Việc trao đổi một số đất trồng ngô-ethanol để lấy năng lượng mặt trời có thể tăng gấp ba lần sản lượng năng lượng mặt trời của Hoa Kỳ
Caitlin Hayes, Đại học Cornell
(A) Sự chồng lấn không gian của các nhà máy thu hoạch ngô và tinh chế ethanol vào năm 2022 (28, 29). (B) biểu diễn trực quan diện tích đất cần thiết để có hàm lượng năng lượng tương đương của ethanol ngô từ năng lượng mặt trời quy mô tiện ích (Phụ lục SI, Phương pháp bổ sung). (C) Tổng diện tích thu hoạch ngô từ năm 1980 đến năm 2022 (29) và (D) năng suất ngô (BU/ha) của 10 tiểu bang sản xuất ngô hàng đầu từ năm 1980 đến năm 2022 (29); đường màu đen biểu thị năng suất trung bình (BU/ha) theo thời gian. Lưu ý rằng việc sử dụng đất trồng ngô-ethanol (B) chiếm 30 đến 40% tổng diện tích đất trồng ngô (A) ở Hoa Kỳ liền kề. Nguồn: Biên bản báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2025). DOI: 10.1073/pnas.2501605122
Tại Hoa Kỳ, 12 triệu ha đất—một diện tích tương đương với tiểu bang New York—hiện đang được sử dụng để trồng ngô để sản xuất ethanol. Nhưng việc chuyển đổi một phần nhỏ trong số đó thành các cơ sở năng lượng mặt trời một cách chiến lược có thể làm tăng đáng kể sản lượng năng lượng trên mỗi ha, cũng như mang lại lợi ích sinh thái và khả năng phục hồi tài chính cho nông dân.
Trong một bài báo được công bố vào ngày 21 tháng 4 trên Biên bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc lắp đặt các cơ sở năng lượng mặt trời chỉ trên 3,2% diện tích đất hiện đang được sử dụng để trồng ngô-ethanol sẽ làm tăng sản lượng năng lượng mặt trời quy mô tiện ích từ 3,9% lên 13%. Việc bổ sung các cơ sở năng lượng mặt trời có các tính năng thúc đẩy đa dạng sinh học, chẳng hạn như cây lâu năm, có thể mang lại nhiều lợi ích hơn nữa, bao gồm lọc nước chảy tràn và môi trường sống cho các loài thụ phấn và động vật hoang dã.
"Bằng cách hình dung phát triển năng lượng như một phần của hệ sinh thái, chúng ta có thể bắt đầu nhận ra những sự đánh đổi về mặt xã hội sinh thái có thể cung cấp thông tin cho sự thay đổi sử dụng đất bền vững", tác giả chính Steven Grodsky, phó giáo sư về tài nguyên thiên nhiên và môi trường, và trợ lý trưởng đơn vị của Đơn vị nghiên cứu động vật hoang dã và cá hợp tác của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ tại New York, có trụ sở tại Cao đẳng Nông nghiệp và Khoa học Sự sống cho biết.
"Chúng tôi đã chứng minh rằng ngay cả những lần phun nhỏ năng lượng mặt trời có hiệu suất cao, được thông tin về mặt sinh thái vào các cảnh quan đất trồng trọt rộng lớn, phần lớn được sử dụng để sản xuất nhiên liệu ethanol, cũng có thể mang lại lợi ích tiềm năng to lớn cho con người và hành tinh", Grodsky cho biết.
Các tác giả, bao gồm các nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Matthew Sturchio và Adam Gallaher, trước tiên đã so sánh lượng năng lượng, tính theo đơn vị nhiệt tương đương, được tạo ra bởi các cây trồng ngô-ethanol so với các mảng năng lượng mặt trời trên một ha. Họ phát hiện ra rằng năng lượng được tạo ra bởi một ha năng lượng mặt trời quy mô tiện ích sẽ cần 31 ha cây trồng ngô-ethanol. Nói cách khác, năng lượng mặt trời có thể tạo ra cùng một lượng năng lượng như ngô-ethanol chỉ trong 3,2% diện tích đất được sử dụng.
Ngoài việc cần nhiều đất hơn, việc trồng ngô để sản xuất ethanol, chủ yếu được sử dụng làm phụ gia cho xăng, đã dẫn đến các loại cây trồng đồng nhất, chủ yếu ở miền Trung Tây Hoa Kỳ, đòi hỏi lượng nước, phân bón và thuốc trừ sâu lớn; ngoài ra, việc tiết kiệm khí thải là vấn đề gây tranh cãi, với một số nghiên cứu cho thấy ngô-ethanol thải ra nhiều carbon hơn xăng. Và khi ngày càng nhiều người tiêu dùng chuyển sang sử dụng xe điện, nhu cầu về ethanol đang giảm, các tác giả cho biết, trong khi nhu cầu về lưới điện dự kiến sẽ tăng tới 75% vào năm 2050.
"Năng lượng mặt trời có nhiều mục đích sử dụng khác nhau", Sturchio, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết. "Năng lượng đi vào lưới điện có thể đi đến nhà, ô tô, điện thoại, máy tính của bạn, bất kỳ thứ gì được điện khí hóa".
Các tác giả đã trích dẫn nghiên cứu trước đây cho thấy rằng việc trồng cây lâu năm xung quanh các mảng năng lượng mặt trời có thể mang lại lợi ích về mặt sinh thái và nông nghiệp—tăng khả năng lọc và môi trường sống cho các loài thụ phấn và động vật hoang dã—có thể đặc biệt có lợi khi kết hợp vào các vùng đất trồng ngô-ethanol rộng lớn, đồng nhất ở Trung Tây.
Sử dụng phân tích không gian, các nhà nghiên cứu đã xác định các địa điểm ở Trung Tây trong phạm vi hai dặm tính từ cơ sở hạ tầng truyền tải, nơi năng lượng mặt trời có thể thực tế và trong tương lai gần, thay thế 3,2% diện tích đất được sử dụng để trồng ngô-ethanol.
Sturchio cho biết "Điều chúng ta thường nghe là phải mất 1 triệu đô la một dặm để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải, vì vậy khi bạn ra khỏi vùng đệm năm dặm, điều đó sẽ không xảy ra". "Cách để thực hiện các dự án này là đặt chúng ở nơi đã có cơ sở hạ tầng truyền tải".
Các tác giả đã tìm thấy các địa điểm trong vùng đệm hai dặm cũng có thể hưởng lợi rất nhiều từ việc đa dạng hóa đất đai—nơi trồng cây lâu năm có thể cải thiện chất lượng nước và cung cấp môi trường sống cho các loài thụ phấn và động vật hoang dã.
"Ở vùng Trung Tây, bạn có thể thấy từ không gian rằng những nền độc canh của đất trồng trọt hàng năm này chiếm phần lớn diện tích cảnh quan", Sturchio cho biết. "Chúng ta đang thiếu các khu vực tự nhiên và việc lắp đặt năng lượng mặt trời trên các vùng đất trồng trọt đồng nhất này mang lại một con đường khả thi về mặt kinh tế để phục hồi quy mô lớn, giúp tăng tính đa dạng của cảnh quan".
Đối với nông dân, việc chuyển đổi ngay cả một phần nhỏ cây trồng ngô-ethanol của họ sang năng lượng mặt trời có thể làm tăng doanh thu trên đất đai—ước tính gấp ba hoặc bốn lần so với những gì họ có thể kiếm được từ ngô để sản xuất ethanol —có thể cung cấp khả năng phục hồi trong những năm cây trồng kém hiệu quả.
"Đây có thể là cách để nông dân đa dạng hóa mục đích sử dụng đất và ở lại đất của họ khi cây trồng không phát triển tốt", Sturchio cho biết. "Tôi nghĩ rằng có một cơ hội to lớn".
Các nhà nghiên cứu cho biết việc chuyển đổi đất được sử dụng để trồng ngô để sản xuất ethanol sang năng lượng tái tạo có thể mang lại lợi nhuận năng lượng thậm chí còn lớn hơn. Việc đặt các cơ sở năng lượng gió cùng với các mảng năng lượng mặt trời tại các địa điểm mà các tác giả đã xác định có thể cải thiện tính nhất quán và độ tin cậy của lưới điện đồng thời tăng thêm 23% vào mục tiêu phi cacbon hóa của Hoa Kỳ vào năm 2050. Họ cho biết nếu 46% diện tích đất được sử dụng để sản xuất ethanol từ ngô được chuyển sang năng lượng mặt trời, thì có thể tạo ra đủ năng lượng để hoàn toàn đáp ứng các mục tiêu đó.
Sturchio cho biết giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu cần thiết là trên thực địa—để thu hút các cộng đồng nông thôn.
Sturchio cho biết "Tại những khu vực mà chúng tôi đã xác định, chúng tôi muốn trao quyền cho các bên liên quan để đưa ra quyết định sáng suốt". "Quá trình chuyển đổi năng lượng không diễn ra trong chân không, vì vậy, điều quan trọng là phải đánh giá cách những thay đổi về sử dụng đất này tác động đến con người và cộng đồng".
Thông tin thêm: Matthew A. Sturchio và cộng sự, Năng lượng mặt trời có thông tin sinh thái cho phép chuyển đổi năng lượng bền vững trên đất trồng trọt của Hoa Kỳ, Biên bản báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2025). DOI: 10.1073/pnas.2501605122
