Hướng đi mới từ mô hình nông nghiệp kết hợp điện mặt trời

Một dự án thí điểm nông điện kết hợp tạo bóng râm cho vườn lê ở Llupia, Pháp, trong nỗ lực bảo vệ cây trồng trước hạn hán, sương giá và các hiện tượng thời tiết cực đoan khác. Ảnh: Michel Clementz/MAXPPP/picture alliance

Những trang trại điện mặt trời vốn thường khá yên tĩnh, chỉ có tiếng vo ve nhẹ của các bộ biến tần. Nhưng tại khoảng 1/10 số trang trại điện mặt trời ở Mỹ, một âm thanh khác đang ngày càng xuất hiện giữa những hàng pin: tiếng cừu kêu.

Việc đưa cừu vào chăn thả dưới các tấm pin chỉ là một trong nhiều hình thức của nông điện kết hợp (agrivoltaics) - mô hình trong đó cây trồng hoặc vật nuôi được bố trí đồng thời với hạ tầng năng lượng tái tạo trên cùng một diện tích đất.

Điểm hấp dẫn của mô hình nằm ở khả năng tạo ra nhiều giá trị trên cùng một đơn vị diện tích. Các tấm pin tạo điện, trong khi cây trồng tiếp tục sinh trưởng hoặc vật nuôi được chăn thả. Bản thân hệ thống pin cũng có thể tạo bóng râm, giảm nhiệt độ mặt đất, hạn chế bốc hơi nước và trong một số điều kiện còn giúp tăng năng suất cây trồng.

Điều quan trọng hơn, đây là một trong số ít giải pháp khí hậu có thể đồng thời phục vụ hai mục tiêu: giảm phát thải và thích ứng với một khí hậu đang nóng lên.

KHI TẤM PIN TRỞ THÀNH “MÁI CHE” CHO CÂY TRỒNG

Ý tưởng kết hợp sản xuất nông nghiệp với năng lượng mặt trời không phải hoàn toàn mới. Năm 1981, hai nhà khoa học Đức đã công bố một nghiên cứu có tiêu đề “Kartoffeln unter dem Kollektor”, có thể hiểu là “Khoai tây dưới tấm thu năng lượng”.

Tuy nhiên, phải đến năm 2004, dự án thí điểm đầu tiên mới được triển khai tại Nhật Bản - quốc gia có quỹ đất hạn chế và phải tìm cách cân bằng giữa phát triển năng lượng mặt trời với bảo vệ đất nông nghiệp.

Hiện nay, agrivoltaics được triển khai theo ba dạng chính. Với hệ thống nằm ngang, các tấm pin được bố trí phía trên cây trồng và hướng lên bầu trời. Với hệ thống thẳng đứng, các tấm pin được đặt thành những hàng lớn vuông góc với mặt đất. Trong khi đó, mô hình tích hợp thường đưa các tấm pin vào phía trên hoặc kết hợp với nhà kính.

Với nho và cà chua, hệ thống khung thép vốn được sử dụng để giữ các tấm pin thậm chí có thể đồng thời trở thành giàn đỡ cho cây. Điều này giúp kết hợp hạ tầng năng lượng với hoạt động canh tác thay vì phải dành hai khu vực đất riêng biệt.

Một lợi ích quan trọng khác nằm ở nước. Các tấm pin có thể hạn chế lượng nước bốc hơi trực tiếp khỏi mặt đất, qua đó tạo ra một vikhí hậu mát và ẩm hơn bên dưới hệ thống. Trong những khu vực thường xuyên chịu hạn hoặc nhiệt độ cao, sự thay đổi này có thể giúp cây trồng giảm stress nhiệt và duy trì năng suất.

Giáo sư Carl Bernacchi, chuyên gia về sinh học thực vật và khoa học cây trồng tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, cho biết một bề mặt có thực vật có khả năng làm mát tốt hơn so với bê tông hoặc các vật liệu cứng bên dưới tấm pin.

Điều đáng chú ý là lợi ích không chỉ đi theo một chiều từ tấm pin sang cây trồng. Chính cây trồng cũng có thể giúp hệ thống điện mặt trời hoạt động hiệu quả hơn.

Các tấm pin mặt trời hoạt động tốt hơn khi nhiệt độ thấp hơn. Quá trình thoát hơi nước của cây làm mát bề mặt đất và môi trường xung quanh, qua đó góp phần làm giảm nhiệt độ của các tấm pin. Vì vậy, một hệ thống agrivoltaics được thiết kế phù hợp có thể tạo ra mối quan hệ tương hỗ giữa sản xuất điện và sản xuất nông nghiệp.

Tuy nhiên, độ ẩm cao không phải lúc nào cũng là lợi thế. Môi trường ẩm hơn có thể làm gia tăng nguy cơ phát sinh một số loại bệnh ở cây trồng. Đây là lý do hiệu quả của agrivoltaics phụ thuộc rất lớn vào điều kiện khí hậu, loại cây và cách bố trí hệ thống.

Cừu chăn thả dưới các tấm pin mặt trời tại tỉnh Quý Châu, Tây Nam Trung Quốc, một mô hình kết hợp chăn nuôi với sản xuất năng lượng mặt trời đang ngày càng phổ biến. Ảnh: Tao Liang/Xinhua/picture alliance

Một đối tượng khác đang cho thấy sự phù hợp đặc biệt với mô hình này là cừu. So với gia súc hoặc dê, cừu tương đối dễ quản lý khi chăn thả quanh các hệ thống điện mặt trời. Chúng ít có khả năng làm hư hại thiết bị và đủ nhỏ để di chuyển dưới các tấm pin. Bóng râm giúp cừu giảm tiếp xúc với nhiệt độ cao, trong khi phân cừu có thể bổ sung chất dinh dưỡng cho đất.

Việc kết hợp chăn nuôi với điện mặt trời còn tạo ra một lợi ích kinh tế đáng chú ý. Austin Kinzer, chuyên gia về agrivoltaics tại American Farmland Trust, cho biết đối với ngành chăn nuôi cừu Mỹ, mô hình này đang tạo ra sự thay đổi lớn: thay vì phải trả tiền thuê đất để chăn thả, người chăn nuôi có thể được trả tiền để đưa đàn cừu đến các khu vực điện mặt trời nhằm kiểm soát thảm thực vật.

Như vậy, các trang trại điện mặt trời không chỉ tạo ra điện mà còn có thể trở thành nơi cung cấp dịch vụ chăn thả, trong khi người chăn nuôi có thêm một nguồn thu nhập.

MỘT “CHIẾN THẮNG KÉP” TRƯỚC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Tiềm năng của agrivoltaics càng được chú ý khi biến đổi khí hậu làm gia tăng nhiệt độ, hạn hán và những hiện tượng thời tiết cực đoan.

Về mặt giảm nhẹ biến đổi khí hậu, điện mặt trời giúp thay thế các nguồn điện phát thải carbon. Về mặt thích ứng, bóng râm từ các tấm pin có thể giúp cây trồng giảm tác động của nhiệt độ cao và hạn chế mất nước trong những khu vực khô hạn. “Đó là cả hai cùng lúc, điều khá đặc biệt nếu xét về các giải pháp khí hậu”, Kinzer nhận định.

Đối với nông dân, lợi ích còn nằm ở việc đa dạng hóa nguồn thu nhập. Nông nghiệp phụ thuộc lớn vào thời tiết. Một đợt nắng nóng kéo dài, hạn hán hoặc mưa cực đoan có thể làm mất mùa và khiến thu nhập của nông dân sụt giảm mạnh. Nếu cùng diện tích đất đó tạo ra thêm doanh thu từ điện mặt trời, người nông dân sẽ có một nguồn thu tương đối độc lập với sản lượng cây trồng.

Kinzer cho rằng nguồn thu thay thế này đặc biệt quan trọng đối với những người đang sống dựa vào thời tiết trong bối cảnh các điều kiện thời tiết ngày càng cực đoan và khó dự đoán.

Tiềm năng của mô hình được thể hiện qua quy mô đất nông nghiệp mà nó có thể khai thác. Tại châu Âu, nếu agrivoltaics được triển khai trên chỉ 1% diện tích đất nông nghiệp hiện có, khu vực này có thể vượt các mục tiêu phát triển điện mặt trời cho năm 2030.

Tại miền Tây khô hạn của Mỹ, nơi nhiệt độ cao và nguồn nước hạn chế gây áp lực lớn lên cây trồng, một số nghiên cứu cho thấy năng suất có thể được duy trì hoặc thậm chí tăng lên khi cây được trồng dưới các tấm pin.

Nhưng tại vùng Trung Tây có khí hậu ẩm hơn, bóng râm có thể làm giảm lượng ánh sáng cần thiết cho quá trình quang hợp. Kết quả là năng suất của những cây trồng như ngô và đậu tương có thể giảm.

Đây là vấn đề đặc biệt quan trọng đối với các loại cây trồng thương mại có biên lợi nhuận thấp. Chỉ một mức giảm năng suất tương đối nhỏ cũng có thể khiến việc đầu tư vào một hệ thống mới trở nên kém hấp dẫn đối với nông dân.

BÀI TOÁN ĐẤT ĐAI, CHI PHÍ VÀ NIỀM TIN CỦA NÔNG DÂN

Một trong những rào cản lớn nhất đối với agrivoltaics là chi phí. Đối với các nhà phát triển điện mặt trời, việc nâng các tấm pin lên cao hơn để tạo không gian cho máy móc nông nghiệp hoạt động đồng nghĩa với việc phải sử dụng thêm thép và nhân công. Trong khi đó, nông dân có thể phải mua thiết bị mới hoặc thay đổi phương thức canh tác để phù hợp với hệ thống.

Những khoản chi phí bổ sung này phải được cân đối với doanh thu từ điện và nông nghiệp. Không phải loại cây trồng hay mô hình canh tác nào cũng đủ khả năng tạo ra hiệu quả kinh tế để bù đắp khoản đầu tư. Một trở ngại khác là thiếu những mô hình thực tế để nông dân tham khảo.

Thay vì phải trả tiền thuê đất để chăn thả, người chăn nuôi có thể được trả tiền để đưa đàn cừu đến các khu vực điện mặt trời nhằm kiểm soát thảm thực vật. Người nông dân muốn học hỏi từ những người nông dân khác.

Ông Austin Kinzer  Chuyên gia về agrivoltaics tại American Farmland Trust

Những người nông dân muốn tận mắt nhìn thấy những dự án đang hoạt động, trao đổi với những người trực tiếp triển khai và biết điều gì thực sự hiệu quả trước khi đưa tiền vào một mô hình mới.

Tuy nhiên, khi agrivoltaics vẫn còn ở giai đoạn đầu, không phải nơi nào cũng có dự án để tham quan. Điều này tạo ra một vòng luẩn quẩn: nông dân chờ thấy mô hình thành công rồi mới đầu tư, trong khi các dự án lại cần có người tiên phong để chứng minh hiệu quả.

Bên cạnh đó, bài toán đất đai cũng khiến câu chuyện trở nên phức tạp. Sự phát triển nhanh của điện mặt trời đã gây tranh luận tại một số cộng đồng ở Mỹ và châu Âu. Một số tổ chức nông nghiệp phản đối việc chuyển đổi đất nông nghiệp thành các khu vực lắp đặt pin mặt trời, với lo ngại rằng người nông dân sẽ dần trở thành người sản xuất năng lượng hoặc chủ cho thuê đất thay vì tiếp tục canh tác.

Agrivoltaics đưa ra một cách tiếp cận khác: không nhất thiết phải lựa chọn giữa sản xuất lương thực và sản xuất năng lượng.

Các tấm pin mặt trời được nâng trên hệ khung thép tạo bóng râm cho một vườn cây ăn quả ở Pháp, một trong nhiều mô hình nông điện kết hợp đang được triển khai tại châu Âu. Ảnh: Michel Clementz/MAXPPP/picture alliance.

Một khảo sát được DW dẫn lại cho thấy hơn 80% người Mỹ được hỏi sẽ có xu hướng ủng hộ phát triển điện mặt trời tại cộng đồng nếu dự án đồng thời cho phép sản xuất năng lượng và nông nghiệp. Tỷ lệ này cao hơn khoảng 10 điểm phần trăm so với mức ủng hộ phát triển điện mặt trời nói chung.

Giáo sư Bernacchi cho rằng tồn tại một xung đột về văn hóa và lợi ích giữa những người nông dân muốn tiếp tục canh tác và các công ty điện mặt trời muốn sản xuất điện. Agrivoltaics có thể tạo ra một “điểm trung gian”, trong đó cùng một diện tích đất vừa tiếp tục được sử dụng để sản xuất nông nghiệp, vừa tạo ra điện.

Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi nhu cầu sử dụng đất cho năng lượng tái tạo ngày càng tăng, trong khi quỹ đất dành cho nông nghiệp chịu sức ép từ đô thị hóa, công nghiệp hóa và biến đổi khí hậu.

Dù vậy, agrivoltaics không phải một giải pháp áp dụng đồng nhất cho mọi nơi. Hiệu quả cần được đánh giá theo từng vùng khí hậu, loại đất, cây trồng, mô hình chăn nuôi và điều kiện kinh tế.

Thách thức trong giai đoạn tới là xây dựng thêm các dự án quy mô đủ lớn để chứng minh hiệu quả thực tế, đồng thời hoàn thiện tiêu chuẩn về thiết kế, khoảng cách và độ cao của tấm pin, sử dụng đất, năng suất cây trồng, an toàn thiết bị và cơ chế phân chia lợi ích giữa nông dân với nhà đầu tư năng lượng.

Nếu vượt qua được những rào cản này, các cánh đồng có pin mặt trời sẽ không nhất thiết phải là biểu tượng của việc nông nghiệp nhường đất cho năng lượng. Chúng có thể trở thành một mô hình sản xuất mới, nơi một diện tích đất đồng thời tạo ra lương thực, năng lượng và khả năng chống chịu tốt hơn trước biến đổi khí hậu.