運河上安裝太陽能板的水資源保存與經濟效益
台灣水資源與農業研究院研究三所 研究專員 游慧娟／2021-07-07 18:00
由於氣候變遷導致全球許多地區面臨乾旱的危機，嚴重的乾旱與地下水超抽問題正在發生。西方國家為了適應這些變化，採取了包括促進再生能源開發、節約用水以及可持續性的環境和土地管理措施。「太陽能運河」就是其中一種應用的概念。印度在2015年在瓦爾道拉 3.6 公里長的灌溉水道上建置 10MW 太陽能，證實在不佔用土地的情況下，可以減少運河水分蒸發，發電量也增加了7%。儘管印度沒有大規模在運河部屬太陽能，但是幾個不同設計技術的運河示範計畫顯示了太陽能運河的可行性。在運河上安裝太陽能板，可能面臨與變電站距離遙遠的問題，纜線損耗會較最佳位置的發電站來的高，因此初次試驗這一類太陽能運河計畫，應該考慮離網或以「分散式發電」來規劃。
▲加州太陽能運河模擬圖
圖片來源：Citizen Group
美國加州大學聖克魯斯分校的研究人員、加州大學水務公司和加州大學默塞德分校的內華達山脈研究所合作發表了一項新研究，該研究表示，用太陽能板覆蓋加州總長 6,350 公里的公共供水運河網路可能是一種經濟可行的方法。研究人員在加州運河網路中的8個不同地點，分析兩種太陽能電池技術，碲化鎘(CdTe)與多晶矽的效能，以及三種不同太陽能支撐結構方式，包括運河附近土地的傳統地面型太陽能電站、如同橋樑般架設的鋼桁架跨河(steel-truss over-canal)設計與懸索鋼纜跨河(suspension-cable over-canal)設計的水蒸發情況及經濟效益。
▲加州運河網路與八個試驗站點位置，綠色)運河網路；黑點)試驗點。
圖片來源：McKuin et al., 2021
節水效益
太陽能板的遮陰可以減少44-90%的蒸發量，應用到全加州範圍的運河蒸發評估，估計每年可節水650億加侖的水，足以灌溉50,000 英畝農田或滿足超過 200 萬人的住宅用水需求，減少地下水的抽取量與因應地表水缺乏而導致的休耕。
經濟分析
考量太陽能收入、前期成本、安裝、許可申請和土地利用，在水費較高的地區，三種太陽能支撐設計的淨現值(NPV)以跨運河設計(鋼桁和懸索)比傳統地面型高20-50%，表示投資的財務回報更高。儘管跨運河結構建造成本比傳統地面型結構成本高，但因為節水、提高電力生產、避免土地成本和減少昂貴的水草生長維護所節省的成本超過跨運河設計的額外成本，因此財務回報更高。而就發電平均成本(levelized cost of energy, LCOE)而言，三種設計類型沒有太大差異，這是因為在跨運河設計的情況下，由於水的蒸發冷卻提升太陽能板的效率，年成本的增加和年能量的輸出的增加成正比。不同支撐設計之間的NPV差異大於LCOE是因為指標計算方式不同，NPV考慮融資細節和收入流，LCOE只考慮計畫成本。
▲三種太陽能架構設計，A) 傳統地面型；B)鋼桁架跨河(steel-truss over-canal)設計(印度古吉特拉邦1MW的運河設計)；C) 懸索鋼纜跨河(suspension-cable over-canal)設計(印度旁遮普邦的2.5MW運河設計)。運河上方的共同好處包括由於運河附近較冷的微氣候而減少面板加熱，以及由於光電面板提供的遮蔭而減少蒸發和水草生長。
圖片來源：McKuin et al., 2021
空氣污染減量
加州中央山谷區運河有最多的柴油發動機驅動的灌溉泵，如果運河裝設太陽能，每產生1MW太陽能作為灌溉泵的電力來源，可以淘汰15-20台的柴油發動機，有助於該地區提升空氣品質，減少碳排放。
運河維護
受到陽光的照射，河裡的水草生長茂盛，在太陽能板的遮陰下，水草生長速度受到控制，可以大大節省這個運河維護最為昂貴的問題。
太陽能模組效能
由於太陽能板下方的水蒸發與冷卻微氣候，選用CdTe的太陽能模組效能增強，反之多矽晶模組則效能下降，顯示CdTe較適應高溫與潮濕的環境，其模組的安裝兩年以上的降解率為0-1%，因此適合長期發電並減少損耗。
政策影響
太陽能開發計畫的選址經常在自然保護與農業生產之間引起爭議。因此，僅管受限於運河上的可用空間，太陽能運河仍是替代土地利用的新解決方案，這有助於減輕計畫選址對環境與農業的影響。此外，運河上設置太陽能可以改善灌溉管理及減少溫室氣體排放，但太陽能運河能否成功仍取決於支持利益關係者的政策、適當的選址與各種形式的補貼政策。
以加州為例，其中央山谷區域容易受到乾旱、城市擴張和空氣污染的影響，但卻是全球糧食生產的一個至關重要的地區，在該地區的再生能源計畫選址代表用於生產糧食和保護生態系統的一種土地的權衡。2015年的「乾旱恢復和回復力」法案就是一個擬議政策的例子，該法案允許墾務局為涵蓋聯邦水庫、運河和其他基礎設施的太陽能計畫進行租賃銷售。這些計畫的私人開發商支付的特許權使用費將與州和地方分享，並作為內陸魚類和野生動物的恢復基金，比保護受到再生能源開發土地影響的地區的野生動物和內陸魚類。此外，該法案避免了生產性農田和自然土地上安置再生能源裝置，同時提高當地抗旱能力。
參考資料：
- B. McKuina, A. Zumkehr, J. Ta, R. Bales, J. H. Viers, T. Pathak, J. E. Campbell. 2021. Energy and water co-benefits from covering canals with solar panels. Nature Sustainability, DOI: https://doi.org/10.6071/M32H30
- Misha Ketchell. Installing solar panels over California’s canals could yield water, land, air and climate payoffs.
https://theconversation.com/installing-solar-panels-over-californias-canals-could-yield-water-land-air-and-climate-payoffs-158754 - Emiliano Bellini. Solar canals already competitive with ground-mounted PV.
https://www.pv-magazine.com/2021/03/23/solar-canals-already-competitive-with-ground-mounted-pv/