توصل فريق من الباحثين من جامعة بيردو إلىنظام الطاقة الزراعية الكهروضوئية لديها القدرة على زيادة إنتاج الطاقة وتقليل انبعاثات الكربون مع إحداث تأثير ضئيل على إنتاج المحاصيل.
في ورقة البحث "جدوى الطاقة الكهروضوئية على الأراضي الزراعية: هل يمكن للطاقة الكهروضوئية حل الجدل حول الغذاء مقابل الوقود؟"، المتاحة فيمجلة الإنتاج الأنظفقام الفريق بتحليل خمسة سيناريوهات تتعلق بأراضي زراعة الذرة في منطقة الغرب الأوسط بالولايات المتحدة.
السيناريو الأول هو السيناريو الأساسي، حيث يتم زراعة الذرة على كامل المنطقة. أما السيناريو الثاني فيتضمن تركيب نظام شمسي تقليدي على 25% من المنطقة، ليحل محل محصول الذرة. أما السيناريوهات الثلاثة الأخرى فتتضمن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع زراعة الذرة تحتها، مع احتلال ما يقدر بنحو 5.5% من الأرض بواسطة هياكل شمسية وغير متاحة لنمو المحاصيل. ويتم استخدام كثافة كاملة من الألواح الشمسية في النظام الثالث، تليها كثافة نصف وربع الألواح في النظامين الرابع والخامس.
قام الباحثون بمقارنة هذه الأنظمة الخمسة عبر أربعة معايير: إنتاج الذرة لاستخدامها كغذاء أو علف للحيوانات، وإنتاج الطاقة في شكل إيثانول حيوي أو كهرباء، وتقليل انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري، والربحية للمزارع.
تم تحقيق أعلى إنتاج للغذاء/الأعلاف في النظام الأساسي. وشهد النظام الثاني انخفاضًا في كمية الذرة كغذاء/أعلاف بنسبة 25%، بما يتناسب مع الانخفاض في الأراضي المتاحة. وتباينت مخرجات الأنظمة الزراعية الكهروضوئية بناءً على الحدود المظللة، مع تسجيل انخفاض بنسبة 11% في الذرة المتاحة للغذاء/الأعلاف في نظام كثافة الألواح الشمسية الربعية عند مقارنتها بالنظام الأساسي.
وبالمقارنة بنظام الأساس، فإن نظام الطاقة الكهروضوئية التقليدي ونظام الطاقة الكهروضوئية الزراعية بكثافة الربع زاد إنتاج الطاقة للاستخدام النهائي من أقل من 2 ميجاوات/هكتار/سنة إلى حوالي 140 ميجاوات/ساعة ميجاوات/ساعة/هكتار/سنة. كما زاد نظام الطاقة الكهروضوئية الزراعية بكثافة النصف إنتاج الطاقة إلى حوالي 280 ميجاوات/ساعة/هكتار/سنة، كما زاد نظام الطاقة الكهروضوئية الزراعية بكثافة كاملة إنتاج الطاقة إلى حوالي 560 ميجاوات/هكتار/سنة.
كما وجد الباحثون أن الإيثانول له تأثير ضئيل على إجمالي إنتاج الطاقة في الأنظمة من الثاني إلى الخامس. وقال الفريق: "لذلك، لم يكن هناك فرق كبير في إجمالي إنتاج الطاقة عند النظر في حدود الغلة المنخفضة المظللة والغلة المرتفعة المظللة لإنتاج الذرة".
عند حساب تخفيضات غازات الاحتباس الحراري، حقق النظام الأساسي، الذي يعتمد على الإيثانول فقط كمصدر للطاقة، تخفيضًا يقل عن 2 طن مكافئ ثاني أكسيد الكربون/هكتار/عام. وخفضت الأنظمة الأخرى الانبعاثات بمئات الأطنان المكافئة لثاني أكسيد الكربون/هكتار/عام، وكانت الكمية في كل منها "متوافقة مع عدد الألواح الشمسية التي تم دمجها في منطقة المعالجة بالكامل".
في حين أن النظام الكهروضوئي التقليدي والنظام الزراعي الكهروضوئي بكثافة ربعية كان لهما نفس القدر من توليد الطاقة وتقليل الغازات المسببة للاحتباس الحراري، فإن ورقة البحث تتنبأ بإنتاجية أعلى للذرة للنظام الزراعي الكهروضوئي لأنه يسمح بنمو المزيد من المحاصيل وتم تقليل التظليل من خلال التباعد الكبير بين الألواح.
وفي ختام التقرير، يقول الباحثون إن الطاقة الشمسية الكهروضوئية "يمكن أن توفر استراتيجية قابلة للتطبيق لتسهيل التوازن الحالي بين إنتاج الطاقة، وانبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري، وإنتاج الغذاء، وربحية المزرعة".
وأشار الباحثون إلى أن "تحليلنا يشير إلى أن كل من الأنظمة الكهروضوئية والزراعة الكهروضوئية يمكن أن تزيد بشكل كبير من إنتاج الطاقة لكل هكتار مقارنة بالأساس حيث يعزى حوالي 27% من الذرة إلى الإيثانول".
ويوضح الباحثون أيضًا أنه في حين قد يتأثر نشر الطاقة الشمسية الكهروضوئية بتكاليف رأس المال المرتفعة، إلا أن هذا الحاجز يمكن التغلب عليه بدعم السياسات، وخاصة عندما تكون أسعار المحاصيل متقلبة للغاية. ويقولون إن التكاليف المرتبطة يجب أن تنخفض مع تطور التكنولوجيا، لكنهم يحذرون من أن المزيد من العمل يجب أن يتم لضمان فهم أفضل لاحتياجات أصحاب المصلحة وتحسين الهندسة لخفض التكاليف مع تعظيم مخرجات النظام.
وتقول الدراسة: "إن دمج الطاقة الكهروضوئية في الأراضي الزراعية يوفر إمكانات أكبر لإنتاج الطاقة المتجددة والحد من انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي. وتُظهِر حساباتنا أنه في حالة عدم وجود طلب على الإيثانول فإن كمية الذرة المتاحة كمورد للغذاء والأعلاف الحيوانية يمكن أن تزداد بالفعل حتى مع دمج الألواح الشمسية، نسبة إلى الكمية المتاحة في ظل ظروف الطلب على الإيثانول وعدم دمج الطاقة الكهروضوئية. ومن هذا المنظور، توفر تقنيات الطاقة الكهروضوئية الزراعية حلاً قابلاً للتطبيق للنقاش حول الغذاء مقابل الوقود، مما يسمح بإنتاج كميات كبيرة من الطاقة بأقل تأثير على الذرة كمورد للغذاء والأعلاف".
