California phủ pin mặt trời lên kênh đào: Giải pháp “hai trong một” cho bài toán nước và năng lượng

Giữa những cánh đồng nông nghiệp rộng lớn của California, một thử nghiệm năng lượng đặc biệt đang mở ra một hướng tiếp cận mới cho hai vấn đề vốn ngày càng cấp bách: thiếu nước và nhu cầu phát triển năng lượng sạch.

Thay vì tiếp tục tìm thêm những vùng đất mới để xây dựng các trang trại điện mặt trời, các nhà nghiên cứu đang thử đưa những tấm pin lên phía trên các kênh đào tưới tiêu đang hoạt động. Ý tưởng này nghe có vẻ đơn giản: dùng bóng râm của các tấm pin để hạn chế nước bốc hơi, đồng thời tận dụng chính không gian phía trên kênh để phát điện.

Tại Turlock, ở khu vực Central Valley, dự án mang tên Project Nexus đang cung cấp những dữ liệu thực tế đầu tiên về cách mô hình này hoạt động ngoài phòng thí nghiệm. Những kết quả ban đầu cho thấy hệ thống có thể mang lại nhiều lợi ích cùng lúc, từ tiết kiệm nước, sản xuất điện cho đến hạn chế rong tảo và giảm áp lực sử dụng đất. Tuy nhiên, dự án cũng cho thấy rằng không phải mọi kênh đào đều phù hợp với cách làm này.

Một ý tưởng xuất phát từ vấn đề nước bốc hơi

California sở hữu một trong những hệ thống kênh và đường dẫn nước rộng lớn nhất nước Mỹ. Những tuyến kênh này vận chuyển nước từ các nguồn cung cấp đến các thành phố và vùng nông nghiệp, đặc biệt là khu vực Central Valley, nơi hoạt động sản xuất nông nghiệp phụ thuộc rất lớn vào nguồn nước được dẫn qua các hệ thống nhân tạo.

Nhưng trong một bang thường xuyên phải đối mặt với hạn hán và nhiệt độ cao, việc để nước nằm ngoài trời trong những kênh bê tông cũng đồng nghĩa với việc một phần nguồn nước quý giá sẽ bị mất do bay hơi.

Jordan Harris, một trong những người thúc đẩy ý tưởng solar canal, từng nhận thấy hiện tượng này khi di chuyển qua California. Ông nhớ đến những con kênh ở Pháp được bao quanh bởi cây cối, giúp hạn chế tác động của ánh nắng và gió lên mặt nước. Từ đó xuất hiện câu hỏi: nếu cây xanh có thể tạo bóng râm cho kênh, liệu các tấm pin mặt trời có thể làm điều tương tự nhưng đồng thời tạo ra điện hay không?

Ý tưởng này đặc biệt đáng chú ý trong bối cảnh California vừa phải bảo vệ nguồn nước, vừa mở rộng năng lượng tái tạo. Theo KQED, nghiên cứu của UC Davis ước tính nguồn cung nước của California có thể giảm tới 25% vào năm 2050, một phần do nhiệt độ tăng lên dưới tác động của biến đổi khí hậu. Trong khi đó, bang đang hướng tới mục tiêu sử dụng 100% điện sạch vào năm 2045.

Project Nexus biến kênh đào thành “nhà máy điện”

Để kiểm chứng ý tưởng trên thực tế, Solar AquaGrid đã hợp tác với Turlock Irrigation District, UC Merced và California Department of Water Resources để xây dựng Project Nexus.

Dự án không đơn giản chỉ đặt vài tấm pin lên một con kênh. Các nhà nghiên cứu thiết kế nhiều mô hình khác nhau nhằm tìm hiểu kiểu cấu trúc nào phù hợp với những điều kiện thực tế khác nhau.

Một hệ thống sử dụng mái che có khẩu độ rộng, vươn qua một con kênh rộng khoảng 115 feet, tương đương gần 35 mét. Một mô hình khác sử dụng các tấm pin nghiêng đặt trên một kênh rộng khoảng 20 feet. Ngoài ra còn có hệ thống các tấm pin có thể thu gọn, phù hợp với những kênh hẹp hơn và có yêu cầu đặc biệt về bảo trì.

Cách tiếp cận này cho phép nhóm nghiên cứu không chỉ đặt câu hỏi “có thể làm hay không”, mà còn tìm hiểu làm thế nào để thiết kế hệ thống phù hợp với từng loại kênh.

Project Nexus được hoàn thiện và đưa vào vận hành trước đó, sau đó tiếp tục được sử dụng như một phòng thí nghiệm ngoài trời. Các cảm biến được bố trí để đo nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, bức xạ mặt trời và lượng nước bốc hơi. Nhóm nghiên cứu cũng theo dõi sự phát triển của rong và cỏ thủy sinh trong những khu vực có bóng râm.

Bóng râm từ pin mặt trời giúp giữ lại nước

Một trong những câu hỏi quan trọng nhất của Project Nexus là liệu việc che phủ mặt nước có thực sự tạo ra lượng nước tiết kiệm đáng kể hay không.

Những kết quả ban đầu từ nhóm nghiên cứu UC Merced cho thấy câu trả lời là có. Theo UC Merced, các khu vực kênh được che phủ ghi nhận mức giảm lượng nước bốc hơi lên tới khoảng 70%, đồng thời lượng cỏ thủy sinh giảm tới khoảng 85%.

Những con số này đặc biệt đáng chú ý bởi hiệu quả không đến từ một hệ thống xử lý nước phức tạp. Nó đến từ một thay đổi tương đối trực tiếp: giảm lượng ánh nắng chiếu xuống mặt nước.

Trong điều kiện nóng và khô, sự khác biệt giữa một đoạn kênh có bóng râm và một đoạn kênh phơi trực tiếp dưới ánh nắng có thể nhìn thấy khá rõ. Các nhà nghiên cứu thậm chí quan sát được sự khác biệt về lượng rong phát triển ở những khu vực được che bóng.

Điều này cũng có thể giúp giảm công việc bảo trì. Khi ánh sáng bị hạn chế, rong và cỏ thủy sinh phát triển ít hơn, đồng nghĩa với việc các đơn vị quản lý có thể giảm một phần công sức và chi phí xử lý chúng.

Không chỉ tiết kiệm nước, hệ thống còn tạo ra điện

Lợi ích thứ hai của mô hình này nằm ở chính những tấm pin phía trên kênh.

Thay vì xây dựng một trang trại điện mặt trời mới trên đất nông nghiệp hoặc đất tự nhiên, các nhà phát triển có thể tận dụng không gian vốn đã bị biến đổi bởi hạ tầng thủy lợi.

Roger Bales, giáo sư tại UC Merced và là một trong những nhà nghiên cứu đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển ý tưởng, từng ước tính rằng nếu phủ pin mặt trời lên 100 dặm kênh hẹp của Turlock, lượng nước tiết kiệm được có thể tương đương nhu cầu của khoảng 2.700 hộ gia đình mỗi năm.

Đối với 100 dặm kênh rộng, con số ước tính có thể tương đương khoảng 11.000 hộ gia đình.

Về sản lượng điện, các tính toán ban đầu cho thấy 100 dặm kênh có thể tạo ra khoảng 330 đến 1.400 megawatt, tùy thuộc vào loại và kích thước kênh. Quy mô này về lý thuyết có thể cung cấp điện cho khoảng 77.000 đến 304.000 hộ gia đình. Đây là những ước tính tiềm năng cho quy mô lớn, không phải sản lượng của riêng dự án thí điểm hiện tại.

Project Nexus hiện chỉ tạo ra khoảng 1,7 megawatt, khá nhỏ so với một trang trại điện mặt trời trong khu vực có công suất khoảng 56 megawatt. Vì vậy, giá trị lớn nhất của dự án ở thời điểm này nằm ở dữ liệu mà nó cung cấp hơn là lượng điện sản xuất thực tế.

California có thể tiết kiệm đất bằng cách sử dụng hạ tầng có sẵn

Một lợi ích khác ít được chú ý hơn nhưng có thể rất quan trọng trong dài hạn là tiết kiệm đất.

Mở rộng điện mặt trời trên quy mô lớn đòi hỏi rất nhiều diện tích. Nếu các dự án mới được xây dựng trên đất tự nhiên hoặc đất nông nghiệp, chúng có thể tạo ra những tranh luận về việc sử dụng đất, môi trường sống và hoạt động sản xuất nông nghiệp.

Solar canal đưa ra một lựa chọn khác: thay vì tìm một khu đất mới, hãy đặt hệ thống năng lượng lên trên một công trình đã tồn tại.

Trong trường hợp này, kênh đào vẫn tiếp tục thực hiện nhiệm vụ vận chuyển nước, trong khi phần không gian phía trên được sử dụng để sản xuất điện.

Đây chính là lý do các nhà nghiên cứu gọi ý tưởng này là một dạng “triple win” — cùng lúc hướng tới nước, năng lượng và đất đai. UC Merced cho biết một nghiên cứu trước đó ước tính nếu toàn bộ khoảng 4.000 dặm kênh hở của California được phủ pin, về lý thuyết hệ thống có thể tạo đủ điện cho khoảng 2 triệu hộ gia đình mỗi năm và tiết kiệm lượng nước tương đương nhu cầu của tới 2 triệu hộ. Tuy nhiên, trường đại học cũng nhấn mạnh rằng không phải tất cả các kênh đều phù hợp để triển khai.

Nhưng phủ pin lên kênh đào không phải chuyện đơn giản

Điểm quan trọng nhất mà Project Nexus đang cho thấy là một ý tưởng có vẻ hợp lý trên giấy vẫn có thể trở nên phức tạp khi đưa vào hệ thống hạ tầng thực tế.

California có rất nhiều loại kênh khác nhau. Có những kênh hẹp, có kênh rộng hàng chục mét, có kênh bê tông và cũng có những kênh đất. Chúng lại được quản lý bởi nhiều cơ quan khác nhau ở cấp bang, liên bang, địa phương hoặc các khu thủy lợi.

Việc xây dựng hệ thống pin còn liên quan đến quyền sử dụng đất, kết nối lưới điện, bảo trì kênh, giao thông của phương tiện kỹ thuật và vấn đề an toàn.

Tại Turlock, các tấm pin được nâng cao đáng kể vì nhân viên phải sử dụng thiết bị để vệ sinh và loại bỏ cỏ thủy sinh trong kênh. Một số thiết kế đặt pin thấp hơn có thể gây khó khăn cho hoạt động bảo trì.

Điều này cho thấy không thể đơn giản lấy một mô hình từ nơi này rồi sao chép sang nơi khác.

Một số khu vực có thể cần giải pháp hoàn toàn khác

Contra Costa County là một ví dụ điển hình.

Hệ thống kênh tại đây được xây dựng từ nhiều thập niên trước, khi khu vực còn mang đặc điểm nông nghiệp rõ rệt. Nhưng ngày nay, nhiều đoạn kênh chạy qua khu dân cư, sân sau của các ngôi nhà và công viên công cộng.

Trong hoàn cảnh đó, việc dựng một mái pin mặt trời lớn phía trên kênh có thể gây thêm vấn đề về tiếp cận và bảo trì. Nhân viên quản lý phải có đủ không gian để tiếp cận công trình, trong khi khu vực đô thị lại có những rủi ro khác như xe cộ, người hoặc động vật rơi xuống kênh.

Vì vậy, Contra Costa Water District đang xem xét một hướng tiếp cận khác: đưa một số tuyến kênh vào đường ống để giảm tổn thất do bay hơi.

Hai ví dụ Turlock và Contra Costa cho thấy một bài học quan trọng: không tồn tại một giải pháp duy nhất cho toàn bộ hệ thống kênh đào của California.

Thách thức lớn tiếp theo là chi phí và hạ tầng điện

Ngay cả khi các tấm pin có thể giảm bay hơi và tạo ra điện, dự án vẫn phải trả lời một câu hỏi rất thực tế: chi phí xây dựng và vận hành có tương xứng với lợi ích hay không?

Một trong những khoản khó khăn nhất có thể nằm ở việc kết nối điện với lưới. Hệ thống pin không chỉ cần được lắp đặt mà còn phải đưa điện đến nơi có thể sử dụng. Trong nhiều trường hợp, việc xây dựng hạ tầng truyền tải và kết nối với hệ thống điện có thể trở thành phần đáng kể của tổng chi phí.

Ngoài ra còn có chi phí thiết kế kết cấu, bảo trì, vệ sinh tấm pin, sửa chữa kênh, đảm bảo an toàn và phối hợp giữa nhiều cơ quan.

Đó là lý do California chưa vội coi Project Nexus là mô hình có thể triển khai đại trà ngay lập tức. Bộ Tài nguyên Nước California cho biết bang đang chờ báo cáo cuối cùng để đánh giá các kết quả trước khi quyết định bước tiếp theo.

Project Nexus thực chất là một phòng thí nghiệm ngoài trời

Nhìn từ bên ngoài, những tấm pin lớn phủ trên kênh đào có thể giống như một dự án năng lượng mặt trời thông thường. Nhưng về bản chất, Project Nexus đang đóng vai trò như một phòng thí nghiệm ngoài trời quy mô thực tế.

Các nhà khoa học không chỉ quan tâm đến số kilowatt-giờ điện được tạo ra. Họ còn muốn biết nhiệt độ dưới mái pin thay đổi như thế nào, lượng nước bốc hơi giảm bao nhiêu, rong phát triển ra sao, thiết bị bảo trì hoạt động thế nào và cấu trúc pin ảnh hưởng đến hoạt động của kênh ra sao.

Những dữ liệu đó rất quan trọng nếu California muốn chuyển từ một dự án thử nghiệm nhỏ sang những dự án lớn hơn.

Theo UC Merced, một sáng kiến nghiên cứu rộng hơn mang tên California Solar Canal Initiative đang hướng tới việc xác định những vị trí phù hợp, nghiên cứu điều kiện kỹ thuật và làm việc với các cơ quan quản lý nước, đất đai cũng như cộng đồng địa phương để tìm ra những nơi có thể triển khai mô hình này.

Không phải “phủ pin lên mọi con kênh”

Bài học quan trọng nhất từ California có lẽ không phải là tất cả các kênh đào đều nên được phủ pin mặt trời.

Ngược lại, nghiên cứu đang hướng tới một câu hỏi chính xác hơn: kênh nào phù hợp nhất, kiểu thiết kế nào phù hợp nhất và lợi ích có đủ lớn để biện minh cho chi phí hay không?

Một con kênh nằm giữa vùng nông nghiệp, có diện tích mặt nước lớn, ít công trình xung quanh và có sẵn khả năng kết nối điện có thể mang lại những điều kiện rất khác so với một con kênh chạy giữa khu dân cư.

Ngay cả vấn đề bảo trì cũng có thể quyết định thiết kế. Tại Turlock, hệ thống phải được nâng cao để các thiết bị vệ sinh và loại bỏ cỏ có thể hoạt động. Ở một nơi khác, thiết kế thấp hơn hoặc có thể thu gọn có thể phù hợp hơn.

Vì vậy, tương lai của solar canal có thể không phải là một mẫu thiết kế duy nhất được nhân rộng trên toàn bang, mà là một tập hợp các giải pháp được điều chỉnh theo từng loại hạ tầng.

Một mô hình có thể trở nên quan trọng khi California ngày càng nóng và khô

California đang đứng trước một bài toán ngày càng phức tạp. Bang cần nhiều điện sạch hơn để giảm phát thải, nhưng đồng thời phải bảo vệ nguồn nước và hạn chế việc chuyển đổi đất tự nhiên hoặc đất nông nghiệp cho các dự án năng lượng.

Solar canal không thể giải quyết toàn bộ những vấn đề đó. Tuy nhiên, nó đưa ra một cách suy nghĩ đáng chú ý: thay vì luôn xây dựng thêm hạ tầng mới, có thể tìm cách khiến những công trình đang tồn tại thực hiện nhiều chức năng hơn.

Một con kênh vốn chỉ có nhiệm vụ vận chuyển nước có thể đồng thời trở thành nơi sản xuất điện. Tấm pin vốn chỉ có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng để phát điện lại có thể tạo bóng râm, giúp giảm bay hơi và hạn chế sự phát triển của rong.

Đó là lý do Project Nexus được theo dõi không chỉ bởi ngành năng lượng mặt trời mà còn bởi các nhà quản lý nước, nhà nghiên cứu môi trường và những người quan tâm đến việc sử dụng đất.

California vẫn đang chờ câu trả lời cuối cùng

Project Nexus đã chứng minh rằng việc đặt các tấm pin mặt trời phía trên một hệ thống kênh tưới tiêu đang hoạt động là khả thi. Những kết quả ban đầu cũng cho thấy tiềm năng giảm bay hơi, hạn chế rong và tạo ra điện sạch.

Nhưng câu hỏi lớn hơn vẫn chưa được trả lời hoàn toàn: mô hình này có thể mở rộng với chi phí hợp lý đến đâu?

California dự kiến công bố báo cáo cuối cùng của dự án trong năm nay. Báo cáo sẽ giúp các cơ quan chức năng đánh giá sâu hơn về hiệu quả, chi phí, khả năng bảo trì và những điều kiện cần thiết để triển khai các dự án tương tự trong tương lai.

Nếu các kết quả cuối cùng tiếp tục cho thấy những lợi ích đáng kể, những mái pin mặt trời trên kênh đào có thể trở thành một phần trong chiến lược hạ tầng mới của California — nơi một công trình duy nhất có thể đồng thời phục vụ nước, năng lượng và mục tiêu bảo tồn đất.

Quan trọng hơn, Project Nexus cho thấy một hướng tiếp cận rộng hơn đối với cuộc khủng hoảng khí hậu: đôi khi giải pháp không nhất thiết phải là xây dựng thêm nhiều thứ, mà có thể là tận dụng thông minh hơn những gì con người đã xây dựng từ trước.