Rapacka: Agrofotowoltaika na ratunek bezpieczeństwu żywnościowemu

8 maja 2020, 07:31 Energetyka
Mały system APV został zainstalowany na Uniwersytecie Nauk Stosowanych Weihenstephan-Triesdorf w Niemczech pod koniec 2013 roku fot. ARP-RESOLA
Mały system APV został zainstalowany na Uniwersytecie Nauk Stosowanych Weihenstephan-Triesdorf w Niemczech pod koniec 2013 roku fot. ARP-RESOLA

Przygotowanie sektora żywności i rolnictwa będzie jednym z priorytetów adaptacji do zmian klimatu. Pogoda zmieniająca się gwałtownie już dziś niszczy plony rolnikom i sadownikom. W celu zapewnienia bezpieczeństwa żywnościowego w przyszłości, można sięgnąć po rozwiązania innowacyjne. Jednym z nich może być energetyka słoneczna, a dokładnie agrofotowoltaika – pisze Patrycja Rapacka, redaktor BiznesAlert.pl.

Nowa-stara koncepcja

Systemy agrofotowoltaiczne to nieznana powszechnie koncepcja zastosowania energetyki słonecznej w hodowli żywności. Agrophotovoltaics (APV) lub agrivoltaics to system stanowiący synergię energii słonecznej z uprawą roślin – te same obszary ziemi są wykorzystywane jednocześnie do produkcji energii elektrycznej i hodowli żywności. Twórcami koncepcji byli: niemiecki fizyk Adolf Goetzberger, pionier sektora energetyki słonecznej i założyciel instytutu Fraunhofer ISE oraz naukowiec Armin Zastrow. W 1981 roku przedstawili rozwiązanie, które nie wymusza na rolniku, ogrodniku lub innym hodowcy wyboru zagospodarowania terenu, tak jak to jest dzisiaj.  Agrofotowoltaika umożliwia rozwój energetyki słonecznej przy jednoczesnym utrzymaniu żyznych gruntów ornych oraz kontroli wydajności PV i fotosyntezy poprzez zarządzanie światłem docierającym do plonów. Poniższa grafika przedstawia projekt modelowy takiej instalacji w środowisku wiejskim.

Fot. ARP-RESOLA

Systemy agrofotowoltaiczne są instalowane w różny sposób. Najbardziej popularne są trzy metody. Pierwsza z nich zakłada instalację paneli na ziemi, a w przestrzeniach pomiędzy nimi zasadzenie roślin. Kolejną metodą jest montaż paneli na konstrukcji napowietrznej tj. dedykowanym szkielecie, pod którym mogą rosnąć swobodnie rośliny różnej wysokości. W trzecim przypadku instalacja słoneczna jest montowana na dachu szklarni.

Zalety, wady, wyzwania

Główną zaletą takich rozwiązań jest przede wszystkim ochrona plonów przed gradem, mrozem, suszą oraz palącym słońcem. Systemy agrofotowoltaiczne zmniejszają konflikt związany z eksploatacyjnym użytkowaniem gruntów. Jest to sprawa, wbrew pozorom, istotna, gdyż od 1961 roku dostępność gruntów ornych w przeliczeniu na jedną osobę na świecie zmniejszyła się o około 46 procent. Unia Europejska straciła około 33 procent gruntów w przeliczeniu na mieszkańca w ciągu ostatnich 50 lat. Kolejną korzyścią płynącą z zainstalowania agrofotowoltaiki jest zwiększenie efektywności wykorzystania gleb, produkcja taniej energii, rozwój wsi, uniezależnienie hodowcy od zewnętrznego dostawcy energii oraz generowanie dodatkowego dochodu.

Wyprodukowana energia jest tańsza od pobieranej z sieci elektroenergetycznej. Instytut Fraunhofer ISE wylicza, że koszty produkcji energii elektrycznej w systemie APV są dziś konkurencyjne w przypadku małego systemu fotowoltaicznego na dachu. Naukowcy przewidują dalszą redukcję kosztów ze względu na korzyści zwiększającej się popularności. Wyprodukowana energia elektryczna może być wykorzystana do bieżącej działalności hodowcy tj. do naładowania samochodu elektrycznego czy innych maszyn napędzanych energią. Rolnictwo także planuje przestawić się na ciągniki o napędzie elektrycznym. Co najważniejsze, energię można wykorzystać do funkcjonowania pomp czy filtrów odsalających lub oczyszczających wodę, którą można następnie spożyć lub użyć do nawodnienia upraw.

Ciężko powołać się na konkretne dane czy badania dotyczące wad tego rozwiązania. Uczestnicy projektu badawczego AVP-RESOLA podkreślają, że do tej pory w Niemczech nie istniały systemy APV, więc nie doszło jeszcze do badań na temat ich wpływu na środowisko. Moduły słoneczne nad obszarami rolnymi mogą prowadzić do przestrzennych zmian mikroklimatu, tj. zmiany wilgotności powietrza i gleby. Wpływ na otoczenie jest w centrum zainteresowania naukowców. Kolejną kwestią budzącą wątpliwości wydaje się konstrukcja takiej instalacji na dużych obszarach. Czy instalacja o wysokości kilku metrów będzie w stanie wytrzymać silne wiatry? Zastanawiające są także walory krajobrazowe. O ile taka instalacja w ogródku czy na małym obszarze nie przysłoni widoku, to instalacja na kilku hektarach oznaczałaby montaż ogromnego, stalowego szkieletu.

Chociaż koncepcja agrofotowoltaiki zpstała przedstawiona prawie 40 lat temu, nie stała się popularna na przestrzeni lat. Można przypuszczać, że idea ta zyska na popularności przy poszukiwaniu rozwiązań zapewniających żywność w dobie zmian klimatycznych. Na drodze jej rozwoju stoi jednak wiele przeszkód. Jako główne wyzwania można wskazać ramy prawne, które nie przewidują dualnego użytkowania gruntów, niewystarczające regulacje wspierające rozwój OZE na wsiach czy w ogrodnictwie oraz, w przypadku Niemiec, brak taryfy gwarantowanej w ustawie o OZE (EEG). Taryfa gwarantowana w wysokości 0,12 EUR/kWh dla wszystkich gruntów rolnych o ograniczonej maksymalnej wydajności 3 MWp sprawiłaby, że inwestycja, a następnie eksploatacja systemu agrofotowoltaicznego byłaby możliwa, a nawet opłacalna.

Rozwój systemu

Prekusorem rozwoju rozwiązań tego typu jest Japonia, która pierwszy prototyp zainstalowała w 2004 roku. Agrofotowoltaika (APV) jest także popularna we Włoszech oraz w Niemczech, w których powołano grupę instytucji APV-RESOLA, która ma na celu popularyzowanie tego rodzaju fotowoltaiki. Projekt APV-RESOLA został sfinansowany przez niemieckie ministerstwo edukacji i badań Naukowych oraz Research for Sustainable Development FONA. Instytut Fraunhofer ISE i APV-RESOLA zainstalowały system pilotażowy z przeznaczeniem do badań o mocy 194 kWp systemu APV w marcu 2016 roku w Heggelbach koło Jeziora Bodeńskiego. Panele zostały zainstalowane na pięciometrowej konstrukcji fotowoltaicznej. Pod panelami była uprawiana pszenica ozima, koniczyna, ziemniaki oraz selery.

Zdjęcie: BayWa r.e./ Fraunhofer ISE

Testy wykazały, że efektywność użytkowania gruntów wzrosła o 60 procent w 2017 roku, co przełożyło się na większe plony. W przypadku selera wzrost wyniósł 12 procent, pszenicy – 2 procent, koniczyny – 8 procent. W 2018 roku, z racji słonecznego lata, efektywność użycia terenu wzrosła do 186 procent w przeliczeniu na 1 ha ziemi.

Naukowcy z Uniwersytetu Hohenheim badali także warunki klimatyczne pod systemem APV. Promieniowanie słoneczne pod instalacją jest o około 30 procent mniejsze. Wiosną i latem temperatura powietrza jest identyczna. W upalne i suche lato w 2018 roku wilgotność gleby przy uprawie pszenicy była natomiast większa. – Możemy założyć, że cień pod półprzezroczystymi modułami słonecznymi umożliwił roślinom lepsze znoszenie gorących i suchych warunków w 2018 roku – powiedział Andrea Ehmann, naukowiec biorący udział w badaniu. Natężenie promieniowania słonecznego wyniosło 1319,7 kWh/m2, co stanowi wzrost o 8,4 procent w porównaniu z 2017 rokiem. Wydajność energetyczna układu APV wzrosła o dwa procent, do 249 857 kWh.

fot. Instytut Fraunhofer ISE 

Instytut Fraunhofer ISE informuje, że technologia APV rozwinęła się w ostatnich latach i rozpowszechniła we wszystkich regionach świata, jednak nie jest aż tak popularna, jak zwykłe instalacje fotowoltaiczne. Zainstalowana moc tego typu wzrosła z 5 MW w 2012 roku do około 2,1 GW mocy w 2018 roku. Rozwój tego rozwiązania jest wspierany przez rządy kilku krajów: Japonii (od 2013 roku), Chin (od 2014 roku), Francji (od 2017 roku) oraz USA (od 2018 roku). Ostatnio technologią tego rodzaju zainteresowały się także: Korea, Włochy, Indie czy Wietnam. Badanie pilotażowe przeprowadzone przez Fraunhofer ISE na rzecz indyjskiego stanu Maharashtra wykazało, że efekty zacienienia i mniejszego parowania powodują nawet o 40 procent wyższą wydajność hodowli pomidorów i uprawy bawełny.

Innowacje fotowoltaiczne pomogą zapewnić pożywienie

Agrofotowoltaika jest  szansą dla suchych stref klimatycznych oraz osób hodujących warzywa. Teoretycznie każdy mógłby mieć możliwość instalacji modułów, na przykład na własnych szklarniach. Warto przyjrzeć się tej koncepcji w ministerstwie klimatu. Energia pozyskiwana z agrofotowoltaiki może być wprowadzana do sieci lub wykorzystywana do użytku osobistego. Mogą dzięki niej powstać nowe modele biznesowe dla rolników pobudzające lokalną przedsiębiorczość, dając wartość dodaną w regionie i rozwój obszarów wiejskich. O takich rozwiązaniach warto myśleć już teraz. Być może skupienie walki ze zmianami klimatu na redukcji emisji zanieczyszczeń sprawiło, że mniejszy akcent został położony na ochronę plonów przed suszą, do której mogą przyczynić się panele fotowoltaiczne. Rosnąca liczba ludności, zwiększone zużycie energii i postępujące zmiany klimatu zwiększają presję na lepsze zagospodarowanie obszarów wiejskich. Stawienie czoła wyzwaniom związanym z konfliktami użytkowania gruntów za pomocą innowacyjnych rozwiązań może być uzasadnione.