أظهرت دراسة أجراها باحثون في جامعة ويسترن الكندية أن دمج الأنظمة الكهروضوئية مع الأنفاق الزراعية الداخلية يمكن أن يحسن جدواها الاقتصادية بشكل كبير من خلال خفض تكاليف الكهرباء.
تقنية تجمع بين الزراعة والطاقة الشمسية
الأنفاق الزراعية هي هياكل مغلقة على شكل أنفاق تجمع بين الأنفاق الزراعية التقليدية وتقنيات الزراعة الداخلية، وتوفر بيئات نمو خاضعة للتحكم أو شبه خاضعة للتحكم، مما يحمي المحاصيل من الطقس السيئ والآفات والأمراض مع تحسين الغلات المحتملة.
قال المؤلف المراسل جوشوا بيرس لمجلة pv magazine: "عرفنا منذ فترة طويلة أن هناك العديد من الفوائد البيئية للزراعة الداخلية. للأسف، تفلس العديد من المزارع الداخلية بسبب تكاليف الطاقة المرتفعة، وهنا يأتي دور الطاقة الشمسية، حيث يمكنها توفير طاقة منخفضة التكلفة تجعل اقتصاديات الزراعة الداخلية أكثر جاذبية".
تجارب على زراعة الريحان بكثافات مختلفة
أجرى الباحثون تجارب في إيلدرتون بأونتاريو، ركزت على زراعة الريحان الجينوفيزي بكثافات زراعة مختلفة وتحت ظروف إضاءة متنوعة. ثم قاموا بتوسيع النتائج التجريبية لتشمل نفقًا زراعيًا تجاريًا يتميز بـ 12,816 منفذ نمو مدمج في جدران زراعة رأسية.
شمل تحليل الطاقة استهلاك الكهرباء لإضاءة LED، ومضخات الحرارة، ومراوح التهوية، وأجهزة إزالة الرطوبة، ومضخات الري. وحسّن الفريق نظامًا كهروضوئيًا متصلًا بالشبكة وخاليًا من البطاريات لتقليل تكاليف الكهرباء، كما قيم جداول إضاءة وتكوينات كهروضوئية مختلفة باستخدام تقنيات التحسين الحسابي لتحديد استراتيجيات التشغيل الأكثر فعالية من حيث التكلفة.
نموذج اقتصادي شامل عبر ست مواقع
طور الباحثون نموذجًا اقتصاديًا شاملًا يغطي الاستثمار الرأسمالي، ونفقات التشغيل والصيانة، وتكاليف الكهرباء، وإيرادات المحاصيل. وقيموا النظام عبر ست مواقع في أمريكا الشمالية: لندن ومونتريال وإدمونتون في كندا، وبوسطن وسانتا في وسان فرانسيسكو في الولايات المتحدة، لمراعاة الاختلافات في الموارد الشمسية والمناخ وتكاليف التشغيل.
افترض التحليل عمر نظام يبلغ 25 عامًا، وقارن استراتيجيات زراعة تتضمن من نبات إلى ثلاثة نباتات ريحان لكل وعاء، مع فترات إضاءة تبلغ 18 أو 24 ساعة يوميًا.
نتائج واعدة للربحية
وجد العلماء أن التكوين الأكثر ربحية شمل ثلاثة نباتات ريحان لكل وعاء تحت إضاءة مستمرة لمدة 24 ساعة، مما أدى إلى غلة سنوية تبلغ 3,573 كجم. أدى دمج الأنظمة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة إلى خفض كبير في تكاليف الكهرباء، ومكن من تحقيق استهلاك صافٍ للكهرباء يقترب من الصفر في معظم المواقع التي تم تحليلها.
تراوحت إجمالي الاستثمارات الرأسمالية بين 567,000 دولار و745,000 دولار تقريبًا، بينما تراوحت نفقات التشغيل السنوية بين 60,000 دولار و119,000 دولار. وتراوحت تكاليف إنتاج الريحان بين 12.10 دولار و22.70 دولار للكيلوغرام الواحد.
حسب الباحثون عوائد على الاستثمار تبلغ حوالي 317% إلى 499%، مع فترات استرداد مخصومة تتراوح بين 1.6 و2.2 سنة. حققت المواقع الكندية عمومًا قيمًا حالية صافية أعلى من نظيراتها الأمريكية، على الرغم من أن الربحية تعتمد على ظروف السوق المحلية وتعريفات الكهرباء.
أسعار السوق العامل الأكثر تأثيرًا
أظهر تحليل الحساسية أن أسعار الريحان في السوق هي العامل الأكثر تأثيرًا على الربحية، تليها تكلفة الاستثمار الأولي للنفق الزراعي. وتشير النتائج إلى أن الأنفاق الزراعية التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية يمكن أن توفر نهجًا قابلًا للتطبيق اقتصاديًا للزراعة الداخلية التجارية، لا سيما للمحاصيل عالية القيمة مثل الريحان.
قال بيرس: "عبر جميع المواقع الستة، أدت زراعة الريحان إلى هوامش ربح كبيرة تتراوح بين 517% و829%، ومتوسط فترات استرداد حوالي سنتين. خفض التكامل الشمسي تكلفة الطاقة المهدرة وجعل الاقتصاديات أكثر جاذبية. بشكل عام، التخفيف القائم على الطاقة الشمسية للمخاطر المرتبطة بالطاقة يحسن اقتصاديات الزراعة الداخلية بشكل كبير، مما يجعل الريحان النظيف عالي الربحية".
نُشرت النتائج في دراسة بعنوان "تحليل التقنيات الاقتصادية لزراعة الريحان الداخلي في أنفاق زراعية كهروضوئية مع أنظمة طاقة شبه معدومة محسنة" في مجلة Cleaner Energy Systems.
أبحاث سابقة تدعم النتائج
حققت جامعة ويسترن سابقًا في تأثير تقنيات كهروضوئية مختلفة على الإنتاجية الزراعية. في دراسة عن زراعة الخس تحت الحرارة الشديدة، اختبر الباحثون 13 نوعًا من الوحدات الكهروضوئية خلال صيف كندي حار بشكل غير معتاد، ووجدوا أن بعض التكوينات الكهروضوئية زادت غلة الخس بأكثر من 400% مقارنة بنباتات التحكم غير المظللة.
أظهرت دراسة أخرى عن زراعة اللفت الكهروضوئية أن وحدات تيلوريد الكادميوم شبه الشفافة وألواح السيليكون البلوري منخفضة الشفافية يمكن أن تحسن نمو المحاصيل من خلال تحسين توزيع الضوء وتقليل الإجهاد الحراري.
فحص باحثو الجامعة أيضًا دمج الأنظمة الكهروضوئية في بيئات الزراعة المحمية. في دراسة عن كهربة البيوت المحمية، وجدوا أن وحدات السيليكون البلوري شبه الشفافة يمكن أن تحسن غلة الطماطم بينما ألغت مضخات الحرارة الحاجة إلى التدفئة بالوقود الأحفوري. وأظهر تحقيق منفصل عن الإطارات الباردة الكهروضوئية أن وحدات الكهروضوئية شبه الشفافة المحايدة زادت غلة الخس بنسبة 300% مقارنة بالزراعة في الهواء الطلق، مما يبرز إمكانات الجمع بين توليد الطاقة الشمسية والزراعة في بيئة خاضعة للتحكم.