Trồng trọt dưới tấm pin mặt trời: Hai nguồn thu trên cùng một thửa đất
Thay vì phải lựa chọn giữa sản xuất nông nghiệp và phát triển năng lượng tái tạo nhờ pin mặt trời, mô hình nông điện kết hợp (agrivoltaics) cho phép nông dân khai thác đồng thời hai giá trị trên cùng một diện tích đất.
Những tấm pin mặt trời không chỉ tạo ra điện mà còn có thể che nắng, giữ ẩm, giảm tác động của thời tiết cực đoan và cải thiện năng suất một số loại cây trồng. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng gây áp lực lên nông nghiệp, mô hình này đang mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng đất bền vững.
Khi những tấm pin mặt trời trở thành mái che cho cây trồng
Trong nhiều năm, các trang trại điện mặt trời thường được xem là những khu vực dành riêng cho sản xuất năng lượng, với hàng nghìn tấm pin lắp đặt trên những diện tích đất rộng lớn. Tuy nhiên, một hướng tiếp cận mới đang thay đổi cách khai thác những khu đất này: kết hợp sản xuất điện với trồng trọt ngay bên dưới hoặc giữa các hàng pin.
Mô hình này được gọi là agrivoltaics, hay nông điện kết hợp, trong đó hạ tầng năng lượng mặt trời được bố trí song song với hoạt động canh tác nông nghiệp. Thay vì phải dành riêng một khu đất cho điện mặt trời và một khu đất khác cho cây trồng, người sản xuất có thể khai thác đồng thời hai mục đích trên cùng một diện tích.
Ý tưởng này không hoàn toàn mới. Từ năm 1981, hai nhà khoa học Đức đã công bố một nghiên cứu mang tên "Kartoffeln unter dem Kollektor", có nghĩa là "Khoai tây dưới bộ thu năng lượng". Tuy nhiên, phải đến năm 2004, dự án thí điểm đầu tiên mới được triển khai tại Nhật Bản, quốc gia có quỹ đất hạn chế và luôn phải cân nhắc giữa mở rộng năng lượng mặt trời với bảo vệ đất nông nghiệp.
Hiện nay, mô hình nông điện kết hợp có ba hình thức chính. Thứ nhất là bố trí các tấm pin theo phương ngang, hướng trực tiếp lên bầu trời, với khoảng không bên dưới dành cho cây trồng. Thứ hai là lắp đặt pin theo phương thẳng đứng thành những hàng lớn, tạo ra các khoảng không gian canh tác xen kẽ. Thứ ba là tích hợp hệ thống pin mặt trời trên mái nhà kính, cho phép kết hợp sản xuất nông nghiệp với khai thác năng lượng.
Điểm đáng chú ý là những tấm pin không chỉ đơn thuần chiếm một phần ánh sáng mặt trời mà còn có thể tạo ra điều kiện sinh trưởng thuận lợi cho một số loại cây. Các nghiên cứu cho thấy những cây có khả năng chịu bóng hoặc không cần cường độ ánh sáng quá cao có thể hưởng lợi từ mô hình này. Nhóm cây tiềm năng gồm các loại quả mọng, nho, cà chua, đào và ớt.
Trong một số hệ thống, khung thép đỡ pin mặt trời còn có thể tận dụng làm giàn đỡ cho cây leo, chẳng hạn như nho và cà chua. Nhờ đó, hạ tầng năng lượng không chỉ phục vụ phát điện mà còn trở thành một phần của hệ thống canh tác.
Lợi ích quan trọng khác nằm ở khả năng điều tiết vi khí hậu. Khi được bố trí phù hợp, các tấm pin tạo bóng râm, hạn chế lượng nước bốc hơi khỏi bề mặt đất và giúp duy trì độ ẩm trong khu vực trồng trọt. Nước mưa chảy từ bề mặt pin cũng có thể được dẫn đến những khu vực cây trồng cần bổ sung nước.
Điều này đặc biệt có ý nghĩa tại những vùng thường xuyên đối mặt với nắng nóng, hạn hán hoặc thiếu nước tưới. Thay vì để cây trồng tiếp xúc trực tiếp với bức xạ mặt trời trong những thời điểm nhiệt độ tăng cao, hệ thống pin có thể giúp giảm áp lực nhiệt, tạo điều kiện để cây duy trì quá trình sinh trưởng.
Tuy nhiên, độ ẩm cao cũng có mặt trái. Trong một số trường hợp, môi trường ẩm hơn có thể tạo điều kiện cho nấm bệnh và các tác nhân gây hại phát triển. Vì vậy, hiệu quả của mô hình phụ thuộc đáng kể vào loại cây, điều kiện khí hậu và cách thiết kế hệ thống.
Cây trồng và tấm pin mặt trời cùng hưởng lợi từ một vi khí hậu
Nông điện kết hợp không chỉ được kì vọng cải thiện điều kiện canh tác mà còn có thể nâng cao hiệu quả sản xuất điện mặt trời.
Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin là nhiệt độ vận hành. Khi nhiệt độ tăng quá cao, khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng của nhiều loại pin mặt trời có xu hướng suy giảm. Ngược lại, môi trường bên dưới hệ thống có thảm thực vật có thể mát hơn so với bề mặt đất trống hoặc những khu vực được phủ bằng vật liệu bê tông.
Giáo sư Carl Bernacchi, chuyên gia sinh học thực vật và khoa học cây trồng tại Đại học Illinois Urbana-Champaign (Mỹ), cho rằng thảm thực vật bên dưới các tấm pin có thể tạo ra hiệu ứng làm mát tự nhiên thông qua quá trình thoát hơi nước.
Ông giải thích rằng nếu sử dụng bê tông hoặc những vật liệu tương tự bên dưới hệ thống pin mặt trời, hiệu suất có thể thấp hơn so với việc duy trì thảm thực vật, bởi cây xanh thoát hơi nước và giúp làm mát bề mặt đất.
Đây là một lợi thế đáng chú ý của mô hình nông điện kết hợp. Cây trồng được hưởng lợi từ bóng râm, trong khi các tấm pin có thể vận hành trong điều kiện nhiệt độ thuận lợi hơn. Hai hoạt động tưởng chừng cạnh tranh về không gian lại có khả năng hỗ trợ lẫn nhau.
Lợi ích này càng đáng quan tâm khi biến đổi khí hậu đang khiến nhiều vùng nông nghiệp phải đối mặt với nhiệt độ cao hơn và các hiện tượng thời tiết khó dự đoán. Một nghiên cứu đăng trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) nhận định tình trạng khô hạn do biến đổi khí hậu có thể mở rộng những khu vực mà mô hình nông điện kết hợp giúp hạn chế tổn thất năng suất, thậm chí cải thiện sản lượng cây trồng và lợi nhuận tổng thể.
Nói cách khác, mô hình này không chỉ hướng đến giảm phát thải thông qua sản xuất điện sạch mà còn giúp nông nghiệp thích ứng với những thay đổi của khí hậu.
Austin Kinzer, chuyên gia về nông điện kết hợp tại tổ chức bảo tồn American Farmland Trust, nhận định đây là một giải pháp có thể đồng thời phục vụ cả mục tiêu giảm thiểu biến đổi khí hậu lẫn thích ứng với những tác động của hiện tượng này. Theo ông, sự kết hợp cả hai mục tiêu trong một mô hình là điều khá đặc biệt đối với các giải pháp khí hậu.
Một lợi ích khác là khả năng đa dạng hóa nguồn thu cho nông dân. Khi thời tiết cực đoan làm hư hại mùa màng hoặc khiến năng suất giảm, hoạt động sản xuất điện vẫn có thể tạo ra doanh thu. Ngược lại, nông nghiệp tiếp tục mang lại giá trị kinh tế từ diện tích đất vốn được sử dụng cho hệ thống năng lượng.
Đối với những người sống phụ thuộc vào sản xuất nông nghiệp, nguồn thu bổ sung này có thể tạo ra một lớp đệm tài chính trước những biến động ngày càng khó lường của thời tiết. Kinzer cho rằng việc có thêm một nguồn thu thay thế mang ý nghĩa rất lớn đối với những nông dân vốn phải dựa vào điều kiện thời tiết để kiếm sống.
Dù vậy, không phải loại cây trồng nào cũng phù hợp với điều kiện thiếu ánh sáng. Tại miền Tây khô hạn của Mỹ, nơi cây trồng chịu áp lực lớn từ nhiệt độ và tình trạng thiếu nước, việc lắp đặt pin mặt trời phía trên có thể giúp năng suất duy trì ổn định, thậm chí tăng lên. Nhưng ở vùng Trung Tây có độ ẩm cao, bóng râm từ các tấm pin lại làm hạn chế quá trình quang hợp, khiến năng suất ngô và đậu tương suy giảm.
Điều này cho thấy thiết kế hệ thống phải được điều chỉnh theo đặc điểm sinh học của cây trồng và điều kiện khí hậu từng địa phương. Với những loại nông sản có biên lợi nhuận thấp, chỉ một mức giảm nhỏ về năng suất cũng có thể khiến nông dân không muốn tham gia.
Rào cản chi phí và bài toán giữ đất nông nghiệp
Dù có nhiều triển vọng, nông điện kết hợp vẫn chưa phát triển tương xứng với tiềm năng. Theo số liệu được DW dẫn lại, đến giữa năm 2025, tổng công suất các dự án nông điện kết hợp trên toàn thế giới mới đạt khoảng 18,4 GW, chiếm chưa đến 1% tổng công suất điện mặt trời toàn cầu.
Tại châu Âu, quy mô tiềm năng được đánh giá rất lớn. Nếu chỉ 1% diện tích đất nông nghiệp sẵn có được triển khai mô hình này, châu lục có thể sản xuất lượng điện mặt trời đủ để vượt các mục tiêu năng lượng mặt trời đặt ra cho năm 2030.
Tuy nhiên, việc mở rộng vẫn gặp nhiều trở ngại. Trước hết là chi phí đầu tư. Để duy trì không gian cho máy móc nông nghiệp và hoạt động canh tác, các tấm pin thường phải được lắp đặt ở độ cao lớn hơn so với trang trại điện mặt trời thông thường. Điều này kéo theo chi phí bổ sung về kết cấu thép, nhân công và xây dựng.
Về phía nông dân, việc canh tác dưới hệ thống pin cũng có thể đòi hỏi máy móc chuyên dụng, điều chỉnh phương thức sản xuất hoặc thay đổi quy trình chăm sóc cây trồng. Những khoản đầu tư này không phải lúc nào cũng dễ dàng, nhất là đối với các hộ sản xuất quy mô nhỏ.
Một trở ngại khác là thiếu những mô hình thực tế để nông dân tham khảo. Kinzer cho biết những người làm nông thường muốn học hỏi kinh nghiệm từ chính những nông dân đã triển khai thành công, thay vì chỉ nghe giới thiệu về công nghệ. Nhưng hiện nay, tại nhiều địa phương ở Mỹ, họ khó có thể tìm thấy một dự án gần đó để trực tiếp quan sát và trao đổi.
Theo ông, điều này tạo ra một vòng luẩn quẩn: nông dân muốn nhìn thấy hiệu quả thực tế trước khi đầu tư, trong khi số lượng dự án còn ít khiến họ thiếu cơ sở để đưa ra quyết định.
Bên cạnh bài toán kinh tế, mô hình còn có thể góp phần giải quyết những xung đột xã hội xung quanh việc sử dụng đất cho năng lượng tái tạo. Việc xây dựng các trang trại điện mặt trời quy mô lớn trên đất nông nghiệp từng vấp phải sự phản đối từ một số tổ chức nông dân. Họ lo ngại đất sản xuất bị chuyển đổi, khiến người nông dân dần trở thành những nhà sản xuất năng lượng thay vì tiếp tục hoạt động nông nghiệp.
Giáo sư Carl Bernacchi cho rằng giữa nông dân muốn duy trì hoạt động canh tác và doanh nghiệp điện mặt trời muốn sản xuất điện đang tồn tại một xung đột về mục đích sử dụng đất. Nông điện kết hợp có thể trở thành giải pháp trung gian, cho phép hai hoạt động cùng tồn tại trên một diện tích.
Một khảo sát tại Mỹ được DW đề cập cho thấy hơn 80% người tham gia có xu hướng ủng hộ các dự án điện mặt trời tại cộng đồng hơn nếu những dự án này cho phép đồng thời sản xuất năng lượng và nông sản. Tỉ lệ này cao hơn khoảng 10% so với mức ủng hộ dành cho các dự án điện mặt trời nói chung.
Dù chưa phải giải pháp có thể áp dụng đại trà, nông điện kết hợp đang mở ra một hướng tiếp cận mới trong quy hoạch năng lượng và nông nghiệp. Thay vì xem đất trồng trọt và đất dành cho điện mặt trời là hai lựa chọn loại trừ lẫn nhau, mô hình này đặt ra khả năng khai thác đồng thời giá trị của cả hai.
Thách thức trong thời gian tới là chứng minh hiệu quả kinh tế trong từng điều kiện cụ thể, lựa chọn cây trồng phù hợp và xây dựng cơ chế khuyến khích đủ hấp dẫn để nông dân tham gia. Nếu giải quyết được những vấn đề đó, những cánh đồng dưới tấm pin mặt trời có thể trở thành một phần quan trọng trong chiến lược bảo đảm an ninh lương thực và chuyển dịch năng lượng sạch.