محطات الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأرض أم على الأسطح: أيهما يوفر قيمة أكبر؟

محطات الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأرض أم على الأسطح: أيهما يوفر قيمة أكبر؟

مثبتة على الأرض محطات الطاقة الكهروضوئية تتفوق باستمرار على أنظمة الأسطح في إجمالي إنتاج الطاقة والعائد طويل الأجل على الاستثمار للمشاريع على نطاق المرافق ، في حين توفر التركيبات على الأسطح مزايا لا مثيل لها لحالات الاستخدام التجاري والسكني حيث تكون الأراضي نادرة أو يكون الوصول إلى الشبكة محدودًا. ويعتمد الاختيار الصحيح بشكل كبير على الأرض المتاحة، وملف الحمل، وتكاليف الاتصال بالشبكة، وحجم العملية.

تم تجاوز القدرة الكهروضوئية المثبتة عالميًا 1.6 تيراواط (TW) في عام 2023، ويروي الانقسام بين الأنظمة المثبتة على الأرض والأنظمة المثبتة على الأسطح قصة دقيقة حول كيفية نشر الطاقة الشمسية عبر قطاعات مختلفة. يعد فهم الاختلافات العملية بين هذين التكوينين أمرًا ضروريًا للمستثمرين ومطوري المشاريع ومديري الطاقة الذين يتخذون قرارات تخصيص رأس المال.

تحديد التكوينين

محطات الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأرض

محطة الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأرض هي منشأة شمسية واسعة النطاق مبنية على أرض مفتوحة، تتراوح عادةً من 1 ميجاوات (MW) إلى عدة جيجاوات (GW). يتم تثبيت الألواح على أنظمة أرفف من الفولاذ أو الألومنيوم مثبتة مباشرة على الأرض، أو مثبتة على أجهزة تتبع أحادية المحور أو ثنائية المحور تتبع مسار الشمس. تم تصميم هذه التركيبات لتحقيق الحد الأقصى من إنتاج الطاقة وعمر تشغيلي طويل يتراوح بين 25 و35 عامًا.

محطات الطاقة الكهروضوئية على الأسطح

يتم تركيب الأنظمة الكهروضوئية على الأسطح على أسطح المباني السكنية أو التجارية أو الصناعية. تتراوح القدرة عادةً من 3 كيلووات (كيلوواط) للمنازل إلى عدة ميجاوات للمستودعات الصناعية الكبيرة أو المراكز اللوجستية. تستخدم هذه الأنظمة هيكل المبنى الحالي كأساس لها، مما يلغي الحاجة إلى الأراضي المخصصة ولكن مع إدخال قيود تتعلق بتوجيه السقف والقدرة على التحمل والتظليل.

مقارنة الأداء جنبا إلى جنب

يلخص الجدول أدناه الاختلافات الأساسية عبر عوامل القرار الأكثر أهمية:

إنتاجية الطاقة: حيث يكون للتركيب الأرضي الأفضلية

يعد إنتاج الطاقة - الذي يتم قياسه بالكيلوواط/ساعة لكل كيلوواط-ذروة (kWh/kWp) سنويًا - أحد المقاييس الأكثر أهمية لتقييم أي محطة طاقة كهروضوئية. تتمتع المرافق المثبتة على الأرض بميزة هيكلية هنا لعدة أسباب:

• زوايا الميل والسمت الأمثل يمكن اختيارها بحرية بناءً على خط العرض الجغرافي، دون أي قيود هندسية على البناء.
• أجهزة تتبع أحادية المحور تحسين العائد السنوي بنسبة 15-25% مقارنة بأنظمة الإمالة الثابتة، وهو خيار نادراً ما يكون قابلاً للتطبيق على أسطح المنازل.
• التظليل هو الحد الأدنى عندما يتم اختيار المواقع بشكل صحيح، في حين تعاني أنظمة الأسطح في كثير من الأحيان من التظليل الجزئي من وحدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، أو الحواجز، أو المباني المجاورة.
• تباعد اللوحة يمكن تحسينها لتقليل التظليل بين الصفوف، في حين أن تخطيطات الأسطح مقيدة بحواف السقف والعناصر الهيكلية.

يمكن لمحطة طاقة كهروضوئية مثبتة على الأرض في موقع جيد في موقع عالي الإشعاع - مثل صحراء أتاكاما، أو الشرق الأوسط، أو جنوب غرب الولايات المتحدة - تحقيق ذلك عوائد محددة تتراوح بين 1800 و2200 كيلووات ساعة/كيلووات في السنة . قد يحقق نظام الأسطح الحضري النموذجي في نفس المنطقة ما بين 1300 إلى 1600 كيلووات ساعة/كيلوواط أقصى، أي بفارق 20-35% لصالح التكوين المثبت على الأرض.

اقتصاديات التكلفة: صورة أكثر دقة

في حين أن تكاليف تركيب المحطات الأرضية منخفضة لكل واط على نطاق واسع، فإن الصورة الاقتصادية الكاملة أكثر تعقيدًا. تستفيد أنظمة الأسطح من الاستهلاك في الموقع، مما يخلق قيمة تعتمد على سعر الكهرباء بالتجزئة بدلاً من سعر الجملة. هذا التمييز يغير بشكل أساسي الرياضيات المالية.

تأثير أسعار التجزئة مقابل أسعار الكهرباء بالجملة

نظام كهروضوئي على سطح مبنى تجاري يعوض بشكل مباشر مشتريات الشبكة 0.12 دولار - 0.20 دولار / كيلووات في الساعة (التجزئة) تولد قيمة أكبر بكثير لكل وحدة كهرباء من محطة مثبتة على الأرض تبيع الطاقة بها 0.025 دولار – 0.05 دولار/كيلوواط ساعة (الجملة). وهذا هو السبب في أن المشاريع الكهروضوئية التجارية والصناعية على الأسطح تحقق في كثير من الأحيان فترات استرداد تتراوح من 4 إلى 7 سنوات على الرغم من أن تكاليف تركيبها لكل واط أعلى.

التكاليف الخفية للمشاريع المثبتة على الأرض

يمكن أن تكون التكلفة الرئيسية لكل واط لمحطة الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأرض مضللة. تواجه المشاريع بانتظام تكاليف إضافية كبيرة غير موجودة في عمليات النشر على الأسطح:

• تكاليف الربط البيني للشبكة : غالبًا ما تتطلب المشروعات على نطاق المرافق خطوط نقل جديدة، أو ترقيات المحطات الفرعية، أو دراسات التوصيل البيني التي يمكن أن تضيف 0.05 إلى 0.30 دولار/واط إلى إجمالي تكاليف المشروع.
• تكاليف شراء الأراضي أو استئجارها : يمكن أن تكلف الأراضي الزراعية ما بين 500 إلى 3000 دولار للفدان سنويًا على دفعات الإيجار، اعتمادًا على المنطقة.
• التكاليف البيئية والسماح : تتطلب المشاريع الكبيرة في كثير من الأحيان تقييمات الأثر البيئي، والتي يمكن أن تكلف ما بين 100000 إلى 1000000 دولار وتضيف ما بين 12 إلى 36 شهرًا إلى الجداول الزمنية.
• الإدارة المستمرة للغطاء النباتي : تتطلب المواقع المثبتة على الأرض قصًا منتظمًا، أو استخدام مبيدات الأعشاب، أو إدارة الزراعة، مما يضيف 15 إلى 50 دولارًا للفدان سنويًا في تكاليف التشغيل.

تكامل الشبكة ومخاطر التقليص

أحد المخاطر التي لا تحظى بالتقدير الخاص بمحطات الطاقة الكهروضوئية الكبيرة المثبتة على الأرض هو التقليص - التخفيض القسري للإنتاج من قبل مشغلي الشبكات عندما يتجاوز العرض الطلب. وفي الأسواق ذات الاختراق العالي للطاقة الشمسية، ارتفعت معدلات التقليص بشكل ملحوظ. تم تقليص مشغل شبكة كاليفورنيا 2.5 مليون ميجاوات/ساعة من توليد الطاقة الشمسية في عام 2023، ارتفاعًا من حوالي 900 ألف ميجاوات في الساعة في عام 2020. وفي الصين، أبلغت مناطق مثل تشينغهاي وقانسو تاريخيًا عن معدلات تقليص تتراوح بين 10% إلى 20% للطاقة الكهروضوئية على نطاق المرافق.

لا تواجه محطات الطاقة الكهروضوئية على الأسطح أي خطر تقليص عند التشغيل في نموذج الاستهلاك الذاتي، لأن الكهرباء يتم استهلاكها في الموقع لحظة توليدها. وهذا يجعل الطاقة الشمسية على الأسطح أكثر مرونة بطبيعتها مع الشبكة من وجهة نظر موثوقية إنتاج الطاقة، حتى لو كان إنتاجها المطلق أقل.

الجدول الزمني للتطوير وسرعة النشر

تعد سرعة النشر عاملاً حاسماً عندما تكون تكاليف الطاقة أو أهداف الاستدامة حساسة للوقت. التناقض بين التكوينين صارخ:

• أنظمة السطح : يمكن عادةً تصميم التركيبات الكهروضوئية التجارية على السطح بقدرة 500 كيلووات، والسماح بها، وتشغيلها في الداخل 3-6 أشهر .
• مثبتة على الأرض utility-scale stations : عادة ما يتم تنفيذ المشاريع في نطاق 50-500 ميجاوات 3-7 سنوات من اختيار الموقع إلى التشغيل التجاري، مدفوعًا بأوقات الانتظار في طابور التوصيل البيني، والمراجعات البيئية، وعمليات حقوق الأراضي.

وفي الولايات المتحدة وحدها، تم تجاوز عدد الطلبات المتراكمة في قائمة انتظار الاتصال البيني 2600 جيجاوات من المشاريع المقترحة في عام 2023، وأغلبها على مستوى المرافق العامة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. متوسط وقت الانتظار للمشروع الذي تم الوصول إليه لمسح عملية الربط البيني 5 سنوات ، مقارنة بأقل من عامين في عام 2015. ويؤثر هذا الاختناق الهيكلي بشكل غير متناسب على تطوير محطة الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأرض.

الاعتبارات البيئية واستخدام الأراضي

يتطور الجدل حول استخدام الأراضي حول محطات الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأرض بسرعة. لقد جادل النقاد تاريخياً بأن مزارع الطاقة الشمسية الكبيرة تستهلك الأراضي الزراعية المنتجة؛ ويرى المؤيدون أن تطوير الطاقة الشمسية يمكن أن يتعايش مع التنوع البيولوجي أو حتى يعززه.

Agrivoltaics: تحويل الضعف إلى قوة

تكتسب الأنظمة الزراعية الفولتية - التي تضع الألواح الشمسية في موقع مشترك مع الإنتاج الزراعي - زخمًا كحل للصراعات على استخدام الأراضي. وجدت الأبحاث المنشورة في المجلات التي تغطي أنظمة الطاقة المتجددة أن بعض المحاصيل، بما في ذلك الخس والسبانخ وبعض الخضروات الجذرية، تستفيد فعليًا من التظليل الجزئي الذي توفره الألواح الشمسية المرتفعة، مما يقلل من استهلاك المياه بنسبة تصل إلى 29% مع الحفاظ على عوائد مقبولة. وقد أظهرت المشاريع في أوروبا واليابان أن التكوينات الزراعية يمكن أن تضيف 500 إلى 1500 دولار للهكتار سنويًا كإيرادات إضافية لأصحاب الأراضي.

البصمة الأرضية المحايدة للأنظمة الكهروضوئية على الأسطح

ليس للأنظمة الكهروضوئية الموجودة على الأسطح أي تأثير على استخدام الأراضي لأنها تشغل مساحة موجودة بالفعل والتي قد تكون غير مستخدمة. قدر تحليل عام 2022 أن إجمالي مساحة السطح المناسبة عالميًا لتركيب الطاقة الشمسية يمكن أن تدعم نظريًا أكثر من ذلك 27 تيراواط القدرة – أكثر من إجمالي قدرة توليد الكهرباء العالمية الحالية من جميع المصادر مجتمعة. القيد العملي ليس مساحة السطح بل الملاءمة الهيكلية والتظليل والقدرة على استيعاب الشبكة.

التشغيل والصيانة: كفاءة النطاق مقابل بساطة الوصول

تختلف استراتيجيات الصيانة بشكل كبير بين نوعي محطات الطاقة الكهروضوئية، مما يؤثر على الأداء والتكلفة على المدى الطويل.

• مثبتة على الأرض O&M الفوائد من الحجم: يمكن لأنظمة التنظيف الروبوتية، والفحص الحراري المعتمد على الطائرات بدون طيار، ومنصات المراقبة المركزية إدارة مئات الميغاواط بكفاءة. يمكن لفريق عمليات واحد صيانة منشأة بقدرة 200 ميجاوات مع 10-15 فنيًا.
• Rooftop O&M هو أكثر مجزأة. يتطلب الوصول إلى ألواح الأسطح العمل على ارتفاعات، والتنسيق مع شاغلي المبنى، والتعامل مع بيئات الأسطح المتنوعة. عادة ما تكون تكاليف الصيانة لكل ميجاوات أعلى بنسبة 40-60% من معادلاتها المثبتة على الأرض.
• خسائر التربة تختلف بشكل كبير. يمكن أن تواجه المحطات المثبتة على الأرض في المناطق القاحلة خسائر في التلوث تتراوح بين 2 إلى 10% شهريًا دون تنظيف، بينما تواجه ألواح الأسطح في المناطق الحضرية عادةً تلوثًا معتدلًا يتم تخفيفه جزئيًا بواسطة هطول الأمطار.
• استبدال العاكس التكاليف متشابهة على أساس كل كيلوواط ولكنها أسهل من الناحية اللوجستية في المرافق المثبتة على الأرض حيث يكون الوصول إلى المعدات دون عائق.

متى تختار كل تكوين

لا يوجد نوع محطة طاقة كهروضوئية متفوقة عالميًا. يتم تحديد التكوين الأمثل حسب سياق المشروع:

تعتبر المحطات المثبتة على الأرض هي الخيار الأفضل عندما:

• حجم المشروع يتجاوز 5 ميجاوات والأرض متاحة بتكلفة معقولة
• لدى المطور اتفاقية شراء طاقة طويلة الأجل (PPA) بسعر الجملة المناسب
• تتوفر قدرة الربط البيني للشبكة أو يمكن التخطيط لها مسبقًا
• يعد الحد الأقصى لإنتاج الطاقة لكل مشروع أكثر أهمية من سرعة النشر
• يستفيد المشروع من تقنية تتبع الطاقة الشمسية لتعظيم العائد السنوي

تعتبر المحطات على السطح هي الخيار الأفضل عندما:

• الأراضي غير متوفرة أو باهظة الثمن (في المناطق الحضرية أو شبه الحضرية)
• الهدف الأساسي هو تقليل فواتير الكهرباء بالتجزئة بدلاً من البيع للشبكة
• النشر السريع مطلوب (خلال فترة تتراوح من 6 إلى 12 شهرًا)
• تتطلب أهداف استدامة الشركات توليد الطاقة المتجددة في الموقع مع إسناد واضح
• يتمتع المبنى بسقف سليم من الناحية الهيكلية ومواجه للجنوب (في نصف الكرة الشمالي) مع تظليل محدود

النهج الهجين: تحديد موقع كلا النموذجين

وينتشر عدد متزايد من مستخدمي الطاقة الصناعية استراتيجيات الطاقة الكهروضوئية الهجينة - الجمع بين التركيبات على الأسطح لتعويض الأحمال في الموقع مع حصص الأسهم أو اتفاقيات شراء الطاقة في محطات الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأرض لتحقيق مطابقة متجددة بنسبة 100% على أساس سنوي. يلبي هذا النهج متطلبات الإبلاغ عن الاستدامة مع تحسين اقتصاديات الاستهلاك الذاتي وكفاءة التوليد على نطاق واسع.

على سبيل المثال، قد تقوم منشأة تصنيع كبيرة بتركيب نظام على السطح بقدرة 2 ميجاوات لخدمة أحمال الإنتاج النهارية مباشرة، بينما تقوم في الوقت نفسه بشراء اتفاقية شراء الطاقة لمدة 20 عامًا من محطة مثبتة على الأرض بقدرة 150 ميجاوات لتغطية احتياجات الكهرباء الليلية والمسائية بشهادات الطاقة المتجددة. أصبحت هذه الإستراتيجية ذات المسار المزدوج شائعة بشكل متزايد بين مشتري الطاقة المتجددة من الشركات في أوروبا وأمريكا الشمالية الذين يسعون إلى التوافق مع التزامات الطاقة النظيفة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.