تولید انرژی و غذا در مزارع خورشیدی

در آمریکا دو تولید کننده‌ی عسل با نام‌های تراویس بولتون و کیارا بولتون زنبورهایشان را در سه مزرعه‌ی خورشیدی نگهداری می‌کنند؛ جایی که در آن گیاهان بومی در زیر و اطراف پنل‌های خورشیدی (صفحاتی که انرژی خورشید را گرفته و به برق تبدیل می‌کند) کشت می‌شود. تراویس بولتون می‌گوید:

مزیت جایگاه‌ها این است که آن‌ها از عمد برای گرده‌افشان‌ها کاشته می‌شوند. در این جایگاه‌ها تلاش بر این است که زمین به‌حالت پوشش گیاهی علفزارهای بومی بازگردند که این برای خود ما نیز سودمند است.

در پی انتشار یک استاندارد دولتی در مورد نحوه‌ی ایجاد محیط‌های مناسب گرده افشان‌ها، در مینه‌سوتا گیاهان بومی به‌عنوان بستر باغ‌های خورشیدی، جایگزین چمن و شن شده‌اند. در نتیجه‌ی اجرای این طرح در بیش از نیمی از ۱۶۰۰ هکتار از مزارع خورشیدی در سال‌های ۲۰۱۶ و ۲۰۱۷ گیاهان بومی کشت شد که نه‌تنها برای گرده‌افشان‌ها مفیدند؛ بلکه موجب زیبایی آن مناطق هم شده است.

بیش از نیمی از مزارع خورشیدی مستقر در مینه‌سوتا در سالهای اخیر دارای گیاهان بومی مناسب برای گرده‌افشانی شده‌اند

اگرچه مینه‌سوتا در حال تشویق توسعه‌دهندگان مزارع خورشیدی برای کاشت گیاهان بومی است؛ ولی مناطق دیگری نیز وجود دارند که در آن‌ها در مورد برداشت انرژی و غذا از مزارع خورشیدی مطالعه می‌شود. دانشگاه‌هایی در آمریکا، آلمان و دیگر کشورها در حال آزمایش مفهوم کشاورزی دو منظوره هستند؛ جایی که در آن محصولات کشاورزی زیر سایه‌ی پنل‌های خورشیدی رشد می‌کنند. آن‌ها دارند می‌بینند که در برخی موارد گیاهان در این حالت، بهتر از حالت آفتاب کامل رشد می‌کنند.

افزودن گیاهان به مزارع خورشیدی منافع بسیاری برای تاسیساتی که هدف اصلی آن‌ها کاهش انتشارات کربن و گسترش انرژی‌های تجدیدپذیر است، به همراه دارد. جوردن مک‌نیک تحلیلگر انرژی-آب و زمین آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) که حامی پروژه‌های مربوط به تاثیر رشد گیاهان بومی و زراعی در مزارع خورشیدی است، می‌گوید:

این نشان‌دهنده‌ی فرصتی شگفت‌انگیز برای پیشرفت کشاورزی و نیز بهبود امنیت غذایی ما و به‌طور همزمان توسعه‌ی انرژی است.

افزودن گیاهان به مزارع خورشیدی مزایای مختلفی برای شرکت‌هایی که هدف نخست آن‌ها کاهش انتشارات کربن و گسترش انرژی‌های تجدیدپذیر بوده دارد و گیاهان بومی و زراعی می‌توانند به سلامت گرده‌افشانان کمک کنند؛ موجوداتی که بواسطه‌ی از دست‌دادن زیستگاه‌هایشان، مسمومیت با سموم حشره‌کش، تغذیه‌ی ضعیف، بیماری، کاهش تنوع ژنتیکی و عوامل مختلف دیگری در معرض خطر قرار گرفته‌اند. به‌عنوان پیامدی از این تهدیدات، کلنی‌های زنبورعسل مدیریت شده مورد استفاده برای تولید عسل از تعداد ۵/۷ میلیون در دهه‌ی ۱۹۴۰ به چیزی حدود ۲/۷ میلیون رسیده است. گرده‌افشان‌ها روی اقتصاد هم تاثیر زیادی دارند و سهم آن‌ها در اقتصاد ملی آمریکا، سالانه  ۲۴ میلیارد دلار آمریکا برآورد می‌شود. با اختصاص زمین‌های بیشتری برای تولید انرژی خورشیدی، ایجاد محیط‌های مساعد برای گرده‌افشانی در آن مناطق از لحاظ اکولوژیکی و اقتصادی سودمند خواهد بود.

کاشت گیاه در مزارع خورشیدی علاوه بر مساله زیباسازی به آن ها پتانسیل تولید غذا نیز می‌دهد

وال دلچینی مدیر عامل سازمان گرده‌افشان که سازمانی بدون هدف تجاری و به دنبال ترویج محیط‌های گرده‌افشانی است، می‌گوید:

گنجاندن زیستگاه‌ها درون این مزارع خورشیدی در کل کشور، راه خوبی برای حمایت و ترویج از سلامت گرده فشان‌ها است.

گیاهان بومی موجود زیر پنل‌ها نه‌تنها موجب افزایش بهره‌وری مزرعه‌ی خورشیدی خود می‌شوند؛ بلکه برای زمین‌های زراعی اطراف نیز مفید هستند. لی والستون یک اکولوژیست در آزمایشگاه ملی آرگون می‌گوید حشرات گرده‌افشان دور از محدوده‌ی تاسیسات خورشیدی خود نیز گردش می‌کنند و این موجب افزایش تولید مزارع دیگر هم می‌شود. کاشت گیاهان بومی فراهم‌آورنده‌ی پناهگاهی برای گونه‌های در حال کاهشی مانند پروانه‌ی شهریار و زنبورهای مخملی است در حالیکه اهداف دیگری همچون کنترل جریان آب و فرسایش نیز دنبال خواهند شد.

حامیان این طرح‌ها می‌گویند که باغ های بومی و سبزیجات دارای مزیت زیباشناختی هستند که ربطی به پنل‌ها و تولیدات کشاورزی آن‌ها هم ندارد. آن‌ها موجب ایجاد مناظری رنگی و لذت‌بخش می‌شوند و حالت یکنواختی و تک‌رنگی خسته کننده‌ی ردیف‌های بی‌شمار پنل‌ها را از بین می‌برند. مطالعه‌ی حمایت‌شده توسط NREL نشان داد که گیاهان بومی کشت داده شده می‌توانند هزینه‌های خرید زمین و هزینه‌های کنترل آفات را کاهش دهد و نیز فرایند تخریب پنل‌ها را آهسته کنند.

پروژه‌های آزمایشی در ماساچوست، آریزونا، آلمان، چین، کرواسی، ایتالیا، ژاپن و فرانسه برای ادغام تولید محصولات کشاورزی با تولید برق با عنوان مزارع دومنظوره امیدوارکننده بوده است؛ زیرا در آن‌ها هم برق و هم محصولات کشاورزی تولید می‌شود. مک‌نیک می‌گوید:

تاکنون این پروژه‌های آزمایشی در نشان‌ دادن اینکه شما می‌توانید گیاه پرورش دهید و در کنار آن نیز برق تولید کنید، بسیار موفقیت‌آمیز بوده‌اند.

یک مزرعه‌ی دومنظوره که توسط دانشگاه ماساچوست اجرا شده‌است (در شهر امهرست) و گیاهان مختلفی چون فلفل، لوبیا، گشنیز، گوجه‌فرنگی، چارد سوئیسی و کلم را زیر پنل‌های خورشیدی که در ارتفاع سه متری از زمین قرار گرفته‌اند، پرورش داده است (به‌منظور امکان برداشت راحت گیاهان توسط دست). پژوهشگران این پروژه دریافتند که وجود فواصل ۱ تا ۱/۲ متری بین پنل‌ها موجب می‌شود که این گیاهان تقریبا به همان اندازه‌ی حالت تابش کامل آفتاب تولید داشته باشند.

پژوهشگران دانشگاه ماساچوست دریافتند که با فضادهی درست پنل‌های خورشیدی، تولید محصولات کشاورزی برابر همان‌هایی که در فضای باز قرار دارند، می‌شود

یکی از مفاهیم اولیه در ادغام پنل‌های خورشیدی و کشاورزی agrophotovoltaics  یا APV بود که بیش از سه دهه‌ی پیش توسط فیزیکدانی به نام آدولف گوتزبرگر معرفی شد. موسسه‌ی پژوهشی گوتزبرگر مزرعه‌ای دومنظوره در مساحتی در حدود ۰/۳ هکتار ایجاد کرد. این موسسه تعداد ۷۲۰ پنل خورشیدی خود را در ارتفاعی که از زیر آن ماشین‌آلات کشاورزی برای برداشت محصول بتوانند حرکت کنند، قرار داد. این پژوهشگران گیاهان مختلفی همچون گندم، سیب زمینی، کرفس و شبدر را در فضاهای باز و فضاهای زیر پنل‌ها کاشتند و تولید آن‌ها را با هم مقایسه کردند. سایه‌ی حاصل از پنل‌ها تولید را از ۵/۳ تا ۱۹ درصد کاهش داده بود. با این حال نیروی برق حاصل از پنل‌ها که با گرفتن نور مستقیم و غیرمستقیم تولید شده بود، برای استفاده در یک کارخانه‌ی فرآوری محصولات و ماشین آلات کشاورزی به کار گرفته شد و آن هزینه‌ها را جبران کرد و بازده استفاده از زمین را تا ۶۰ درصد افزایش داد.

پژوهشگران موسسه‌ی فرانهور المان پنل ها را در ارتفاعی قرار داده اند؛ به‌صورتی‌که ماشین‌های کشاورزی بتوانند از زیر آن‌ها رفت و آمد داشته باشند

در حالیکه این مزرعه سود هم کرده بود؛ ولی پژوهشگران در مورد ادعای قابلیت کاربرد این پروژه در جاهای دیگر و در مقیاس وسیع محتاطانه عمل می‌کردند. استفان سیندل، مدیر پروژه گفت که به‌منظور فراهم آوردن تایید لازم قبل از معرفی به بازار لازم است که ما کاربردهای بیشتر فنی اقتصادی APV را مقایسه کنیم و قابلیت انتقال به دیگر مناطق و سیستم‌های بزرگتر را نشان دهیم.

به‌همین ترتیب پژوهشگران کرواسی نیز در یک مزرعه‌ی محلی سبزیجات ارگانیک را زیر سایه پنل‌های خورشیدی پرورش دادند. انرژی تولید‌شده در این مزرعه به‌سوی تامین نیروی مورد نیاز برای سیستم آبیاری و ماشین‌آلات کشاورزی می‌رود. در اتریش یک کارآفرین این پروژه را با طرحی متفاوت اجرا کرد. در مزرعه‌ی او استفاده از تیرهای ستون‌ساز کمتر بود و از کابل‌هایی برای نگهداری پنل‌ها در ارتفاع به منظور کاهش هزینه‌ها و کاهش خطر احتمالی ناشی از برخورد ماشین‌آلات کشاورزی با آن‌ها استفاده شده بود.

بارون-گافورد استاد دانشگاه آریزونا به‌مدت دو سال روی پروژه‌ی آزمایشی agrivoltaic که نسخه‌ای آمریکایی از APV است کار کرده‌است.

در مدارس دولتی توسان و مرکز مطالعات و آموزش عمومی دانشگاه بیوسفر ۲ نیز از سایبان‌های خورشیدی استفاده می‌شود. در ابتد‌ا به‌منظور کاهش اثر جزیره‌ی گرمایی پنل‌های خورشیدی بود که این پروژه‌ها به‌سمت تولید آزمایشی محصولات کشاورزی زیر پنل‌ها برده شد.

در یک جایگاه تحقیقاتی خشک در منطقه‌ی آریزونا گیاهان کشت‌شده زیر سایه پنل‌ها می توانند با نصف مقدار آب مورد نیاز گیاهان خارج از سایه تولید کنند. بارون-گافورد می‌گوید:

نخستین دور کشت گشنیز، فلفل و گوجه‌فرنگی فوق‌العاده بود. محصولات رشدیافته زیر پنل‌ها فقط به‌میزان نصف آن‌هایی که در فضای کاملا باز کشت داده شده بودند، به آب نیاز داشتند و به‌خوبی در این میکرواقلیم‌های تشکیل‌شده زیر پنل‌ها رشد می‌کردند. ظاهرا گیاهان دماهای ملایم را دوست دارند.

این پنل‌ها از گیاهان در برابر یخ‌زدگی محافظت می‌کنند و فصل طولانی‌تری را برای آووکادوها، گشنیز، فلفل‌ها، گوجه فرنگی و مانگو مهیا می‌کنند. پژوهشگران در اواخر بهار، شروع به برداشت محصول زمستانی هویج، کلم، چارد و علف لیمو کردند. گافورد می‌گوید: این واقعا پدیده‌ای تماشایی است.

این آزمایش مزیت‌های دیگری نیز برای پانل‌ها پیدا کرد. دمای سطح پوست مردمی که در زیر سایه‌ی پنل‌ها محصولات را برداشت می‌کردند، ۲۵ درجه پایین‌تر از آن‌هایی بود که بیرون و در مقابل خورشید کار می‌کردند. هیچ علامتی از تابستان سوزان موجود نبود و برخی مدعی بودند که گیاهان تولیدشده در سایه نسبت به محصولات کشت‌شده به طریق معمول، خوشمزه‌تر هستند.

علی‌رغم نتایج امیدوارکننده پروژه‌های آزمایشی مزارع دو منظوره، تصور آینده‌ای که در آن مزارع آمریکا با سایبان‌های خورشیدی پوشانده باشند چیزی نیست که به این زودی ممکن باشد. داربست‌های بزرگی که برای نگهداری پنل‌ها لازم است، هزینه‌ی بالایی می‌طلبد و یک برخورد بد یک تراکتور با آن‌ها می‌تواند موجب ضرری به اندازه‌ی صدها هزار دلار شود. در مناطقی همچون اروپا که زمین‌های کشاورزی محدود و قیمت برق گران است، ایجاد این مزارع می‌تواند گزینه‌ی خوبی باشد. در آمریکا زمین‌های کشاورزی زیادی وجود دارد و تخصیص زمین‌های وسیع برای این هدف چندان عملی نیست مگر اینکه بازار انرژی و کشاورزی تغییر کند.

دیویس می‌گوید:

راه‌های بسیار مختلفی برای طراحی آرایه‌های خورشیدی وجود دارد که مزایای کافی برای کشاورزی ایجاد می‌کند. یکی از سودمندترین راه‌ها همان ایجاد زیست‌گاه‌های گرده‌افشان‌ها درون و اطراف پروژه‌های خورشیدی است. این کار با توجه به بحث تغییرات آب و هوایی نیز بسیار مهم است.

البته گیاهان بومی هم مشکلات خودشان را دارند؛ مانند هزینه‌های بالاتر کشت که تا قسمتی به‌وسیله‌ی نیاز کمتر نگهداری کاهش می‌یابد. تمام همسایگان مزارع خورشیدی به این گیاهان بومی علاقند نیستند شاید به خاطر ظاهر نامرتبی دارند. دیویس استدلال می‌کند که با این حال کشاورزان آمریکایی موافق این کار هستند زیرا که بدون زیست‌گاه‌های طبیعی و گرده افشان‌ها معیشت آن‌ها با خطر موجه می‌شود؛ کشاورزان اهمیت زنده و فراوان نگه داشتن گرده‌افشان‌ها را درک می‌کنند. این فرصت می‌تواند موجب جریان سرمایه‌های خصوصی در جهت سرمایه‌گذاری روی زیستگاه گرده‌افشان با کیفیت بالا که برای بخش کشاورزی حیاتی است، شود.