فوائد وتحديات استخدام المزارع الشمسية في المواقع الزراعية المشتركة

ما هو التعايش الزراعي ولماذا يهم؟

إن منشآت الطاقة الشمسية تتوسع بسرعة في جميع أنحاء العالم، ولكن الأرض التي تشغلها كثيرا ما تتنافس مع الزراعة التقليدية، كما أن المشاركة الزراعية - التي تسمى أيضا الزراعة الزراعية - هي استراتيجية لاستخدام الأراضي تضع الألواح الشمسية في الأراضي الزراعية النشطة، وتتيح للمحاصيل أو الماشية أو الموائل الملوثة أن تتعايش مع توليد الطاقة، ويمكن أن يساعد هذا النهج المزدوج في معالجة الطلب المتزايد على كل من الطاقة المتجددة وإنتاج الأغذية، ولا سيما في المناطق التي يُعد فيها المزارعون هدفا لاختيار الأرض.

الفوائد الرئيسية للثقافة الشمسية - الزراعية

وعندما تنفذ النظم الزراعية بطريقة مدروسة، فإنها توفر مجموعة من المزايا الاقتصادية والبيئية والتشغيلية، وندرس الفوائد الأولية بالتفصيل.

الاستخدام المزدوج للأراضي وزيادة الإيرادات

وتتمثل الفائدة الأكثر وضوحاً من التشارك في المواقع في القدرة على توليد مجاري دخل من بطن واحد من الأرض، ويمكن للمزارعين أن يواصلوا زراعة المحاصيل أو تربية الماشية مع تأجير أجزاء من أراضيهم لمطوري الطاقة الشمسية أو امتلاك التركيب الشمسي أنفسهم، ويمكن أن يوفر الإيجار من المشاريع الشمسية مصدراً مستقراً طويل الأجل يسمح بخفض أسعار السلع الأساسية أو إخفاقات المحاصيل، وفي بعض الحالات، يستطيع المزارعون أيضاً أن يبيعوا المزيد من الكهرباء إلى الوراء.

حماية الطقس وإدارة الكائنات الدقيقة

ويمكن أن تكون الألواح الشمسية التي ترتفع مساحتها إلى عدة أمتار فوق الأرض بمثابة وعاء وقائي للمحاصيل، وهي تُدرِّب النباتات من ضوء الشمس الشديد أثناء الموجات الحرارية، وتُحدِّد الأضرار الناجمة عن الهش والأمطار الثقيلة، بل ويمكن أن تخفف من حدة هذه الطقوس من خلال تدفُّق حرارة الأرض في الليل، وفي المناطق القاحلة وشبه القاحلة، تخفض درجة حرارة في التربة وتبطأ، مما يساعد المحاصيل على الحفاظ على غلة في الحفاظ على المحاصيل في محاصيل الصيفية عالية مقارنة بواقع 60 من المناطق التي تظهر فيها البحوث التي تُر.

المياه

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي النظم الزراعية الفولطية إلى خفض الطلب على مياه الري بدرجة كبيرة، إذ أن الظل الذي تُلقيه الألواح الشمسية يقلل من التبخر من التربة ويقلل من التحول من النباتات، كما أن تحليل المياه الجوفية الذي تم توزيعه في عام 2023 في مناطق الحافظات المائية الداخلية، يمكن أن يُنتج عن ذلك الاكتفاء بمياه الأمطار في منطقة كاليفورنيا.

توسيع الطاقة المتجددة دون نزاعات في استخدام الأراضي

وكثيرا ما تواجه المزارع الشمسية الكبيرة معارضة من المجتمعات الريفية التي تقلقها فقدان الأراضي الزراعية الرئيسية، ومن خلال إثبات أن الطاقة والزراعة يمكن أن تتعايش، تساعد المزارع على التغلب على المنازعات التي تدور وتعجل بالانتقال إلى الكهرباء النظيفة، ويقدر مختبر الطاقة المتجددة الوطني أن التشارك في المواقع على ١ في المائة فقط من الأراضي الزراعية في الولايات المتحدة يمكن أن يولد قدرا كافيا من الكهرباء لتوليد الطاقة في القطاع السكني في البلد بأسره.

خفض الانبعاثات الكربونية

فكل ساعة من الكهرباء الشمسية تنتج عن تحلل توليد الوقود الأحفوري وما يرتبط به من انبعاثات غازات الدفيئة، ولأن النظم الزراعية الفلاحية تحافظ على الإنتاجية الزراعية، فإنها تتجنب انبعاثات تغير استخدام الأراضي غير المباشرة التي يمكن أن تنتج عن تحويل الأراضي الزراعية كليا إلى الطاقة الشمسية، وتظهر تقييمات دورة الحياة أن النظم المشتركة للأغذية والطاقة يمكن أن تكون لها آثار كربونية أصغر لكل وحدة من الأراضي مقارنة بمنتجات الزراعة والكربون الشمسية المنفصلة.

التحديات والمخاطر التي تواجه التعايش الزراعي

وعلى الرغم من وعدها، فإن الازدحام الزراعي ليس حلاً ذا طابع واحد يناسب الجميع، إذ يجب على المزارعين والمطورين وصناع السياسات أن يتصدوا لعدة تحديات كبيرة لجعل المشاركة في المواقع قابلة للتطبيق على نطاق واسع.

التكاليف الرأسمالية العليا

ويكلف تركيب نظام شمسي مزدوج الاستخدام عادة ما يتراوح بين 10 و30 في المائة أكثر من مجموعة موحدة مجهزة بالأرض، وينجم ارتفاع التكلفة عن الحاجة إلى هياكل متصاعدة أطول (لإتاحة الفرصة أمام الآلات الزراعية للتمرير) وفترة زمنية أوسع (لتجنب التظليل المفرط)، وطول الأسلاك التي تتميز بالمعدات الزراعية، ولا تزال نظم التعقب الخفيف الخفيف تشكل أسعاراً في السوق.

تعقيد إدارة الأراضي

فالعمل على نطاق شمسي في حين تتطلب الزراعة تنسيقا دقيقا للعديد من الأنشطة: فالزراعة والتخمير والري والتربية والحصاد يجب أن تتفادى كلها تدمير المعدات الشمسية، ويمكن أن يتداخل تنظيف وصيانة الفريق مع دورات المحاصيل، كما أن النباتات التي تنمو بطولها إلى حد بعيد بالقرب من الألواح قد تعرقل ضوء الشمس وتخفض إنتاج الطاقة، وتتطلب بعض المحاصيل أنماطاً معدَّلة من الزراعة أو معدات محصولة متخصصة تناسب بين أضرار الأنهار.

إمكانية استخدام المحاصيل المتغيرة

ولا تستجيب جميع المحاصيل بشكل جيد للظل الجزئي الذي أنشأته الألواح الشمسية، إذ أن الخضار الخضارية والخضروات الجذرية والعديد من البقالات يمكن أن تتسامح أو حتى تستفيد من انخفاض الضوء، غير أن المحاصيل المحبة للشمس مثل الذرة والقطن ومعظم الحبوب والكثير من أشجار الفواكه تعاني من خسائر في ظل التظليل الثقيل.

الحواجز التنظيمية والتام

ولا تُكتب قوانين التزود بالزراعة، وتصاريح البناء، وسياسات الحماية الزراعية - البرية، مع مراعاة التقاسم، وفي العديد من الولايات، تُعاد تصنيف الأراضي المستخدمة في المنشآت الشمسية من " الزراعة " إلى " الصناعة " ، مما يؤدي إلى ارتفاع الضرائب على الممتلكات ويقيّد الاستخدامات الزراعية في المستقبل، وقد تكون عمليات الربط بين الشبكات بطيئة، وكثيرا ما تحد قواعد القياس الصافي من كمية الكهرباء التي يمكن أن يغذيها المزارع في عمليات التقييم البيئي للشبكة.

القيود التكنولوجية والتسميات

أما معظم الألواح الشمسية المتخلفة عن الركب والمتحولات غير المفضّلة، فهي لا تُؤدّى إلى التمركز، فاللوحات الثابتة ذات الغواصات تُلقي بظلال تتحرك مع مرور الشمس، وتخلق أنماطاً ضوئية دينامية يمكن أن تضغط على النباتات، وقد تبرز في المستقبل تصميمات جديدة، مثل الألواح المكوّنة الرأسية التي تسمح بمرور الضوء إلى كلا الجانبين، ولكنها لم تنشر بعد على نطاق واسع.

تصميمات وتكنولوجيات النظام الزراعي

ومع نضج الحقل الفولطي الزراعي، برزت عدة تصميمات مميزة للنظام، كل منها يناسب مختلف المحاصيل والمناخ والممارسات الزراعية.

Elevated Fixed —Tilt Arrays

وتتكون الأفرقة من أرفف مرتفعة، حيث تبلغ مسيرة المسافات بين الأرض ٨ و ١٥ قدما، مع إطفاء مسدود واسع )٢٠-٣٠ قدما( للسماح لضوء الشمس بالوصول إلى المحاصيل بين الصفوف، وهذا التصميم يعمل جيدا على المحاصيل التي يمكن أن تزدهر في شكل جزئي - مثل الخس والسبانخ والأعشاب - وعلى أن تحافظ على الرعي في الماشية تحت الألواح.

فريقاً بيانياً ثنائياً

وقد تم تركيب لوحات شمسية ذات جانبين عموديا )مثل السياج( ذات التوجه الشرقي الغربي، ويتيح هذا التصميم للمحاصيل تلقي ضوء الشمس الكامل على جانبي الفريق خلال ساعات الصباح والبعد الظهر، بينما يبقى الفريق نفسه هادئا )كفاءة ارتقاء( وتشغل الصفوف العمودية مساحة أرضية ضئيلة ويمكن إدماجها في الحواف الميدانية أو بين صفوف المحاصيل، وهي مناسبة بصفة خاصة للمناطق التي تهبط فيها الطاقة إلى أدنى من حيث أنها توفر مقاومة الرياح.

نظم تعقب مُتاحة للاستخدام المزدوج

ويمكن برمجة أجهزة تتبع ذات فتحات وحيدة - مثلاً، لأجهزة القذف في منتصف ساعات الذروة من الشمس، لترك المحاصيل الخفيفة تصل إلى ذروتها، ثم تعود إلى تناول الشمس بعد الظهر، وتدمج خوارزميات التحكم الذكية التنبؤات الجوية والمتطلبات الخفيفة من المحاصيل في التوازن بين إنتاج الكهرباء ونمو النباتات، وهذه النظم أكثر تكلفة ومعقدة ميكانيكياً، ولكنها يمكن أن تحقق أقصى قدر من الغلة.

Agrivoltaic Greenhouses and High Tunnels

ويمكن لأسطح غازات الدفيئة شبه الشفافة أو المظللة جزئياً أن تدمج الخلايا الفولطية الضوئية، وتولد الكهرباء، مع حماية المحاصيل ذات القيمة العالية مثل الطماطم أو الكم أو التوربات، والتكنولوجيات الجديدة " المسببة للتوتر الشمسي " التي تستخدم الصبغة أو النقط الكمي لاستيعاب الموجات المحددة (مثل المركب والزرق) وتحويلها إلى الكهرباء مع السماح بالابتكارات الخفية.

أمثلة عالمية حقيقية ودراسات حالة

وقد انتقلت بالفعل الفولطية الزراعية من قطع الأرض البحثية إلى المزارع التجارية، وهناك بعض المشاريع البارزة:

• Jack’s Solar Garden (Colorado, USA)] - A 1.2 -MW صفيفة في 5 فدان تستضيف الخضروات والعشب وموئل الملوث، ويتعاون المشروع مع فريق البحوث الزراعية الزراعية التابع لجامعة أريزونا ويبيع الكهرباء إلى مرفق محلي.
• مشروع برافوتيات (ألمانيا) - صفيفة من طراز 3 -MW مرتفع طولها 5 أمتار وفصلها 18 متراً، تستخدم في القمح والبارلي، وتشير النتائج المبكرة إلى أن الدخل المشترك للطاقة في شكل عواصم أعلى من استخدام الأراضي وحده، وإن انخفضت غلات الحبوب الصغيرة بنسبة 15 في المائة في إطار الألواح.
• (Solar Sheep Grazing (California and Texas, USA)] - مئات من مرق الخراف تحت المزارع الشمسية ذات النطاق الكمالي، والسيطرة على الغطاء النباتي بدون مطاعم أو مبيدات الأعشاب، وبينما لا تصمم الصفوف الشمسية خصيصا للمحاصيل، يبين هذا النموذج أن الماشية تستخدم حالياً مصانعاً للزراعة مثل Sepiliraz.

These cases highlights that site-specific design and crop selection are critical. What works for leafy greens in Colorado may not suit cereal grains in Germany. The growing body of empirical data from research institutions such as the National Renewable Energy Laboratory] and the Department of Agriculture best practices

-القابلية الاقتصادية: هل يمكن أن يدفع الزرفولطية؟

وتتوقف الحالة المالية المتعلقة بالتحلل المشترك على أسعار الكهرباء المحلية، وقيم المحاصيل، والإعانات، وتكاليف النظام. وقد يؤدي تحليل عام 2023 من جانب جامعة ويسكنسن - ماديسون إلى أن نظاماً زراعياً مرتفعاً يستضيف خضراً مقاوماً للزراعة يمكن أن يحقق قيمة صافية من حيث القيمة الحالية على مدى 25 عاماً، شريطة أن تباع الكهرباء بأسعار فائدة مبدئية لا تقل عن 806 في المائة من دولارات الولايات المتحدة.

الاعتبارات المتعلقة بالسياسات والتنظيم

ولفتح المجال الزراعي على نطاق واسع، يتعين على الحكومات أن تكيف السياسات، وتشمل آليات الإعلان ما يلي:

• Dual —Use Solar Incentives:] Several U.S. states now offer instalment payments for solar projects that maintain agricultural production underneath. Massachusetts, New York, and California have launched pilot programs with specific requirements for panel altitude, ground-cover, and crop diversity.
• ]Property Tax Exemptions:] Keeping what is farmland in the eyes of tax authorities — rather than reclassifying it as commercial solar - helps maintain affordable land valuations for farmers.
• Streamlined Permitting:] Creating a single “agrivoltaic” permit category that satisfyisfies both energy and agricultural regulations reduces delays.
• Research Funding:] Continued investment in agrivoltaic Ramp;D, such as through the ]U.S. Department of Energy Solar Energy Technologies Office, is needed to develop lowcost equipment and share best practices.

وقد قامت بلدان أوروبية مثل ألمانيا وفرنسا وهولندا بالفعل بإدخال أطر تنظيمية تحدد الفولطية الزراعية وتحدد الظروف التي يمكن للمزارعين أن يواصلوا في ظلها الحصول على إعانات مشتركة للسياسة الزراعية، وتشير " استراتيجية التصدير " التي وضعها الاتحاد الأوروبي صراحة إلى التكامل الزراعي - الساحلي كوسيلة لتحقيق الزراعة المحايدة للمناخ.

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

أما الفولطية الزراعية فهي لا تزال تشكل مجالاً صغيراً، ولكن المسار واعداً، وقد بدأت برامج توالد كليتيفار تختار مسارات تؤدي إلى حد كبير تحت ظل ظل جزئي، حيث يمكن للمهندسين أن يختبروا محاصيل فوتاتوغرافية وورقات كربونية متحركة ذاتية، وتبث الضوء الاصطناعي الاصطناعي مع امتصاص مسارات أخرى.

وبطبيعة الحال، لا تزال هناك تحديات، إذ يتطلب التوسع في استخدام المواد الغذائية الزراعية الاستثمار في الهياكل الأساسية للشبكات، لا سيما في المناطق الريفية التي تبنى فيها العديد من المزارع الشمسية، ويحتاج المزارعون ومالكو الأراضي إلى الحصول على مساعدة تقنية غير متحيزة لتقييم فرص التقاسم دون أن يضربها المطورون من الطاقة الشمسية، وقد يغير تغير المناخ نفسه الشكل الأمثل للمحاصيل - البنفسج بطرق لا يمكن التنبؤ بها بعد.

الاستنتاج: مسار متوازن نحو الأمام

إن المزارع الشمسية، التي تقترن بالزراعة، توفر رؤية قاهرة لمشهد متعدد الوظائف، ويمكنها حماية المحاصيل من الطقس المتطرف، وإنقاذ المياه، وتوليد الكهرباء النظيفة، وتوفير دخل متنوع للمزارعين، ولكن الطريق إلى الاعتماد الواسع النطاق مهيأ بعقبات تقنية ومالية وتنظيمية حقيقية، وليس كل مزرعة مناسبة للألواح الشمسية، وليس كل مطور للطاقة الشمسية مستعد للعمل حول دورات الزراعة.