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Aug 09, 2023

アフリカ全土の地下水汲み上げにおける太陽光発電の可能性は、日射量ではなく帯水層の状態によって決まる

Communications Earth & Environmental volume 4、記事番号: 52 (2023) この記事を引用 1808 アクセス 21 Altmetric メトリクスの詳細 太陽光発電エネルギーを使用した地下水の汲み上げには、次のような可能性があります。

Communications Earth & Environmental volume 4、記事番号: 52 (2023) この記事を引用

1808 アクセス

21 オルトメトリック

メトリクスの詳細

太陽光発電を利用した地下水の汲み上げは、サービスが不十分な地域の水道サービスを変革する可能性を秘めています。 ここでは、アフリカ全土の太陽光発電送水システムの取水能力をシミュレートするために、公開されているデータを使用する数値モデルを開発します。 この記事の最初の貢献は、汲み上げの深さと時間未満の日射量の時系列に関する現実的な地質学的制約を含む大規模モデルの詳細な設計です。 2 つ目は、大陸全体に対する結果の提供です。 3 つのシステム サイズ (100、1000、3000 Wp) の結果をシミュレーションしたところ、1 日のポンプ送出量はサイズと場所に応じて 0.1 ～ 180 m3 の間で変化することがわかりました。 私たちは、アフリカの大部分で、太陽光発電エネルギーを利用した地下水の汲み上げが、日射量ではなく帯水層の状況によって制約されていることを示しました。 私たちの結果は、太陽光発電の可能性が最も高い地域を特定し、大規模な投資をターゲットにするのに役立ちます。

アフリカでは、3 億人を超える人々が未整備の水源を家庭用に使用しており、そのほとんどが農村部の無電化地域です1。 灌漑も制限されており、気候変動の増大を考慮して食料安全保障を改善するために灌漑を増やすことが求められています2、3。 地下水と地表水が主な水源です。 地表水は多くの場合浅く、採取するのが安価ですが、地下水はアフリカで最大かつ最も広く分布している淡水の貯蔵庫を構成しており4、地表水とは異なり、多くの場合処理を必要としません5。 地下水は気象条件への反応が遅く、気候変動に対する自然の緩衝材となるため、灌漑にも適しています6,7。 現在、アフリカの農村部の地下水汲み上げのほとんどは地域の手押しポンプによって行われています 8,9 が、簡単に修理でき、干ばつにも強いことが証明されています 10,11。 ただし、インストールとメンテナンスの問題により、継続的な機能率が低くなる可能性があります12。 持続可能な開発目標では、各家庭で安全な水を確実に入手できる、より高いレベルのサービスが求められています13。 したがって、地域のハンドポンプを超えてサービスレベルを向上させるには、かなりの課題があります。

太陽光発電エネルギーを利用したポンプシステムは、温室効果ガス排出量を大幅に増加させることなく、多くの無電網地域における水へのアクセスを改善する有望なソリューションです。 それらはすでに多くの状況で経済的に競争力があり 14、技術の進歩により寿命が向上し 15、地元の事例研究 (例 16、17、18) では有望な結果が示されています。 ただし、管理上の問題 4,19 や地下水と太陽資源の空間的変動により、これらの結果は他の場所では見られない可能性があります。

いくつかの研究では、連続した地理的領域にわたる太陽光発電送水システム (PVWPS) の可能性を調査しています。 これらの研究は、エチオピア 20、ガーナ 21、エジプト 22,23、アルジェリア 24、スペインおよびモロッコ 25、中国 26,27、およびサハラ以南アフリカの浅い地下水（静的水深 <50 m）の場所で実施されました 28。 しかし、記事 20、21、22、23、24、26 では PVWPS の技術モデルが使用されていないため、地下水と太陽資源の相対的な重要性を考慮することができません。 他の研究 25、27、28 では、技術的な PVWPS モデルが検討されています。 それにもかかわらず、彼らは 1 時間/1 時間未満の時系列ではなく月平均日射量値を使用しており、これが PVWPS の動作とパフォーマンスに影響を与えます 18,29。 さらに、それらは帯水層の飽和した厚さを考慮していないため、可能な最大のドローダウン、ひいては汲み上げられる流量が制限されます。 最後に、既存の研究はアフリカ大陸全体に関する結果を提供していないため、異なる国や地域間の比較が制限されています。

ここでは、アフリカ全土の PVWPS の抽出能力をシミュレートするために、公開されている地下水と日射量のデータを使用するモデルを提案します。 この研究の最初の貢献は、特に帯水層の飽和厚さ、および時間未満の日射量時系列による汲み上げ深さに関する現実的な地質学的制約を含む大規模 PVWPS モデルの詳細な設計です。 ピクセルごとに、月平均放射照度値の代わりに 1 時間未満の放射照度時系列を考慮すると、いくつかの利点があります。 まず、ポンプ流量は放射照度に応じて非線形に変化するため、1 時間未満の放射照度データからの結果は平均を使用した結果とは異なります。 第二に、多くの場合、放射照度値が高い場合（例えば、日中）、モーターポンプに到達するドローダウンが大きくなり、ポンピングが停止し、総ポンピング量が減少します。 これは、月平均放射照度値が使用された場合には観察されません。 ここで、ポンプの深さに関する現実的な地質学的制約を含めることからなるモデルのもう 1 つの特異性も重要な役割を果たします。 最後に、1 時間未満の放射照度時系列を考慮すると、揚水量が非常に少ない可能性があり、スムーズな水の消費に影響を与える可能性がある年間の重要な日 (特に放射照度が非常に低い日) のシミュレーションが可能になります。 この研究の 2 番目の貢献は、北アフリカや、地下水が 50 m より深い場所を含む大陸全体に対する結果の提供です。この地域では、地下水はハンドポンプでアクセスすることが非常に困難であるため、PVWPS が特に関連性があります4。 結果は、3 つの PVWPS サイズについて、年間および年間の極端な期間 (例: 日射量が低い連続日) について提供され、地下水涵養と比較されています。 大陸全体の結果を提供することで、地域間を比較し、PVWPS の可能性が最も高い地域を特定できるため、投資対象を絞るのに役立ちます。 私たちの結果は、特に重要なドローダウンがモーターポンプに到達し、システムを強制的に停止させてしまうため、検討した最大のシステムでは最大の流量が得られない場所の 27% を明らかにしています。 彼らはまた、汲み上げ量の空間変動の主な決定要因は日射量ではなく、帯水層の状態であることも示しています。