Panele słoneczne na Saharze mogą zwiększyć wykorzystanie energii odnawialnej, ale zaszkodzić globalnemu klimatowi – oto dlaczego / Zhengyao Lu i Benjamin Smith

Najbardziej odstraszające pustynie świata mogą być najlepszymi miejscami na Ziemi do pozyskiwania energii słonecznej – najliczniejszego i najczystszego źródła energii, jakie mamy. Pustynie są przestronne, stosunkowo płaskie, bogate w krzem – surowiec do półprzewodników, z których powstają ogniwa słoneczne – i nigdy nie brakuje im światła słonecznego. W rzeczywistości dziesięć największych elektrowni słonecznych na świecie znajduje się na pustyniach lub w suchych regionach.

Naukowcy wyobrażają sobie, że możliwe jest przekształcenie największej pustyni świata, Sahary, w gigantyczną farmę słoneczną, zdolną sprostać czterokrotnie większemu światowemu zapotrzebowaniu na energię. Opracowano plany projektów w Tunezji i Maroku, które miałyby dostarczać energię elektryczną milionom gospodarstw domowych w Europie.

Podczas gdy czarne powierzchnie paneli słonecznych pochłaniają większość światła słonecznego, które do nich dociera, tylko ułamek ( około 15% ) tej przychodzącej energii zostaje przekształcony w energię elektryczną. Reszta wraca do środowiska jako ciepło. Panele są zazwyczaj znacznie ciemniejsze niż pokrywana przez nie ziemia, więc rozległa powierzchnia ogniw słonecznych pochłonie dużo dodatkowej energii i wyemituje ją jako ciepło, co wpłynie na klimat.

Gdyby te efekty były tylko lokalne, mogłyby nie mieć znaczenia na słabo zaludnionej i jałowej pustyni. Jednak skala instalacji, które byłyby potrzebne, aby zrobić wgniecenie w światowym zapotrzebowaniu na energię kopalną, byłaby ogromna, obejmując tysiące kilometrów kwadratowych. Ciepło emitowane ponownie z obszaru tej wielkości zostanie redystrybuowane przez przepływ powietrza w atmosferze, co będzie miało regionalne, a nawet globalne skutki dla klimatu.

Zielona Sahara

Badanie z 2018 r. wykorzystało model klimatyczny do symulacji skutków niższego albedo na powierzchni lądu pustyń spowodowanego instalacją ogromnych farm słonecznych. Albedo to miara tego, jak dobrze powierzchnie odbijają światło słoneczne. Na przykład piasek odbija znacznie więcej światła niż panel słoneczny, więc ma wyższe albedo.

Model ujawnił, że gdy wielkość farmy słonecznej osiągnie 20% całkowitej powierzchni Sahary, uruchamia się pętla sprzężenia zwrotnego. Ciepło emitowane przez ciemniejsze panele słoneczne (w porównaniu do wysoce odblaskowej gleby pustyni) powoduje dużą różnicę temperatur między lądem a otaczającymi go oceanami, co ostatecznie obniża ciśnienie powietrza na powierzchni i powoduje, że wilgotne powietrze unosi się i skrapla w krople deszczu. Przy większych opadach monsunowych rośliny rosną, a pustynia odbija mniej energii słonecznej, ponieważ roślinność pochłania światło lepiej niż piasek i gleba. Przy większej obecności roślin odparowuje więcej wody, co tworzy bardziej wilgotne środowisko, które powoduje rozprzestrzenianie się roślinności.

Ten scenariusz może wydawać się nierealny, jednak badania wskazują, że podobna pętla sprzężenia zwrotnego sprawiła, że ​​większa część Sahary pozostała zielona w okresie wilgotnej Afryki, który zakończył się zaledwie 5000 lat temu.

Więc gigantyczna farma słoneczna mogłaby wygenerować wystarczająco dużo energii, aby sprostać światowemu zapotrzebowaniu i jednocześnie zamienić jedno z najbardziej wrogich środowisk na Ziemi w zamieszkałą oazę. Brzmi idealnie, prawda?

Niezupełnie. W niedawnym badaniu wykorzystaliśmy zaawansowany model systemu Ziemi, aby dokładnie zbadać, jak farmy słoneczne Sahary oddziałują na klimat. Nasz model bierze pod uwagę złożone sprzężenia zwrotne między oddziałującymi sferami klimatu świata – atmosferą, oceanem oraz lądem i jego ekosystemami. Pokazał on, że mogą wystąpić niezamierzone efekty w odległych częściach lądu i oceanu, które zniwelują wszelkie korzyści regionalne w stosunku do samej Sahary.

Susza w Amazonii, cyklony w Wietnamie

Pokrycie 20% Sahary farmami słonecznymi podnosi lokalne temperatury na pustyni o 1,5°C według naszego modelu. Przy 50% pokryciu wzrost temperatury wynosi 2,5°C. To ocieplenie rozprzestrzenia się ostatecznie na cały glob przez ruch atmosfery i oceanu, podnosząc średnią temperaturę świata o 0,16°C przy 20% pokryciu i o 0,39°C przy 50% pokryciu. Globalna zmiana temperatury nie jest jednak jednolita – regiony polarne ociepliłyby się bardziej niż tropiki, zwiększając utratę lodu morskiego w Arktyce. To mogłoby jeszcze bardziej przyspieszyć ocieplenie, ponieważ topnienie lodu morskiego odsłania ciemną wodę, która pochłania znacznie więcej energii słonecznej.

To ogromne nowe źródło ciepła na Saharze reorganizuje globalną cyrkulację powietrza i oceanu, wpływając na wzorce opadów na całym świecie. Wąski pas intensywnych opadów w tropikach, który odpowiada za ponad 30% globalnych opadów i podtrzymuje lasy deszczowe Amazonii i Kotliny Konga, przesuwa się na północ w naszych symulacjach. W regionie Amazonii powoduje to susze, ponieważ mniej wilgoci dociera z oceanu. Mniej więcej taka sama ilość dodatkowych opadów, jaka spada na Saharę z powodu efektu zaciemniania powierzchni przez panele słoneczne, jest tracona z Amazonii. Model przewiduje również częstsze uderzenia cyklonów tropikalnych w wybrzeża Ameryki Północnej i Azji Wschodniej.

W naszym modelu nadal brakuje pewnych ważnych procesów, takich jak pył unoszony z dużych pustyń. Saharyjski pył, niesiony przez wiatr, jest istotnym źródłem składników odżywczych dla Amazonii i Oceanu Atlantyckiego. Tak więc bardziej zielona Sahara mogłaby mieć jeszcze większy globalny wpływ, niż sugerowały nasze symulacje.

Dopiero zaczynamy rozumieć potencjalne konsekwencje tworzenia ogromnych farm słonecznych na pustyniach świata. Rozwiązania takie jak to mogą pomóc społeczeństwu przejść od energii kopalnej, ale badania systemów Ziemi, takie jak nasze, podkreślają znaczenie uwzględnienia licznych sprzężonych reakcji atmosfery, oceanów i powierzchni lądu podczas badania ich korzyści i zagrożeń.