[Phỏng vấn] Chi phí sưởi nhà kính đã thất thoát ở đâu? Đo lường theo từng phút… nghiên cứu viên Yoon Sung-wook, nhà phát triển ‘GEMS’

Ngay cả khi trồng cùng một loại dâu tây trong cùng một thời gian, mức tiêu thụ năng lượng của nhà kính vẫn khác nhau. Mức tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị diện tích của nông hộ trồng dâu tây ở Damyang là 12,4kWh/㎡, còn nông hộ trồng dâu tây ở Yangpyeong là 14,2kWh/㎡, tức nông hộ Damyang thấp hơn nông hộ Yangpyeong khoảng 13%. Tuy nhiên, cho đến nay, dữ liệu mà nông hộ có trong tay chỉ là hóa đơn tiền điện gửi đến hằng tháng và biên lai mua dầu sưởi. Không có dữ liệu đo lường cho thấy thiết bị nào đã dùng bao nhiêu vào lúc nào, nên cũng không có cách nào xác định nguyên nhân của sự khác biệt.

Hệ thống giám sát năng lượng nhà kính ‘GEMS (Greenhouse Energy Monitoring System)’ do Bộ phận Kỹ thuật Nông nghiệp thuộc Viện Khoa học Nông nghiệp Quốc gia, Cục Phát triển Nông thôn phát triển nhằm vào khoảng trống này. Hệ thống đo lường điện và dầu sưởi sử dụng trong nhà kính theo đơn vị 1 phút, cho thấy mức tiêu thụ theo từng thiết bị và dự báo cả lượng năng lượng sẽ sử dụng trong tương lai bằng trí tuệ nhân tạo (AI). Sau khi hoàn tất phát triển trong 3 năm từ năm 2022, hiện hệ thống đang được thực chứng tại hiện trường ở Nonsan, đồng thời phân tích dữ liệu tại các nông hộ trồng dâu tây ở Damyang và Yangpyeong. Chúng tôi đã gặp nghiên cứu viên Yoon Sung-wook, người phụ trách phát triển.

GEMS là hệ thống như thế nào?

Nông hộ có thể biết tổng chi phí hằng tháng qua tiền điện và tiền mua dầu sưởi, nhưng không dễ nắm được thiết bị nào đã sử dụng bao nhiêu vào thời điểm nào. GEMS là hệ thống được tạo ra để đo lượng sử dụng điện·dầu sưởi theo thời gian thực cùng với thông tin môi trường nhà kính, giúp kiểm tra trạng thái sử dụng năng lượng trong nháy mắt và có thể điều khiển trực tiếp. Có thể kiểm tra mức tiêu thụ của các thiết bị chính như máy sưởi, quạt thông gió, máy cấp dung dịch dinh dưỡng, đồng thời xem cả môi trường bên trong như nhiệt độ·độ ẩm và thông tin thời tiết bên ngoài. Hệ thống được phát triển thông qua ‘nghiên cứu giám sát năng lượng thời gian thực cho cơ sở làm vườn’ thực hiện từ năm 2022 đến năm 2024, với tổng kinh phí nghiên cứu trong 3 năm là 210 triệu won. Từ năm 2025, hệ thống được lắp đặt tại nông hộ để tiến hành nghiên cứu thực chứng hiện trường nhằm kiểm chứng tính ổn định và khả năng ứng dụng tại thực tế.

Điện và dầu sưởi được đo lường như thế nào?

Điện năng được tính bằng cách đo dòng điện bằng biến dòng (CT) và kết hợp với thông tin điện áp để tính ra lượng điện. Vì thiết bị đo được lắp cho từng thiết bị hoặc mạch chính, nên có thể phân tách và kiểm tra các phụ tải cần quản lý như thiết bị liên quan đến sưởi, quạt thông gió, máy cấp dung dịch dinh dưỡng. Dầu sưởi được đo bằng cách gắn cảm biến mực chất lỏng vào bồn chứa để đo sự thay đổi mực dầu, rồi quy đổi ra lượng sử dụng thực tế dựa trên thông tin về hình dạng và dung tích bồn.

Lưu lượng kế có thể đo trực tiếp lượng nhiên liệu, nhưng cần cắt đường ống nhiên liệu hiện có hoặc bổ sung mối nối, nên có thể trở thành gánh nặng đối với các nông hộ đang vận hành sẵn cơ sở sưởi. Dầu sưởi được tiêu thụ gián đoạn khi máy sưởi lặp lại việc bật và tắt tùy theo nhiệt độ ngoài trời và nhiệt độ cài đặt. Ngay cả khi dùng lưu lượng kế, cũng phải chọn loại có thể hoạt động ổn định ở các đoạn lưu lượng thấp như vậy. Phương pháp ước tính bằng thời gian vận hành nồi hơi có hạn chế vì mức tiêu thụ thực tế thay đổi tùy theo tải của máy sưởi và trạng thái vận hành. Phương pháp cảm biến mực chất lỏng cũng có thể bị tăng vọt giá trị khi bơm thêm dầu làm mực dầu tăng nhanh hoặc khi mặt chất lỏng dao động, nên chúng tôi đang phân biệt mức tăng do nạp dầu và mức giảm do tiêu thụ, đồng thời phân tích mẫu dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định để giảm thiểu ảnh hưởng. Phương pháp cảm biến mực chất lỏng không hẳn là phương pháp chính xác nhất, mà là lựa chọn xét đến khả năng áp dụng tại hiện trường vì có thể nắm bắt liên tục mức tiêu thụ trong khi giảm thiểu thay đổi đường ống.

Khác gì so với bộ điều khiển môi trường phức hợp hiện có?

Bộ điều khiển môi trường phức hợp hiện có có thế mạnh trong việc đo các thông tin môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, carbon dioxide (CO₂) và điều khiển thiết bị. GEMS thay đổi góc nhìn, thu thập dữ liệu xoay quanh câu hỏi ‘năng lượng thực sự đang được tiêu thụ như thế nào trong nhà kính’. Cốt lõi là phân tích cùng lúc lượng tiêu thụ điện·dầu, trạng thái vận hành của các thiết bị chính, môi trường bên trong và thông tin thời tiết bên ngoài để hiểu đặc tính tiêu thụ. Dữ liệu được thu thập·lưu trữ theo đơn vị 1 phút và có thể chuyển đổi để phân tích theo đơn vị giờ·ngày·tháng tùy theo mục đích; lượng điện được đo bằng thiết bị giống công tơ điện thương mại. Việc liên kết giao diện lập trình ứng dụng (API) với nền tảng của Cơ quan Giáo dục, Văn hóa và Thông tin Thực phẩm Nông lâm thủy sản hoặc bộ điều khiển của nhà sản xuất hiện vẫn chưa đạt đến giai đoạn tiêu chuẩn hóa. Chúng tôi đang xem xét cấu trúc liên kết mở phù hợp tiêu chuẩn và tiến hành nghiên cứu liên quan. 

Hiệu quả tiết giảm thực tế tại nông hộ thực chứng ra sao?

Thực chứng hiện trường được tiến hành tại nông hộ trồng dâu tây ở Nonsan, Chungnam, đồng thời sử dụng dữ liệu của các nông hộ Damyang·Yangpyeong đã lắp GEMS trong các đề tài trước đây. Nếu chỉ nhìn vào một nông hộ, kết quả có thể bị chi phối bởi điều kiện cơ sở hoặc thói quen quản lý của một nhà kính cụ thể, nên mục đích là kiểm chứng liệu hệ thống có thể được sử dụng ngay cả khi khu vực, thời tiết và điều kiện vận hành khác nhau hay không.

Tại nông hộ trồng dâu tây ở Damyang, sau khi vận hành nhà kính bằng cách sử dụng thông tin GEMS để kiểm tra trạng thái sử dụng năng lượng trong mùa đông, theo thống kê của chính nông hộ, chi phí sưởi trong mùa đông 2025~2026 giảm khoảng 10% so với mùa đông 2024~2025. Tuy nhiên, cần thận trọng khi diễn giải ngay rằng việc lắp GEMS đã giúp giảm 10% chi phí sưởi. Bởi mức tiêu thụ năng lượng sưởi chịu ảnh hưởng không chỉ của điều kiện thời tiết như nhiệt độ ngoài trời và bức xạ mặt trời, mà còn của thời gian canh tác, nhiệt độ cài đặt, tình trạng giữ nhiệt và phương pháp vận hành thiết bị. GEMS không phải là thiết bị trực tiếp cắt giảm năng lượng, mà là hệ thống giúp nông dân điều chỉnh phương pháp vận hành dựa trên dữ liệu.

Khi đo lường, có thiết bị nào sử dụng nhiều năng lượng ngoài dự đoán không?

Chỉ với dữ liệu hiện tại, khó có thể khẳng định một thiết bị cụ thể là ‘thủ phạm ẩn’ hoặc khái quát rằng mức tiêu thụ giữa các nông hộ chênh nhau đến vài lần. Tuy nhiên, khi so sánh các nông hộ trồng dâu tây ở Damyang và Yangpyeong trong cùng thời gian, đã có trường hợp mức tiêu thụ trên một đơn vị diện tích là 12,4kWh/㎡ và 14,2kWh/㎡, chênh khoảng 13%. Đây là kết quả của sự tác động tổng hợp giữa thời tiết khu vực, cấu trúc nhà kính, hiệu suất rèm giữ nhiệt, cài đặt sưởi và phương pháp vận hành.

Khi đo theo từng thiết bị, chúng tôi xác nhận rằng không chỉ các thiết bị được dự đoán là dùng nhiều năng lượng như máy sưởi, mà cả các thiết bị phụ trợ vốn thường không được chú ý đến mức tiêu thụ như bơm dùng để khai thác nước ngầm cũng phát sinh mức tiêu thụ điện nhất định. Dù mức tiêu thụ riêng lẻ trông không lớn, nếu vận hành lặp lại trong thời gian dài thì lượng tích lũy có thể tăng lên, vì vậy cần được quản lý.

Độ chính xác dự báo của AI ở mức nào, và đã đủ để điều khiển tự động chưa?

Trong trường hợp dự báo 15 phút sau tại nhà kính dâu tây ở Nonsan, độ chính xác dự báo đạt trên 90% (theo hệ số xác định), còn 1 giờ sau đạt trên 80%. Vì mô hình được xây dựng chỉ với khoảng 1 năm dữ liệu canh tác, chúng tôi cho rằng độ chính xác sẽ còn tăng khi dữ liệu được tích lũy. Mô hình dự báo sử dụng họ Transformer. Lý do chọn mô hình này là để tận dụng dữ liệu chuỗi thời gian đa biến tích lũy trong dài hạn, hơn là vì độ chính xác trước mắt. Mạng nơ-ron hồi tiếp (RNN) hoặc bộ nhớ dài ngắn hạn (LSTM) có thể có hạn chế trong việc học sự phụ thuộc thời gian dài khi đoạn đầu vào trở nên dài hơn. Mức cải thiện độ chính xác cần được trình bày dựa trên kết quả so sánh trong cùng điều kiện kiểm chứng, và cần phân biệt để tránh hiểu nhầm độ chính xác của phân loại trạng thái tiêu thụ dầu là độ chính xác dự báo lượng sử dụng dầu.

Ở giai đoạn hiện nay, sẽ không phù hợp nếu mô tả đây là hệ thống trực tiếp tự động điều khiển máy sưởi bằng kết quả dự báo. Khi độ tin cậy và an toàn của dự báo được kiểm chứng và công nghệ liên kết với bộ điều khiển môi trường phức hợp được bảo đảm, hệ thống có khả năng phát triển thành điều khiển tự động. Tuy nhiên, vì phải duy trì môi trường sinh trưởng phù hợp cho cây trồng, cần công nghệ điều khiển không chỉ tối thiểu hóa tiêu thụ năng lượng mà đồng thời cân nhắc môi trường cây trồng và hiệu quả năng lượng, và quá trình để nông dân đưa ra phán đoán cuối cùng sẽ được bao gồm.

Chi phí lắp đặt và kế hoạch phổ biến ra sao?

Chi phí lắp đặt hệ thống dùng cho thực chứng hiện trường vào khoảng 19 triệu won mỗi nông hộ. Tuy nhiên, vì đây là số tiền bao gồm cảm biến nghiên cứu và thiết bị thu thập·truyền dữ liệu, nên khó xem là giá phổ biến cho nông hộ thông thường. Tỷ suất hoàn vốn đầu tư (ROI) cũng thay đổi lớn tùy theo không chỉ diện tích nhà kính mà còn lượng sử dụng năng lượng sưởi, loại cây trồng, hình thức cơ sở và việc có sẵn thiết bị đo lường hiện hữu hay không, nên khó đưa ra một con số thống nhất. Để phổ biến, nhiệm vụ là đơn giản hóa hệ thống xoay quanh các hạng mục đo lường thật sự cần thiết và hạ chi phí lắp đặt. Phương pháp biến dòng và cảm biến mực chất lỏng có thể áp dụng cho cả nhà kính hiện có, nhưng vì việc truyền dữ liệu cần môi trường truyền thông ở một mức nhất định, nên ở giai đoạn phổ biến cũng cần cân nhắc phương thức lưu trữ·truyền dữ liệu cho những khu vực có điều kiện truyền thông kém.

Dựa trên kết quả thực chứng năm nay, chúng tôi dự kiến đề xuất ‘dự án phổ biến thí điểm công nghệ mới’, và nếu được chọn, mục tiêu là phổ biến thí điểm vào năm 2028. Số địa điểm phổ biến và khu vực mục tiêu sẽ được xác định sau khi được chọn. Bằng sáng chế ‘thiết bị giám sát năng lượng nhà kính sử dụng mô hình dự báo và phương pháp vận hành của thiết bị đó’ đã được nộp đơn và đang làm thủ tục đăng ký, còn công nghệ liên quan đã được chuyển giao cho một doanh nghiệp.

Có khả năng liên kết với chính sách trung hòa carbon không? Ngoài ra, mục tiêu của ông với tư cách nhà nghiên cứu trong tương lai là gì?

Khó có thể nói ngay rằng GEMS là hệ thống chứng nhận lượng giảm phát thải cho hệ thống giao dịch phát thải hoặc các dự án bên ngoài. Bởi vì cần đáp ứng riêng các yêu cầu thể chế như phương pháp luận, thiết lập đường cơ sở, đo lường·báo cáo·thẩm định (MRV). Tuy nhiên, điểm khởi đầu của giảm carbon rốt cuộc là đo chính xác thực tế đã sử dụng bao nhiêu năng lượng. Dữ liệu tiêu thụ điện·dầu mà GEMS tích lũy có khả năng được sử dụng để định lượng việc sử dụng năng lượng và lượng phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực nông nghiệp.

Trong tương lai, tôi muốn tích lũy dữ liệu hiện trường của nhiều khu vực và loại cây trồng, so sánh đặc tính tiêu thụ theo từng nông hộ, và phát triển hệ thống để nông dân có thể dễ dàng phán đoán ‘trang trại của mình dùng năng lượng nhiều đến mức nào so với các trang trại khác có điều kiện tương tự, và còn dư địa cắt giảm ở đâu’. Năng lượng không nhìn thấy được bằng mắt, nhưng khi đo lường thì bắt đầu thấy được, và khi thấy được thì có thể quản lý. Mục tiêu của tôi với tư cách nhà nghiên cứu là để GEMS không chỉ là thiết bị đo lường đơn thuần, mà trở thành công cụ giúp giảm chi phí năng lượng và hỗ trợ vận hành trang trại hợp lý.