Headlines

“Agrivoltaic” นวัตกรรมการทำเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์

ปฏิวัติ อ่อนพุทธา
ฝ่ายจัดการความรู้และสร้างความตระหนัก
สถาบันการจัดการเทคโนโลยีและนวัตกรรมเกษตร (สท.)


ปัจจุบันทั่วโลกมีความพยายามอย่างมากในการหาแหล่งพลังงานเพื่อทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล (fossil) ที่เริ่มเหลือน้อยลงและเพื่อยับยั้งการปล่อยก๊าซเรือนกระจก โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (solar farm) เป็นแหล่งพลังงานทางเลือกที่ถูกจับตาว่ามีศักยภาพทดแทนการใชัพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ อย่างไรก็ตาม การเกิดขึ้นของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์อาจรุกคืบพื้นที่การเกษตร ทำให้พื้นที่การเกษตรลดลงได้ จึงมีแนวคิดการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ที่ดินด้วย “ระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์” หรือ agrivoltaic

แนวคิดการใช้พื้นที่การเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์นำเสนอครั้งแรกในวารสารวิชาการ International Journal of Solar Energy เมื่อปี พ.ศ. 2525 โดย อด็อล์ฟ เกิทซ์แบร์เกอร์ (Adolf Goetzberger) และอาร์มีน ซัสโทรฟ  (Armin Zastrow) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน เรียกว่า ระบบ agrophotovoltaic ต่อมาในปี พ.ศ. 2547 ประเทศญี่ปุ่นนำไปพัฒนาและทดสอบใช้งานมากกว่าพันแห่ง โดยเรียกว่า solar sharing และต่อมาในปี พ.ศ. 2554 ระบบนี้รู้จักในชื่อระบบ agrivoltaic มีการใช้งาน 2 ลักษณะ คือ ระบบประยุกต์ใช้พื้นที่ทำการเกษตรร่วมกับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีอยู่แล้ว และระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่ออกแบบให้เหมาะสมต่อการทำเกษตร

ระบบประยุกต์ใช้พื้นที่ทำการเกษตรร่วมกับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีอยู่แล้ว

ปัจจุบันทั่วโลกมีโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งแบบถาวรจำนวนมากและมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้นทุกปี จากข้อมูลพบว่าในปี พ.ศ. 2565 มีโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เพิ่มจากปี พ.ศ. 2561 ประมาณร้อยละ 34 และมีศักยภาพมากพอที่จะประยุกต์ใช้พื้นที่ดังกล่าวร่วมกับการทำเกษตรใน 3 ลักษณะ ได้แก่

  1. ใช้พื้นที่ใต้แผงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อปลูกพืช เหมาะสำหรับพืชที่ต้องการแสงน้อย เช่น ผักกาด มันเทศ มะเขือยาว ถั่วเหลือง ในด้านการผลิตไฟฟ้าพบว่าการปลูกพืชอยู่ใต้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ไม่ส่งผลกระทบต่อการผลิตไฟฟ้า
  2. ใช้พื้นที่ระหว่างแผงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อปลูกพืช เหมาะสำหรับพืชที่ใช้พื้นที่ปลูกน้อย โดยปลูกพืชระหว่างแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งแคบและเป็นพื้นที่สำหรับการดูแลและบำรุงรักษาแผงเซลล์แสงอาทิตย์ การปลูกพืชลักษณะนี้จึงต้องออกแบบพื้นที่เพาะปลูกอย่างเหมาะสมเพื่อไม่ให้รบกวนการดูแลและบำรุงรักษาแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ตัวอย่างการปลูกพืช เช่น ว่านหางจระเข้ เนื่องจากใช้พื้นที่น้อย ไม่กีดขวางการเข้าไปดูแลรักษาและสะดวกต่อการเพาะปลูก นอกจากนี้ที่บริเวณแผงเซลล์แสงอาทิตย์ติดตั้งระบบน้ำเพื่อทำความสะอาดแผง น้ำเหล่านี้จะไหลลงไปรดแปลงว่านห่างจระเข้อีกด้วย ส่วนด้านการลงทุน กรณีศึกษาในประเทศอินเดีย การใช้ระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ในไร่องุ่น ประเมินความคุ้มค่าของการลงทุนมากกว่าการปลูกไร่องุ่นธรรมดา 15 เท่า และคาดการณ์ว่าหากใช้ระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ในไร่องุ่นทั่วประเทศอินเดียจะมีไฟฟ้าเพียงพอสำหรับประชากร 15 ล้านคน
  3. ใช้พื้นที่ใต้แผงเพื่อเลี้ยงสัตว์ ทั้งสัตว์บกและสัตว์น้ำ เช่น การติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ไว้เหนือบ่อเลี้ยงปลาเพื่อให้ร่มเงาช่วยเร่งการเจริญเติบโตของปลาได้ และเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าได้ร้อยละ 30 เนื่องจากน้ำในบ่อที่ระเหยขึ้นมาช่วยลดอุณหภูมิแผงเซลล์แสงอาทิตย์ นอกจากนี้มีการเลี้ยงแกะพื้นที่โรงไฟฟ้าแบบติดตั้งถาวร จากการสังเกตพฤติกรรมของแกะ พบว่าแกะใช้เวลาร้อยละ 70 ในช่วงกลางวัน เข้าไปหลบแดดอยู่ใต้แผงเซลล์แสงอาทิตย์

ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่ออกแบบให้เหมาะสมต่อการทำเกษตร

เป็นระบบที่ได้ประโยชน์มากที่สุด เนื่องจากการผลิตไฟฟ้าและการทำเกษตรย่อมมีปัจจัยความต้องการที่แตกต่างกัน เช่น ความเข้มแสง พื้นที่ ทิศทางการรับแสง ดังนั้นระบบลักษณะนี้จึงออกแบบให้สอดคล้องกับการทำงานของเกษตรกร โดยสร้างสภาพแวดล้อมให้เหมาะสมกับพืชและสัตว์ที่ต้องการผลิต พร้อมทั้งผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ในเวลาเดียวกัน

ตัวอย่างเช่น การทดลองปลูกผักกาดหอม แตงกวา และข้าวสาลี ในประเทศฝรั่งเศสด้วยเงื่อนไขคือ แปลงที่หนึ่งได้รับแสงแดดตามปกติ แปลงที่สองมีแผงเซลล์แสงอาทิตย์บดบังครึ่งแปลง และแปลงที่สามถูกบดบังด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์ทั้งแปลง พบว่าในด้านผลผลิตของทั้งสามแปลงไม่มีความแตกต่างกัน แต่ในด้านสรีรวิทยา พืชในแปลงที่สองและสามมีขนาดใบใหญ่กว่าและการกระจายตัวของใบมากกว่าแปลงที่หนึ่ง

อีกรูปแบบของระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ คือ การติดแผงเซลล์แสงอาทิตย์ไว้บนหลังคาโรงเรือนปลูกพืช มีการทดลองติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ประมาณร้อยละ 20 บนหลังคาโรงเรือน พบว่า ผลผลิตทางการเกษตรแทบไม่มีความแตกต่าง อย่างไรก็ตามการติดแผงเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาโรงเรือนที่มากเกินไปอาจส่งผลกระทบถึงการได้รับแสงของพืชภายในโรงเรือนได้ เช่น การติดตั้งแผงในพื้นที่ร้อยละ 50 ของหลังคาโรงเรือน ส่งผลให้ปริมาณความเข้มแสงในโรงเรือนลดลงมากถึงร้อยละ 64

ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าของระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์

ปัจจัยหนึ่งที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (ชนิดที่เคลือบด้วยอะลูมินัมออกไซด์ (aluminum oxide) และแทนทาลัมเพนท็อกไซด์ (tantalum pentoxide) คือ การลดอุณหภูมิที่แผงลง ผลการจำลองทางคณิตศาสตร์พบว่า การลดอุณหภูมิจาก 2.9–5 องศาเซลเซียส เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าได้ถึงร้อยละ 14–47 ขณะที่การคายน้ำของพืชสามารถลดอุณหภูมิใต้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ได้ 2.8 องศาเซลเซียส ในวันแดดจ้า และ 0.7 องศาเซลเซียส ในวันที่มีเมฆมาก เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าประมาณร้อยละ 1 และ 0.3 ตามลำดับ ทั้งนี้จากผลการทดลองปลูกพืชไว้ที่ใต้แผงเซลล์แสงอาทิตย์พบว่า ลดอุณหภูมิได้ 0.18 องศาเซลเซียส และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพความต่างศักย์ได้ร้อยละ 0.09

แม้ว่าระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์จะได้ประโยชน์ทั้งการผลิตไฟฟ้าและการผลิตอาหาร แต่ปฏิเสธไม่ได้ว่าแสงยังเป็นปัจจัยสำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืช จากการศึกษาพบว่าระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ส่งผลให้ผลผลิตของพืชลดลงตั้งแต่ร้อยละ 4–91 ดังนั้นจึงต้องคัดเลือกพืชให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมและข้อจำกัดของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบถาวร เช่น ความหนาแน่นของแผง ระยะห่าง ความสูงใต้แผง

ผลกระทบจากการใช้ระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์

ด้านพลังงาน การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นหนึ่งในพลังงานทางเลือกที่มีศักยภาพที่ทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ และยังใช้ประโยชน์ในพื้นที่ได้ด้วย เช่น การเกษตร การเลี้ยงสัตว์ การผลิตอาหาร การให้ร่มเงา ความสวยงามเชิงสถาปัตยกรรม

ด้านอาหาร ระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นระบบที่ช่วยบริหารทั้งการผลิตไฟฟ้าและอาหารได้อย่างลงตัว ดังที่เมืองเซินเจิ้น ประเทศจีน สามารถผลิตผักกาดหอมได้มากกว่าความต้องการของท้องถิ่น เป็นแบบอย่างของการสร้างความมั่นคงทั้งด้านอาหารและพลังงาน ทั้งนี้ผู้ประกอบการโรงไฟฟ้าและเกษตรกรต้องมีความเข้าใจที่ตรงกันด้วย

ด้านสิ่งแวดล้อม กิจกรรมภาคการเกษตรปล่อยก๊าซเรือนกระจกประมาณร้อยละ 10–14 ขณะที่การผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 1.5 เมกะวัตต์ ช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้มากถึง 1,549 ตันคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่าต่อปี (tCO2e/year) อาจกล่าวได้ว่า ระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นระบบที่ผลิตได้ทั้งอาหารและไฟฟ้าโดยส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยลง จากการทดลองใช้ระบบดังกล่าวบนทางหลวงชนบทของรัฐโอเรกอน สหรัฐอเมริกา ตลอดระยะทางร้อยละ 86 ของเส้นทางทั้งหมด พบว่าระบบจ่ายไฟฟ้าให้สถานีชาร์จเพียงพอต่อรถไฟฟ้า 673,951 คันต่อปี คิดเทียบเท่ากับการลดคาร์บอนได้ 3.1 ล้านตันต่อปี หรือร้อยละ 21 จากเดิม

ด้านเศรษฐกิจ ระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์สร้างรายได้มากกว่าหนึ่งช่องทาง เช่น การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับการปลูกโหระพาและผักโขม ทำให้มีรายได้เพิ่มจากทั้งการขายไฟฟ้าและผลผลิตทางการเกษตร โดยมีระยะเวลาคืนทุนติดตั้งระบบลดลงได้ประมาณร้อยละ 35 ซึ่งโดยทั่วไปแล้วระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์มีระยะเวลาคืนทุนประมาณ 5–8 ปี ทั้งนี้หากผลักดันให้เกิดระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ได้ในสหรัฐอเมริกา จะเกิดการสร้างงานได้ราว 117,000 งาน ตลอดระยะเวลา 20 ปี

การประเมินผลกระทบเชิงเศรษฐกิจของระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ตั้งแต่ต้นน้ำ กลางน้ำ และปลายน้ำ มีผลต่อผู้มีส่วนได้ส่วนเสีย ดังนี้

การประเมินเศรษฐศาสตร์ต้นน้ำนั้น พบว่าจะสร้างเงินทุนหมุนเวียนให้ผู้ประกอบการโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ ผู้ประกอบการโรงงานผลิตและจัดจำหน่ายแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ผู้ประกอบการด้านเครื่องจักรทางการเกษตร ตลอดจนผู้ผลิต ผู้จัดจำหน่าย และแรงงานที่เกี่ยวข้อง รวมถึงเกษตรกรเจ้าของระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งนอกจากได้ใช้ไฟที่ผลิตจากระบบฯ ยังมีรายได้ที่อาจมาจากการขายคาร์บอนเครดิต (carbon credit) ให้ธุรกิจอื่นเพื่อต้องการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกอีกด้วย

การประเมินเศรษฐศาสตร์กลางน้ำ ผู้ประกอบการ เช่น วิสาหกิจชุมชน โรงงานแปรรูปผลผลิตทางการเกษตร หรือธุรกิจที่เกี่ยวข้อง สามารถซื้อผลผลิตทางการเกษตรไปใช้แปรรูปหรือสร้างมูลค่าเพิ่ม สร้างรายได้ และสร้างงาน โดยเฉพาะในธุรกิจแปรรูปอาหารที่สร้างผลกระทบไปยังธุรกิจบรรจุภัณฑ์ ธุรกิจเคมีเกษตร ธุรกิจการบำรุงรักษาระบบการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น

การประเมินเศรษฐศาสตร์ปลายน้ำ ประกอบด้วย สมาชิกชุมชน ผู้บริโภค ร้านอาหาร ศูนย์กระจายสินค้า การไฟฟ้า และภาคการขนส่ง กระตุ้นให้เกิดการหมุนเวียนของกระแสเงินสดในชุมชน

ด้านสังคม ผลกระทบทางตรงคือ ความมั่นคงด้านพลังงานและอาหารในชุมชน ผลกระทบทางอ้อมได้แก่ การสร้างงานสร้างอาชีพและสร้างทักษะด้านต่าง ๆ เพื่อพัฒนาบุคลากรเป็นผู้ประกอบการหรือผู้ผลิตระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์และธุรกิจที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้ยังเพิ่มปริมาณการผลิตพลังงานทดแทนและอาหารให้ยั่งยืน ตลอดจนเป็นส่วนหนึ่งที่ลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก สร้างสิ่งแวดล้อมที่ดีให้สังคม

อนาคตของระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์

แม้ปัจจุบันหลายประเทศสนใจระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ โดยส่วนใหญ่อยู่ระหว่างศึกษาทดลองและประเมินความคุ้มค่าในการลงทุน อย่างไรก็ตามการพัฒนาระบบฯ ให้ได้ประโยชน์มากที่สุดจะต้องศึกษาปัจจัยที่เกี่ยวข้อง เช่น การเลือกพืชที่เหมาะสมกับสภาพอากาศที่แตกต่างกัน การวางแผนการปลูก รวมไปถึงการศึกษาวัสดุและโครงสร้างของระบบฯ เนื่องจากการรดน้ำพืชอาจกัดกร่อนโครงสร้างให้มีอายุใช้งานน้อยลง และสิ่งสำคัญที่สุดคือควรได้รับการสนับสนุนในเชิงนโยบายจากภาครัฐอย่างเหมาะสม

สำหรับประเทศไทย ปัญหาพื้นที่การเกษตรไม่เพียงพออาจยังไม่ถึงขั้นวิกฤตในอนาคตอันใกล้ การติดตั้งระบบการเกษตรร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์จึงยังเป็นเพียงระดับการทดลองเพื่อศึกษาความคุ้มค่าการลงทุน ก่อนพัฒนาไปใช้งานจริงในแปลงเกษตรกรหรือกับผู้ประกอบการโรงไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งหากคุ้มค่ากับการลงทุน ก็นับว่าเป็นทางเลือกใหม่ที่น่าสนใจ ที่จะช่วยยกระดับการทำเกษตรสู่ความยั่งยืน ช่วยเพิ่มคุณภาพชีวิตเกษตรกรไทยไปพร้อม ๆ กับการรักษาสิ่งแวดล้อม

ขอขอบคุณงานวิจัยต้นฉบับและการตรวจสอบเนื้อหา โดย ผศ. ดร.สุรชัย ณรัฐ จันทร์ศรี วิทยาลัยพัฒนาเศรษฐกิจและเทคโนโลยีชุมชนแห่งเอเชีย มหาวิทยาลัยราชภัฏเชียงใหม่


แหล่งข้อมูลอ้างอิง :

  • บทความ: Current status of agrivoltaic systems and their benefits to energy food environment economy and society
  • นิตยสาร: Sustainable Production and Consumption 33 (2022) 952–963

About Author