Klimaatverandering en waterschaarste staan centraal in het westen van de VS. Het klimaat in de regio warmt op, er is een ernstige meerjarige droogte aan de gang en de grondwatervoorraden worden op veel locaties overgepompt.
Westerse staten volgen veel strategieën om zich aan te passen aan deze stress en zich voor te bereiden op de toekomst. Deze omvatten maatregelen om de ontwikkeling van hernieuwbare energie te bevorderen, water te besparen en natuurlijke en werkende gronden duurzamer te beheren.
Als ingenieurs die werken aan klimaatslimme oplossingen, hebben we een gemakkelijke win-win gevonden voor zowel water als klimaat in Californië met wat we de ‘zonnekanaaloplossing’ noemen. Ongeveer 4.000 mijl aan kanalen transporteren water naar ongeveer 35 miljoen Californiërs en 5,7 miljoen hectare landbouwgrond in de staat. Het bedekken van deze kanalen met zonnepanelen zou de verdamping van kostbaar water verminderen – een van de meest kritieke bronnen van Californië – en helpen de doelstellingen van de staat op het gebied van hernieuwbare energie te bereiken, terwijl ook geld wordt bespaard.
Behoud van water en land
Californië is gevoelig voor droogte en water is een constante zorg. Nu brengt het veranderende klimaat heter, droger weer met zich mee.
Ernstige droogtes in de afgelopen 10 tot 30 jaar droogden putten op, zorgden ervoor dat ambtenaren waterbeperkingen invoerden en voedden enorme bosbranden. Vanaf half april 2021 had de hele staat officieel te maken met droogte.
Tegelijkertijd heeft Californië ambitieuze instandhoudingsdoelen. De staat heeft een mandaat om het oppompen van grondwater te verminderen met behoud van betrouwbare leveringen aan boerderijen, steden, dieren in het wild en ecosystemen. Als onderdeel van een breed initiatief voor klimaatverandering gaf gouverneur Gavin Newsom in oktober 2020 het California Natural Resources Agency opdracht om de inspanningen te leiden om 30% van de land- en kustwateren tegen 2030 te behouden.
Het grootste deel van de regen en sneeuw van Californië valt in de winter ten noorden van Sacramento, terwijl 80% van het watergebruik plaatsvindt in Zuid-Californië, meestal in de zomer. Dat is de reden waarom kanalen door de staat slingeren – het is het grootste dergelijke systeem ter wereld. We schatten dat ongeveer 1% -2% van het water dat ze dragen verloren gaat aan verdamping onder de hete Californische zon.
In een studie uit 2021 toonden we aan dat het bedekken van alle 4.000 mijl van de kanalen van Californië met zonnepanelen jaarlijks meer dan 65 miljard liter water zou besparen door de verdamping te verminderen. Dat is genoeg om 50.000 hectare landbouwgrond te irrigeren of te voldoen aan de residentiële waterbehoeften van meer dan 2 miljoen mensen. Door zonne-installaties te concentreren op land dat al wordt gebruikt, in plaats van ze op onbebouwd land te bouwen, zou deze aanpak Californië helpen zijn duurzame managementdoelen voor zowel water- als landbronnen te bereiken.
Klimaatvriendelijke kracht
Het schaduwen van de kanalen van Californië met zonnepanelen zou aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit genereren. Onze schattingen tonen aan dat het ongeveer 13 gigawatt aan hernieuwbare energiecapaciteit zou kunnen leveren, wat ongeveer de helft is van de nieuwe bronnen die de staat moet toevoegen om zijn doelstellingen voor schone elektriciteit te bereiken: 60% uit koolstofvrije bronnen tegen 2030 en 100% hernieuwbaar tegen 2045.
Het plaatsen van zonnepanelen over de grachten maakt beide systemen efficiënter. De zonnepanelen zouden de verdamping uit de grachten verminderen, vooral tijdens hete zomers in Californië. En omdat water langzamer opwarmt dan land, kan het kanaalwater dat onder de panelen stroomt ze met 10 F koelen, waardoor de productie van elektriciteit met maximaal 3% wordt verhoogd.
Deze panelen kunnen ook lokaal elektriciteit opwekken in veel delen van Californië, waardoor zowel transmissieverliezen als kosten voor consumenten worden verlaagd. Het combineren van zonne-energie met batterijopslag kan helpen bij het bouwen van microgrids in landelijke gebieden en achtergestelde gemeenschappen, waardoor het energiesysteem efficiënter en veerkrachtiger wordt. Dit zou het risico op stroomverliezen als gevolg van extreem weer, menselijke fouten en bosbranden verminderen.
We schatten dat de kosten om grachten te overspannen met zonnepanelen hoger zijn dan het bouwen van grondgebonden systemen. Maar wanneer we voegden enkele van de co-voordelen toe, zoals vermeden landkosten, waterbesparing, mitigatie van aquatisch onkruid en verbeterde PV-efficiëntie, we ontdekten dat zonnekanalen een betere investering waren en elektriciteit leverden die minder kostte gedurende de levensduur van de zonne-installaties.
Voordelen voor het land
Zonnekanalen gaan over veel meer dan alleen het opwekken van hernieuwbare energie en het besparen van water. Het bouwen van deze lange, dunne zonnepanelen kan voorkomen dat meer dan 80.000 hectare landbouwgrond of natuurlijke habitat wordt omgezet voor zonneparken.
Californië verbouwt voedsel voor een steeds groter wordende wereldbevolking en produceert meer dan 50% van de groenten, fruit en groenten die Amerikaanse consumenten eten. Tot 50% van de nieuwe hernieuwbare energiecapaciteit om de decarbonisatiedoelstellingen te bereiken, kan echter worden geplaatst in landbouwgebieden, waaronder grote delen van de belangrijkste landbouwgrond.
Zonnekanaalinstallaties zullen ook dieren in het wild, ecosystemen en cultureel belangrijk land beschermen. Grootschalige zonne-ontwikkelingen kunnen leiden tot habitatverlies, degradatie en fragmentatie, wat bedreigde soorten zoals de Mojavewoestijnschildpad kan schaden.
Ze kunnen ook woestijn struikgewasplantengemeenschappen schaden, inclusief planten die cultureel belangrijk zijn voor inheemse stammen. Als voorbeeld, de bouw van het Genesis Solar Energy Center in de Sonoran- en Mojave-woestijnen in 2012-2014 vernietigde paden en begraafplaatsen en beschadigde belangrijke culturele artefacten, wat langdurige juridische conflicten veroorzaakte.
De lucht klaren
Door schone elektriciteit op te wekken, kunnen zonnekanalen de luchtkwaliteit verbeteren – een ernstig probleem in centraal Californië, dat enkele van de smerigste lucht in de VS heeft Zonne-elektriciteit kan helpen bij het terugtrekken van deeltjesspuwende dieselmotoren die water door de landbouwvalleien van Californië pompen. Het kan ook helpen bij het opladen van een groeiend aantal elektrische lichte en zware voertuigen die mensen en goederen door de staat verplaatsen.
Nog een ander voordeel zou het beteugelen van aquatisch onkruid zijn dat kanalen verstikt. In India, waar ontwikkelaars sinds 2014 zonnekanalen bouwen, beperkt schaduw van de panelen de groei van onkruid dat afvoeren blokkeert en de waterstroom beperkt.
Het bestrijden van dit onkruid met herbiciden en mechanische apparatuur is duur en herbiciden bedreigen de menselijke gezondheid en het milieu. Voor grote, 100 voet brede kanalen in Californië schatten we dat schaduwkanalen ongeveer US $ 40.000 per mijl zouden besparen. Over de hele staat kunnen besparingen oplopen tot $ 69 miljoen per jaar.
Zonnekanalen naar Californië brengen
Terwijl India zonnepanelen over kanalen heeft gebouwd en de VS drijvende zonne-energieprojecten ontwikkelt, ontbreekt het Californië aan prototypes om lokaal te bestuderen.
Er zijn gesprekken gaande voor zowel grote als kleine demonstratieprojecten in de Central Valley en Zuid-Californië. Het bouwen van prototypes zou operators, ontwikkelaars en regelgevers helpen bij het verfijnen van ontwerpen, het beoordelen van milieueffecten, het meten van projectkosten en -baten en het evalueren van hoe deze systemen presteren. Met meer gegevens kunnen planners strategieën in kaart brengen voor het uitbreiden van zonnekanalen over de hele staat en mogelijk over het westen.
Er zijn een tiental of meer partners nodig om een zonnekanaalproject in Californië te plannen, te financieren en uit te voeren. Publiek-private partnerschappen zullen waarschijnlijk federale, staats- en lokale overheidsinstanties, projectontwikkelaars en universitaire onderzoekers omvatten.
De verouderde energie-infrastructuur van Californië heeft bijgedragen aan catastrofale bosbranden en meerdaagse uitval. Het bouwen van slimme zonne-ontwikkelingen op kanalen en ander verstoord land kan de energie- en waterinfrastructuur veerkrachtiger maken, terwijl water wordt bespaard, kosten worden verlaagd en klimaatverandering wordt bestreden. Wij geloven dat het een model is dat in het hele land – en de planeet – moet worden overwogen.
