Ilustr. 1: Agrivoltaïsme, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons
Globalnie najtańszym źródłem energii elektrycznej są już panele fotowoltaiczne. Rosnąca popularność tego rozwiązania i rozwój technologii sprawią, że ceny wciąż będą spadać, a pod budowę farm słonecznych będzie trzeba szukać coraz więcej miejsca. Z drugiej strony rosnąca temperatura na świecie oznacza trudniejsze warunki do dalszego funkcjonowania m.in. dla rolników. Susze stają się coraz częstsze i trwają coraz dłużej, a plony w wielu częściach świata nie są już tak urodzajne, jak kiedyś. Problem suszy rolniczej narasta także i w Polsce.
Agrowoltaika, czyli seler spod panelu słonecznego
Agrowoltaika (zwana też agrofotowoltaiką lub w skrócie APV) to rozwiązanie, które w pewnym stopniu odpowiada na oba te wyzwania. Idea jest bardzo prosta: stawiać panele słoneczne tam, gdzie roślinność skorzysta na dawanym przez nie cieniu. Wystarczy zamontować je nieco nad ziemią. W ten sposób można zarówno znaleźć przestrzeń pod farmy słoneczne, jak i zwiększyć wydajność upraw. Co zresztą już się dzieje.
Przykładem na tego typu połączenie rolnictwa z odnawialnym źródłem energii jest projekt zrealizowany w Niemczech w okolicach Jeziora Bodeńskiego. Wyniki testu? Efektywność wykorzystania gruntu w 2017 r. i 2018 r. wyniosła odpowiednio 160% i 186% względem obszaru niepokrytego panelami. W samym 2018 r. instalacja o mocy 194 kW pozwoliła na zwiększenie plonów trzech z czterech upraw, w tym selera o 12% i pszenicy ozimej o 3% (spadek o 8% zanotowała jednak koniczyna). „Możemy założyć, że cień pod półprzezroczystymi modułami słonecznymi pozwolił roślinom lepiej znosić gorące i suche warunki 2018 roku” – ocenia rolnik Andrea Ehmann, którego cytuje portal Renewables.com.
Jak to jednak możliwe, że różnica w efektywności wykorzystania gruntu była o wiele większa niż w ilości zebranych plonów? Tak korzystny wynik osiągnięto dzięki temu, że energia z paneli została wykorzystana do zasilania zakładu przetwórstwa roślin i elektrycznych maszyn rolniczych.
Projekt realizowany był m.in. przez Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej, który testuje podobne inicjatywy w innych krajach. I tak np. w indyjskim stanie Maharasztra stwierdzono, że zmniejszone dzięki panelom parowanie pomogło osiągnąć do 40% wyższe plony pomidorów i upraw bawełny.
Testów związanych z agrowoltaiką przybywa na całym świecie. W styczniu 2020 r. podpisano umowę na pilotażowy projekt w okolicach Lyonu, we wrześniu 2020 r. poinformowano o pierwszym tego typu projekcie na Cyprze, w tym samym miesiącu media pisały też o podobnym projekcie dla sadów gruszy w Belgii, a w lutym 2021 r. zapowiedziano realizację projektu APV w Australii. Podobnych przykładów jest znacznie więcej i szybko ich przybywa.
Ilustr. 2. Σ64, CC BY 3.0, Wikimedia Commons
Z korzyścią dla rolnictwa i energetyki
Z kolei eksperci w USA testowali agrowoltaikę m.in. w Arizonie. Profesorowie i studenci University of Arizona badali skuteczność tej metody przy uprawie papryki chiltepin, papryki jalapeno i pomidora koktajlowego. I mierzyli wszystko: od momentu kiełkowania roślin, przez ilość dwutlenku węgla pochłanianego przez rośliny z atmosfery, temperaturę powietrza i wilgotność, po całkowitą produkcję żywności w sezonie wegetacyjnym.
I tak dzięki panelom osiągnięto niższe temperatury w ciągu dnia i wyższe w ciągu nocy, a także większą wilgotność powietrza. „Odkryliśmy, że wiele naszych upraw żywnościowych radzi sobie lepiej w cieniu paneli słonecznych, ponieważ są one chronione przed bezpośrednim słońcem” – mówi prof. Greg Baron-Gafford z Uniwersytetu w Arizonie.
Całkowita produkcja papryki chiltepin była trzykrotnie większa pod panelami fotowoltaicznymi, a produkcja pomidorów – dwukrotnie. Papryki jalapeno wyprodukowano mniej więcej tyle samo, co na tradycyjnym polu, ale osiągnięto to przy transpiracji wody zmniejszonej aż o 65%. „Odkryliśmy, że wpływając w ten sposób na zachowanie wody można wspierać wzrost upraw przez wiele dni, a nie tylko godziny, jak w obecnych praktykach rolniczych. To odkrycie sugeruje, że możemy zmniejszyć zużycie wody, ale nadal utrzymywać poziom produkcji żywności” – dodaje Barron-Gafford.
„Wysokie konstrukcje fotowoltaiczne potrafią również chronić uprawy przed gwałtownymi zmianami pogody – takimi jak grad czy deszcz nawalny” – dodaje Roman Karbowy, przewodniczący grupy roboczej ds. Agrowoltaiki w Polskim Stowarzyszeniu Fotowoltaiki. Moduły fotowoltaiczne mogą również pomóc w zbieraniu wody deszczowej i wykorzystywaniu jej w uprawie.
Co więcej, system agrowoltaiki zwiększył wydajność produkcji energii. W jaki sposób? „Panele słoneczne są z natury wrażliwe na temperaturę – gdy się nagrzewają, ich wydajność spada. Uprawiając rośliny pod panelami fotowoltaicznymi, naukowcy byli w stanie obniżyć temperaturę paneli” – wyjaśnia uczelnia na swej stronie.
„Jeśli chodzi o ulepszanie sposobu, w jaki uprawiamy naszą żywność, wykorzystujemy cenne zasoby wody i wytwarzamy energię odnawialną, jest to więc korzystne dla wszystkich” – podsumowuje Barron-Gafford.
Departament Energii USA zachęca
Obszerny materiał o korzyściach płynących z agrowoltaiki przygotował Departament Energii w USA.
I tak korzyści dla twórców energii słonecznej to m.in. zmniejszone koszty instalacji (bo nie trzeba wyrównywać terenu, który już jest gotowy), mniejsze ryzyko sporów sądowych (bo instalacje powstają na gruntach z jasną sytuacją prawną) oraz potencjalny wzrost wydajności PV (bo rośliny pod modułami mogą obniżyć ich temperaturę).
Z kolei zarządcy gruntów rolnych mogą liczyć m.in. na mniejsze koszty energii elektrycznej, możliwość uprawy nowych, lubiących cień roślin, zmniejszyć zużycie wody, przedłużyć sezon wegetacyjny, powiększyć o uprawy tereny wcześniej zdegradowane, a nawet wykorzystać swą działalność marketingowo, kierując ją do świadomych odbiorców.
Opracowanie ekspertów Departamentu Energii odpowiada też na wiele wątpliwości, które mogą nasunąć się przy analizie zagrożeń związanych z agrowoltaiką. Analiza pokazuje, że nie trzeba obawiać się wypłukiwania metali z paneli do gleby, bo te są szczelnie chronione, a ryzyko kolizji ptaków z instalacjami jest bardzo niskie. Co więcej, wokół paneli można prowadzić wypas np. owiec, które w naturalny sposób zadbają o to, by roślinność za bardzo nie urosła i nie zaczęła przesłaniać paneli. Sama obecność roślin może zaś zmniejszyć poziom kurzu i zabrudzeń na panelach, zwiększając w ten sposób ich wydajność.
Ilustr. 3: Merrill Smith. – Departament Energii USA, Wikimedia Commons
Z korzyścią dla bioróżnorodności
Departament Energii zaznacza też, że instalacje słoneczne mogą wspierać rodzimą roślinność i gatunki siedlisk zapylaczy. Niskie rośliny mogą rosnąć pod panelami słonecznymi, unikając potrzeby koszenia i pozostawiać panele bez cienia. Dwa stany (Minnesota i Maryland) opracowały już nawet certyfikaty słoneczne przyjazne dla zapylaczy, co ma wspierać rozwój takich projektów. “Siedlisko zapylaczy może przynosić korzyści lokalnym gospodarstwom, a także może być miejscem prowadzenia prac pszczelarskich” – stwierdza DE.
Do podobnych wniosków doszli też inni. Badanie w Niemczech wykazało, że parki słoneczne promują różnorodność biologiczną, siedliska znajdujące się na ich terenie są bardziej nienaruszone, a panele zapewniają schronienie dla zwierząt. Eksperci doszli do takiego wniosku po przeanalizowaniu danych z 75 parków w dziewięciu landach. Wokół instalacji wykryto np. 25 gatunków koników polnych, a także żaby, jaszczurki i ptaki.
Ilustr. 4. Bogactwo gatunków motyli i pszczół na polach kontrolnych i APV. Źródło Randle-Boggis i in., 2020
Z kolei grupa naukowców z Wielkiej Brytanii po przeanalizowaniu ponad 450 recenzowanych artykułów z czasopism akademickich wykazała, że na terenie wszystkich parków słonecznych zaobserwowano łącznie 332 osobniki z 17 gatunków motyli i 858 osobników z ośmiu gatunków pszczół. “Liczebność motyli i pszczół była wyższa na stanowiskach w parkach słonecznych w porównaniu z miejscami kontrolnymi. Obfitość motyli była wyższa w parkach słonecznych, w których owce pasły się później w ciągu roku oraz w tych, które promowały łąki, sadząc lub utrzymując dzikie kwiaty i nasiona nektaru. Liczebność pszczół była również wyższa w parkach słonecznych, które promowały łąki z dzikimi kwiatami i nasionami nektaru, w porównaniu z miejscami kontrolnymi” – stwierdzili badacze.
Wystarczy 1%
Wspomniany Departament Energii przyznaje przy tym, że nie ma jednego uniwersalnego projektu APV, który byłby odpowiedni dla wszystkich. Dlatego przy projektowaniu powinno uwzględniać się potrzeby poszczególnych gruntów i rolników, w tym wykorzystywanego przez nich sprzętu.
Oczywiście agrowoltaika nie nada się też do każdego rodzaju upraw i w każdej części świata. Ale wcale nie musi, by korzyści były ogromne.
Naukowcy z Oregon State University sprawdzili, co wpływa na wydajność paneli słonecznych. Pod uwagę wzięli nie tylko nasłonecznienie, ale i mikroklimat, na który wpływa temperatura powietrza, prędkość wiatru i wilgotność.
Główny wniosek badania opublikowanego w Nature pada już w tytule – największy potencjał energii słonecznej PV jest na obszarach uprawnych. Na drugim miejscu są łąki, a na trzecim tereny podmokłe. Tereny jałowe, tradycyjnie traktowane priorytetowo dla instalacji fotowoltaicznych, zajęły piąte miejsce. “Okazuje się, że 8 tys. lat temu rolnicy znaleźli najlepsze miejsca do pozyskiwania energii słonecznej na Ziemi” – komentuje prof. Chad Higgins, współautor badania.
Co więcej, według wyliczeń naukowców pokrycie panelami zaledwie 1% pól uprawnych na planecie powinno wystarczyć, by w energią elektryczną zasilić całą ludzkość. „Nasze rankingi potencjału energii słonecznej według rodzaju pokrycia terenu można interpretować jako prognozę zwiększonej konkurencji gruntowej między produkcją żywności i energią. Można to również interpretować jako prognozę znacznego wzrostu wykorzystania systemów agrowoltaicznych” – piszą autorzy badania.
Która z opcji zwycięży – czas pokaże. Nie brak jednak głosów, że agrowoltaika będzie odgrywać coraz większą rolę. W USA wzrost aktywności na tym polu już tej wiosny przewiduje m.in. branżowy portal Clean Technica, zauważając, że „Łańcuch dostaw energii słonecznej już się przygotowuje, aby wzbudzić zainteresowanie inwestorów”.
Szymon Bujalski
