Agrowoltaika - strzał w dziesiątkę czy wręcz przeciwnie?
Termin „agrivoltaics” (polskie tłumaczenie z przedrostkiem „agro” brzmi chyba naturalniej niż „agri”) został po raz pierwszy ukuty w 1982 roku przez naukowców Adolfa Goetzbergera i Armina Zastrowa z ówczesnego RFN, którzy proponowali „konfigurację elektrowni słonecznej, np. fotowoltaicznej, która pozwala na dodatkowe rolnicze wykorzystanie gruntów”. Ponad 40 lat później ich wizja zaczyna być w niektórych miejscach rzeczywistością.
Po drodze było trochę ekeperymentów i prototypów. Wychodząc od założenia, że istnieje coś takiego jak punkt nasycenia światłem, a zwiększenie ilości fotonów nie poprawia wydajności fotosyntezy, japoński badacz Akira Nagashima zaproponował praktyczne połączenie systemów fotowoltaicznych i rolnictwa w celu wykorzystania nadmiaru światła. Pierwsze prototypy opracował w 2004 roku. Do 2017 na japońskich polach uprawnych zainstalowano ponad tysiąc systemów fotowoltaicznych współistniejących z tradycyjnym rolnictwem. Aby uzyskać pozwolenie na eksploatację paneli słonecznych nad uprawami, rolnicy w Japonii muszą według tamtejszego prawa spełnić wymóg utrzymania co najmniej 80 proc. normalnej produkcji rolnej. W 2017 r. uruchomiono w Japonii elektrownię o mocy 35 MW, zainstalowaną na 54 ha upraw. Stopień zacienienia tej elektrowni wynosi 50 proc., co jest wartością wyższą niż 30 proc. zacienienia zwykle stosowanego w japońskich elektrowniach agrowoltaicznych. Rolnicy uprawiają m.in. żeńszeń, aszitabę i kolendrę.
Wzorem Japonii projekty tego rodzaju podjęło wiele krajów na tym kontynencie, w tym Chiny i Indie. W tym ostatnim przypadku upatruje się w agrowoltaice wielkiej szansy na zwiększenie dochodów biednej ludności wiejskiej. W Malezji podjęto próby instalowania paneli fotowoltaicznych na plantacjach herbaty, zaś w Wietnamie – na farmach krewetek.
Winorośl pod panelami
W Stanach Zjednoczonych projektami tego rodzaju zajmuje się m.in. firma SolAgra we współpracy z Departamentem Agronomii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. Bada na swoich eksperymentalnych polach/farmach słonecznych równe rodzaje upraw, m.in. lucernę, sorgo, sałatę, szpinak, buraki, marchew, rzodkiew, ziemniaki, rukolę, miętę, rzepę, jarmuż, pietruszkę, kolendrę, fasolę, groch, szalotkę i gorczycę. Według badań finansowanych przez National Science Foundation, prowadzonych przez inżynierów, badaczy biologii i fizyki roślin na Uniwersytecie Stanu Karolina Północna wiele szklarni może stać się neutralnych energetycznie dzięki wykorzystaniu przezroczystych paneli słonecznych do pozyskiwania energii. Przy czym chodzi o energetyczne wykorzystywanie długości fal światła, których rośliny nie używają do fotosyntezy. Wyniki badań ukazały się kilka lat temu w czasopiśmie „Joule”.
Koncepcja ta dotarła oczywiście także do Europy. Najwcześniej i w największym zakresie do Francji. Od początku lat dwutysięcznych budowane są tam szklarnie fotowoltaiczne. Od 2009 roku francuskie firmy INRA, IRSTEA i Sun’R pracują nad programem przeznaczonym dla pól o nazwie Sun’Agri. Pierwszy prototyp zainstalowany został na terenie na powierzchni 0,1 ha w Montpellier. Kolejne prototypy instalacji z mobilnymi panelami jednoosiowymi zostały zbudowane w latach 2014 i 2017. Pierwsza instalacja agrowoltaiczna Sun’R na otwartym polu została zbudowana wiosną 2018 roku w Tresserre w Pyrénées-Orientales. Elektrownia ta ma moc 2,2 MW z paneli rozmieszczonych na 4,5 ha winnic (1). Nie są to jedyne francuskie projekty tego typu.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Wen Liu z Uniwersytetu Naukowo-Technicznego w Hefei w Chinach zaproponował w 2015 r. nowy pomysł na agrowoltaikę – stosowanie zakrzywionych paneli szklanych pokrytych folią polimerową przepuszczają selektywnie długości fal od światła słonecznego, które są niezbędne do fotosyntezy roślin (światło niebieskie i czerwone). Wszystkie inne długości fal są odbite i skoncentrowane na koncentracyjnych ogniwach słonecznych do wytwarzania energii.
Wyróżnić można trzy podstawowe rodzaje agrowoltaiki będące obecnie przedmiotem badań: panele słoneczne w przestrzeni pomiędzy uprawami, płaskie instalacje paneli słonecznych nad uprawami oraz szklarniowy system słoneczny. Głównym parametrem branym pod uwagę w przypadku systemów agrowoltaicznych jest kąt nachylenia paneli słonecznych. Innymi zmiennymi branymi pod uwagę przy konfiguracji systemu agrowoltaicznego są: rodzaj uprawy, wysokość paneli, napromieniowanie słoneczne na danym obszarze i klimat obszaru.
Owce w symbiozie z ogniwami słonecznymi
Jak podaje w mediach Martijn van der Pouw z firmy Statkraft, zajmującej się agrowoltaiką w Holandii, w tym kraju powstało kilka „parków solarnych”, w których owce pasą się między panelami, ale nie jest to coś, co w sensie definicyjnym uważano by za projekt agrowoltaiczny pełną gębą. Chodzi tam raczej o łatwy sposób na utrzymanie zieleni, gdyż owce, pasąc się, czyszczą łąkę z zielska, które mogłoby zarastać panele. W ambitnym projekcie agrowoltaicznym celem jest produkcja wysokiej jakości paszy, warzyw, jagód lub owoców, przy jednoczesnym wytwarzaniu energii. Zamierzenia są takie, by produkcja rolna wynosiła co najmniej 70 proc. wartości produkcji przed zainstalowaniem paneli fotowoltaicznych.
I tu głos zabierają sceptycy podkreślający, że próba realizacji obu tych celów jednocześnie oznacza kompromis, jeśli chodzi o poziom produkcji żywności i energii, że ani jedna, ani druga nie jest tak efektywna jak rolnictwo i fotowoltaika realizowane oddzielnie. Zwolennicy agrowoltaiki mają na to odpowiedź odwołującą się m.in. do faktów na temat wydajności paneli fotowoltaicznych, które działają optymalnie w nieco niższych temperaturach niż te, które znamy z upalnego lata, zwłaszcza w bardziej gorących klimatach. Zainstalowanie ich ponad lub między uprawami przepuszczającymi parę jest mechanizmem regulują-cym temperaturę, dzięki czemu przy dużych upałach są one chłodniejsze i bardziej wydajne. Jednocześnie uprawa niektórych roślin w cieniu paneli słonecznych może również przynieść lepsze plony.
Jedno z badań przeprowadzonych przez uniwersytet w Arizonie wykazało, że systemy agrowoltaiczne zwiększały dwu- a nawet trzykrotnie produkcję warzyw i owoców w porównaniu z konwencjonalnymi uprawami. Opisana w „Nature” badania wykazały, że systemy takie mają pozytywny wpływ na uprawy papryki chiltepin, jalapeño i pomidorów koktajlowych. Zacienienie panelami miało pozytywny wpływ na temperaturę powietrza, redukcję nasłonecznienia i gospodarkę wodą. „Cień zapewniany przez panele fotowoltaiczne w porównaniu do rolnictwa pod gołym niebem skutkował niższymi temperaturami w ciągu dnia i wyższymi w nocy... W systemie agrowoltaicznym zanotowano niższy deficyt ciśnienia pary, co oznaczało, że w powietrzu było więcej wilgoci”. Ochrona przed światłem słonecznym i wysokimi temperaturami oferowana przez panele słoneczne umożliwiła lepsze zbiory wszystkich trzech upraw, do trzech razy większe w przypadku produkcji papryczek chiltepin i dwa razy większe w przypadku pomidorów.
Z przeprowadzonych eksperymentów wynika, że systemy agrowoltaiczne mają wiele sensu w lokalizacjach upraw w suchym i gorącym klimacie bliskim pustynnemu. Tak właśnie jest w Arizonie. Co jednak z chłodniejszymi rejonami świata, w których mniej jest bezpośredniego nasłonecznienia? Takie warunki badał zespół naukowców z Uniwersytetu Stanu Oregon. Potencjalne korzyści z agrowoltaiki na terenach w klimacie bardziej umiarkowanym, pokrytych trawą i podmokłych, opisał również w „Nature”. Według tego opracowania jałowe tereny, tradycyjnie preferowane dla farm fotowoltaicznych, są mniej odpowiednie dla farm słonecznych. To jednak tylko jedno z wielu badań. Należy chyba poczekać na inne wyniki.
Wracając do łączenia wypasu z farmami słonecznymi, zwierzęta na polu, na którym cień dają panele, mają większy tzw. dobrostan. Tak przynajmniej wynika z badań, których wyniki opublikowano niedawno w „The New Scientist” Według nich, owce żyjące wśród rzędów paneli słonecznych spędzają więcej czasu na wypasie, korzystają z bardziej pożywnej żywności, więcej odpoczywają i doświadczają mniejszego stresu cieplnego w porównaniu z owcami pasącymi się na pustych pastwiskach (2). Naukowcy z amerykańskiego Uniwersytetu Cornella twierdzą, że farmy słoneczne połączone z wypasem owiec nie tylko są bardziej wydajne w produkcji energii elektrycznej (zwierzęta wyjadają rośliny mogące wyrastać ponad panele i zasłaniać je), ale również zmniejszają ryzyko pożarów.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Standard Solar, firma zajmująca się odnawialnymi źródłami energii, zarządzająca łącznie instalacjami o mocy ponad 350 megawatów w USA, wykorzystuje wypas owiec pod swoimi panelami, uznając to za rozwiązanie szczególnie przydatne na skalistych terenach. Bez owiec „trzeba ścinać trawę, ponieważ stanowi ona zagrożenie pożarowe”, wyjaśniał w rozmowie z serwisem Bloomberg Jay Smith ze Standard Solar. Bloomberg donosił również o pochodzącej z Minnesoty pasterce Josie Trople, której czapki i skarpetki z „wełny słonecznej” z jej agrowoltaicznych owiec stanowią obecnie jedną piątą jej zarobków.
Choć sprawa budzi sporo kontrowersji zwłaszcza wśród zwolenników tradycyjnych krajobrazów wiejskich, dla których panele fotowoltaiczne stanowią inwazyjny element niszczący naturalną urodę pól i łąk, zwierzęta i niektóre rośliny wydają się zadowolone z sąsiedztwa ogniw, które dają cień. Jeśli dają też energię do utrzymania upraw i nie tylko, to eksperymenty agrowoltaiczne wydają się czymś, czemu warto dać szansę, choćby na próbę.
Mirosław Usidus
