Các nhà khoa học của Texas A&M AgriLife đang tích cực đóng góp vào nhóm nghiên cứu ngày càng tập trung vào nông học—một công nghệ tiên tiến có tiềm năng nâng cao hiệu quả và khả năng phục hồi của hệ thống nông nghiệp và thực phẩm bền vững đồng thời đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của bang.
Các nhà khoa học của Texas A&M AgriLife đang đóng góp vào số lượng nghiên cứu ngày càng tăng về nông học, kết hợp giữa nông nghiệp và sản xuất năng lượng mặt trời. Tín dụng: Basia Latawiec
Trong khi Texas dẫn đầu cả nước về sản xuất năng lượng nhờ trữ lượng nhiên liệu hóa thạch và năng lượng tái tạo đa dạng, dân số tăng nhanh của bang đặt ra nhu cầu ngày càng tăng về lưới điện. Năm nay, Hội đồng Độ tin cậy Điện Texas đã báo cáo nhu cầu kỷ lục không chính thức là 85.435 MW trong đợt nắng nóng mùa hè.
Hệ thống quang điện, thường được gọi là năng lượng mặt trời hoặc mảng pin mặt trời, đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu năng lượng ngày càng tăng này, nhưng việc lắp đặt đòi hỏi nhiều đất đai và có thể cạnh tranh với các khu vực cũng phù hợp cho sản xuất nông nghiệp.
Đó là nơi nông điện xuất hiện.
Nông nghiệp tăng cường sử dụng đất
Như thuật ngữ ngụ ý, nông điện là một hệ thống sử dụng đất kép kết hợp nông nghiệp dưới hình thức sản xuất cây trồng và chăn nuôi với các mảng năng lượng mặt trời.
Nuria Gomez-Casanovas, Tiến sĩ, trợ lý giáo sư về hệ sinh thái hệ thống tái tạo ở Texas, cho biết: “Khi dân số Texas tiếp tục tăng, chúng tôi sẽ thấy những hạn chế về lượng đất dành cho sản xuất lương thực và các mặt hàng nông sản khác”. Trường Cao đẳng Nông nghiệp và Khoa học Đời sống Texas A&M Khoa Quản lý Rangeland, Động vật hoang dã và Thủy sản.
Gomez-Casanovas cho biết tình trạng mất đất nông nghiệp ngày càng tăng, cùng với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, đã khiến người dân ngày càng quan tâm đến tiềm năng của các hệ thống nông điện.
Gomez-Casanovas, có trụ sở tại Trung tâm Nghiên cứu và Khuyến nông Texas A&M AgriLife ở Vernon, cho biết: “Agrivoltaics kết hợp các mảng năng lượng mặt trời truyền thống với sản xuất nông nghiệp giữa chúng để chúng tôi có thể tạo ra năng lượng tái tạo đồng thời sản xuất thực phẩm”. “Hãy hình dung các hoạt động canh tác nông nghiệp điển hình với trang trại năng lượng mặt trời.”
Cách tiếp cận sáng tạo và nghiên cứu nhiên liệu chưa biết của nó
Bất chấp lời hứa của nông nghiệp đối với sản xuất nông nghiệp và năng lượng, việc triển khai hệ thống này còn tương đối mới và Gomez-Casanovas cho biết nhiều câu hỏi vẫn chưa được trả lời.
Để thiết lập nền tảng kiến thức hiện có và hướng dẫn các ưu tiên nghiên cứu trong tương lai, Gomez-Casanovas và một nhóm các nhà nghiên cứu trên khắp đất nước đã hợp tác trong một bài báo gần đây được xuất bản trên Cell Reports Physical Science . Ấn phẩm "Những điều đã biết, những điều không chắc chắn và thách thức trong nông nghiệp nhằm tăng cường sản xuất năng lượng và lương thực một cách bền vững" là một phân tích toàn diện về các tài liệu khoa học hiện có để đánh giá tiềm năng của nông điện trong việc tăng cường hệ thống sản xuất năng lượng và lương thực bền vững.
Gomez-Casanovas cho biết: “Chúng tôi đã xem xét các tài liệu khoa học hiện có để đánh giá xem nông điện có thể mang lại lợi ích tổng hợp như thế nào trong mối quan hệ thực phẩm-năng lượng-nước so với các mảng năng lượng mặt trời hoặc riêng hệ thống nông nghiệp”. “Một trong những thông điệp dễ hiểu từ phân tích của chúng tôi là nâng cao năng suất đất thông qua việc triển khai nông điện.”
Làm cho đất đai hiệu quả hơn
Gomez-Casanovas cho biết ý tưởng này là làm cho mỗi mẫu đất có lợi hơn cho chủ đất và các hoạt động nông nghiệp. Nông điện đại diện cho dòng thu nhập kép từ sản xuất lương thực và năng lượng.
Sử dụng công thức được gọi là tỷ lệ tương đương đất, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trồng cây nông nghiệp dưới các mảng pin mặt trời có thể nâng cao năng suất đất lên tới 60% so với trồng độc canh hoặc mảng pin mặt trời trên cùng một diện tích đất.
Hơn nữa, thảm thực vật được trồng dưới các mảng năng lượng mặt trời này có thể bù đắp một số kết quả không mong muốn liên quan đến việc triển khai rộng rãi các mảng năng lượng mặt trời.
"Trong hệ thống quang điện, thảm thực vật thường bị loại bỏ hoặc giữ ở mức thấp dưới các tấm pin mặt trời, điều này có thể dẫn đến mất đa dạng sinh học liên quan đến việc chuyển đổi và giải phóng mặt bằng, cũng như tăng nhiệt độ cục bộ do hiệu ứng đảo nhiệt quang điện." ", Gomez-Casanovas nói.
Tương tự như hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, sự gia tăng nhiệt độ cục bộ này là kết quả của việc mất đi diện tích đất tự nhiên và sự dư thừa của các vật liệu nhân tạo có khả năng hấp thụ và giữ nhiệt.
Hiệu quả sử dụng nước và giảm nhiệt cho sản xuất nông nghiệp
Trong khi hầu hết các mảng năng lượng mặt trời của Texas đều nằm ở các khu vực rộng lớn, khô cằn ở Tây Texas, nơi sản xuất cây trồng có thể là một thách thức, Gomez-Casanovas cho biết các hệ thống nông điện có thể thúc đẩy sản xuất năng lượng mặt trời và khả năng phục hồi nông nghiệp ở các vùng bán khô cằn của bang.
Gomez-Casanovas cho biết: “Bởi vì các tấm pin mặt trời cung cấp bóng mát cho cây trồng nên ít bức xạ mặt trời đến chúng hơn, dẫn đến giảm sự bốc hơi nước trong đất và thoát hơi nước của cây trồng”. “Điều này rất có lợi cho sức khỏe thực vật trong mùa hè khắc nghiệt và thời kỳ hạn hán”.
Việc giảm thất thoát nước ở thực vật cuối cùng sẽ dẫn đến tiết kiệm nước trong tưới tiêu—một yếu tố quan trọng đối với sản xuất nông nghiệp và bảo tồn tài nguyên khi Texas phải đối mặt với nhu cầu nước ngày càng tăng trong bối cảnh khan hiếm ngày càng tăng.
Gomez-Casanovas cho biết: “Mặc dù bóng râm có thể làm giảm năng suất cây trồng và điều này xảy ra ở một số môi trường nông nghiệp nhất định, nhưng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy nông điện có tiềm năng nâng cao năng suất cây trồng và thức ăn thô xanh so với riêng các hệ thống nông nghiệp truyền thống”.
Ví dụ, một nghiên cứu năm 2019 cho thấy năng suất từ cà chua và ớt chiltepin được trồng dưới các tấm pin mặt trời trong môi trường bán khô cằn tăng gấp đôi so với hệ thống nông nghiệp truyền thống.
Tuy nhiên, cô lưu ý rằng các loài thực vật khác nhau có yêu cầu về ánh sáng khác nhau, vì vậy cần nghiên cứu sâu hơn về cấu hình tấm pin và lựa chọn loại cây để hiểu rõ hơn về cách có thể nâng cao năng suất cây trồng dưới các tấm pin mặt trời.
Ngoài việc mang lại lợi ích cho sự phát triển của cây trồng, Gomez-Casanovas cho biết nông điện có thể tăng cường sản xuất động vật trên các vùng đất chăn thả với bóng mát do các tấm pin mặt trời cung cấp giúp giảm căng thẳng về nhiệt cho vật nuôi.
Tích lũy carbon và đa dạng sinh học
Năng suất thực vật tăng lên trong các hệ thống nông nghiệp được tối ưu hóa cũng có thể dẫn đến tăng khả năng cô lập carbon thông qua sinh khối thực vật trên và dưới mặt đất.
Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy việc sử dụng đất trước đây là yếu tố chính trong việc dự đoán tác động của nông điện đối với việc tích lũy carbon.
Gomez-Casanovas cho biết: “Ví dụ: nếu bạn chuyển một vùng đất chăn nuôi bản địa sang hệ thống nông điện, thì sẽ có tác động bất lợi đến quá trình cô lập carbon”. "Tuy nhiên, nếu bạn chuyển đổi từ một hệ thống nông nghiệp có lượng carbon hữu cơ trong đất thấp sang hệ thống nông điện thúc đẩy tích tụ carbon thì sẽ có tác động tích cực."
Cô lưu ý rằng các loại cây trồng được sử dụng, các loại đất khác nhau và các biện pháp nông nghiệp được thực hiện cũng ảnh hưởng đến tác động mà nông điện có thể gây ra đối với quá trình cô lập carbon.
Gomez-Casanovas cho biết, quản lý chiến lược thảm thực vật dưới các mảng, chẳng hạn như khôi phục thảm thực vật bản địa hoặc trồng các loài thân thiện với côn trùng thụ phấn cũng có thể có tác động tích cực đến đa dạng sinh học.
Các yếu tố hạn chế thực hiện
Mặc dù năng suất cây trồng cao và sản xuất năng lượng bổ sung có vẻ như là điều mà các nhà sản xuất đều có lợi, nhưng Gomez-Casanovas cho biết việc triển khai hệ thống nông điện liên quan đến chi phí vốn trả trước đáng kể và thời gian đầu tư dài hạn tích hợp rủi ro sản xuất.
Gomez-Casanovas cho biết: “Lợi nhuận của nông nghiệp dự kiến sẽ đóng một vai trò quan trọng trong quyết định áp dụng hệ thống của nông dân”. “Từ góc độ nhà sản xuất, có rất nhiều câu hỏi cần được giải đáp.”
Trong số những câu hỏi này có cơ sở hạ tầng quy mô lớn cần thiết cho việc lưu trữ và truyền tải năng lượng, cũng như định giá năng lượng, lựa chọn cây trồng lý tưởng, cấu hình mảng năng lượng mặt trời và hỗ trợ chính sách như tín dụng thuế đầu tư và tín dụng thuế sản xuất để làm cho nông nghiệp trở nên cạnh tranh nhất có thể. người khác.
Gomez-Casanovas cho biết: “Tại thời điểm này, chúng tôi có nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời, điều này thật thú vị vì những câu hỏi này sẽ hướng dẫn nghiên cứu liên ngành trong tương lai của chúng tôi”.
