Tại nhiều trang trại điện mặt trời, những hàng pin vốn chỉ gắn với hoạt động sản xuất điện đang bắt đầu có thêm một chức năng khác: tạo không gian cho cây trồng hoặc vật nuôi.
Tại Mỹ, cừu được đưa vào một số trang trại điện mặt trời để chăn thả và kiểm soát thảm thực vật. Ở Pháp, các dự án thử nghiệm sử dụng hệ thống pin nâng cao để tạo bóng râm cho vườn cây ăn quả, hướng tới giảm tác động của nắng nóng, hạn hán và những hiện tượng thời tiết cực đoan.
Đó là những ví dụ điển hình của nông điện kết hợp (agrivoltaics) – mô hình kết hợp sản xuất nông nghiệp với điện mặt trời trên cùng một diện tích đất.
Điểm đáng chú ý của mô hình này là thay vì tách riêng đất cho sản xuất lương thực và đất cho năng lượng, một diện tích có thể tạo ra đồng thời nhiều giá trị: điện từ các tấm pin, sản phẩm nông nghiệp từ cây trồng hoặc vật nuôi và, trong một số điều kiện, khả năng thích ứng tốt hơn với thời tiết khắc nghiệt.
Khi tấm pin trở thành “mái che” cho cây trồng
Ý tưởng kết hợp sản xuất nông nghiệp với năng lượng mặt trời đã xuất hiện từ đầu những năm 1980. Năm 1981, hai nhà khoa học Đức công bố nghiên cứu với tiêu đề “Kartoffeln unter dem Kollektor”, có thể hiểu là “Khoai tây dưới tấm thu năng lượng”, đặt nền tảng cho ý tưởng sử dụng đồng thời đất cho sản xuất nông nghiệp và năng lượng mặt trời.
Đến năm 2004, Nhật Bản triển khai những mô hình đầu tiên theo hướng “solar sharing”, trong đó các tấm pin được bố trí phía trên đất canh tác để vừa tạo điện vừa duy trì sản xuất nông nghiệp.
Ngày nay, agrivoltaics có thể được triển khai theo nhiều cách khác nhau. Các tấm pin có thể được đặt phía trên cây trồng, bố trí thành những hàng đứng giữa khu vực canh tác hoặc tích hợp với hệ thống nhà kính.
Thiết kế hệ thống quyết định rất lớn đến hiệu quả của mô hình. Khoảng cách giữa các tấm pin, độ cao của hệ khung, mức độ che bóng và hướng bố trí phải được tính toán để vừa đảm bảo sản lượng điện, vừa đáp ứng nhu cầu ánh sáng và điều kiện sinh trưởng của cây.
Không phải loại cây nào cũng phù hợp với bóng râm. Tuy nhiên, một số cây có khả năng thích nghi với điều kiện ánh sáng thấp hơn có thể hưởng lợi từ việc được che bớt bức xạ trực tiếp. Các nghiên cứu và dự án thực tế đã xem xét nhiều nhóm cây như quả mọng, nho, cà chua, đào và ớt.
Với những cây trồng cần hệ thống giàn đỡ, kết cấu nâng các tấm pin thậm chí có thể được thiết kế để đồng thời phục vụ việc hỗ trợ cây. Khi đó, hạ tầng năng lượng không hoàn toàn tách biệt với hoạt động sản xuất nông nghiệp mà trở thành một phần của hệ thống canh tác.
Bóng râm và bài toán nước
Một trong những lợi ích được quan tâm nhiều ở agrivoltaics là khả năng tạo ra một vi khí hậu khác bên dưới hệ thống pin.
Các tấm pin có thể giảm lượng bức xạ trực tiếp xuống mặt đất, qua đó hạn chế sự gia tăng nhiệt độ và lượng nước bốc hơi trong một số điều kiện. Đối với những khu vực thường xuyên chịu nắng nóng hoặc thiếu nước, điều này có thể giúp cây trồng giảm stress nhiệt và duy trì điều kiện sinh trưởng ổn định hơn.
Tuy nhiên, đây không phải lợi ích tuyệt đối.
Độ ẩm cao hơn có thể tạo điều kiện thuận lợi cho một số loại bệnh trên cây. Đồng thời, nếu hệ thống che bóng quá lớn, cây có thể không nhận đủ ánh sáng cần thiết cho quá trình quang hợp.
Vì vậy, agrivoltaics không đơn giản là đưa cây trồng vào dưới một hệ thống điện mặt trời có sẵn. Hiệu quả phụ thuộc vào cách thiết kế hệ thống, điều kiện khí hậu và đặc điểm của từng loại cây.
Không chỉ cây trồng, vật nuôi cũng có thể hưởng lợi
Cừu là một trong những đối tượng phù hợp với mô hình kết hợp giữa chăn nuôi và điện mặt trời.
So với một số vật nuôi lớn hơn, cừu tương đối dễ quản lý khi chăn thả trong khu vực có hệ thống pin. Chúng có thể di chuyển dưới các tấm pin, đồng thời ít có khả năng gây hư hại cho thiết bị hơn.
Đối với vật nuôi, bóng râm từ các tấm pin có thể tạo ra khu vực tránh nắng trong những ngày nhiệt độ cao. Trong khi đó, hoạt động chăn thả giúp kiểm soát thảm thực vật bên dưới các tấm pin, giảm một phần nhu cầu duy trì mặt bằng bằng các phương thức khác.
Phân gia súc cũng có thể bổ sung chất hữu cơ và dinh dưỡng cho đất nếu được quản lý phù hợp.
Ở góc độ kinh tế, mô hình này tạo ra khả năng kết hợp hai hoạt động vốn thường sử dụng đất riêng biệt. Người chăn nuôi có thể có thêm địa điểm chăn thả, trong khi chủ đầu tư điện mặt trời có thêm một phương án quản lý thảm thực vật tại khu vực dự án.
Như vậy, một trang trại điện mặt trời trong một số trường hợp có thể tạo thêm giá trị ngoài sản xuất điện.
Lợi ích không chỉ đi từ tấm pin sang cây trồng
Mối quan hệ giữa nông nghiệp và điện mặt trời trong agrivoltaics không hoàn toàn là một chiều.
Khi cây trồng thoát hơi nước, môi trường xung quanh có thể được làm mát. Điều này về lý thuyết có thể góp phần hạn chế sự gia tăng nhiệt độ của các tấm pin và hỗ trợ hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Tuy nhiên, mức độ tác động phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể. Không nên coi đây là một quy luật áp dụng giống nhau cho mọi dự án.
Điểm quan trọng của agrivoltaics nằm ở sự tương tác giữa ánh sáng, nước, nhiệt độ, cây trồng và thiết kế hệ thống điện.
Một hệ thống được thiết kế phù hợp có thể giúp hai hoạt động cùng tồn tại. Ngược lại, nếu mật độ pin quá cao hoặc bố trí không phù hợp, sản lượng cây trồng có thể bị ảnh hưởng và làm giảm hiệu quả kinh tế của toàn bộ mô hình.
Một hướng thích ứng trước biến đổi khí hậu
Biến đổi khí hậu đang làm gia tăng sức ép lên sản xuất nông nghiệp thông qua nhiệt độ cao, hạn hán và các hiện tượng thời tiết cực đoan.
Trong bối cảnh đó, agrivoltaics được quan tâm bởi mô hình này đồng thời hướng tới hai mục tiêu: sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo và tạo ra những điều kiện sản xuất nông nghiệp thích ứng hơn với thời tiết.
Đối với cây trồng tại những vùng nóng và khô hạn, bóng râm từ hệ thống pin có thể giúp giảm tác động của nhiệt độ cao và hạn chế mất nước trong một số điều kiện.
Tuy nhiên, lợi ích không đồng nhất giữa các vùng.
Tại những khu vực khô nóng, việc giảm bức xạ trực tiếp và hạn chế bốc hơi nước có thể mang lại lợi ích rõ hơn. Ngược lại, tại những khu vực có khí hậu mát hoặc ẩm, việc giảm ánh sáng có thể trở thành yếu tố bất lợi đối với một số cây trồng.
Điều này cho thấy agrivoltaics cần được thiết kế theo điều kiện địa phương thay vì áp dụng một mô hình giống nhau cho mọi vùng sản xuất.
Đa dạng hóa nguồn thu cho nông dân
Ngoài yếu tố môi trường, một lý do khác khiến agrivoltaics được quan tâm là khả năng đa dạng hóa nguồn thu nhập.
Thu nhập từ nông nghiệp phụ thuộc nhiều vào thời tiết và năng suất. Một đợt nắng nóng kéo dài, hạn hán hoặc mưa cực đoan có thể tác động trực tiếp đến sản lượng và thu nhập của người sản xuất.
Nếu cùng một diện tích đất có thể tạo thêm nguồn thu từ điện mặt trời, người nông dân có thể giảm phần nào sự phụ thuộc hoàn toàn vào kết quả của một vụ sản xuất.
Đối với chăn nuôi, việc đưa vật nuôi vào các trang trại điện mặt trời cũng có thể tạo thêm giá trị thông qua hoạt động chăn thả và kiểm soát thảm thực vật.
Tuy nhiên, khả năng tạo thêm thu nhập không đồng nghĩa với việc mô hình chắc chắn có hiệu quả kinh tế. Chi phí đầu tư, chi phí vận hành, giá trị của sản phẩm nông nghiệp, doanh thu từ điện và cách phân chia lợi ích giữa các bên đều cần được tính toán.
Rào cản lớn: chi phí và cách sử dụng đất
Một trong những trở ngại lớn của agrivoltaics là chi phí đầu tư.
Để tạo đủ không gian cho máy móc nông nghiệp hoặc vật nuôi hoạt động, các tấm pin có thể phải được nâng cao hơn so với hệ thống điện mặt trời thông thường. Điều này làm tăng nhu cầu về kết cấu, vật liệu và nhân công.
Về phía nông dân, việc đưa hệ thống pin vào khu vực canh tác cũng có thể đòi hỏi thay đổi phương thức sản xuất hoặc đầu tư thêm thiết bị phù hợp.
Do đó, bài toán quan trọng không chỉ là “có thể trồng cây dưới pin hay không”, mà là sản xuất dưới pin có đủ hiệu quả để bù đắp chi phí phát sinh hay không.
Đây cũng là lý do việc xây dựng các dự án thực tế có quy mô phù hợp và chia sẻ kinh nghiệm từ những mô hình đã vận hành có ý nghĩa lớn. Nông dân thường cần nhìn thấy hiệu quả thực tế trước khi quyết định đầu tư vào một phương thức sản xuất mới.
Giải bài toán cạnh tranh đất nông nghiệp
Sự phát triển nhanh của điện mặt trời đặt ra một vấn đề quan trọng: nhu cầu sử dụng đất cho năng lượng có thể cạnh tranh với đất nông nghiệp.
Trong một số cộng đồng, việc chuyển đổi đất nông nghiệp để xây dựng các dự án năng lượng mặt trời đã tạo ra những tranh luận về mục đích sử dụng đất và tương lai của hoạt động canh tác.
Agrivoltaics đưa ra một hướng tiếp cận khác: thay vì hoàn toàn tách biệt hai mục tiêu, có thể tìm cách để sản xuất nông nghiệp và sản xuất năng lượng cùng tồn tại trên một diện tích.
Tuy nhiên, để đạt được điều đó, vai trò của người nông dân cần được bảo đảm trong mô hình. Nếu hoạt động nông nghiệp chỉ còn mang tính hình thức trong khi phần lớn giá trị đến từ sản xuất điện, mục tiêu sử dụng đất kép sẽ khó đạt được như kỳ vọng.
Vì vậy, hiệu quả của agrivoltaics cần được đánh giá không chỉ bằng sản lượng điện mà còn bằng năng suất nông nghiệp, chất lượng đất, khả năng cơ giới hóa, thu nhập của người sản xuất và tính bền vững của mô hình.
Không có một công thức chung cho mọi vùng sản xuất
Agrivoltaics đang cho thấy tiềm năng trong việc kết hợp hai nhu cầu ngày càng lớn: sản xuất lương thực và phát triển năng lượng tái tạo.
Nhưng đây không phải giải pháp có thể áp dụng đồng nhất cho mọi loại đất, cây trồng hay vật nuôi.
Một hệ thống phù hợp cần được tính toán dựa trên điều kiện khí hậu, nhu cầu ánh sáng của cây, nguồn nước, khả năng cơ giới hóa, loại đất, độ cao và khoảng cách giữa các tấm pin cũng như bài toán đầu tư.
Trong giai đoạn tới, việc phát triển thêm các mô hình thực tế sẽ giúp làm rõ hơn cây trồng nào phù hợp, mức độ che bóng bao nhiêu là hợp lý và thiết kế nào có thể cân bằng tốt nhất giữa sản lượng điện và sản lượng nông nghiệp.
Cùng với đó là nhu cầu hoàn thiện các tiêu chuẩn liên quan đến thiết kế, khoảng cách, độ cao của hệ thống pin, sử dụng đất, an toàn thiết bị và cơ chế phân chia lợi ích giữa nông dân với các nhà đầu tư năng lượng.
Nếu giải quyết được những bài toán này, những cánh đồng có pin mặt trời sẽ không nhất thiết phải được nhìn nhận như nơi nông nghiệp nhường đất cho năng lượng. Thay vào đó, chúng có thể trở thành một mô hình sử dụng đất theo hướng đa chức năng, trong đó cùng một diện tích tạo ra lương thực, năng lượng và khả năng thích ứng tốt hơn trước những biến động của khí hậu.