Hàn Quốc: Sử dụng năng lượng tái tạo để thúc đẩy nông nghiệp bền vững
Một nền tảng năng lượng tích hợp mới sử dụng nhiều nguồn năng lượng tái tạo đã được phát triển và thử nghiệm thành công, cho phép độc lập năng lượng và giảm thiểu carbon trong nông nghiệp. So với các hệ thống nhà kính thông thường, nền tảng này giúp giảm hơn 50% lượng khí thải CO₂ và cắt giảm hơn một phần ba chi phí vận hành.
Viện Cơ khí và Vật liệu Hàn Quốc (Chủ tịch Seog-Hyeon Ryu, sau đây gọi tắt là KIMM), trực thuộc Hội đồng Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quốc gia (Chủ tịch Yeung-Shik Kim), đã phát triển Hệ thống Nhiệt điện Kết hợp (CHP) sử dụng nhiên liệu hydro, tích hợp pin nhiên liệu hydro, bộ thu nhiệt mặt trời, bơm nhiệt và máy làm lạnh hấp phụ. Hệ thống đã được triển khai thành công trong một nhà kính thông minh rộng 660 mét vuông.
Hệ thống này kết hợp pin nhiên liệu PEM, bơm nhiệt nguồn không khí, bộ thu nhiệt mặt trời và máy làm lạnh hấp phụ để tạo ra điện và tái sử dụng nhiệt thải để làm mát và sưởi ấm. Ban ngày, hệ thống chủ yếu sử dụng năng lượng mặt trời, còn ban đêm hoặc trong những giờ ít nắng, hệ thống hoạt động bằng cách kết hợp pin nhiên liệu và bơm nhiệt, sản xuất và cung cấp năng lượng hiệu quả tùy thuộc vào mùa và thời gian trong ngày.
Nhóm Nghiên cứu Phát triển Hệ thống Nhiệt điện Kết hợp Sử dụng Hydro cho Nhà kính của KIMM
Các hệ thống nhà kính thông thường thường chỉ dựa vào một nguồn năng lượng duy nhất như năng lượng mặt trời hoặc địa nhiệt, khiến chúng dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi thời tiết và giảm hiệu suất theo mùa. Các hệ thống pin nhiên liệu có khả năng sử dụng nhiệt thải chủ yếu chỉ được sử dụng trong các tòa nhà hoặc ứng dụng công nghiệp.
Hệ thống của KIMM khắc phục những hạn chế này bằng cách kết hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo. Vào mùa đông, nhiệt từ pin nhiên liệu và bộ thu năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành nước nóng để làm ấm nhà kính. Vào mùa hè, nhiệt sẽ dẫn động máy làm lạnh hấp phụ sản xuất nước lạnh để làm mát. Ngoài ra, bơm nhiệt nguồn không khí hỗ trợ sưởi ấm và làm mát trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt như nắng nóng hoặc giá rét.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống điều khiển tích hợp để tối ưu hóa dòng năng lượng giữa các nguồn nhiệt, giảm thiểu sự phụ thuộc lẫn nhau đồng thời tối đa hóa sự ổn định năng lượng. Những cải tiến bao gồm pin nhiên liệu với công suất đầu ra có thể điều chỉnh, máy bơm nhiệt tạo ra lượng điện năng đầu vào cao hơn 5,2 lần, bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời được tối ưu hóa cho hoạt động ban ngày, cùng với hệ thống giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống theo thời gian thực.
Một máy làm lạnh hấp thụ có khả năng sản xuất nước lạnh ở nhiệt độ nguồn nhiệt thấp hơn (65–70°C), so với máy làm lạnh hấp thụ thông thường, đã được sử dụng. Nhiệt từ các bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu được lưu trữ trong bể chứa nhiệt và được sử dụng để cung cấp năng lượng làm mát cho nhà kính.
Hệ thống này đã chứng minh khả năng giảm 36,5% chi phí vận hành và giảm 58,1% lượng khí thải CO₂ so với các hệ thống bơm nhiệt nhà kính hiện có. Trong một nhà kính trình diễn rộng 660㎡ tại Viện Khoa học Nông nghiệp Quốc gia thuộc Cục Phát triển Nông thôn ở Jeonju, cà chua đã được trồng thành công trong hơn sáu tháng.
Tiến sĩ Sang Min Lee, Trưởng Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Nông nghiệp và Hệ thống Sinh học Tương lai của KIMM, cho biết: "Hệ thống này cho phép sản xuất năng lượng ổn định bất kể điều kiện thời tiết bên ngoài và lý tưởng cho môi trường của Hàn Quốc, nơi nhu cầu năng lượng dao động mạnh giữa các mùa. Đây là trường hợp đầu tiên ứng dụng pin nhiên liệu hydro vào nông nghiệp thông minh, đóng góp đáng kể vào việc đạt được khả năng tự cung cấp năng lượng trong nông nghiệp nhà kính."
Tiến sĩ Jin Young Park, Nghiên cứu viên Cao cấp tại Khoa Sản xuất Điện Không Carbon, cho biết thêm: "Chúng tôi đã đạt được hiệu suất năng lượng và độ ổn định cao so với các hệ thống thông thường. Điện năng được tạo ra từ pin nhiên liệu được sử dụng trực tiếp trong nhà kính, cải thiện tính khả thi về mặt kinh tế."
Đầu năm nay, KIMM đã thành lập Ban Kỹ thuật Sinh học Nông nghiệp Tương lai để dẫn đầu việc phát triển các công nghệ cốt lõi cho nông nghiệp và đảm bảo vị thế dẫn đầu toàn cầu trong lĩnh vực này. Hiện nay, ban này đang tích cực phát triển các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực năng lượng nông nghiệp, quản lý tài nguyên và chuyển đổi số.
Hệ thống CHP sử dụng nhiên liệu hydro được phát triển chung bởi Ban Kỹ thuật Sinh học Nông nghiệp Tương lai của KIMM và Phòng thí nghiệm Điện Không Carbon, với sự hỗ trợ từ các chương trình đổi mới nông nghiệp thông minh và hydro xanh quốc gia của Hàn Quốc.
