استفاده دوگانه زمین برای تولید محصول و انرژی

مهرداد مطبوع‌ریاحی  

دانش‌آموخته کارشناسی ارشد منابع تجدیدشونده

در حالی که پهنه گسترده‌یی از کشور درگیر خشکسالی شدید بوده و منابع آبی باقی‌مانده هم به سرعت در حال تحلیل رفتن هستند، آیا می‌توانیم با اتخاذ یک سیاست خلاقانه و منطقی، به‌طور همزمان و کاملا هدفمند، بخشی از نگرانی‌های موجود در خصوص امنیت غذایی، بحران آب، اشتغال در بخش کشاورزی، آلودگی هوا ناشی از شیوع کانون‌های محلی تولید گردوغبار و تولید انرژی را در کشور کاهش دهیم؟ آیا راهکاری دانش‌بنیان و کاربردی برای نیل به این هدف در دنیای پیرامونی ما وجود دارد؟ در نوشتار حاضر ضمن معرفی یکی از راهکارهای جدید جهانی و تشریح مزایای بالقوه این راهکار برای کشور، به دلایل اهمیت مطرح‌شدن این طرح جهت بررسی در مدیریت کلان کشور خواهیم پرداخت.

مقدمه

بزرگ‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر و در دسترس برای استفاده بشر، انرژی خورشیدی است. منبع انرژی که پایدار، پاک، مستمر و قابل‌اعتماد بوده و می‌تواند اساس توسعه پایدار مبتنی بر کاهش نگرانی‌های زیست‌محیطی در دنیای امروزی باشد. در سال‌های اخیر، سیستم پنل‌های خورشیدی PV یا فتوولتاییک که این انرژی را به خدمت می‌گیرد، رشدی سریع و جهانی داشته است، اما این رشد نیز همراه با رونمایی از نقاط ضعف و چالش‌های جدید بوده است. اشکال اصلی سیستم‌های خورشیدی PV، نیاز قابل‌توجه به سطوح وسیع و مناسب جهت استقرار و بهره‌برداری است.

تاسیسات نیروگاه‌های خورشیدی PV در مقیاس بزرگ به‌طور مستقیم روی سطوحی از زمین نصب می‌شوند که در معرض تابش حداکثری نور خورشید در طول روز هستند. در کشور ما دشت‌های مسطح و شیب‌های مناسب جهت احداث نیروگاه‌های خورشیدی که نزدیک به مراکز جمعیتی و مصرف انرژی باشند عمدتا با کاربری زراعی و باغی بوده و امکان تغییر کاربری جهت ایجاد مزارع خورشیدی در این دسته از اراضی بجهت منع قانونی برای حفاظت از آنها و ممانعت از محدود کردن پتانسیل تولید مواد غذایی وجود نداشته است. تا همین اواخر در دنیا، نگرش رایج بر این بود که یک قطعه زمین مناسب یا می‌تواند کاربری زراعی داشته و برای تولید محصولات کشاورزی استفاده شود یا می‌تواند برای تولید انرژی و استقرار مزارع انرژی خورشیدی به‌کار گرفته شود، اما نه برای هر دو هدف به‌صورت همزمان.

 اما این نگرش در سال 1981 توسط آدولف گتزبرگر و آرمین زاسترو به عنوان نخستین کسانی که پیشنهاد استفاده دوگانه از زمین‌های زراعی برای تولید همزمان انرژی خورشیدی و محصولات کشاورزی، جهت افزایش بهره‌وری از زمین و تولید نهایی را دادند به چالش کشیده شد. سپس در سال 2004 یک مهندس ژاپنی ماشین‌آلات کشاورزی به نام آکیرا ناگاشیما با ابداع سیستمی ابتکاری بنام «اشتراک‌گذاری خورشیدی» با ترکیب پنل‌های خورشیدی PV با مزارع کشاورزی عملاً نگرش قبلی را رد کرد. اساس کار این بود که او دریافت که از نقطه اشباع نور، افزایش سطح نور خورشید باعث افزایش بیشتر نرخ فتوسنتز نمی‌شود. ناگاشیما پایلوت‌های اولیه را در کشور ژاپن در سال 2004 اجرا و توسعه داد.

 سیستم آگری ولتاییک؛ بهره‌وری

و تاثیرات جانبی

 اصطلاح آگری ولتاییک «Agrivoltaics» برای نخستین بار در یک مقاله در سال 2011 استفاده شد. سیستم آگری ولتاییک در مناطقی که افزایش راندمان مصرف آب در بخش کشاورزی ضروری است می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. در تحقیقاتی که روی سطوح تبخیر در محصولات مقاوم به سایه مانند خیار و کاهو آبیاری شده، تحت پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک انجام شد، کاهش تبخیر به میزان 14تا 29 درصد ثبت گردید. در مطالعه‌یی که روی گرمای خاک، هوا و پوشش گیاهی در زیر پنل‌های خورشیدی در طول یک فصل زراعی انجام شد، مشخص شد که با وجود اینکه جریان هوا در زیر پنل‌ها ثابت باقی‌مانده بود، درجه حرارت خاک و سطح پوشش گیاهی کاهش داشته است.

شبیه‌سازی‌ها و مطالعات انجام‌شده روی بهره‌وری سیستم‌های آگری ولتاییک نشان می‌دهند که تولید موثر و همزمان محصولات مقاوم در برابر سایه‌اندازی و انرژی الکتریسیته در یک مزرعه کاملا امکان‌پذیر است. دینش و همکاران دریافتند که تولید نهایی کاهو در سیستم آگری ولتاییک با کشت تک‌گونه‌یی (monocultures) آن کاملا قابل‌مقایسه است. در واقع سیستم آگری ولتاییک برای گیاهانی که مقاوم به سایه‌اندازی هستند، بهترین نتیجه را در بردارد. شبیه‌سازی انجام‌شده توسط دوپراز و همکاران نشان داد که در سیستم آگری ولتاییک پتانسیل بهره‌وری زمین به میزان 60 تا 70 درصد افزایش یافته است.

علاوه بر این، دینش و همکاران دریافتند که ارزش برق خورشیدی تولیدی به همراه ارزش محصولات زراعی تولیدشده، موجب افزایش بیش از 30 درصدی ارزش اقتصادی مزارع در مقایسه با سیستم کشاورزی مدرن می‌شود. سیستم‌های آگری ولتاییک برای تولید محصولات تابستانی با توجه به میکروکلیمایی که ایجاد می‌کنند و اثر جانبی که روی کنترل گرما و رطوبت نسبی دارند، مفید خواهند بود.

دوپراز و همکاران در تحقیقی که انجام دادند، دریافتند که سیستم‌های آگری ولتاییک می‌توانند از طریق افزایش بهره‌وری زمین به خصوص در کشورهای که با محدودیت زمین مواجه هستند، بسیار کارآمد باشند. به‌طور مثال در کشورهایی نظیر هند، جایی که ظرفیت فتوولتاییک (PV) اتصال شده به شبکه از تقریبا صفر به 2، 600 مگاوات در عرض 4 سال افزایش ‌یافته است، یکی از مسائل کلیدی که به وجود آمده است محدودیت زمین بوده و استفاده از زمین برای کشاورزی و انرژی تجدیدپذیر بطور همزمان مطرح شده است.

 اشتراک‌گذاری خورشیدی

کشاورزان ژاپنی در حال بهره‌برداری از فرصت‌های جدید برای تولید برق در مزارع، همزمان با تولید محصولات کشاورزی خود هستند. در ماه آوریل 2013، وزارت زراعت، جنگلداری و شیلات (MAFF) ژاپن استقرار سیستم خورشیدی PV را در مزارع کشاورزی تحت عنوان «اشتراک‌گذاری خورشید » تایید کرد، عملی که قبلاً تحت قانون حمایت از زمین‌های کشاورزی ممنوع اعلام شده بود، صرف‌نظر از اینکه زمین در حال تولید یا بایر بوده باشد.

بر اساس دستورالعمل‌های MAFF، سیستم به‌گونه‌یی طراحی شده است که اجازه می‌دهد سطح مناسبی از نور خورشید به گیاهان زراعی تابیده شده و فضای کافی برای فعالیت ماشین‌آلات کشاورزی وجود داشته باشد. کل سازه در صورت لزوم به‌راحتی قابل برچیده شدن و جابه‌جایی بوده بدون آنکه پایه‌های سیمانی در سطح مزرعه باقی بمانند. سیستم PV که آکیرا ناگاشیما طراحی کرد، با وجود نداشتن پایه‌های بتنی به‌طور قابل‌ملاحظه‌یی در مقابل زلزله و باد مقاوم است.

 اعمال دستورالعمل‌های MAFF این اطمینان را ایجاد کرد که کشاورزان در مزارع کماکان به تولید موثر ادامه داده و تغییرکاربری اراضی به سایت نیروگاهی برای تولید صرف انرژی خورشیدی صورت نخواهد پذیرفت. کشاورزان ژاپنی بایستی گزارش سالانه‌یی از تولید محصولات کشاورزی خود در این‌گونه سایت‌ها ارائه داده تا اگر مقدار محصول تولیدی کمتر از 80 درصد باشد، سیستم PV برچیده شود.

 طرح موضوع و اهمیت آن

ایران از جمله معدود کشورهای دنیاست که با داشتن بیش از 300 روز آفتابی در طول سال (بطور متوسط حدوداً 2800 ساعت خورشیدی)، دارای شدت انرژی بالاتر از سطح متوسط جهانی است. این بدین معناست که اولا سرمایه‌گذاری در بخش احداث نیروگاه‌های خورشیدی در مقیاس‌های مختلف توجیه فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی داشته و ثانیا با توجه به‌شدت بالای تابش در کشور، اکثر گیاهان زراعی نیاز به دریافت تمام نور خورشید برای انجام فتوسنتز و رشد و نمو را ندارند. چرا که هر سطحی از نور فراتر از نقطه اشباع، میزان فتوسنتز را افزایش نخواهد داد و حتی در مناطق خشک و نیمه‌خشک می‌تواند از طریق کاهش رطوبت نسبی و تبخیر زیاد کاملا مضر هم باشد. بنابراین اگر محصولات زراعی به خصوص آنهایی که مقاوم به سایه‌اندازی هستند، به تمام نور خورشید برای فتوسنتز نیاز ندارند، چرا از مقدار اضافی برای تولید انرژی در کشور استفاده نشود؟ با تشدید افت سطح آب‌های زیرزمینی و کسری 6 میلیارد مترمکعبی حجم مخزن دشت‌ها کشور با خطر کاهش قابل‌ ملاحظه آب قابل استحصال برای تامین آب بخش کشاورزی و به‌تبع آن کاهش درآمد و از دست دادن گسترده اشتغال بهره‌برداران مواجه است. آیا بهتر نیست که همه تخم‌مرغ‌ها را در یک سبد نگذاریم؟ چرا ما از سیستم اشتراک خورشیدی برای مدیریت بحران و کاهش آثار سوء آن استفاده نکنیم؟ به عنوان‌مثال، در سال‌های اخیر بسیاری از کشاورزان ایالت کالیفرنیای امریکا که از خشکسالی ممتد و به‌تبع آن، کاهش تولید و درآمد به ستوه آمده بودند، از طریق روی آوردن به تولید انرژی خورشیدی در مزارع خود انگیزه‌یی قوی برای ماندن در مزارع و ادامه فعالیت پیدا کرده‌اند. در حقیقت استقرار پنل‌های فتوولتاییک در مزارع برای تولید انرژی برق، بجهت نیاز آبی کم برای شستشو، سیاستی قابل ‌قبول و بهترین راهکار ممکن برای فائق آمدن بر مشکلات مالی ناشی از خشکسالی‌های ممتد و طولانی‌مدت است. انرژی تولیدشده می‌تواند در درجه اول برای تامین برق مورد نیاز مراکز جمعیتی در شهرها و روستاهای پیرامونی، چاه‌های کشاورزی یا مراکز صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و در صورت عدم نیاز، به شبکه برق سراسری وصل شود. مضاف بر اینکه تولید الکتریسیته و درآمدزایی در کل سال ادامه خواهد داشت نه فقط در طول فصل زراعی.  نتایج تحقیقی که در کشور چین در خصوص امکان ایجاد دیوارهای بادشکن با پنل‌های خورشیدی برای کنترل ریز گردها انجام شد، نشان داد که پنل‌های خورشیدی قادرند که کسر قابل‌توجهی از ریزگردها را کنترل و در عین حال انرژی الکتریسیته قابل‌توجهی تولید کنند. اساس رویکرد پیشنهادی این است که ردیف‌های از پنل‌های خورشیدی با پوشش پشتی ورقه‌های فولاد ضدزنگ یا مواد مشابه به عنوان دیوارهای بادشکن در مجاورت کانون‌های محلی تولید گردوغبار نصب می‌شود. این دیوارها شامل پنل‌هایی بوده که روی محورهای نصب‌شده تحت کنترل یک ایستگاه مرکزی برای تغییر زاویه قرارگیری نسبت به بادهای حامل گردوغبار در شرایط هشدار توسط اداره هواشناسی هستند، همان‌طور که در شکل‌های زیر (a&b) نشان داده شده است. امکان‌سنجی ایجاد این رویکرد با هدف مشابه و کاهش تبخیر در ایران توسط وزارتخانه‌های متبوع و مراکز دانشگاهی از طریق استقرار بادشکن با پنل‌های خورشیدی در مزارع پایلوت از اهمیت بالایی برخوردار است. استقرار نواری این‌گونه بادشکن‌ها در تلفیق با گیاهان مناسب کم آب و مقاوم مانند گل محمدی در سطح آن دسته از مزارع در کشور که در آنها مشکل گردوغبار، کمبود آب، وزش بادهای شدید، تبخیر بالا و بازده کم اقتصادی وجود دارد می‌تواند راهکار و جایگزینی مناسب برای بادشکن‌های درختی در شرایطی که محدودیت آب جهت آبیاری درختان وجود دارد، باشد. یکی دیگر از مزیت‌های این طرح آن است که آب حاصل از بارش‌ها در فصل غیر زراعی که از روی پنل‌های خورشیدی به پایین می‌ریزد می‌تواند از طریق کانال‌های به سمت استخرهای نگهداری هدایت و در شروع فصل زراعی برای آبیاری محصولات زراعی استفاده شود یا به چاهک‌های نفوذ هدایت شده و از تبخیر آن جلوگیری شود. از آب چاه‌های کشاورزی در فصل زراعی هم می‌توان استفاده دوگانه برای شست‌وشوی پنل‌ها جهت زدودن گردوغبار، و هدایت آب حاصل از شستشو برای آبیاری گیاهان زراعی کشت‌شده در زیر پنل‌ها داشت. پرورش دام در مزارع خورشیدی به خصوص برای تولیدات ارگانیک گوشت و تخم‌مرغ محبوب‌ترین گزینه دوگانه برای افزایش بهره‌وری است. در این سیستم‌ها پرورش مرغ، غاز و بوقلمون و دام‌های کوچک بسیار رایج است، چراکه سایه‌اندازی پنل‌ها و پوشش علفی مناسب و پرپشت در زیر پنل‌ها محیطی ایدئال و پناهگاهی مناسب برای تغذیه و رشد و نمو آنها فراهم خواهد کرد (شکل زیر، نیروگاه اشتراک خورشیدی در Oo، تسوکوبا، ژاپن، جولای 2015).

 سخن آخر

ساخت نیروگاه‌های کوچک اشتراک انرژی خورشیدی می‌تواند بخشی از یک راه‌حل پایدار برای برخی مشکلات ناشی از خشکسالی در کشور باشد. ایده کشت همزمان محصولات کشاورزی و تولید برق خورشیدی در مزارع کشاورزی به دلایلی که گفته شد، بایستی به‌صورت جدی در وزارتخانه‌های نیرو و جهاد کشاورزی و مجلس شورای اسلامی مطرح و مورد بررسی قرار گیرد، ایده‌یی که در کشورهای مختلف جهان مطرح، آزمایش و اجرا شده است. در کشور ما ایران این ایده به لحاظ محدودیت‌های منابع آبی و لزوم آینده‌نگری در جهت حفظ انگیزه و اشتغال بهره‌برداران بخش کشاورزی برای ماندن در روستاها و تجدید حیات‌بخش کشاورزی برای نسل‌های آینده، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.  از آنجایی که وزارت نیرو در نظر دارد در راستای اجرای تعهدات کشور در توافقنامه پاریس و اسناد بالادستی کشور از جمله برنامه ششم توسعه، در 5 سال آینده میزان تولید برق از انرژی‌های تجدیدپذیر در کشور را به حدود 5000 مگاوات و سهم انرژی‌های پاک (با احتساب انرژی برق‌آبی) در سبد انرژی کشور را تا پایان برنامه ششم به 26 هزار مگاوات برساند. بدون شک سرمایه‌گذاری برای امکان‌سنجی و پیاده کردن سیستم‌های اشتراک خورشیدی در نقاط مختلف ایران علاوه بر مزیت‌های که گفته شد می‌تواند زمینه‌ساز تحولی بنیادی در اقتصاد انرژی کشور باشد. با نگاه امیدوارانه، سیستم اشتراک‌گذاری خورشیدی می‌تواند بهره‌وری و ارزش افزوده را در بخش کشاورزی در کشور بهبود و افزایش دهد، سیستمی که اگر در بستر سیاست‌گذاری آینده‌نگر و صحیح شکل گرفته و اجرا شود با تولید همزمان انرژی خورشیدی و محصولات زراعی قادر خواهد بود که کارگران بیشتری را به بخش کشاورزی جذب، و روند مهاجرت به شهرها را معکوس کند. و سخن آخر اینکه، در دسترس بودن فناوری مناسب، اراده ملی و سیاست‌گذاری صحیح (حمایتی، تضمینی و تشویقی) فاکتورهای مهمی خواهند بود که منجر به سرمایه‌گذاری در این بخش می‌شود و نه چیز دیگر.

منبع: شمس