Agrivoltaic Systems

อย่างที่เราทราบกันดีแล้วว่า เรากำลังเผชิญกับปัญหาภาวะโลกร้อน การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เรื้อรังยาวนานและในตอนนี้ก็ต้องเจอกับปัญหาภัยแล้งที่เพิ่มความรุนแรงขึ้นทุกปี

ต่อมาก็คือปัจจัยเรื่องคน ในภาพรวมประชากรโลกในปัจจุบันมีราว ๆ 7.8 พันล้านคน ภายใน 30 ปีนับจากนี้ ประชากรโลกจะเพิ่มขึ้นเป็น 9.8 พันล้านคน การเพิ่มของประชากรก็อาจจะไม่ได้เพิ่มขึ้นในสัดส่วนที่เท่ากันทุกประเทศ บางประเทศอัตราการเกิดต่ำ ประเทศเข้าสู่สังคมผู้สูงอายุทำให้ขาดแคลนแรงงาน แต่หากตัวเลขประชากรเพิ่มขึ้น คนเราก็ต้องกินต้องใช้เพิ่มขึ้น แล้วเราจะหาอาหารจากไหนมาป้อนให้ชาวโลกที่เพิ่มขึ้น หาน้ำจากไหนมาหล่อเลี้ยงประชากรโลกที่เพิ่มขึ้น อย่าว่าแต่ประชากรโลกเพิ่มขึ้นเลยต่อให้จำนวนประชากรโลกยังเท่าเดิมแต่ผลิตอาหารได้เท่าเดิมและยังขาดแคลนน้ำอีก ก็ต้องแก่งแย่งกัน เกิดความขัดแย้งในภูมิภาคต่างๆ ส่งผลกระทบออกมาเป็นวงกว้าง ทั้งทางด้านเศรษฐกิจและสังคม สุขอนามัย

ก่อนที่อะไร ๆ จะสายเกินไป ผู้คนต่างก็คิดหาวิธีการต่าง ๆ เพื่อลดปัญหาโลกร้อน ปัญหาภัยแล้ง ปัญหาการขาดแคลนอาหาร และในบทความนี้เราจะพูดถึงเรื่อง Agrivoltaic Systems

Agrivoltaic Systems หรือ Agrivoltaic Farming คือการปลูกพืชผลการเกษตรภายใต้แผงโซล่าเซลล์หรือเคียงข้าง ควบคู่ไปกับการมีแผงโซล่าเซลล์เพื่อให้เกิดประโยชน์ร่วมกัน โดยพืชได้อาศัยร่มเงาจากแผงโซล่าเซลล์ ได้รับแสงแดดเหมาะสมไม่มากไปไม่น้อยไปทำให้มีการสังเคราะห์แสงเติบโตได้ดี ไม่ถูกแดดเผาจนเหี่ยวเฉาขณะเดียวกันแผงโซล่าเซลล์ก็อาศัยความชื้นจากพื้นดินหรือจากการคายน้ำของต้นพืชช่วยระบายความร้อนของแผงโซล่าเซลล์ทำให้ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ซึ่งเราสามารถนำไฟฟ้าที่ผลิตได้ไปใช้ในเรือกสวนไร่นาของเราต่อไปได้ เช่นระบบส่องสว่าง ปั๊มน้ำ เป็นต้น หรือถ้าหากทำในสเกลขนาดใหญ่ก็สามารถขายไฟฟ้าที่ผลิตได้เช่นกัน นอกจากนั้นแล้วแผงโซล่าเซลล์ที่คอยบังแดดให้พืชผักก็ช่วยลดการระเหยของน้ำ ทำให้ดินยังคงมีความชุ่มชื้นอยู่ได้นานขึ้นเป็นการประหยัดน้ำไปได้อีกทางหนึ่ง

มีการศึกษาที่แสดงให้เห็นว่ามีพืชผลทางการเกษตรบางชนิดเติบโตได้ดีจากพื้นที่เพาะปลูกดังกล่าว การใช้ประโยชน์จากที่ดินเดิมแต่สามารถเพิ่มผลผลิตเป็นสองเท่า ไม่ว่าจะด้วยผลผลิตทางการเกษตรที่เพิ่มขึ้นรวมถึงไฟฟ้าที่ได้รับนี้ช่วยให้มีอาหารหล่อเลี้ยงประชากรโลกที่เพิ่มขึ้นในขณะเดียวกันก็ได้พลังงานที่ยั่งยืนมาด้วยเช่นกัน

Agrivoltaic Systems การผสมผสานกันระหว่างการผลิตอาหารกับการผลิตพลังงาน

ระบบการทำเกษตรบนโลกของเราเป็นตัวการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากน้ำมือมนุษย์ถึงหนึ่งในสาม นอกจากนั้นแล้วยังมีการใช้น้ำในการทำเกษตรมหาศาล ตามรายงานของธนาคารโลก การทำเกษตรใช้น้ำราว 70% ของการดึงน้ำจืดและมีสัดส่วนที่เพิ่มสูงขึ้น นั่นหมายความว่า ถ้าหากเรายังคงทำการเกษตรแบบเดิมต่อไป มันไม่มีทางที่จะมีน้ำใช้อย่างเพียงพอ การวางแผงโซล่าเซลล์เหนือแปลงปลูกนั้นในทางทฤษฎีก็จะช่วยควบคุมการโดนแดดของพืชได้ ทำให้เราสามารถควบคุมปริมาณแสงแดดที่จะส่องลงยังแปลงปลูกได้เหมาะสมกับพืชชนิดนั้น ๆ ต้องการ ทำให้พืชมีจุดสมดุลที่เหมาะสม เติบโตได้เต็มที่ สูญเสียน้ำน้อย

……..
Rate of photosynthesis: environmental factors

(for more research )

เรามาเริ่มจากการสังเคราะห์แสงของพืชที่ทำให้พืชมีการเจริญเติบโตกันก่อน ซึ่งไม่ได้หมายความว่าพอพืชได้รับแสงแดดก็จะมีกระบวนการสังเคราะห์แสงไปเรื่อย ๆ มันจะมีจุดสมดุลหรือจุดอิ่มตัวอยู่ หากพืชได้รับแสงแดดนานกว่านั้นก็อาจจะทำให้เกิดการคายน้ำ เหี่ยวเฉาได้ เมื่อเราเข้าใจกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชแล้ว เราก็จะสามารถเลือกชนิดของพืชมาปลูกได้อย่างเหมาะสม ว่าพืชแบบไหนสามารถเติบโตในที่ร่มรำไรได้ หรือแบบไหนที่ต้องการแดดจัดตลอดทั้งวัน พืชชนิดไหนเป็นพุ่มเตี้ยสามารถวางแผงโซล่าเซลล์ในระดับที่ไม่สูงมากนักได้ พืชชนิดไหนมีลำต้นยืดยาวสูง ต้องติดตั้งแผงโซล่าเซลล์ให้สูงขึ้นไปมากกว่าความสูงของต้นพืชที่จะปลูก หรือติดตั้งแผงโซล่าเซลล์ในระดับที่สูงมากพอจะให้รถหรือเครื่องจักรกลทางการเกษตรเคลื่อนที่ผ่านได้สะดวกรวมถึงสามารถเลี้ยงปศุสัตว์ได้อีกด้วย ซึ่งทั้งหมดที่กล่าวมาก็จะสะท้อนไปถึงเงินลงทุนในการติดตั้งแผงโซล่าเซลล์ด้วยเช่นกัน

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (photosynthesis)

ตามกราฟ หากเราพิจารณาเฉพาะปัจจัยเรื่องแสงเพียงอย่างเดียว ก็จะเห็นได้ว่าเมื่อถึงความเข้มแสงระดับหนึ่งอัตราการสังเคราะห์แสงจะเริ่มคงที่ (ในกรณีที่อุณหูมิและปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์มีจำกัด)

ความเข้มแสงที่พืชแต่ละชนิดสามารถเกิดกระบวนการสังเคราะห์แสงได้สูงสุดนั้นเรียกว่า light saturation point นอกจากนั้นแล้วเราควรคำนึงถึง Photoperiodism การตอบสนองต่อช่วงแสง ความยาวของกลางวันกลางคืน โดยเฉพาะในกลุ่มของพืชดอก เราจึงเห็นการแบ่งประเภทออกเป็นพืชวันสั้น พืชวันยาวและพืชที่ไม่ตอบสนองต่อช่วงวัน ซึ่งเราสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโซล่าเซลล์ไปเปิดไฟส่องสว่างให้กับพืชที่เราเพาะปลูกได้อีกด้วย

………………………………..

แต่ต้นทุนในการติดตั้งแผงโซล่าเซลล์แบบนี้นั้นยังคงสูงกว่าการวางแผงโซล่าเซลล์กับพื้นถึงสองเท่าและเราไม่สามารถใช้พื้นที่ทั้งหมดในการปลูกพืชผลทางการเกษตรได้เต็มเม็ดเต็มหน่วย อย่างไรก็ตามนักวิเคราะห์เชื่อว่าตลาดกลุ่มโซล่าเซลล์จะเติบโตขึ้นถึงเกือบ 40% ภายใน 5 ปีนับจากนี้ ในบริเวณที่แห้งแล้งหรือพื้นที่ที่มีการทำเกษตรอย่างมากเช่น อินเดีย อินโดนีเซียรวมถึงหลายประเทศในทวีปอาฟริกาและอเมริกาใต้ การปรับมาใช้ Agrivoltaics สามารถช่วยรักษาผืนดินและน้ำได้มากทีเดียว

……..

หากมีข้อจำกัดเรื่องการติดตั้งแผงโซล่าเซลล์บนพื้นดิน ลองเปลี่ยนมาติดตั้งบนพื้นน้ำดูไหม ?

Floating Photovoltaics หรือ Floatovoltaics แนวคิดก็คือแผงโซล่าเซลล์จะถูกนำไปติดตั้งบนโครงสร้างที่เหมือนกับแพขนาดใหญ่ลอยอยู่บนผิวน้ำ

โทมัส ไรน์ จากสถาบันวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์ในสิงคโปร์ บอกว่า “หากเราใช้พื้นที่อ่างเก็บน้ำหรือทะเลสาบทั้งหมดที่มีบนโลกใบนี้เพียง 10% จะสามารถติดตั้งแผงโซลาเซลล์ลอยน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้สูงสุดถึง 23 Terawatt” ไฟฟ้าจำนวน 23 terawatt นี้ มากพอที่จะตอบสนองต่อความต้องการใช้ไฟฟ้าของคนทั้งโลกได้หนึ่งปี

ฟาร์มโซลาเซลล์ลอยน้ำที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งของโลกอยู่ในสิงคโปร์ เป็นฟาร์มโซลาเซลล์ลอยน้ำที่อยู่ในอ่างเก็บน้ำและผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากเพียงพอสำหรับห้องพักอาศัยในเมืองจำนวน 16,000 ห้อง ส่วนฟาร์มโซล่าเซลล์ลอยน้ำที่ใหญ่ที่สุดของจีนนั้นสามารถผลิตพลังงานได้สูงกว่าถึง 5 เท่า เท่านั้นยังไม่พอ ภายใต้ฟาร์มโซล่าเซลล์ลอยน้ำนี้ ยังทำกระชังเพาะเลี้ยงปลาได้อีกด้วยซึ่งช่วยเพิ่มรายได้อีกทาง

ฟาร์มโซล่าเซลล์ลอยน้ำนั้นอาจจะเป็นประโยชน์อย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับเขื่อนไฟฟ้าพลังน้ำ เนื่องจากในช่วงฤดูร้อน ฟาร์มโซล่าเซลล์สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ไม่มีปัญหา แต่เมื่อเข้าสู่ฤดูฝนหรือเวลาฝนตกเมฆหนา ฟ้าครึ้ม เขื่อนพลังงานน้ำก็จะมีบทบาทเด่นขึ้นมาแทนที่ นอกจากนั้นแล้วน้ำจะเป็นตัวช่วยลดความร้อนที่สะสมของแผงโซล่าเซลล์ยิ่งทำให้แผงโซล่าเซลล์ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น รวมถึงการที่แผงโซล่าเซลล์จะปิดกั้นไม่ให้แสงแดดส่องลงไปในน้ำทำให้ลดการระเหยของน้ำ นี่เป็นประโยชน์อย่างแท้จริงในช่วงเวลาที่มีการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ น้ำกลายเป็นสิ่งที่หายากมากขึ้นทุกทีเนื่องจากภัยแล้งได้ลุกลามอย่างต่อเนื่อง การขาดแคลนน้ำเป็นเรื่องใหญ่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่แห้งแล้งอย่างรอบทะเลทรายสะฮารา เอเชียตะวันออกเฉียงใต้รวมถึงตะวันออกกลาง ในกรณีที่รุนแรงมาก ๆ นั้น น้ำฝนที่ตกลงมาเกือบ 90% จะระเหยทิ้งไป การใช้แพโซล่าเซลล์นั้นจะช่วยแก้ปัญหาดังกล่าวนี้ได้

ตามการศึกษาของประเทศจอร์แดน การใช้แพโซล่าเซลล์บนอ่างเก็บน้ำนั้นช่วยลดการระเหยของน้ำได้ถึง 42% เมื่อเทียบกับบริเวณที่ไม่มีแพ นอกจากนี้แล้วหากพิจารณาถึงการใช้แผงโซล่าเซลล์ติดตั้งในไร่นาก็จะช่วยรักษาความชื้นในดินได้

การทำแพโซล่าเซลล์ในทะเลนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าที่อยู่ในอ่างเก็บน้ำหรือว่าเขื่อน เนื่องจากแพโซล่าเซลล์ในทะเลสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าถึง 13% ทั้งนี้เป็นเพราะทะเลช่วยระบายความร้อนได้ดีกว่า ส่งผลให้มีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าได้มากกว่า

………

ข้อดีก็มากมายทำไมถึงยังไม่ค่อยมีใครทำกัน ?

ส่วนหนึ่งก็เพราะต้นทุน แพโซล่าเซลล์นี้จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะทางและต้องใช้ช่างชำนาญการในการติดตั้ง ดูแลรักษา แผงโซล่าเซลล์ก็ต้องทนต่อแรงลม คลื่นและการกัดเซาะ แน่นอนว่าอายุการใช้งานมันย่อมจะสั้นกว่าแผงโซล่าเซลล์บนบก เมื่อมองในแง่ความคุ้มทุนแล้ว ทำให้พลังงานที่แพโซล่าเซลล์ผลิตได้ 2-20% นี้ยังคงสูงมากในปัจจุบัน แต่ผู้เชี่ยวชาญมองว่า ต้นทุนและราคาอุปกรณ์ดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะถูกลงในอนาคต

ส่วนมุมมองที่เกี่ยวข้องกับการส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมนั้น ไม่ว่าจะต่ออ่างเก็บน้ำหรือว่าต่อธรรมชาติก็ตาม ก็ยังไม่มีคำตอบที่ชัดเจน ต้องทำการศึกษาวิจัยเพื่อประเมินต่อไปอีกสักระยะ แต่อีกด้านหนึ่งก็คือ แพฟาร์มโซล่าเซลล์นี้สามารถช่วยลดการเกิด algae bloom ที่สาหร่ายเพิ่มจำนวนในน้ำอย่างรวดเร็ว ลดความเสี่ยงต่อสุขภาพและต้นทุนการบำบัดน้ำเสีย ส่วนข้อกังวลเรื่องแพโซล่าเซลล์จะทำให้ออกซิเจนละลายในน้ำได้น้อยลง ทำให้เกิดภาวะ Nitrification นั้น ถึงแม้ว่าจะมีการศึกษาในหัวข้อดังกล่าวอยู่บ้างแต่ก็ยังไม่พบผลกระทบที่รุนแรงทั้งต่อคุณภาพน้ำและระบบนิเวศ และในอนาคตอันใกล้อาจจะมีแผงโซล่าเซลล์ที่ผลิตจาก perovskite ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าแผงแบบเดิม ยิ่งจะทำให้สัดส่วนการใช้พลังงานสะอาดของโลกเราเพิ่มขึ้นและไปลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างเช่นถ่านหินและน้ำมัน ช่วยลดภาวะโลกร้อนได้ดีขึ้น