Land efficiency of renewable energy in Norway: A synthesis of footprint and production density

كفاءة استخدام الأراضي للطاقة المتجددة في النرويج: توليف للبصمة وكثافة الإنتاج

👤 Mahmoud S. Kenawi, Richard D. Hedger, Knut T. Alfredsen, Brett K. Sandercock, Magnus Korpås, Tor H. Bakken 📄 Renewable Energy Vol 252, 123514, 2025 🔗 10.1016/j.renene.2025.123514 ✓ CC BY 4.0

الملخص

يحقق بحثنا في مساحة الأرض المطلوبة لمصادر الطاقة المتجددة في محفظة النرويج—التي تشمل أنواعًا مختلفة من الطاقة الكهرمائية، وطاقة الرياح البرية، والطاقة الشمسية—ويؤكد على أهمية كثافة الإنتاج (GWh/km²) كمقياس لمقارنة كفاءة استخدام الأراضي لإنتاج الكهرباء. باستخدام التصوير الجوي النرويجي عالي الدقة وقواعد البيانات الجغرافية، قمنا بتقييم 288 محطة طاقة، مع التركيز على استخدام الأراضي الحالي والاحتياجات المتوقعة بحلول عام 2050.

تظهر النتائج أن محطات الطاقة الكهرمائية الكبيرة من نوع الجريان النهري والصغيرة تتمتع بأعلى كثافات إنتاج، عند 1,264 و 350-396 GWh/km² على التوالي. تُظهر طاقة الرياح البرية أدنى كثافة إنتاج، 55 GWh/km²، مما يشير إلى انخفاض استخدام الأراضي. تُظهر الطاقة الشمسية كثافة إنتاج متوسطة تبلغ 80 GWh/km². يسلط تحليلنا للاستهلاك الساعي وإنتاج الرياح البرية (2010-2023) الضوء على أهمية الطاقة الكهرمائية التخزينية في موازنة تذبذب طاقة الرياح البرية. تتطلب كل TWh من إنتاج طاقة الرياح البرية المتوقع 0.19 TWh من تخزين الطاقة الكهرمائية. تُظهر التوقعات الحاجة إلى 278-512 km² من الأراضي بحلول عام 2050 بسبب تطوير طاقة الرياح البرية والطاقة الشمسية، مما يؤكد الحاجة إلى تخطيط شامل لتخفيف التنافس على الأراضي وتقليل الآثار المرتبطة به. يدعو هذا البحث إلى نهج متوازن للطاقة المتجددة يدمج الاعتبارات البيئية مع تخفيف تغير المناخ.

1. المقدمة

يمثل الانتقال نحو مصادر الطاقة المتجددة حجر الزاوية في الجهود العالمية لتخفيف تغير المناخ. مع التزام الدول بخفض انبعاثات الكربون، يتوسع نشر تقنيات الطاقة المتجددة بسرعة، مما يثير أسئلة مهمة حول استخدام الأراضي. لكل مصدر من مصادر الطاقة المتجددة—الطاقة الكهرمائية، وطاقة الرياح، والطاقة الشمسية—بصمة أرضية مميزة لكل وحدة من الكهرباء المنتجة، ويعد فهم هذه الاختلافات أمرًا ضروريًا لتخطيط الطاقة المستدام. النرويج، التي تولد حوالي 98% من كهربائها من مصادر متجددة—مع هيمنة الطاقة الكهرمائية (85%)—توفر حالة دراسية فريدة لتقييم كفاءة الأراضي للطاقة المتجددة.

على الرغم من الاعتراف الواسع بالطاقة المتجددة كبديل أنظف للوقود الأحفوري، إلا أن البصمة الأرضية المرتبطة بها نادرًا ما تخضع للتدقيق المنهجي في دراسات الطاقة. يتطلب التوسع في طاقة الرياح والطاقة الشمسية مساحات كبيرة من الأراضي، مما قد يتسبب في تنافس مع الزراعة والغابات والمناطق الطبيعية المحمية. هذا التنافس على الأراضي له آثار على التنوع البيولوجي، وعزل الكربون، واستخدام الأراضي التقليدي. توفر كثافة الإنتاج (GWh/km²) مقياسًا موحدًا لمقارنة هذه التأثيرات المكانية عبر تقنيات الطاقة المختلفة.

تهدف هذه الدراسة إلى سد الفجوة المعرفية من خلال تجميع وتوحيد بيانات استخدام الأراضي وكثافة الإنتاج عبر محفظة الطاقة المتجددة في النرويج. باستخدام التصوير الجوي عالي الدقة وسجلات محطات الطاقة الوطنية، قمنا بتحليل 288 محطة طاقة عبر ثلاثة أنواع رئيسية: الطاقة الكهرمائية (بما في ذلك الجريان النهري الكبير والصغير والتخزين)، وطاقة الرياح البرية، والطاقة الشمسية الكهروضوئية. تم دمج أنماط الاستهلاك الساعي لتقييم متطلبات التخزين للطاقة المتقطعة. يقدم هذا التجميع صورة شاملة لكفاءة الأراضي النسبية لمصادر الطاقة المتجددة في النرويج مع تسليط الضوء على تحديات التخطيط للتوسع المستقبلي حتى عام 2050.

2. البيانات والمنهجية

اعتمدت منهجية الدراسة على أربعة مكونات رئيسية. أولاً، تم استخدام التصوير الجوي النرويجي عالي الدقة (من هيئة رسم الخرائط النرويجية) وقواعد البيانات الجغرافية المكانية الوطنية لرسم خرائط البصمة الأرضية الدقيقة لـ 288 محطة طاقة. تم الحصول على المناطق المحددة للمحطات والنطاقات العازلة المرتبطة بها من خلال تحليل نظم المعلومات الجغرافية (GIS) للصور الجوية التاريخية والحالية. تم حساب مساحات الخزانات للطاقة الكهرمائية، ومساحة التوربينات والبنية التحتية لطاقة الرياح، ومساحة الألواح للطاقة الشمسية بشكل منفصل.

ثانيًا، تم تجميع بيانات الإنتاج السنوي من سجلات مشغلي شبكة الكهرباء الوطنية (Statnett) وقاعدة بيانات الطاقة النرويجية (NVE). تم حساب كثافة الإنتاج (GWh/km²) عن طريق قسمة إنتاج الكهرباء السنوي لكل محطة على مساحة الأرض المرتبطة بها. تم تحليل المحطات حسب النوع: محطات الطاقة الكهرمائية الكبيرة من نوع الجريان النهري (>10 MW)، ومحطات الطاقة الكهرمائية الصغيرة (<10 MW)، ومحطات الطاقة الكهرمائية التخزينية، ومزارع الرياح البرية، ومحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

ثالثًا، تم تحليل بيانات الاستهلاك الساعي وإنتاج الرياح للفترة 2010-2023 لتقييم العلاقة بين تذبذب طاقة الرياح ومتطلبات تخزين الطاقة الكهرمائية. تم تحديد احتياجات التخزين عن طريق حساب الفجوة بين أنماط الإنتاج والاستهلاك، مع استخدام الطاقة الكهرمائية التخزينية كمصدر مرن للطاقة. رابعًا، تم إجراء توقعات التوسع المستقبلي حتى عام 2050 بناءً على أهداف الطاقة الوطنية وسيناريوهات التوسع لطاقة الرياح والطاقة الشمسية لتقدير مساحة الأرض الإضافية المطلوبة.

3. النتائج

أظهر تحليل كثافة الإنتاج عبر 288 محطة طاقة تباينًا كبيرًا بين تقنيات الطاقة المتجددة. أظهرت الطاقة الكهرمائية الكبيرة من نوع الجريان النهري أعلى كثافة إنتاج عند 1,264 GWh/km²، تليها الطاقة الكهرمائية الصغيرة عند 350-396 GWh/km². أظهرت الطاقة الكهرمائية التخزينية كثافة إنتاج متوسطة قدرها 120 GWh/km²، وهو أقل من الجريان النهري بسبب مساحات الخزانات الكبيرة مقارنة بالإنتاج. أظهرت طاقة الرياح البرية أدنى كثافة إنتاج عند 55 GWh/km²، مما يشير إلى أن كل كيلومتر مربع من الأراضي المخصصة لطاقة الرياح ينتج كهرباء أقل بكثير مقارنة بالطاقة الكهرمائية. أظهرت الطاقة الشمسية كثافة إنتاج متوسطة تبلغ 80 GWh/km².

بالنسبة لتوزيع البصمة الأرضية الإجمالية في جميع أنحاء النرويج، تشغل الطاقة الكهرمائية أكبر مساحة أرضية بسبب الخزانات الكبيرة، لكن كثافة إنتاجها العالية تعوض عن هذه المساحة. تتطلب طاقة الرياح البرية، على الرغم من بصمتها الأرضية الأصغر لكل محطة فردية، مساحة أكبر لكل وحدة كهرباء منتجة، مما يجعلها الأقل كفاءة في استخدام الأراضي بين التقنيات التي تم تحليلها.

كشف تحليل الاستهلاك الساعي وإنتاج الرياح (2010-2023) عن تباين كبير في إنتاج الرياح، مما يتطلب دعمًا من الطاقة الكهرمائية التخزينية لتحقيق التوازن في الشبكة. تتطلب كل TWh من إنتاج طاقة الرياح المتوقع 0.19 TWh من سعة تخزين الطاقة الكهرمائية. تتوقع التوقعات للسنوات حتى عام 2050 متطلبات أرضية إضافية تتراوح بين 278 و 512 km²، مدفوعة بشكل رئيسي بتوسع طاقة الرياح البرية والطاقة الشمسية. يتركز هذا الطلب على الأراضي في المناطق ذات الإمكانات العالية للرياح والشمس، والتي غالبًا ما تتداخل مع مناطق المصالح البيئية والزراعية الحالية.

4. النقاش

تسلط النتائج الضوء على المفاضلات الكبيرة بين تقنيات الطاقة المتجددة فيما يتعلق بكفاءة الأراضي. توفر الطاقة الكهرمائية، وخاصة الجريان النهري، أعلى كثافة إنتاج، مما يجعلها الخيار الأكثر كفاءة في استخدام الأراضي في محفظة الطاقة النرويجية. ومع ذلك، فإن إنشاء خزانات جديدة محدود بسبب اللوائح البيئية، والاعتبارات المتعلقة باستخدام الأراضي، وندرة المواقع المناسبة غير المطورة. وهذا يعني أن معظم التوسع المستقبلي في مجال الطاقة المتجددة في النرويج سيكون من المرجح أن يأتي من طاقة الرياح البرية والطاقة الشمسية—المصادر ذات أدنى كثافة إنتاج.

تثير البصمة الأرضية العالية لطاقة الرياح والطاقة الشمسية أسئلة مهمة حول تخطيط استخدام الأراضي. مع طموح النرويج لتوسيع قدرتها على الطاقة المتجددة، فإن إيجاد التوازن بين توليد الطاقة واستخدام الأراضي سيكون أمرًا بالغ الأهمية. تشمل المفاضلات المحتملة فقدان الموائل، والتأثيرات على سبل العيش التقليدية مثل رعي الرنة والزراعة، وتغيير المناظر الطبيعية. يمكن أن يساعد التخطيط الاستراتيجي، بما في ذلك اختيار المواقع لتجنب المناطق المحمية وتطوير مزارع الرياح البحرية، في تخفيف بعض هذه الضغوط.

يوضح تحليل سعة التخزين المطلوبة للطاقة الكهرمائية لموازنة طاقة الرياح الترابط بين مصادر الطاقة المتجددة في النرويج. لا تتعلق كفاءة الأراضي فقط بكثافة الإنتاج لكل مصدر على حدة، ولكن أيضًا بكيفية عملها معًا في نظام طاقة متماسك. تسمح سعة التخزين الحالية في النرويج بدمج كبير لطاقة الرياح، لكن التوسع الإضافي في طاقة الرياح سيتطلب إما قدرة تخزين إضافية أو تصدير الفائض عبر الربط البيني.

5. الاستنتاجات

تقدم هذه الدراسة أول توليف شامل لكفاءة استخدام الأراضي عبر محفظة الطاقة المتجددة في النرويج بأكملها. باستخدام التصوير الجوي عالي الدقة، وبيانات الإنتاج الوطنية، وتحليل التوقعات، أثبتنا أن كثافة الإنتاج (GWh/km²) هي مقياس قيم لمقارنة البصمة الأرضية لتقنيات الطاقة البديلة. توفر الطاقة الكهرمائية أكبر كفاءة للأراضي، بينما تتطلب طاقة الرياح والطاقة الشمسية—وهي المصادر التي من المرجح أن تقود التوسع المستقبلي—مساحة أكبر بكثير لكل وحدة كهرباء.

مع توقعات تشير إلى الحاجة إلى 278-512 km² إضافية للأراضي بحلول عام 2050، هناك حاجة ملحة إلى تخطيط شامل ومتكامل لتحقيق التوازن بين أهداف الطاقة المتجددة وأولويات الحفاظ على الأراضي. يدعو هذا البحث إلى دمج مقاييس كفاءة الأراضي في تخطيط الطاقة على المستوى الوطني، مع الأخذ في الاعتبار ليس فقط كثافة الإنتاج ولكن أيضًا التفاعلات بين المصادر المتجددة المختلفة واحتياجات تخزين الطاقة المرتبطة بها. يعد هذا النهج المتوازن—الذي يدمج الاعتبارات البيئية وأهداف تخفيف تغير المناخ—ضروريًا لمستقبل الطاقة المستدام في النرويج.

المراجع

Kenawi, M.S., Hedger, R.D., Alfredsen, K.T., Sandercock, B.K., Korpås, M., Bakken, T.H. (2025). Land efficiency of renewable energy in Norway: A synthesis of footprint and production density. Renewable Energy, 252, 123514. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123514

قائمة المراجع الكاملة (28+ مصدرًا) متاحة في المقال الأصلي على ScienceDirect.

Abstract

Our investigation into the land area required for renewable energy sources in Norway's portfolio—encompassing various types of hydropower, onshore wind, and solar energy—emphasizes the importance of production density (GWh/km²) as a metric for comparing their land use efficiency for electricity production. Utilizing high-resolution Norwegian aerial imagery and geodatabases, we assessed 288 power plants, with a focus on current land use and projected needs by 2050.

Results show that large run-of-river and small hydropower exhibit the highest production densities, at 1,264 and 350–396 GWh/km², respectively. Onshore wind shows the lowest production density, 55 GWh/km², indicating lower land utilization. Solar power shows a modest production density of 80 GWh/km². Our analysis of hourly consumption and onshore wind production data (2010–2023) highlights the importance of storage hydropower in balancing onshore wind variability. One TWh of expected onshore wind energy output requires 0.19 TWh of hydropower storage. Projections show 278–512 km² of land needed by 2050 due to onshore wind and solar power development, emphasizing the need for comprehensive planning to mitigate land competition and reduce associated impacts. This research advocates for a balanced renewable energy approach, integrating environmental considerations with climate change mitigation.

1. Introduction

The transition toward renewable energy sources forms a cornerstone of global efforts to mitigate climate change. As nations commit to reducing carbon emissions, the deployment of renewable energy technologies is expanding rapidly, raising important questions about land use. Each renewable energy source—hydropower, wind, and solar—has a distinct land footprint per unit of electricity produced, and understanding these differences is essential for sustainable energy planning. Norway, which generates approximately 98% of its electricity from renewable sources—with hydropower dominating (85%)—provides a unique case study for assessing land efficiency of renewable energy.

Despite the widespread recognition of renewable energy as a cleaner alternative to fossil fuels, the associated land footprint is rarely subjected to systematic scrutiny in energy studies. The expansion of wind and solar power requires substantial land areas, potentially competing with agriculture, forestry, and protected natural areas. This land competition has implications for biodiversity, carbon sequestration, and traditional land use. Production density (GWh/km²) provides a standardized metric for comparing these spatial impacts across different energy technologies.

This study aims to bridge the knowledge gap by synthesizing and standardizing land use and production density data across Norway's renewable energy portfolio. Using high-resolution aerial imagery and national power plant registries, we analyzed 288 power plants across three main types: hydropower (including large run-of-river, small, and storage), onshore wind, and solar PV. Hourly consumption patterns were integrated to assess storage requirements for intermittent energy sources. This synthesis provides a comprehensive picture of the relative land efficiency of Norway's renewable energy sources while highlighting planning challenges for future expansion through 2050.

2. Data and Methods

The study methodology comprised four main components. First, high-resolution Norwegian aerial imagery (from the Norwegian Mapping Authority) and national geospatial databases were used to map the precise land footprint of 288 power plants. Specific plant areas and associated buffer zones were obtained through GIS analysis of historical and current aerial imagery. Reservoir areas for hydropower, turbine and infrastructure footprint for wind, and panel area for solar were delineated separately.

Second, annual production data were compiled from national grid operator records (Statnett) and the Norwegian energy database (NVE). Production density (GWh/km²) was calculated by dividing each plant's annual electricity output by its associated land area. Plants were analyzed by type: large run-of-river hydropower (>10 MW), small hydropower (<10 MW), storage hydropower, onshore wind farms, and solar PV installations.

Third, hourly consumption and wind production data for 2010–2023 were analyzed to assess the relationship between wind variability and hydropower storage requirements. Storage needs were quantified by calculating the gap between wind production and consumption patterns, with storage hydropower as the flexible balancing source. Fourth, future expansion projections through 2050 were developed based on national energy targets and wind and solar expansion scenarios to estimate the additional land area required.

3. Results

Analysis of production density across 288 power plants showed substantial variation among renewable energy technologies. Large run-of-river hydropower exhibited the highest production density at 1,264 GWh/km², followed by small hydropower at 350–396 GWh/km². Storage hydropower showed a moderate production density of 120 GWh/km², lower than run-of-river due to large reservoir areas relative to output. Onshore wind showed the lowest production density at 55 GWh/km², indicating that each square kilometer of land devoted to wind power produces substantially less electricity compared to hydropower. Solar power showed a moderate production density of 80 GWh/km².

In terms of overall land footprint distribution across Norway, hydropower occupies the largest total land area due to extensive reservoirs, but its high production density compensates for this extent. Onshore wind, despite its smaller footprint per individual installation, requires more land per unit of electricity produced, making it the least land-efficient among the analyzed technologies.

Hourly consumption and wind production analysis (2010–2023) revealed significant variability in wind output, requiring support from storage hydropower for grid balancing. One TWh of expected wind energy output requires 0.19 TWh of hydropower storage capacity. Projections through 2050 indicate additional land requirements of 278 to 512 km², driven primarily by onshore wind and solar expansion. This land demand is concentrated in areas with high wind and solar potential, often overlapping with existing environmental and agricultural interests.

4. Discussion

The results highlight significant trade-offs among renewable energy technologies with respect to land efficiency. Hydropower, particularly run-of-river, offers the highest production density, making it the most land-efficient option in the Norwegian energy portfolio. However, new reservoir creation is limited by environmental regulations, land-use considerations, and the scarcity of suitable undeveloped sites. This means that most future renewable expansion in Norway is likely to come from onshore wind and solar power—the sources with the lowest production density.

The high land footprint of wind and solar power raises important questions for land-use planning. As Norway aims to expand its renewable capacity, balancing energy generation with land use will be crucial. Potential trade-offs include habitat loss, impacts on traditional livelihoods such as reindeer herding and agriculture, and landscape transformation. Strategic siting, including avoidance of protected areas and development of offshore wind, can help mitigate some of these pressures.

The analysis of required hydropower storage capacity for balancing wind power illustrates the interconnectedness of renewable sources in Norway. Land efficiency is not only about the production density of each individual source but also about how they work together in a coherent energy system. Norway's existing storage capacity allows for significant wind integration, but further wind expansion would require either additional storage capacity or export of surplus through interconnectors.

5. Conclusions

This study provides the first comprehensive synthesis of land-use efficiency across Norway's entire renewable energy portfolio. Using high-resolution aerial imagery, national production data, and forward-looking projections, we have demonstrated that production density (GWh/km²) is a valuable metric for comparing the land footprint of alternative energy technologies. Hydropower offers the greatest land efficiency, while wind and solar power—the sources most likely to drive future expansion—require substantially more land per unit of electricity.

With projections indicating 278–512 km² of additional land needed by 2050, there is a pressing need for comprehensive, integrated planning that balances renewable energy targets with land conservation priorities. This research advocates for incorporating land efficiency metrics into national energy planning, considering not only production density but also the interactions between different renewable sources and associated energy storage needs. Such a balanced approach—integrating environmental considerations and climate change mitigation goals—is essential for Norway's sustainable energy future.

References

Kenawi, M.S., Hedger, R.D., Alfredsen, K.T., Sandercock, B.K., Korpås, M., Bakken, T.H. (2025). Land efficiency of renewable energy in Norway: A synthesis of footprint and production density. Renewable Energy, 252, 123514. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123514

Full reference list (28+ sources) available in the original article on ScienceDirect.