تولید همزمان محصول و توان خورشیدی

یکی از مهم ترین چالش های امروز کشور مسئله ناترازی انرژی است. این مسئله در کنار چالش آلودگی هوا ناشی از سوخت های فسیلی و ناترازی در بخش سوخت، اهمیت تولید انرژی پاک را بیش از پیش نمایان کرده است. در کنار این مسئله، ایران به دلیل اقلیم خشک و نیمه خشک و مدیریت ناصحیح آبخوان با بحران منابع آبی نیز روبه رو است. این مسئله در کنار شرایط زمین شناسی برخی از نقاط کشور و توسعه شهرنشینی و از بین رفتن زمین های کشاورزی، موجب شده تا زمین های قابل کشت در کشور محدود باشند. لذا یافتن راهکاری که بتواند تمام این چالش ها را در کنار یکدیگر رفع کند، می تواند بسیار راهگشا باشد.

ضرورت و اهداف پژوهش

در شرایطی که کشور با بحران منابع آبی، محدودیت زمین های قابل کشت و نیاز فزاینده به انرژی پاک روبه رو است، فناوری فتوکشت (Agrivoltaics) به عنوان راهکاری نوآورانه و بین رشته ای برای بهره برداری همزمان از زمین در دو حوزه کشاورزی و تولید برق خورشیدی پیشنهاد می شود. این فناوری با استفاده بهینه از فضا و آب، نه تنها به ارتقای بهره وری زمین منجر می شود، بلکه امکان درآمدزایی دوگانه برای کشاورزان را فراهم می سازد و می تواند در سیاست گذاری منابع آب، انرژی و غذا نقش آفرین باشد. استفاده از این فناوری در ایران منجر به کاهش مصرف آب، خلق ارزش افزوده و کاهش پرت زمین شود. از این رو این گزارش به معرفی این روش و الزامات و امکانات آن در کشور پرداخته است.

معرفی روش فتوکشت

فتوکشت از ترکیب دو واژه ی فتوولتائیک (تولید برق خورشیدی) و کشاورزی و به عنوان معادلی برای واژه Agrivoltaics (ترکیبی از Agriculture و Photovoltaics) پیشنهاد شده است. این واژه به استفاده همزمان از یک قطعه زمین برای تولید محصول کشاورزی و توان خورشیدی اشاره دارد. این راهکار نوآورانه اولین بار در سال ۱۹۸۱ در آلمان غربی مطرح شد؛ اما تا سال ها به دلیل هزینه های سنگین تولید توان خورشیدی مورد اقبال قرار نگرفت. موج جدیدی از تحقیقات علمی در این حوزه از سال ۲۰۱۳ در کشور فرانسه آغاز شد. در زمان تهیه این گزارش، کشورهای ژاپن، فرانسه و آلمان پیشگام در این حوزه محسوب می شوند و ایالات متحده آمریکا، هند و چین درحال توسعه زیرساخت های پژوهشی برای گسترش این فناوری هستند.

آثار متقابل پنل های خورشیدی و کشاورزی در روش فتوکشت

از آن جایی که این دو ساختار (کشاورزی و تولید انرژی خورشیدی) در کنار یکدیگر قرار می گیرند، بر یک دیگر تاثیرگذار خواهند بود که در ادامه به برخی از این آثار اشاره خواهد شد.

اثر تولید توان خورشیدی بر فعالیت های کشاورزی

اصلی ترین اثر نصب پنل خورشیدی بر فعالیت های کشاورزی، سایه اندازی و کاهش نور دریافتی گیاهان زیر این تجهیزات است. کمیت های اثرگذار بر میزان سایه ایجاد شده عبارتند از: عرض جغرافیایی محل نصب، ابعاد پنل، زاویه شیب نصب پنل (از صفر درجه به معنای نصب افقی تا 90 درجه به معنای نصب عمودی)، جهت گیری پنل، ارتفاع نصب پنل و فاصله بین ردیف های پنل.

در این میان، برخی عوامل نظیر عرض جغرافیایی، وابسته به محل نصب و غیرقابل تغییر هستند، درحالی که سایر متغیرها وابسته به طراحی سیستم و قابل بهینه سازی هستند. همچنین، دو کمیت ابعاد پنل و ارتفاع نصب آن، تاثیر مستقیمی بر میزان توان تولیدی ندارند اما بر سایه اندازی پنل های خورشیدی و در نتیجه فعالیت های کشاورزی اثرگذارند. در پژوهش های پیشین، نشان داده شده که سایه اندازی لزوما اثر منفی بر رشد و نمو گیاهان ندارد؛ حتی برای برخی محصولات مانند انگور میزان تولید محصول بیشتری نیز نسبت به شرایط عدم وجود پنل گزارش شده است.

میزان تولید، علاوه بر نحوه نصب پنل و سایه ایجاد شده به سبب آن و نوع محصول کشاورزی، به نوع کشت (دیم یا آبی)، فصل کاشت و رقم محصول نیز وابسته است. وجود سایه، علاوه بر اثر مستقیم بر نور دریافتی، اثرات جانبی دیگری نیز بر گیاهان دارد. کاهش تبخیر سطحی خاک یکی از این آثار است که موجب حفظ رطوبت خاک و کاهش میزان مصرف آب برای فعالیت های کشاورزی می شود. همچنین، وجود سازه های نگهدارنده پنل ها باعث حفاظت از گیاهان در مقابل بادهای شدید می شود.

اثر فعالیت های کشاورزی بر تولید توان در پنل­ های خورشیدی

دما و رطوبت محیط، دمای سطح پنل­های خورشیدی و میزان گردوغبار روی سطح آن ها بر میزان تولید توان خورشیدی اثر مستقیمی دارند. وجود گیاهان زیر پنل­ها و یا در فاصله ردیف پنل­ها باعث اثرات زیر می شود:

الف) کاهش دمای محیط: فرایند فتوسنتز در گیاهان یک فرایند گرماگیر است؛ بنابراین، در حضور گیاهان، دمای محیط اطراف پنل ها نسبت به شرایط بدون پوشش گیاهی کاهش می یابد.

ب) کاهش دمای سطح پنل: گیاهان با جلوگیری از بازتاب نور خورشید از سطح خاک به پشت پنل ها، موجب کاهش دمای سطح آن ها می شوند. این کاهش دما در پنل های یک رو می تواند عملکرد آن ها را بهبود بخشد؛ اما در پنل های دوطرفه (Bifacial)، بازتاب نور به سطح پشتی مطلوب تلقی می شود و اثر پوشش گیاهی در کاهش بازتاب از سطح خاک منفی خواهد بود.

ج) افزایش رطوبت محیط: فرایند تعریق در گیاهان می تواند منجر به افزایش رطوبت محیطی گردد و ممکن است باعث کاهش میزان تولید توان خورشیدی شود.

د) کاهش گردوغبار: گیاهان با جذب ذرات معلق و جلوگیری از بلند شدن گردوغبار به واسطه ی باد، باعث کاهش آلودگی سطح پنل ها شده و نیاز به شست وشوی مکرر پنل­ها را کاهش می دهند.

ه) کاهش فرسایش خاک: حضور گیاهان باعث حفظ رطوبت و کاهش فرسایش خاک می شود. این امر سبب جلوگیری از آسیب به سازه نگهدارنده پنل­های خورشیدی شده و بر هزینه های تعمیر و نگهداری پنل­های خورشیدی اثرگذار است.

آیا فناوری فتوکشت در ایران کاربرد دارد؟

با توجه به آثار مثبت فتوکشت بر دو حوزه حیاتی کشاورزی و تولید برق و با در نظر گرفتن چالش های کشور در این دو حوزه، استفاده از فناوری فتوکشت می تواند منجر به مزایایی نظیر کاهش پرت زمین های کشاورزی مجهز به پنل، تولید ارزش افزوده با کشت محصولات کشاورزی در مزارع خورشیدی و کاهش مصرف آب در تولید محصولات کشاورزی شود. همچنین در بخش هایی از کشور که زمین های قابل کشت محدود است (مناطق بیابانی مرکزی) فتوکشت به واسطه ظرفیت تولید دوگانه خود، می تواند اثری افزوده و راهبردی ایفا کند.

ظرفیت های قانونی فناوری فتوکشت در ایران

ذیل ماده 28 قانون اصلاح الگو مصرف ابلاغی سال 1389 آمده است: «وزارتخانه های نفت و نیرو موظفند با همکاری وزارت جهاد کشاورزی، سازمان محیط زیست و موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران معیار و استاندارد مصرف انرژی برای هر واحد سطح زیر کشت زراعی و باغی را برحسب شرایط اقلیمی، استحصال مجاز آب و با توجه به نوع محصول و با استفاده از شیوه های پربازده استحصال آب و روش های نوین آبیاری تدوین نمایند. مصرف کنندگان انرژی در بخش کشاورزی که معیار و استاندارد فوق را رعایت ننمایند، قیمت انواع انرژی را با تشخیص وزارتخانه های نفت و نیرو تا دو برابر قیمت حامل های انرژی می پردازند.» حسب اطلاع نویسندگان، تاکنون این بخش از قانون به مورد اجرا گذارده نشده است.

طبق مصوبه 26743/ت59790 مورخ 24/2/1401 هیئت وزیران «وزارت نیرو مکلف است با همکاری وزارت جهاد کشاورزی نسبت به قطع الکتروپکپ­های کشاورزی به میزان پنج ساعت روزانه و در دوره محدودیت اقدام و بهای برق این مشترکین را در سایر ساعات به صورت رایگان محاسبه نماید». در صورت احداث و بهره برداری از نیروگاه تجدیدپذیر با ظرفیت نامی برابر با 80% تقاضای مصرفی، مصرف کننده از برنامه های محدودیت بار خارج می شود. همچنین تولیدکنندگان توان در صورت داشتن مازاد تولید در ایام گرم سال و کل توان تولیدی در سایر ایام سال می توانند نسبت به عرضه توان تولیدی در تابلوی سبز بورس اقدام کنند.

کشاورزان می توانند با استفاده از فناوری فتوکشت و استفاده از قوانین موجود از یکسو بهره وری زمین های خود را افزایش دهند و از سوی دیگر برق چاه های آب خود را تامین کنند و از برنامه خاموشی خارج شوند. این سیستم ها علاوه بر فراهم سازی امکان تولید همزمان انرژی پاک و محصولات کشاورزی، با بهینه سازی مصرف آب و انرژی و بعضا افزایش محصول تولیدی، درآمد مضاعفی برای کشاورزان ایجاد می کنند.

جمع بندی

در شرایطی که کشور با بحران منابع آبی، محدودیت زمین های قابل کشت و نیاز فزاینده به انرژی پاک روبه رو است؛ وجود روشی که بتواند تمام این چالش ها را پوشش بدهد راهگشا خواهد بود. روش به استفاده همزمان از یک قطعه زمین برای تولید محصول کشاورزی و توان خورشیدی می تواند چنین کارکردی داشته باشد. با توجه به آثار مثبت فتوکشت بر دو حوزه حیاتی کشاورزی و تولید برق و با در نظر گرفتن چالش های کشور در این دو حوزه، استفاده از فناوری فتوکشت می تواند منجر به مزایایی نظیر کاهش پرت زمین های کشاورزی مجهز به پنل، تولید ارزش افزوده با کشت محصولات کشاورزی در مزارع خورشیدی و کاهش مصرف آب در تولید محصولات کشاورزی شود. این روش علاوه بر فراهم سازی امکان تولید همزمان انرژی پاک و محصولات کشاورزی، با بهینه سازی مصرف آب و انرژی و بعضا افزایش محصول تولیدی، درآمد مضاعفی برای کشاورزان ایجاد می کنند.

این مطالعه در خانه هم افزایی انرژی و آب استان خراسان رضوی با همکاری امین وطن پور و مهرداد پورصادق در سال 1404 انجام شده است.