Hệ thống điện nông nghiệp—hay dàn năng lượng mặt trời tại trang trại—vẫn còn hiếm ở California, nhưng các chuyên gia cho biết bóng râm mà chúng cung cấp có thể là yếu tố thay đổi cuộc chơi trong tình trạng nhiều trang trại đang gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cho tương lai với nguồn nước ngầm hạn chế.
Chăn thả cừu tại trang trại năng lượng mặt trời Cal Poly Gold Tree. (Nguồn ảnh: Tony Trần)
Hình ảnh vệ tinh của Trang trại năng lượng mặt trời Topaz, một cơ sở lắp đặt năng lượng mặt trời khổng lồ trong đất liền từ San Luis Obispo ở miền Trung California, mô tả một ốc đảo gồm những tấm màu xanh được bao quanh bởi trái đất cháy nắng. Tuy nhiên, các hình ảnh không ghi lại cảnh hàng nghìn con cừu đang làm việc chăm chỉ dưới các tấm bảng, ăn các loại cỏ không phải bản địa và giảm nguy cơ cháy rừng.
Hoạt động này mang lại lợi ích cho tất cả những người tham gia: Người chăn cừu Frankie Iturriria được trả công cho thời gian của mình, các nhà nghiên cứu vùng chăn thả cộng tác đang khởi công và chủ đất BHE Renewables có thể duy trì tài sản bằng cừu, chúng ít gây tác động hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với máy cắt cỏ hoặc các loại máy khác chăn nuôi. Nhưng trang trại này là một trong số ít ví dụ về hệ thống nông nghiệp hoặc hệ thống mảng quang điện và nông nghiệp kết hợp trên đất tư nhân ở California, nơi công nghệ đạt được tầm nhìn và lực kéo chậm một cách đáng ngạc nhiên.
Các nhà khoa học, nông dân và những người ủng hộ đồng ý rằng một trong những rào cản lớn nhất trong việc triển khai nông điện ở California—nơi dẫn đầu quốc gia về năng lượng mặt trời, sản xuất nông nghiệp và thậm chí cả năng lượng mặt trời tại trang trại—là nhu cầu nghiên cứu cụ thể hơn ở từng tiểu bang. Trên bình diện quốc tế, nhiều nước ở Châu Âu và Châu Á đi trước Mỹ về mặt thực hiện; và ở Hoa Kỳ, Bờ Đông phần lớn đang dẫn đầu.
Tuy nhiên, để đáp lại sự quan tâm ngày càng tăng của nông dân và các công ty năng lượng, các nhà hoạch định chính sách của California đã bắt đầu huy động trong năm nay để có được nguồn tài trợ nhằm cải tiến công nghệ.
Một số chuyên gia nói rằng nông điện rất quan trọng để bảo tồn sản xuất lương thực ở California, nơi nhiều nông dân phải đối mặt với áp lực phải thu hồi một phần đất đai của mình để tuân thủ các quy định bảo tồn nước hoặc bán nó cho các công ty năng lượng mặt trời đang mở rộng sản xuất để đáp ứng các mục tiêu giảm khí thải quốc gia.
Tại các trung tâm nông nghiệp như Thung lũng San Joaquin, nơi có thể sẽ có những thay đổi đáng kể trong cách sử dụng nước và đất nông nghiệp trong vài thập kỷ tới, nông điện có thể đưa ra một con đường thay thế cho khả năng tồn tại. Cách tiếp cận mang lại bóng mát cũng có thể giúp giảm thiểu trực tiếp tác động của biến đổi khí hậu đối với người lao động và chính vùng đất này.
Majdi Abou Najm, người đang dẫn đầu nghiên cứu nông học tại Đại học California, Davis, là một trong những người tiên phong của bang. “Tôi coi đây là yếu tố then chốt trong việc duy trì an ninh lương thực cho 10 tỷ người sẽ sinh sống trên hành tinh này vào năm 2050,” Abou Najm cho biết trong một cuộc thảo luận gần đây do Hội đồng Khoa học và Công nghệ California (CCST) triệu tập. “Tôi coi đây là nhân tố chính trong việc đối phó với tình trạng nắng nóng cực độ, hạn hán, nhiễm mặn và các thách thức khác ảnh hưởng đáng kể đến an ninh lương thực, nước và năng lượng của chúng ta. Ngoài ra, ở quy mô trang trại, tôi thấy nông điện là công nghệ có thể tối đa hóa sản lượng của nông dân và người trồng trọt từ đất của họ.”
Majdi Abou Najm đứng bên những bộ lọc màu đỏ mà anh sử dụng trong thí nghiệm nông học với cà chua. (Nguồn ảnh: Majdi Abou Najm)
Đáng chú ý là có nhiều loại nông điện khác nhau. Định nghĩa của CCST là “việc đặt các tấm pin mặt trời trên đất nông nghiệp để cùng sản xuất các sản phẩm nông nghiệp và điện”. Jordan Macknick từ Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia—nơi tiến hành nghiên cứu nông nghiệp ở California—bao gồm năng lượng mặt trời kết hợp với cây trồng đặc sản và hàng hóa, năng lượng mặt trời với chăn nuôi, năng lượng mặt trời với đất cung cấp môi trường sống cho côn trùng thụ phấn hoặc các dịch vụ hệ sinh thái và nhà kính tích hợp năng lượng mặt trời trong danh sách các phương pháp tiếp cận.
California chưa có định nghĩa, nhưng những nơi khác thì có: Một số quốc gia sử dụng ngưỡng sản xuất nông nghiệp, trong khi các tiểu bang khác của Hoa Kỳ có tiêu chuẩn về chiều cao và độ che nắng của tấm pin.
Một số nhóm vận động cho rằng việc thiết lập định nghĩa cấp nhà nước về nông điện là chìa khóa để đảm bảo công nghệ này không thay thế các trang trại. American Farmland Trust (AFT) – ước tính 83% công trình phát triển năng lượng mặt trời mới được xây dựng trong vài thập kỷ tới có thể sẽ nằm trên diện tích nông nghiệp – hỗ trợ nông điện miễn là sản xuất nông nghiệp được đảm bảo.
Ethan Winter, giám đốc năng lượng mặt trời thông minh quốc gia của AFT cho biết: “Chúng tôi quan tâm rằng chúng tôi nên tập trung vào kết quả nhiều nhất có thể vì lợi ích của trang trại và khả năng tồn tại lâu dài của trang trại đó”.
Nhà nước tài trợ cho nghiên cứu nông nghiệp
Năm nay, Majdi Abou Najm đang thử nghiệm bộ lọc màu đỏ của mình với nguyên mẫu pin mặt trời trên thực địa. (Nguồn ảnh: Majdi Abou Najm)
Agrivoltaics cũng có thể giúp tiết kiệm nước. Abou Najm cho biết: “Bóng râm được tạo ra bởi các tấm pin mặt trời ở những khu vực nhận được nhiều ánh nắng hơn mức thực vật cần để quang hợp, làm giảm căng thẳng về nhiệt đối với những cây trồng đó, giúp chúng khỏe mạnh hơn và khiến chúng cần ít nước hơn”. “Agrivoltaics không chỉ là sản xuất kép lương thực và năng lượng trên cùng một mảnh đất mà nó còn tối đa hóa sức mạnh tổng hợp giữa cả hai.”
Dahlquist-Willard cho biết, Agrivoltaics sẵn sàng hỗ trợ các trang trại ở Thung lũng Trung tâm theo vô số cách. Các trang trại lớn hơn áp dụng nông điện có thể mang lại lợi ích tiềm năng cho những trang trại nhỏ hơn bằng cách giảm bớt áp lực lên nguồn nước ngầm trong khu vực. Đồng thời, những người nông dân có ít đất có nhiều khả năng cân nhắc sử dụng điện năng hơn là chuyển đổi hoàn toàn sang năng lượng mặt trời. “Đối với một trang trại nhỏ—ví dụ 10, 20, 30 mẫu Anh—nếu bạn chuyển toàn bộ trang trại của mình sang sử dụng năng lượng mặt trời, bạn sẽ bỏ nghề nông. Không ai làm điều đó khi nông nghiệp là nguồn thu nhập duy nhất của họ”, cô nói.
Abou Najm đã xuất bản một nghiên cứu lý thuyết về cách trồng các loại cây trồng—bao gồm rau diếp, húng quế và dâu tây—dưới các tấm pin mặt trời theo cách tối đa hóa năng suất. Ông phát hiện ra rằng phần quang phổ màu xanh lam của quang phổ ánh sáng được lọc tốt nhất để tạo ra năng lượng mặt trời, trong khi quang phổ màu đỏ có thể được tối ưu hóa để trồng trọt lương thực; điều này đòi hỏi một loại bảng điều khiển cụ thể ít phổ biến hơn nhưng có sẵn. Nghiên cứu tiếp theo của ông liên quan đến việc mở rộng các loại cây trồng và tiến hành thử nghiệm thực địa.
UC Davis đang lấp đầy khoảng trống cần thiết trong nghiên cứu ở California, mặc dù nhiều nghiên cứu khác đã được tiến hành trong nước và quốc tế ghi lại năng suất cây trồng theo bảng. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng nông điện có thể cải thiện hiệu quả của các tấm pin và tăng hiệu quả sử dụng nước, độ ẩm của đất và năng suất cây trồng. Trong một nghiên cứu về cà chua bi, sản lượng tăng gấp đôi dưới các tấm pin và hiệu quả sử dụng nước cao hơn 65%.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Bách khoa bang California ở San Luis Obispo cũng đang ghi lại những lợi ích của việc chăn thả dưới các tấm pin mặt trời ở California, hỗ trợ nghiên cứu trên toàn thế giới. Họ đang nghiên cứu lợi ích của việc chăn thả cừu trên hai cơ sở lắp đặt năng lượng mặt trời, Trang trại Cây Vàng và Trang trại Năng lượng mặt trời Topaz. Ở đó, họ phát hiện ra rằng các tấm pin mặt trời có thể mang lại lợi ích tổng hợp cho đàn cừu và đồng cỏ. So với đồng cỏ bên ngoài các tấm pin mặt trời, cỏ được che bóng có hàm lượng nước cao hơn, hàm lượng nitơ cao hơn và chất xơ không tiêu hóa thấp hơn.
Trang trại năng lượng mặt trời Topaz, một trong những công trình lắp đặt năng lượng mặt trời lớn nhất trên toàn thế giới khi được xây dựng vào năm 2014, giờ đây trở nên lu mờ so với các dự án khác ở Tây Nam Hoa Kỳ, Trung Quốc và các nơi khác. Tuy nhiên, nó vẫn là một ví dụ điển hình về nông điện trên trang trại năng lượng mặt trời quy mô tiện ích. Theo Katie Brown, nhà tư vấn về đất chăn nuôi của trang web, việc kết hợp những người chăn thả cừu với hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời phù hợp—điều mà các nhóm như Hiệp hội chăn thả năng lượng mặt trời Hoa Kỳ (ASGA) đang thực hiện—là chìa khóa thành công.
Frankie Iturriria thừa kế công ty của mình, I & M Sheep, từ cha ông, người đã thành lập công ty này vào năm 1958. Những người chăn cừu của ông, sống tại chỗ từ tháng 4 đến tháng 10, luân chuyển đàn hai đến ba ngày một lần; họ di chuyển các nhóm 2.000 con cừu lên đồng cỏ rộng 30 mẫu Anh, được chia thành 3.500 mẫu Anh để chứa các tấm pin. Cừu thích các loại cỏ nhập tịch hàng năm như yến mạch, cỏ brome, cỏ roi nhỏ vào đầu mùa, điều này tạo ra nhiều không gian hơn cho những người bản địa như cỏ kim tím và cỏ thông xanh.
Trang trại năng lượng mặt trời, trước đây được sử dụng để chăn thả gia súc và sản xuất cỏ khô, nằm gần Đài tưởng niệm Quốc gia Đồng bằng Carrizo và có đa dạng sinh học phong phú, bao gồm các loài có nguy cơ tuyệt chủng như cáo mèo San Joaquin. Không giống như máy cắt cỏ, cừu có thể cắt cỏ trong thời gian ngắn hơn và không đe dọa đến sự sống còn của cáo. Cừu định hướng mảng tốt hơn gia súc và ít gây sát thương hơn dê.
Mặc dù việc đáp ứng nhu cầu của địa điểm là rất cao, Iturriria đã giới thiệu mô hình này cho những người chăn nuôi cừu khác. “Nó cho phép chúng tôi tiếp tục chăn thả gia súc, ngay cả khi có trang trại năng lượng mặt trời,” ông nói. “Trong 5 năm qua, rất nhiều cơ sở năng lượng mặt trời đã được xây dựng ở California. Tôi biết rất nhiều nhà sản xuất đang quan tâm đến vấn đề này và tôi nghĩ nó có lợi cho cả hai bên.”
