Năng lượng mặt trời đang “tranh đất” nông nghiệp? Thực nghiệm agrivoltaics trồng nho dưới tấm pin mặt trời

Nghiên cứu do nhóm tác giả tại Đại học Melbourne (Úc) - Sabine Tausz-Posch, Billy Xynas, Arjun Pandey, Christopher Jones, Chris Barnes và Marco Ernst - thực hiện tại cơ sở Dookie College (bang Victoria), kết hợp với Đại học Quốc gia Úc (ANU), được tài trợ bởi AgriFutures Australia. 

Ngành rượu vang đang "khát" giải pháp thích ứng khí hậu 

Sản xuất nho tại các vùng khí hậu Địa Trung Hải đang chịu áp lực ngày càng lớn từ hiện tượng nóng lên toàn cầu. Nhiệt độ tăng cao ảnh hưởng đến quá trình phát triển, chất lượng quả nho và tác động này càng trầm trọng hơn khi biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất các đợt nắng nóng cực đoan. Hệ quả là năm 2024, theo Tổ chức Nho và Rượu vang Quốc tế (OIV), tổng sản lượng rượu vang toàn cầu giảm xuống còn 225,8 triệu hectolit - mức thấp nhất trong hơn 60 năm qua.

(Nguồn: Tổ chức Nho và Rượu vang Quốc tế (OIV)

Cùng lúc đó, ngành trồng nho và sản xuất rượu vang cũng đang chịu sức ép phải giảm phát thải carbon từ thị trường, nhà hoạch định chính sách và người tiêu dùng. Ứng dụng năng lượng mặt trời là giải pháp quan trọng để giảm phát thải, nhưng hệ thống điện mặt trời thông thường lại cần nhiều diện tích đất, làm dấy lên lo ngại đất nông nghiệp bị chuyển đổi sang mục đích sản xuất năng lượng.

Agrivoltaics - tích hợp các tấm pin quang điện (PV) vào hệ thống canh tác - được kỳ vọng là lời giải cho cả hai bài toán: vừa hỗ trợ chuyển đổi xanh, vừa bảo vệ cây trồng khỏi các căng thẳng khí hậu. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), điện mặt trời hiện là một trong những công nghệ năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất thế giới, nhưng các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn lại chiếm nhiều diện tích, đặt ra câu hỏi về cách hài hòa giữa sản xuất lương thực và năng lượng tái tạo trên cùng quỹ đất.

Mô hình thực nghiệm: Vườn nho Sauvignon Blanc 35 năm tuổi dưới hệ thống điện mặt trời

Thí nghiệm được thực hiện tại vườn nho của Đại học Melbourne (Dookie Campus), thuộc vùng khí hậu Địa Trung Hải (nhiệt độ tối đa trung bình ngày 20,8°C, tối thiểu trung bình 9,4°C, lượng mưa trung bình năm 556,9mm). Giống nho sử dụng là Sauvignon Blanc trưởng thành (trên 35 năm tuổi), trồng theo hàng cách nhau 3,4m, khoảng cách trong hàng 2,3m.

Hệ thống Agrivoltaics có công suất 21,12kWp gồm: 48 tấm pin năng lượng mặt trời 440W, lắp ở độ cao 3,6m, góc nghiêng 15°, hướng đông bắc (azimuth 25°). Hệ thống được lắp đặt trong khoảng 12-30/8/2024 - khoảng 1 tháng trước khi cây nho nảy chồi - phủ trên 17,4m chiều dài, bắc qua 6 hàng nho, tổng diện tích AV là 295,8m², tỷ lệ che phủ mặt đất 31%.

>>Xem thêm: Tấm pin năng lượng mặt trời JA Solar bảo hành 12 năm vật lý và 30 năm hiệu suất

>>Xem thêm: Tấm pin năng lượng mặt trời Aiko Solar hiệu suất lên tới >24%

>>Xem thêm: Tấm pin năng lượng mặt trời AE Solar thương hiệu Đức  

>>Xem thêm: Tấm pin năng lượng mặt trời GCL Solar giá cạnh tranh trong phân khúc 

Để so sánh, nhóm nghiên cứu cũng lắp một hệ thống pin mặt trời gắn trên mặt đất thông thường (không có cây trồng bên dưới) công suất nhỏ hơn (3,52 kWp), cùng loại module, cùng góc nghiêng và hướng, đặt cách đó khoảng 20m làm đối chứng.

Các phép đo được thực hiện trên 8 cây nho mỗi nhóm (AV và đối chứng), theo dõi trao đổi khí ở lá, huỳnh quang diệp lục hàng tháng từ tháng 11/2024 đến tháng 2/2025, đồng thời đo hình thái chồi, diện tích lá, và thu hoạch nho vào ngày 21/2/2025 để phân tích năng suất và hóa học nước ép quả.

Kết quả với cây nho: Năng suất không đổi, chất lượng quả cải thiện

Kết quả cho thấy các thông số quang hợp bão hòa ánh sáng (Asat) và độ dẫn khí khổng (gs) không có sự khác biệt giữa nhóm cây trồng dưới hệ thống AV và nhóm đối chứng - nghĩa là bóng râm từ tấm pin không ảnh hưởng đến năng lực quang hợp của cây nho, mà còn giúp tiết kiệm nước và chất lượng cây trồng. 

Về hình thái: số chồi được tỉa mỗi cây và số đốt mỗi chồi không khác biệt giữa hai nhóm. Tuy nhiên, chiều dài lóng (khoảng cách giữa các đốt) ở cây trồng dưới AV lớn hơn có ý nghĩa thống kê, dẫn đến chồi dài hơn; diện tích lá riêng (specific leaf area) cũng lớn hơn đáng kể ở nhóm AV - đây là phản ứng thích nghi hình thái điển hình của cây trồng trong điều kiện ánh sáng yếu hơn.

Về năng suất và chất lượng quả nho: hệ thống agrivoltaics không làm giảm sản lượng thu hoạch cũng như hàm lượng đường trong quả, đồng nghĩa với việc năng suất vẫn được duy trì ổn định. Đáng chú ý, nước ép từ những chùm nho trồng dưới hệ thống AV có độ pH thấp hơn và độ axit chuẩn độ (Titratable Acidity - TA) cao hơn so với nhóm đối chứng. Điều này cho thấy mô hình agrivoltaics có thể tạo ra những thay đổi nhất định về thành phần hóa học của quả nho, trong khi vẫn bảo toàn năng suất và chất lượng đường của sản phẩm.

Theo nhóm nghiên cứu, đây là một lợi thế chất lượng rõ rệt: độ chua là yếu tố quan trọng tạo nên sự tươi mới, độ sáng và cảm giác cân bằng của rượu vang, đặc biệt với các dòng vang trắng. Việc giữ được độ chua cao hơn trong khi nồng độ đường (độ chín) tương đương cho thấy quả đạt độ chín ngọt tương đương nhưng vẫn giữ được cấu trúc axit (acidity) tốt hơn - một yếu tố quan trọng để tạo nên những chai rượu vang cân bằng và chất lượng cao - trong khi sản lượng thu hoạch gần như không thay đổi ,điều ngày càng khó đạt được ở các vùng trồng nho ấm do biến đổi khí hậu. 

Kết quả với tấm pin mặt trời: Mát hơn, hiệu suất cao hơn 

Ở chiều ngược lại, hệ thống AV cũng cho thấy lợi ích rõ rệt về mặt năng lượng:

• Bức xạ mặt sau (rear-side irradiance) - yếu tố quan trọng với các tấm pin lưỡng diện (bifacial) - của hệ thống AV cao hơn 64% so với hệ thống gắn trên mặt đất thông thường trong suốt thời gian theo dõi. Nguyên nhân đến từ việc lắp cao hơn, khoảng cách hàng rộng hơn, và tán lá nho có độ phản chiếu (albedo) cao hơn nhiều so với đất trống bên dưới hệ thống đối chứng.

• Tiềm năng "lợi ích lưỡng diện" (bifacial gain) trước khi tính hệ số lưỡng diện của module đạt 14,7% ở hệ thống AV, so với 8,9% ở hệ thống đối chứng; sau khi quy đổi theo hệ số lưỡng diện thực tế (0,7-0,8), mức lợi ích thực tế ước tính khoảng 10-11% cho hệ thống AV, so với 6–7% cho hệ thống đối chứng.

• Trong suốt thời gian đo, nhiệt độ vận hành trung bình của module AV thấp hơn 3,6°C so với hệ thống gắn trên mặt đất - nhiều khả năng nhờ luồng không khí lưu thông tốt hơn do kết cấu nâng cao, khoảng cách hàng rộng, và có thể có đóng góp từ hiệu ứng làm mát nhờ thoát hơi nước của tán lá nho. Với hệ số nhiệt độ điển hình của module (-0,30%/°C), mức giảm nhiệt độ này tương ứng với việc hiệu suất tức thời của module tăng khoảng 1,1%.

Nhóm tác giả nhấn mạnh: dù mức tăng hiệu suất 1,1% có vẻ khiêm tốn, nhưng tích lũy trong suốt tuổi thọ bảo hành điển hình của module (25-30 năm), mức tăng này có thể đóng góp đáng kể vào tổng sản lượng điện trọn đời. Ngoài ra, nhiệt độ vận hành thấp hơn còn giúp giảm các cơ chế suy thoái do nhiệt (như đổi màu lớp encapsulant, mỏi mối hàn, nứt backsheet), qua đó có thể cải thiện độ bền lâu dài của module so với hệ thống lắp trên mặt đất thông thường.

>> Xem thêm: Trồng nho dưới pin mặt trời, sản xuất ra những chai vang có vị ngon bất ngờ 

Nhóm tác giả kết luận: Kết quả nghiên cứu cho thấy nông nghiệp và điện mặt trời không nhất thiết phải cạnh tranh quỹ đất với nhau. Nếu được thiết kế hợp lý, các hệ thống agrivoltaic có thể vừa hỗ trợ sản xuất nông nghiệp, nâng cao chất lượng nông sản, vừa tạo ra nguồn điện sạch trên cùng một diện tích, từ đó tối ưu hiệu quả sử dụng đất nông nghiệp. Nhóm nghiên cứu tin rằng mô hình này sẽ ngày càng có giá trị tại các vùng đối mặt với mùa hè nóng và nắng nóng cực đoan do biến đổi khí hậu, giúp nông dân vừa bảo vệ cây trồng, duy trì năng suất, vừa sản xuất năng lượng tái tạo.

Việt Nam có thể áp dụng mô hình agrivoltaics trên vườn nho không?

Hiện nay, các mô hình kết hợp điện mặt trời với sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và ứng dụng ban đầu. Phần lớn dự án tập trung khai thác điện mặt trời để phục vụ tưới tiêu, vận hành thiết bị nông nghiệp, chiếu sáng hoặc tạo bóng mát cho cây trồng và vật nuôi.

Nhìn từ điều kiện tự nhiên và thực tiễn sản xuất, Việt Nam có nhiều tiềm năng phát triển mô hình agrivoltaics (nông nghiệp kết hợp điện mặt trời), đặc biệt tại tỉnh Ninh Thuận. Đây là vùng trồng nho lớn nhất cả nước, sở hữu khí hậu khô nóng, cường độ bức xạ mặt trời cao, số giờ nắng nhiều và có lịch sử canh tác nho lâu năm. Những điều kiện này có nhiều điểm tương đồng với các vùng Địa Trung Hải - nơi mô hình agrivoltaics đã được nghiên cứu và triển khai, mang lại nhiều kết quả tích cực.

Trong thời gian tới, nếu các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp phối hợp triển khai các thử nghiệm thực tế, Việt Nam kỳ vọng sẽ từng bước xây dựng được cơ sở khoa học và dữ liệu thực tiễn để đánh giá khả năng ứng dụng mô hình agrivoltaics trong điều kiện khí hậu và canh tác trong nước. Đây sẽ là tiền đề quan trọng để phát triển nông nghiệp bền vững, nâng cao hiệu quả sử dụng đất và thúc đẩy quá trình chuyển dịch sang năng lượng sạch.