Kết Hợp điện Năng Lượng Mặt Trời Vào Ngành Nông Nghiệp

ĐIỆN NÔNG NGHIỆP – TẠI SAO KHÔNG?

Dân số thế giới dự kiến ​​sẽ tăng 1,2 tỷ người trong vòng 15 năm tới, cùng với nhu cầu ngày càng tăng về thực phẩm như thịt, trứng và sữa, các sản phẩm về nông nghiệp, cộng với nhu cầu điện thậm chí còn tăng nhanh hơn tốc độ tăng dân số… Chúng ta phải làm gì với tất cả những điều đó? 

Chà, chúng ta có thể kết hợp hai thứ yêu thích: công nghệ và thực phẩm. Cả hai điều mà tôi bị buộc tội là có quá nhiều. Tuy nhiên, liệu việc kết hợp các tấm pin mặt trời với nông nghiệp có thể là một giải pháp khả thi cho tất cả những vấn đề đó? Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn việc điện khí hóa cây trồng của chúng ta, không phải là điện khí hóa cây trồng theo nghĩa đen. Đừng bận tâm, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn việc bổ sung năng lượng mặt trời vào đất nông nghiệp của chúng ta cũng như một số lợi ích phụ và những thách thức mà nó tạo ra.

Giải pháp của tương lai

Vấn đề với các tấm pin mặt trời là chúng cần nhiều không gian để tạo ra một lượng điện lớn. Agrivoltaics hay viết tắt là APV, kết hợp nông nghiệp với sản xuất điện bằng cách canh tác dưới tán các tấm pin mặt trời và có một số ví dụ thực sự thú vị gần đây tạo nên một trường hợp hấp dẫn cho nó, nhưng trước khi đi sâu vào đó, bạn nên hiểu những thách thức xung quanh trang trại điện năng lượng mặt trời nói chung và một số giải pháp đã được phát triển.

Các trang trại, công viên năng lượng mặt trời ở các vùng nông thôn đã tồn tại gần hai thập kỷ. Vấn đề lớn với kiểu lắp đặt điện năng lượng mặt trời này là không thể sử dụng mặt đất bên dưới các tấm pin, chủ yếu là do khoảng trống nhỏ giữa các hàng tấm không đủ lớn để thiết bị canh tác hiện đại đi qua.

Có thể chuyển đổi một công viên năng lượng mặt trời điển hình thành sử dụng đất kép khi nó được chỉ định làm khu vực sinh sống để chăn thả gia súc nhỏ như gà, ngỗng và cừu cũng như nuôi ong.

Những động vật này có lợi cho các trang trại năng lượng mặt trời vì chúng giảm chi phí duy trì sự phát triển của thảm thực vật và không gây ra bất kỳ rủi ro nào cho chính các tấm pin. Điều tương tự cũng không thể nói về thứ gì đó lớn hơn một chút như lợn, dê, ngựa hoặc gia súc một thực tế đã biết là gia súc rất ghét các tấm pin mặt trời.

Khi có thêm không gian giữa các dãy tấm pin năng lượng mặt trời, các cây trồng có thể được trồng ở đó. Tuy nhiên, không gian bên dưới các tấm vẫn không thể sử dụng được và cần được duy trì. Đây được coi là sử dụng đất xen kẽ thay vì sử dụng đất kép vì có những diện tích đất là loại này hay loại khác, không sử dụng cả năng lượng mặt trời và cây trồng cùng một lúc. Đất giữa các hàng sẽ được che bóng trong một số giờ trong ngày, có nghĩa là bạn đang thay đổi các đặc điểm của đất và các loại cây trồng có thể canh tác.

Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta dựng thẳng đứng các tấm pin mặt trời của mình?

Đó là nơi chúng tôi bắt đầu nhận được một số lựa chọn thay thế thú vị cho việc lắp đặt theo phong cách công viên năng lượng mặt trời gắn trên mặt đất tiêu chuẩn.

Sử dụng các tấm pin công nghệ hai mặt được gắn theo chiều dọc cho phép có nhiều đất canh tác hơn. Và nếu bạn không biết tấm pin mặt trời hai mặt là gì, chúng có thể thu năng lượng mặt trời từ cả hai mặt của tấm pin. Kiểu lắp đặt này sẽ hoạt động đặc biệt hiệu quả ở những khu vực bị gió xói mòn, vì các cấu trúc làm giảm tốc độ gió có thể giúp bảo vệ đất và cây trồng ở đó. Các tấm hai mặt cũng có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn trên mỗi mét vuông so với các tấm một mặt truyền thống và không yêu cầu bất kỳ bộ phận chuyển động nào.

Sau đó, cũng có tùy chọn lắp các tấm trên khung giàn, cho phép máy móc nông nghiệp đi qua bên dưới.

Trong thiết kế này, bạn phải duy trì một khoảng trống nhất định giữa các hàng canh tác khỏi máy móc, do đó, diện tích đất canh tác bị mất diện tích rất khiêm tốn, thường là 3-10%. Nhiều biến thể về chủ đề này hiện đang được nghiên cứu tích cực. Thay vì lắp tấm pin mặt trời cố định, các tấm pin có thể được gắn với bộ truyền động, cho phép các tấm nghiêng theo một hoặc hai hướng, cho phép tối ưu hóa cả năng lượng mặt trời và sự phát triển của cây trồng. Điều này có thể đặc biệt quan trọng trong giai đoạn tăng trưởng ban đầu của một số loại cây trồng.

Nhưng còn việc trồng trọt dưới các tấm pin mặt trời thì sao?

Bạn nghĩ rằng các tấm pin mặt trời tạo bóng râm cho cây trồng sẽ là một điều tồi tệ, nhưng cách thức hoạt động của quá trình quang hợp khiến mọi thứ trở nên thú vị. Thực vật phát triển khối lượng của chúng nhờ CO2 với sự trợ giúp của ánh sáng mặt trời. Chúng thực sự đang phát triển từ không khí. NHƯNG, không phải tất cả ánh sáng mặt trời sẵn có đều có thể chuyển hóa thành sinh khối. Sau một ngưỡng nhất định, được gọi là điểm bão hòa ánh sáng, thực vật không thể hấp thụ thêm năng lượng nữa, vì vậy chúng cần loại bỏ năng lượng dư thừa đó bằng cách làm bay hơi nước.

Nếu chúng ta đơn giản hóa điều này, chúng ta có thể chia thực vật thành hai nhóm: thực vật dại nắng và nhóm thực vật ưa bóng râm. Nhóm đó, được gọi là cây bóng mát, đặc biệt hữu ích khi kết hợp với các tấm pin mặt trời, vì các tấm pin rõ ràng là chặn một số ánh sáng mặt trời có sẵn.

Hiện nay, thực vật dại năng đôi khi được coi là cây không chịu bóng. Đây là một sự nhầm lẫn nhỏ, vì những cây này chỉ cần nhiều ánh sáng mặt trời hơn cây bóng râm nhưng cũng có thể chịu quá nhiều ánh sáng mặt trời. Khi bất kỳ thực vật nào đạt đến ngưỡng của chúng, chúng có thể bị ‘cháy nắng’ và stress nhiệt, giống như con người, khiến lượng nước bốc hơi tăng lên khi bạn ở ngoài trời nắng quá nhiều.

Theo một báo cáo từ Viện Năng lượng Mặt trời Fraunhofer của Đức, gần như tất cả các loại cây trồng đều có thể được canh tác dưới các tấm pin mặt trời, nhưng có thể bị giảm năng suất trong những mùa ít nắng đối với những cây đói nắng. Trong dự án RESOLA được thực hiện giữa năm 2016 và 2018 tại khu vực Hồ Constance của Đức, họ đã chứng minh rằng trong một năm tương đối ‘ẩm ướt và lạnh giá’ vào năm 2016, năng suất cây trồng kết hợp APV thấp hơn 25% so với tham chiếu chuẩn, nhưng trong những năm ‘khô và nóng’ của năm 2017 và 2018, năng suất cây trồng APV đã vượt qua so với tham chiếu chuẩn. Đó là dấu hiệu cho thấy APV có thể là người thay đổi cuộc chơi ở những vùng khô hạn và nóng bức.

Không chỉ cây trồng, điện tái tạo cũng mang lại nhiều lợi ích trong chăn nuôi. Nổi bật là hệ thống làm mát tự động bằng năng lượng mặt trời, một giải pháp hữu ích trong chăn nuôi. Hệ thống vừa tiết kiệm điện năng, mang lại nhiều giá trị cho sự phát triển của vật nuôi.

Kinh nghiệm về ĐIỆN NÔNG NGHIỆP vẫn còn khá hạn chế và thành công lớn chủ yếu là với các loại cây chịu bóng như rau diếp, rau bina, khoai tây và cà chua, dâu tây… Điều này dẫn chúng ta đến một số ví dụ siêu hứa hẹn tạo nên một trường hợp hấp dẫn cho lĩnh vực ĐIỆN NÔNG NGHIỆP.

Hãy chuyển sang Hà Lan. Tuy nhỏ bé nhưng Hà Lan là nước xuất khẩu thực phẩm lớn thứ hai trên thế giới!

Công ty “GroenLeven”, một công ty con của tập đoàn BayWa, có trụ sở chính tại Munich Đức, đã bắt đầu một số dự án thử nghiệm với các nông dân trồng trái cây địa phương. Địa điểm lớn nhất của họ là ở làng Babberich ở phía đông của Hà Lan, gần với biên giới Đức, tại một trang trại cây mâm xôi rộng 4 ha. Họ đã chuyển đổi 3 ha thành một trang trại điện nông công suất 2 MWp. Phần còn lại để canh tác truyền thống. Quả mâm xôi là một loại trái cây mỏng manh, chịu được bóng râm, thường được trồng thành hàng được bao phủ bởi nhà màng để giúp bảo vệ chúng khỏi các yếu tố và đảm bảo năng suất cao.

Trong dự án này, cây mâm xôi được trồng trực tiếp dưới các tấm pin mặt trời, được đặt thành các hàng xen kẽ quay mặt về hướng đông và tây. Điều này tối đa hóa sản lượng hệ thống tấm pin mặt trời, nhưng cũng bảo vệ thực vật khỏi những cơn gió thịnh hành. Họ đã thử nghiệm các tấm pin mặt trời truyền thống trong dự án này, nhưng chúng đã lấy đi quá nhiều ánh sáng mặt trời có sẵn, vì vậy họ chuyển sang các tấm có khoảng cách giữa các cell pin mặt trời lớn hơn để cho nhiều ánh sáng hơn. Số lượng và chất lượng của trái cây được sản xuất dưới các tấm bằng hoặc tốt hơn so với trái cây được sản xuất trong các nhà màng truyền thống.

Một lợi ích lớn cho người nông dân là tiết kiệm được khối lượng công việc quản lý các khu nhà màng, vốn rất dễ bị hư hại do mưa đá và bão mùa hè. Trong những trường hợp đó, trái cây có thể không bán được do bị hư hại, nhưng dù sao thì chúng vẫn phải được thu hoạch. Trong những cơn bão mùa hè năm ngoái, những trái cây dưới các tấm pin không bị hư hại gì, trong khi thu hoạch từ cánh đồng tham chiếu đã bị phá hủy.

>>Xem thêm: Khái niệm cơ bản về bộ biến tần và dịch vụ lưới

Một sự khác biệt lớn khác giữa khu vực thử nghiệm và khu tham chiếu: nhiệt độ dưới các tấm pin mặt trời mát hơn vài độ. Nông dân không chỉ dễ chịu hơn mà còn giảm được 50% lượng nước tưới so với ruộng tham khảo. Thậm chí mát mẻ hơn là cách cây trồng ảnh hưởng đến các tấm pin mặt trời. Cây trồng và sự bay hơi nước hạn chế của chúng thực sự giữ cho các tấm pin mát mẻ. Các tấm pin mặt trời thực sự không thích nóng, vì nó làm giảm hiệu suất phát năng lượng của chúng; tấm pin càng mát thì càng cung cấp nhiều năng lượng.

Vì vậy, chỉ dựa trên đó, ĐIỆN NÔNG NGHIỆP dường như là một chiến lược chiến thắng. Nếu chúng ta chuyển đổi dù chỉ một phần nhỏ diện tích sử dụng đất nông nghiệp hiện tại thành năng lượng nông nghiệp, thì một phần lớn nhu cầu năng lượng của chúng ta có thể được đáp ứng một cách dễ dàng. Và với những lợi ích bổ sung trong việc giảm tiêu thụ nước, ĐIỆN NÔNG NGHIỆP cũng có thể là một nhân tố thay đổi cuộc chơi ở các khu vực khô cằn và nóng bức trên thế giới.

Vậy điều gì ngăn cản chúng ta triển khai hệ thống có mục đích kép, thay đổi trò chơi này ở quy mô lớn? Lợi ích là gì? Sản xuất năng lượng là một lĩnh vực khác với nông nghiệp, có thể khiến nông dân chậm tiếp nhận công nghệ. Nhưng những trở ngại thực tế thật đáng buồn và một số khó chịu.

Không phải tất cả các giải pháp năng lượng tái tạo đều nhận được sự đón nhận nồng nhiệt. Ví dụ chính rõ ràng là hình ảnh và âm thanh của một tuabin gió khổng lồ ở gần nhà bạn. Sự phản đối của cộng đồng từ các cư dân của Quận Reno ở Kansas đã giết chết một trang trại gió được đề xuất của NextEra Energy Inc. Cũng trong lĩnh vực nông nghiệp, có những ví dụ mà luật hiện hành cho phép xây dựng các nhà máy khí sinh học khổng lồ không phải lúc nào cũng được cộng đồng địa phương hoan nghênh. Cho dù lý do đằng sau sự phẫn nộ và phản đối của cộng đồng là gì, thì chính kiểu phản ứng này đã khiến nhiều dự án bị giết chết hoặc trì hoãn, cũng như khiến nhiều chính quyền địa phương phải e dè trong việc thúc đẩy chúng tiếp tục.

Vì vậy, để ngăn cộng đồng quay lưng lại với ĐIỆN NÔNG NGHIỆP, điều quan trọng là phải kiểm soát sự lây lan của nó, đặc biệt là ĐIỆN NÔNG NGHIỆP GIẢ (một phương pháp xây dựng các trang trại năng lượng mặt trời lớn dưới vỏ bọc nông nghiệp). Để bảo vệ lợi ích của mọi người, điều này là cần thiết để xây dựng sự hỗ trợ của cộng đồng.

Viện Fraunhofer khuyến nghị rằng

• ĐIỆN NÔNG NGHIỆP nên được triển khai chủ yếu ở những nơi có thể đạt được hiệu ứng tổng hợp, ví dụ như bằng cách giảm nhu cầu nước cho sản xuất cây trồng.
• Để duy trì sự hỗ trợ thích hợp của địa phương, các hệ thống ĐIỆN NÔNG NGHIỆP tốt nhất nên được vận hành bởi các trang trại địa phương, hợp tác xã năng lượng hoặc các nhà đầu tư trong khu vực.
• Với những hướng dẫn này, sự phản đối của cộng đồng chống lại ĐIỆN NÔNG NGHIỆP có thể được giữ ở mức tối thiểu.
• Tiếp theo, các quy tắc, quy định và bộ máy hành chính cũng có thể kìm hãm nó, thay đổi theo từng quốc gia hoặc thậm chí giữa các thành phố.
• Cuối cùng và có thể là quan trọng nhất là thị trường tự do, thị trường tự do khá dễ dàng để thu hút sự chú ý của bạn vì tất cả đều phụ thuộc vào chi phí và đầu tư. Cũng giống như lắp năng lượng mặt trời vào nhà của bạn, con số lớn cần xem xét là giá mỗi kWh.
• Bởi vì năng lượng mặt trời nông nghiệp không mang lại nhiều năng lượng trên mỗi mét vuông so với công viên năng lượng mặt trời truyền thống, cộng với chi phí xây dựng, giá mỗi kWh có thể cao hơn 10-20%.

Và có một câu hỏi lớn là ai sở hữu các tấm pin mặt trời. Trong ví dụ ở Hà Lan, người nông dân không phải là nhà đầu tư hoặc chủ sở hữu của việc lắp đặt. Sự sẵn sàng tham gia của nông dân nhằm mục đích tránh các tác động tiêu cực đến năng suất cây trồng và có chi phí vận hành thấp hơn từ các tấm pin mặt trời. Trong trường hợp này, chủ sở hữu các tấm pin năng lượng mặt trời đã có thể chứng minh những lợi ích đó.

Viện Fraunhofer phát hiện ra rằng nông dân chỉ sẵn sàng tham gia vào một dự án nếu năng suất cây trồng không bao giờ giảm xuống dưới 80% so với ruộng tham chiếu, nhưng đó là chỉ khi nông dân sở hữu hệ thống năng lượng mặt trời. Đó là bởi vì người nông dân có thể bù đắp sự thiếu hụt cây trồng từ năng lượng điện sản xuất. Nhưng điều đó cũng đặt ra câu hỏi, nếu họ sở hữu hệ thống này, họ sẽ làm thế nào để tối ưu hóa các tấm pin mặt trời như để sản xuất năng lượng mặt trời hoặc cho năng suất cây trồng? Để sản xuất năng lượng cao nhất trên mỗi mét vuông, các công viên năng lượng mặt trời giành được chiến thắng. Để có sản lượng cây trồng được đảm bảo cao nhất, việc chuyên tâm canh tác sẽ chiến thắng. Tất cả đều phụ thuộc vào chi phí và đầu tư. Nếu không có sự can thiệp của chính phủ thông qua trợ cấp hoặc đảm bảo giá cả, ĐIỆN NÔNG NGHIỆP có thể không có cơ hội chống lại các sáng kiến ​​năng lượng mặt trời khác.

ĐIỆN NÔNG NGHIỆP là một khái niệm rất hứa hẹn có khả năng một mũi tên trúng hai đích: vừa giúp cung cấp thức ăn và chuyển chúng ta sang một nguồn năng lượng sạch hơn. Lợi ích chính đến từ thực tế là các tấm pin mặt trời rất tốt trong việc giảm phát thải khí nhà kính mà không phải hy sinh đất canh tác. Đặc biệt là nếu chúng ta có thể chuyển đổi đất hiện đang được sử dụng để trồng cây nhiên liệu sinh học, như dầu cọ và trang trại ngô, thành đất để sản xuất và tiêu dùng thực phẩm cho con người… hoặc thậm chí là trồng lại rừng, thì đó sẽ là một chiến thắng to lớn! Nhìn vào bức tranh toàn cảnh và quyết định nơi chúng ta muốn đến có thể giúp chúng ta tìm ra cách vượt qua những khó khăn trên đường đi.