Khi nền kinh tế và dân số ở Texas phát triển, nhu cầu về điện cũng như sản xuất lương thực bền vững cũng tăng theo. Các nhà nghiên cứu của Texas A&M đã hợp tác thực hiện một nghiên cứu phát hiện ra rằng nông điện có tiềm năng nâng cao hiệu quả của cả hai.
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.
Hình ảnh: Basia Latawiec
Các nhà khoa học của Texas A&M AgriLife đang xem nông điện như một giải pháp tiềm năng cho nhu cầu ngày càng tăng về cả điện và thực phẩm.
Agrivoltaics là hoạt động kết hợp năng lượng mặt trời và sản xuất nông nghiệp trên cùng một vùng đất. Khi nền kinh tế và dân số ở Texas phát triển, nhu cầu về lưới điện cũng như nhu cầu sản xuất lương thực bền vững cũng tăng theo. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng nông điện có tiềm năng nâng cao hiệu quả của cả hai.
Một số lượng lớn các nhà máy than đã ngừng hoạt động vào năm 2018 và năng lượng mặt trời đã có xu hướng phát triển kể từ đó. Tiểu bang đã lắp đặt đủ năng lượng mặt trời vào quý 3 năm 2023 để cung cấp năng lượng cho 2,5 triệu ngôi nhà. Hơn 11.000 người Texas đang làm việc trong ngành năng lượng mặt trời và Hiệp hội Công nghiệp Năng lượng Mặt trời (SEIA) báo cáo rằng hơn 24,4 tỷ USD đã được đầu tư vào công nghệ ở đó tính đến quý 3 năm 2023. Chỉ hơn 5% điện năng ở Texas được tạo ra bởi PV. SEIA ước tính 40 GW sẽ được lắp đặt trong 5 năm tới, đưa Texas trở thành nơi đầu tiên trên toàn quốc về sản xuất năng lượng mặt trời.
Texas hiện là một trong hai tiểu bang duy nhất của Hoa Kỳ có dân số từ 30 triệu người trở lên: tiểu bang đông dân thứ hai của quốc gia này đã đạt được cột mốc dân số khi vượt qua ngưỡng 30 triệu người.
Theo Điều tra dân số Hoa Kỳ, dân số ở Texas đã tăng 43% từ năm 2000 đến năm 2022, khiến đây trở thành bang tăng trưởng nhanh thứ tư trong cả nước. Hiện nay đây là một trong hai bang duy nhất có dân số trên 30 triệu người; Dân số Texas vào năm 2022 là 30.029.572, chỉ có California đứng đầu với 39.029.342.
Không có gì đáng ngạc nhiên, cùng với sự tăng trưởng đó là nhu cầu ngày càng tăng. Hội đồng Độ tin cậy Điện Texas (ERCOT) đã báo cáo nhu cầu kỷ lục không chính thức là 85 GW trong đợt nắng nóng mùa hè năm 2023.
Tiến sĩ Nuria Gomez-Casanovas, trợ lý giáo sư về hệ sinh thái hệ thống tái tạo tại Đại học Texas A&M cho biết: “Khi dân số Texas tiếp tục tăng, chúng ta sẽ thấy những hạn chế về lượng đất dành cho sản xuất thực phẩm và các mặt hàng nông sản khác”. Khoa Nông nghiệp và Khoa học Đời sống, Khoa Quản lý Động vật Hoang dã và Thủy sản.
Theo Gomez-Casanovas, nhóm Texas A&M đang xem xét tiềm năng của nông điện do tình trạng mất đất nông nghiệp ngày càng tăng, cùng với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng.
Nhóm đã cộng tác với các nhà nghiên cứu trên khắp đất nước trên một bài báo gần đây Những điều đã biết, những điều không chắc chắn và những thách thức trong nông nghiệp nhằm tăng cường bền vững năng lượng và sản xuất lương thực, được xuất bản trên tạp chí Cell Reports Physical Science.
Với sự hiểu biết rằng nông điện có tiềm năng nâng cao tính bền vững của đất nông nghiệp đồng thời giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng và lương thực, nghiên cứu tập trung vào các thách thức bao gồm các hậu quả về sinh thái, môi trường và kinh tế xã hội của nông điện.
Nâng cao năng suất đất đai
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.”
Điện năng lượng mặt trời có thể làm giảm sự cạnh tranh về tài nguyên đất đai và có thể giảm thiểu hoặc “tránh những hậu quả tiêu cực ngoài ý muốn của việc triển khai năng lượng mặt trời thông thường” bằng cách ra quyết định thông minh.
Gomez-Casanovas cho biết: “Ý tưởng là làm cho mỗi mẫu đất có lợi hơn cho chủ đất và các hoạt động nông nghiệp”.
Sử dụng tỷ lệ tương đương đất , các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trồng cây nông nghiệp dưới các tấm pin mặt trời có thể nâng cao năng suất đất lên tới 60% so với trồng độc canh hoặc các tấm pin mặt trời trên cùng một diện tích đất.
Trong khi đất đai thường được phân loại kỹ càng trước khi lắp đặt năng lượng mặt trời, thì thảm thực vật nông nghiệp được trồng dưới các tấm 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.
Giảm mất nước
Hầu hết sự phát triển năng lượng mặt trời quy mô lớn ở Texas đang diễn ra ở những vùng rộng mở, khô cằn, nơi chăn thả gia súc nhiều hơn là nông nghiệp. 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 hạn 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”.
Các nghiên cứu về nông điện khác, chẳng hạn như nghiên cứu do Trường Cao đẳng Khoa học Nông nghiệp Bang Oregon thực hiện, đã ghi nhận sự giảm thất thoát nước. Theo Chad Higgins, phó giáo sư tại Đại học Khoa học Nông nghiệp Bang Oregon và là tác giả cấp cao của bài báo đăng trên tạp chí Tính bền vững, “Agrivoltaics mang lại cơ hội hiếm có cho sức mạnh tổng hợp thực sự: nhiều lương thực hơn, nhiều năng lượng hơn, nhu cầu nước thấp hơn, lượng carbon thấp hơn khí thải và cộng đồng nông thôn thịnh vượng hơn.”
Việc giảm thất thoát nước là rất quan trọng ở Texas vì nước ngày càng trở thành một thách thức và nghiên cứu của Texas lưu ý rằng việc giảm thất thoát nước ở thực vật cuối cùng sẽ dẫn đến tiết kiệm nước trong tưới tiêu, một yếu tố quan trọng cho sản xuất nông nghiệp.
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”.
Trong một nghiên cứu năm 2019 do Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và các đồng tác giả từ Đại học Arizona và Đại học Maryland thực hiện đã nghiên cứu những lợi ích tiềm năng của nông điện đối với sản xuất lương thực, nhu cầu nước tưới và sản xuất năng lượng. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Sustainability 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, nhà nghiên cứu của Texas A&M, Gomez-Casanovs lưu ý rằng cần có nhiều nghiên cứu hơn để hiểu cách nâng cao năng suất cây trồng dưới các tấm pin mặt trời vì các loài thực vật khác nhau có yêu cầu ánh sáng khác nhau. Bà nói thêm rằng động vật cũng có thể được hưởng lợi từ bóng mát do các tấm pin mặt trời cung cấp, có khả năng làm giảm căng thẳng về nhiệt ở vật nuôi.
Cô lập carbon
Nhóm nghiên cứu cũng nghiên cứu khả năng tăng cường cô lập carbon, tìm cách tăng cường kiến thức xung quanh lợi ích quan trọng này. Vào năm 2021, một nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, NREL và Đại học Minnesota của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nhằm phân tích các cơ sở năng lượng mặt trời tích hợp cỏ tự nhiên. Nghiên cứu đã lập mô hình và tính trung bình các cơ sở năng lượng mặt trời ở bảy bang ở vùng Thượng Trung Tây. Mô hình của họ cho thấy rằng cỏ bản địa được trồng như một phần của công suất phát điện mặt trời 10 GW sẽ cô lập 129,3 tấn carbon mỗi ha; con số này lớn hơn lần lượt là 65% và 35% so với kịch bản nông nghiệp hoặc cỏ mặt trời.
Nghiên cứu của Texas A&M mở rộng kiến thức này và phát hiện ra rằng 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.”
Nghiên cứu cho thấy các loại thực vật, đất và hoạt động nông nghiệp cũng có thể ảnh hưởng đến mức độ cô lập carbon tại các địa điểm nông nghiệp. Theo Gomez-Casanovas, quản lý chiến lược, có thể bao gồm khôi phục thảm thực vật bản địa hoặc quy hoạch các loại cây trồng thân thiện với côn trùng thụ phấn, có thể ảnh hưởng đến đa dạng sinh học.
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.
Nghiên cứu cho thấy một trong những thách thức khi triển khai hệ thống nông điện là chi phí trả trước đáng kể với cơ hội đầu tư dài hạn. Những chi phí này được quy cho cơ sở hạ tầng cần thiết – không chỉ các tấm pin mặt trời và giá đỡ mà còn cả việc lưu trữ và truyền tải năng lượng cũng như lựa chọn cây trồng. Các nhà nghiên cứu cho biết, các lĩnh vực khác cần có cái nhìn sâu sắc hơn bao gồm cấu hình mảng năng lượng mặt trời tối ưu và hỗ trợ chính sách sẽ giúp nông điện trở nên cạnh tranh nhất có thể.
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”. “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 định hướng nghiên cứu liên ngành trong tương lai của chúng tôi.”
