Điện nông: Những cánh đồng năng lượng mặt trời bốn trong một của thế hệ trẻ

Ban đầu, đó chỉ là một ý tưởng bộc phát khi cha của Fabian Karthaus mang về một hệ thống pin năng lượng mặt trời. Ông lắp nó trên mái nhà kho để cấp điện cho trang trại và cả ngôi nhà của mình.

Năng lượng mặt trời không chỉ nuôi nấng Karthaus mà còn truyền cảm hứng cho anh thi vào đại học và trở thành một kỹ sư điện. 33 tuổi, Karthaus hiện đang là giám đốc sản phẩm cho một công ty cung cấp thiết bị điện tử nông nghiệp.

Đồng thời, anh cũng đang tiếp quản lại trang trại của cha mình, một vùng đất 80 ha ở thị trấn Paderborn miền tây nước Đức.

Trang trại bây giờ tiếp tục được Karthaus sử dụng để trồng đậu, ngũ cốc, hạt cải và ngô. Nhưng mở rộng ý tưởng ban đầu của cha, anh không chỉ lắp một hệ thống năng lượng mặt trời ở trên mái nhà kho nữa. Thay vào đó, những tấm pin đã được đặt khắp nơi trong trang trại của Karthaus, biến nó trở thành một nhà máy điện thực thụ.

Học theo nhiều nông dân trẻ khác trên thế giới, Karthaus đang thử nghiệm một mô hình hai trong một vô cùng mới mẻ được gọi là điện nông - kết hợp canh tác nông nghiệp trên những cánh đồng năng lượng mặt trời.

Mô hình bốn trong một: Tăng năng suất và bảo vệ môi trường

Sở hữu một cánh đồng rộng 9,7 ha tại quận Boulder, tiểu bang Colorado nước Mỹ, Byron Kominek lại đang đi theo hướng ngược lại so với Karthaus. Ban đầu, anh ấy dùng 1,6 ha trang trại của mình chỉ để đặt các tấm pin năng lượng mặt trời.

Diện tích đó đủ để tạo ra điện cho hơn 300 ngôi nhà "nhưng chúng tôi quyết định phải làm gì đó nữa để kiếm nhiều tiền hơn từ mảnh đất này", Kominek nói. Và thế là anh ấy nảy ra ý tưởng trồng thêm rau quả phía bên dưới những tấm pin của mình.

Ý tưởng được Greg Barron-Gafford, một nhà khoa học hệ thống trái đất tại Đại học Arizona hết sức ủng hộ. Anh nói đúng là thực vật cần ánh sáng mặt trời để phát triển, nhưng một số loài cây sẽ có nhu cầu ánh sáng thấp hơn những loài khác. Nếu tiếp xúc quá nhiều với ánh sáng mặt trời, chúng thậm chí có thể bị héo và chết.

Đó là lý do tại sao một số loài cây phải sống dưới bóng râm do những loài cây khác tạo ra. Bây giờ, thay vì trồng cây dưới bóng của một cây cổ thụ, chúng ta có thể che mát cho chúng bằng những tấm pin năng lượng mặt trời.

"Đây là mô hình mà đôi bên cùng có lợi", Greg nói. Một mặt, những tấm pin tạo ra bóng râm, hạn chế sự bay hơi của nước tưới. Chúng cũng có thể che chắn những cơn mưa nặng hạt có thể làm nát nhiều loại rau quả.

Ở chiều ngược lại, hơi nước bốc lên từ đất và lá cây cũng có thể làm mát các tấm pin trên cao, giúp tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời của chúng. Đó là bởi pin mặt trời tạo ra dòng điện khi photon ánh sáng đánh bật các electron khỏi mạng lưới bán dẫn. Khi tấm pin chứa bán dẫn quá nóng, các electron có thể bị kích thích quá mức và không tạo ra nhiều điện như chúng ta mong muốn.

Nhưng đó vẫn chưa phải là tất cả. Khi Greg tiến hành một số thí nghiệm trồng cây dưới tấm pin năng lượng mặt trời, anh phát hiện bóng râm có thể tạo ra phản ứng sinh lý cho một số loại cây tăng năng suất vượt trội.

Đó là do hiệu ứng từ ánh sáng tán xạ. Khi sống dưới bóng râm, một số loài rau sẽ phải phát triển lá lớn hơn để vươn tới vùng sáng, so với khi chúng được trồng trên bãi đất trống lá thậm chí phải nhỏ lại để hạn chế bay hơi nước.

Greg đã quan sát thấy hiện tượng này ở cà chua, húng quế và ớt. Những loài cây này mọc dưới những tấm pin mặt trời có thể cho năng suất gấp 3 lần so với bình thường.

Tại trang trại của mình ở Đức, Karthaus cũng đang trồng quả mọng dưới những tấm pin mặt trời. Anh cho biết nắng nóng và hạn hán trong những năm gần đây đã làm suy giảm đáng kể năng suất cây trồng trên những trang trại truyền thống.

Các cánh đồng năng lượng mặt trời có thể tạo ra bóng râm để khôi phục năng suất của nhiều giống cây bao gồm khoai tây, cà chua, dưa chuột thậm chí cả táo và anh đào. "Chúng tôi đã đo đạc thực tế, lượng nước bốc hơi từ trang trại của tôi chỉ bằng một phần tư so với các cánh đồng truyền thống", Karthaus nói.

Ít nước bay hơi hơn nghĩa là thực vật sẽ sống tốt hơn, trang trại sẽ giảm được chi phí tưới tiêu và họ thậm chí sẽ có thêm điện để bán. Hiện tại, trang trại của Karthaus đang duy trì mức công suất 750 kW, họ có thể bán được 640.000 kWh điện mỗi năm, đủ cung cấp cho nhu cầu sử dụng của 160 hộ gia đình.

Đó là chưa kể đến lượng điện mà Karthaus sử dụng cho chính trang trại của mình, vận hành hệ thống chế biến nông sản như đông lạnh hoặc sấy khô của anh ấy. Bình thường nếu phải mua điện từ nhà cung cấp địa phương, anh sẽ phải trả 0,25 Euro cho mỗi kWh.

Với việc tiết kiệm nước, tăng năng suất cây trồng, tạo ra năng lượng tái tạo và tăng hiệu suất chuyển hóa ánh sáng thành điện nặng, điện nông xứng đáng là một mô hình xanh 4 trong 1, một hướng phát triển bền vững cho tương lai.

Một thế hệ nông dân trẻ hơn, một nền nông nghiệp hiện đại hơn

Đó là dự đoán của Madhu Khanna, một nhà kinh tế tại Đại học Illinois. Cô cho biết các mô hình điện nông sẽ trở thành tương lai của ngành nông nghiệp. Nó sẽ giúp chúng ta đối phó với một thế giới đang nóng lên, thứ làm giảm năng suất cây trồng. Bản thân các cánh đồng này cũng đã là một mô hình xanh bền vững.

Bạn có các tấm pin năng lượng tái tạo và các loại cây trồng giúp giảm hiệu ứng nhà kính. "Nếu chúng ta thực sự có thể cho phép nông dân đa dạng hóa lĩnh vực sản xuất của họ và khai thác nhiều hơn từ cùng một diện tích đất, thì điều đó không chỉ đem mang lại lợi ích cho họ. Có cây trồng và các tấm pin mặt trời sẽ có lợi hơn cho môi trường hơn là chỉ sử dụng các tấm pin", Khanna nói.

Tại đại học Illinois, Khanna hiện đang nghiên cứu để tìm ra cách tối ưu những mùa màng có thể được trồng trong các trang trại điện nông. Mục tiêu của cô là tính toán ra các khoảng trống tốt nhất giữa các tấm pin, để mô phỏng một tán rừng tự nhiên cho từng loài cây khác nhau.

Ngoài ra, chiều cao cũng sẽ là một vấn đề. Chẳng hạn như ngô và lúa mì sẽ cần những tấm pin cao hơn, trong khi đậu nành và cây bụi sẽ phù hợp với các tấm pin đặt sát mặt đất. Các thiết kế này cũng sẽ phải hợp lý để cho các loại máy móc công nghiệp và nông cụ có thể hoạt động được.

Đó sẽ là một bài toán khá lớn dành cho Khanna khi quy mô của các cánh đồng điện nông sẽ trở lên ngày càng lớn.

Kominek cho biết Hoa Kỳ đang chứng kiến một giai đoạn chuyển giao đất nông nghiệp ồ ạt từ thế hệ già sang thế hệ trẻ hơn. Điều này khiến những người như anh phải quyết định xem mình sẽ làm gì với quyền thừa kế đó.

Chuyển toàn bộ một nông trại thành một nhà máy điện mặt trời, thứ có thể đem lại lợi nhuận cao hơn, là một hướng đi nhiều người trẻ sẽ chọn. Tuy nhiên, nếu các mô hình điện nông như của Kominek có thể cho hiệu quả cao hơn nữa, anh sẽ thuyết phục được các nông dân trẻ khác ở Mỹ đầu tư vào mô hình này.

Tại nhiều quốc gia khác trên thế giới, chẳng hạn như Pháp, Đức, Hà Lan, Mali, Gambia và Chile, điện nông cũng đang nổi lên như một xu hướng. Nhưng tiềm năng lớn nhất của nó đang nằm ở Châu Á.

Trung Quốc nổi tiếng với các cánh đồng năng lượng mặt trời khổng lồ và ở rìa sa mạc Gobi, họ đang có một trang trại điện rộng hơn 20km vuông trồng thêm quả mọng dưới các tấm pin năng lượng. Tại Nhật Bản, thống kê cho thấy đất nước mặt trời mọc đang sở hữu khoảng hơn 2.000 trang trại điện nông.

Như Kominek nói, đó có thể sẽ là tương lai của ngành nông nghiệp và cả điện mặt trời. Các tấm pin năng lượng đặt trên mái nhà đã trở thành câu chuyện của thế kỷ trước. Bây giờ, khi chúng ta có một thế hệ nông dân mới trẻ hơn, hiện đại hơn, chúng ta cũng sẽ có một nền nông nghiệp năng động hơn.

Điều đó một lần nữa khiến chúng ta nhớ lại hệ thống điện mặt trời nhỏ bé mà cha Karthaus đã lắp đặt trên mái nhà kho. Bây giờ, anh đã mở rộng nó ra thành 0,4 ha nhà pin năng lượng gói bên trong là mùa màng quả mọng. "Tôi còn muốn mở rộng diện tích lên 8 hoặc thậm chí 10 ha, khi đó nông trại này sẽ thực sự đáng giá", Karthaus nói.

Tham khảo Wired , Dw