقات والتلفيات نتيجة وجودها في مكان يصعب الوصول اليه ولا تحتاج الي أسور وحراسات دائمة, وذلك يؤدي الي التوفير في مصاريف اقامة المحطة وتكاليف التشغيل.

6- عدم الحاجة الي غسيل الالواح من الاتربة والبحث عن مصدر مياه للقيام بهذا الغرض، حيث يقوم الماء بمهمة النظافة تلقائيا ما يخفض المصاريف التشغيلية للمشروع.

7- لا يوجد أي اختلافات جوهرية بين صيانة المحطات الشمسية الأرضية والمائية.

8- في حالة الخزانات الكبيرة يُتطلب الامر توفير قارب للوصول إلى المنصة العائمة وبالنسبة للمحطات الصغيرة يتم بتثبيت عوامات من الشواطئ إلى المحطة، والمشي فوق منصات المحطة يجب ان يكون آمن جداً بالنسبة للعمال, حيث يتم تنفيذ منصة عائمة مستقرة ومصممة على أساس مبادئ الطفو ومتطلبات الصيانة.

9- سهولة وسرعة التنفيذ، حيث لا تحتاج المحطات الشمسية العائمة الي تنفيذ اعمال تجهيز الموقع وتسويته أو تنفيذ اسوار أو صب خراسانات أو حفر وردم مسارات لمرور الكابلات.

شروط تنفيذ المحطات الشمسية العائمة

1- يجب اختار موقع المحطات الشمسية العائمة في مكان غير معرض للامواج العالية مثل البحيرات والأنهار, فلا يمكن مثلا تنفيذه في مياه المحيطات والبحار، وعندنا في مصر مثلا يمكن تنفيذه في بحيرة السد العالي أو علي نهر النيل أو في بحيرات المياه الحلوة، ولا يمكن تنفيذه في البحر المتوسط أو البحر الأحمر مثلا.

2- لا يمكن تركيب هذا النظام في مسطحات المياه المالحة مثل البحيرات المرة في مصر أو البحر الميت في فلسطين رغم عدم وجود الأمواج والعالية, حيث ان ضمان ومواصفات جميع الألواح الشمسية لا تشمل تعرضها للأملاح الكثيفة ومن المعروف أن ظاهرة تأكل ضباب الملح Salt Mist Corrosion.

يمكن أن تؤثر على عمر الألواح الشمسية المثبتة بالقرب من المناطق الساحلية ويقدم بعض المصنعون في الوقت الحاضر شهادة خاصة تثبت أنهم قادرون على إنتاج وحدات قادرة على IEC 61701 تحمل تآكل ضباب الملح وفقًا لمعايير محددة.

هذا المعيار القياسي هو رقم، وهناك بعض شركات تصنيع الألواح تقوم حالية بالدراسات الأزمة نحو تصنيع منتج مقاوم للأملاح لتنطلق بعدها تكنولوجيا المحطات الشمسية العائمة فوق البحار والمحيطات, ولكن في الوقت الحاضر بقتصر التركيب فوق مسطحات المياه الحلوة.

3- لا يمكن تركيب هذا النظام في المواقع التي تتعرض للجليد وتجمد المياه خلال فصل الشتاء، ولهذا تعتبر اكبر عائق لنمو القطاع في الدول الأروبية وامريكا, اما بالنسبة للدول العربية فهذا العامل غير موجود.

4- يجب احكام عزل جميع مكونات المحطات الشمسية العائمة من تسرب المياه وعوامل التعرية والصدأ بما في ذلك الألواح الشمسية والوصلات ونظام التثبيت والكابلات.

5- يتم تثبيت المحطة بواسطة سلوك واير من الأستانلس مع حساب اطوال هذه السلوك بدقة حتي لا تخرج المحطة عن حيز محدد خلال انخفاض وارتفاع منسوب المياه في المسطح المائي, حيث نادرا ما يوجد مسطح مائي منسوبه ثابت لا يتغيير خلال اليوم أو فصول السنة، ويتم حساب قطاعات هذه السلوك مع الأخذ في الاعتبار السرعة القصوي للمياه ووزن المحطة الشمسية, وهذه الحسبة البسيطة يستطيع اي مهندس مدني حديث التخرج القيام بها دون مشاكل.

6- يراعي توقيت تنفيذ المحطة والسلك الواير في وقت هبوط منسوب المياه في المسطح المائي لتسهيل عملية التنفيذ.

7- HDPE يتم التركيب علي بلوكات، وهي مصنوعة من البولي يوريثين عالي الكثاقة لتثبيت الألواح الشمسية, وهذه البلوكات اصبحت الأن تنتج بصورة تجارية للاستخدام في النظم العائمة في الصين والهند وتكاليف بلوكات التثبيت وصلت الي 0.12 دولار للوات, اي حوالي 2200 جنية مصري للكيلوات وهو رقم عادي جدا، ويعتبر ارخص في حالات كثيرة من النظم التقليدية التي تحتاج الي اعمال خراسانة وتجهيز الموقع لاتمام عملية التثبيت، كما يمكن تصنيع هذه الوحدات محليا دون اي مشاكل عند اي مصنع بلاستيك.

8- في حال تنفيذ مشروع صغير وعدم وجود هذه الوحدات الجاهزة في بلد المشروع, يمكن بسهولة استبدال هذا النظام بنظام تثبيت بسيط من الخشب المعزول ضد الرطوبة أو بوحدات من الكاوتش العادي, مع الأخذ في الاعتبار تماسك الهيكل ووجود مرونة كافية لعمل مخدة Cushion ضد الأمواج والرياح. فلا يمكن مثلا عمل مسطح كبير صلب ومصمت من الخشب لا يعطي المرونة الكافية للتحركات والاختلافات في منسوب المياه التي تحدث عند مرور الرياح والأمواج.

9- يتم تركيب الألواح علي زاوية ميل خفيفة تساعد علي تصفية مياه الأمطار والأمواج, ولا يتم التقييد بزوايا الميل التي يتم تنفيذها في النظم الشمسية التقليدية حيث تتسبب الزوايا الكبيرة في عدم اتزان المحطة وصعوبة تنفيذها.

من المعلوم ان الفروق بين توليد الطاقة التي تحدث نتيجة التنفيذ علي زاوية قريبة من المستوي الفقي قليلة جدا لا تتعدي 10% خاصة كلما اقتربنا من خط الأستواء وذلك علي عكس ما يتصور البعض ان هذه الفروق جوهرية وحاسمة.

انتشار الألواح الشمسية العائمة

يزداد انتشار الألواح الشمسية العائمة في جميع أنحاء العالم، إذ يتوقع بعض الخبراء أن تصبح قريبًا الركيزة الثالثة للطاقة الشمسية، بعد الانتشار على الأسطح والأرض وإن أكثر من 35 دولة تملك -حاليًا- ما يُقدّر بنحو 350 شبكة عائمة، على الرغم من أن معظمها حتى الآن صغيرة، وبلغت سعتها الإجمالية في أواخر العام الماضي 2,6 جيجاواط فقط.

الألواح الشمسية العائمة

أشار تقرير صادر عن البنك الدولي إلى أن الألواح الشمسية العائمة تفتح آفاقًا جديدة لتوسيع نطاق الطاقة الشمسية على مستوى العالم، لا سيما في البلدان التي تعاني قيودا على الأراضي، وتوجد أكبر مجموعة تعمل حاليًا بالألواح الشمسية العائمة في العالم في مناجم الفحم السابقة التي غمرتها الفيضانات في آنهوي شرق الصين، بسعة 150 ميجاواط.

الأثر البيئي للألواح الشمسية العائمة

لا توجد دراسات حول الأثر البيئي أو تحليلات تفصيلية أخرى -حاليًا- حول التأثيرات المحتملة للألواح الشمسية العائمة على الحياة البرية أو البيئة الأوسع.

الجدوى الاقتصادية

تشير إحصاءات المختبر إلى أن هناك 379 ألفًا و68 خزّانًا للطاقة الكهرومائية في جميع أنحاء العالم صالحة لإنشاء محطّات شمسية عائمة ويرى أنصار اقتران الطاقة الشمسية بالطاقة الكهرومائية، الأمر منطقيًّا لأسباب قويّة، أبرزها أن نظام الطاقة الهجين يجعل تكاليف النقل أقلّ عن طريق ربط مصدري طاقة موسميّين بمحطّة فرعية مشتركة، ومن ثمّ تحقيق التوازن في إنتاج الطاقة من كليهما.

في هذا السياق، تكون أكبر قدرة على توليد الطاقة الشمسية خلال المواسم الجافّة، بينما تمثّل المواسم الممطرة للطاقة الكهرومائية أفضل فرصة للإنتاج، هذا يعني أن مشغّلي النظام الهجين يمكنهم استخدام الطاقة الكهرومائية لتخزين الطاقة الشمسية الزائدة.

أمثلة للمحطات الشمسية العائمة

بنيت أكبر محطة عائمة للطاقة الشمسية في بريطانيا على بحيرة صناعية تدعى “بحيرة الملكة اليزابيت الثانية” وتضم المحطة حوالي 23046 من ألواح الطاقة الشمسية التي تشغل مساحة 57500 متر مربع، بتكلفة قدرها حوالي 6 ملايين جنيه استرليني وقد تم بناء المحطة خلال 3 أشهر وهي تولد ما يكفي من الطاقة الكهربائية لتزويد ما يقارب 1800 منزل، حيث أن قوة الإنتاج في أوقات الذروة تصل لحوالي 6,3 ميجاوات.

محطة عائمة للطاقة الشمسية في بريطانيا

تغطي هذه الألواح حوالي 10% من البحيرة الصناعية ولم يتم تسجيل أي تأثير بيئي سلبي ذي شأن على هذه البحيرة، كما استطاع اليابانيين بناء محطة جديدة عائمة في 2018 بضعف حجم المحطة الموجودة في بريطانيا.

هناك العديد من المسطحات المائية العذبة في العالم، والتي تطفو على سطحها محطات الطاقة الشمسية، لكن القليل جدًا منها ما يسمى (المزارع الشمسية) التى تطفو على سطح البحار والمحيطات لقد انتهزة سنغافورة وماليزيا الفرصة وقاموا ببناء أكبر محطة طاقة شمسية عائمة في العالم في مضيق جوهور بين سنغافورة وماليزيا قدرة مزرعة الطاقة الشمسية البحرية صغيرة نسبيا 5 ميجاوات فقط. تولد ما يصل إلى 6 ملايين كيلوواط ساعة من الكهرباء سنويا

*مُعد التقرير: أستاذ دكتور بمعهد بحوث الأراضي والمياه والبيئة بمركز البحوث الزراعية.