Tăng trưởng dân số và kinh tế toàn cầu làm nhu cầu năng lượng tăng gấp đôi vào giữa thế kỷ này. Năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường góp vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu đó. Trong các loại năng lượng tái tạo, điện mặt trời là nguồn dồi dào và chi phí hợp lý nhất. Thế nên các ý tưởng thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời vừa hiệu quả về mặt kỹ thuật và “thích ứng” với môi trường địa phương là rất quan trọng.
Những tấm pin mặt trời ở vùng nông thôn
Một hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả cần cơ sở hạ tầng lớn hơn ở nơi có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào và dễ phân phối. Các khu vực hiệu quả cho dự án này chính là những trang trại rộng lớn, nơi không gian chưa được khai thác.
Theo nghiên cứu “Tương lai của năng lượng mặt trời”của DOE, đến năm 2050, 90% mức tăng trưởng năng lượng mặt trời sẽ tập trung ở các vùng nông thôn. Sử dụng đất nông nghiệp một cách hiệu quả trở thành chìa khóa để thúc đẩy phát triển năng lượng mặt trời. Khi nhu cầu sản xuất lương thực và nhu cầu năng lượng sạch đều đang tăng thì việc tranh giành nguồn tài nguyên đất ngày càng căng thẳng. Làm sao để vừa có đất canh tác, vừa có đất cho những tấm pin mặt trời là vấn đề có tác động mạnh đến cộng đồng nông dân và môi trường nông thôn.
Những ý tưởng hiệu quả cho việc kết hợp này được nghiên cứu rộng rãi và tranh thủ sự đồng thuận của cộng đồng địa phương. Các dự án liên quan đến năng lượng mặt trời luôn đi kèm với chính sách và hỗ trợ về kinh tế. Và cuối cùng, người ta đã tìm ra giải pháp để phát triển năng lượng mặt trời và sản xuất nông nghiệp trên cùng một diện tích đất. Ý tưởng này được gọi là “nông điện”.
Mô hình “nông điện”
Agrivoltaics (nông điện) là mô hình kết hợp các trang trại mặt trời vào hoạt động nông nghiệp để sản xuất cả lương thực và điện năng. Trên thế giới, phương pháp này có một số tên gọi như: agrisolar, agrophotovoltaics, solar sharing, và PV Agricultural. Có thể hình dung đơn giản, “nông điện” là giải pháp liên quan đến việc thiết kế các tấm pin mặt trời với độ cao lớn hơn để lại không gian và diện tích đất bên dưới cho hoạt động sản xuất nông nghiệp.
Từ những năm 80 của thế kỷ trước, các đề xuất kết hợp năng lượng mặt trời với nông nghiệp đã được hình thành nhưng phải đến thập niên đầu của thế kỷ 21, “nông điện” mới trở thành một từ chính thức trong những mô phỏng, có thực hành kiểm chứng.
Một nhóm các nhà khoa học Pháp do Christophe Dupraz dẫn đầu là những người đầu tiên sử dụng thuật ngữ Agrivoltaics (nông điện). Các nghiên cứu đầu tiên của họ ở Montpellier (Pháp) chỉ ra rằng, hệ thống nông điện làm gia tăng năng suất đất toàn cầu từ 35 đến 73%. Điều này thật sự mang lại hiệu quả cao. Hàng nghìn tấm pin mặt trời cung cấp điện cho các trang trại và cho cả sinh hoạt. Thực phẩm được sản xuất dưới hệ thống pin mặt trời vẫn đảm bảo chất lượng và năng suất. Ngoài ra, những tấm pin mặt trời còn là nơi “trú mát” cho động vật hoang dã…
Bằng cách khai thác tốt công năng từng mảnh đất, các dự án “nông điện” ở nông thôn có khả năng thúc đẩy thu nhập cho nông dân từ việc cho thuê đất, đảm bảo thị trường nông sản và năng lượng từ các nhà đầu tư. Nhiều chuyên gia tin rằng “nông điện” có thể giảm thiểu các rào cản về an ninh lương thực trong quá trình chuyển đổi năng lượng sạch.
Dù nhiều hiệu quả tích cực có thể nhận được, “nông điện” vẫn là mô hình gặp nhiều vấn đề trước hệ thống nông nghiệp truyền thống. Những tấm pin mặt trời có thể làm thay đổi khí hậu của vùng canh tác. Lượng nước, lượng nắng, độ ẩm… bên dưới hệ thống pin mặt trời quyết định việc dùng giống cây trồng nào cho phù hợp. Điểm giao này thúc đẩy nhiều nghiên cứu mô phỏng hơn để tối ưu việc lựa chọn giống cây trồng và thiết kế kỹ thuật canh tác tương ứng với từng vùng địa lý khác nhau trước khi ứng dụng “nông điện” trên diện rộng.
Tiềm năng của việc canh tác “nông điện” trên toàn cầu
Như đã đề cập, vì đất vô cùng cần thiết cho sản xuất nông nghiệp nên nông điện nổi lên như một giải pháp khả thi cho cả tình trạng khan hiếm đất canh tác và thúc đẩy sản xuất năng lượng tái tạo trong nông nghiệp. Bên cạnh đó, biến đổi khí hậu cũng là một yếu tố dẫn đến sự gia tăng của lĩnh vực này, khi cây trồng đang phải chịu tác động lớn từ sự gia tăng nhiệt độ và căng thẳng trong nhu cầu tưới tiêu.
Điều mạnh mẽ nhất để các nhà nghiên cứu khẳng định tiềm năng của “nông điện” là kết quả tích cực của các tính toán và mô phỏng. Họ phát hiện ra rằng, năng suất của đất có thể tăng lên từ 60 - 70%. Chia sẻ với Digital Journal, Stephan Schindele, giám đốc dự án Điện quang nông nghiệp tại viện Fraunhofer ISE (Đức) - viện nghiên cứu ứng dụng và phát triển khoa học và kỹ thuật cho tất cả các lĩnh vực năng lượng mặt trời - cho rằng: “Nông điện được chứng minh là phù hợp với thực tế và chi phí chỉ tương đương với một hệ thống năng lượng mặt trời nhỏ trên mái nhà”. Nhiều cuộc kiểm tra đã minh chứng rằng sản xuất nông nghiệp và năng lượng mặt trời có thể tương thích với nhau. Thực tế, cây trồng dưới các tấm pin mặt trời phát triển tốt hơn, cần ít nước tưới hơn và các tấm pin mặt trời lại tạo ra nhiều điện hơn.
Nhật Bản là nước tiên phong trong nông điện. Từ năm 2004 đến năm 2010, đã có hơn 1.000 “cánh đồng điện” được phát triển ở quốc gia này. Vì nông điện là một hình thức nông nghiệp tương đối mới nên cho đến nay, chỉ có một số dự án quy mô lớn ở một số quốc gia. Hiện tại, Trung Quốc là nơi có dự án nông điện lớn nhất thế giới. Một số nước và vùng lãnh thổ châu Á khác như Ấn Độ, Malaysia, Đài Loan… cũng đang xem xét lĩnh vực này. Một số nhà nghiên cứu cho rằng “nông điện” sẽ làm thay đổi “bản đồ nông nghiệp toàn cầu” trong tương lai.
Ở châu Âu, Pháp là một trong những quốc gia phát triển mạnh mẽ “nông điện”, Trong hai thập niên qua, Pháp đã cố gắng tích hợp sản xuất điện mặt trời vào lĩnh vực nông nghiệp nhằm mang lại nhiều lợi ích trong sản xuất nông nghiệp, đồng thời thúc đẩy sản xuất năng lượng tái tạo cho quốc gia.