Agrowoltaika to jednoczesne wykorzystanie terenów rolnych do uprawy roślin i budowy instalacji fotowoltaicznych.
Przyjmuje się że autorami tej koncepcji byli: niemiecki fizyk Adolf Goetzberger, pionier sektora energetyki słonecznej i założyciel niemieckiego instytutu Fraunhofer ISE oraz naukowiec Armin Zastrow. Koncepcję takiego zagospodarowania terenu przedstawili już w 1981 roku [1]
Koncepcję tę zaczęto ponownie rozwijać w ostatnich latach. Dzisiaj termin ten ma już dwa znaczenia. Z jednej strony agrowoltaika, to badania nad wykorzystywaniem powierzchni upraw rolnych do instalacji modułów PV, a z drugiej to rozwój takich innowacyjnych modułów PV (lub całych instalacji PV), które będą wspomagały wzrost roślin.
W tym pierwszym ujęciu można powiedzieć, że agrowoltaika oznacza takie podejście, w którym jednocześnie wykorzystuje się tereny rolnicze do produkcji żywności i wytwarzania energii elektrycznej z modułów PV. W ten sposób agrowoltaika zwiększa efektywność użytkowania gruntów rolnych
i umożliwia rozbudowę instalacji fotowoltaicznych na dużych obszarach.
W drugim ujęciu system fotowoltaiczny nie tylko produkuje energie elektryczną, ale także wspomaga wzrost roślin poprzez zacienianie, co ogranicza wysychanie gruntu, a w najnowszych instalacjach przez stwarzanie optymalnych warunków dla wzrostu dzięki zastosowaniu podgrzewania wody do podlewania lub zmianę widma promieniowania słonecznego.
Technologia agrowoltaiczna rozwinęła się w ostatnich latach bardzo dynamicznie i można ją znaleźć niemal we wszystkich regionach świata. Zainstalowana moc modułów PV wzrosła wykładniczo z ok. 5 MW w 2012 roku do ok. 2,9 GW w 2018 r. Pojawiły się też krajowe programy finansowania tej dziedziny w wielu państwach, w tym w Japonii (od 2013 r.), Chinach (ok. 2014 r.), Francji (od 2017 r.), USA (od 2018 r.), a ostatnio także w Korei [2].
Zalety Agrowoltaiki
Systemy agrowoltaiczne niwelują częste konflikty związane z eksploatacyjnym (innym niż uprawa roślin) użytkowaniem gruntów rolnych. Moduły fotowoltaiczne mogą chronić plony przed gradem, mrozem, suszą oraz palącym słońcem. Szczególnie istotna jest ta ostatnia cecha, gdyż susza zaczyna być jednym z większych problemów w naszej strefie geograficznej. Nie bez znaczenia jest ochrona przed gradem. Moduły fotowoltaiczne zbudowane na oparciu o szybę nośną są bardzo wytrzymałe. Sama szyba jest hartowana i ma 3,2 mm grubości. Jeśli wziąć pod uwagę, że do zastosowań w agrowoltaice preferuje się moduły w układzie szkło-szkło, to ich wytrzymałość jest jeszcze większa.
Wyzwania jakie stawia Agrowoltaika
Agrowoltaika to także wyzwania. Do najważniejszych zalicza się zmniejszenie powierzchni upraw poprzez instalację systemów fotowoltaicznych, stosunkowo wysoki koszt wykonania instalacji PV - w szczególności takiej która instalowana jest nad uprawą - oraz fakt, iż jest wiele roślin (np. pszenica), które nie potrzebują zacienienia [3].
Wspomaganie wzrostu roślin – lepsze plony
W Europie jednym z pionierów badań w tym obszarze jest niemiecki instytut Fraunhofera. Prowadzi on projekt APV-RESOLA [4]. W projekcie założono trzy różne sposoby instalacji modułów PV.
- Instalacja modułów PV na glebie, a w przestrzeniach pomiędzy nimi zasadzenie roślin.
- Montaż paneli na konstrukcji napowietrznej tj. dedykowanym szkielecie, pod którym mogą rosnąć swobodnie rośliny różnej wysokości
- Instalacja modułów na dachu szklarni.
Bardzo ciekawe są pierwsze wyniki uzyskane w ramach tego projektu. Podczas badań wykorzystano gospodarstwa rolne nad jeziorem Bodeńskim. Na terenie trzech hektarów, zajętym pod uprawy rolne, zamontowano moduły fotowoltaiczne zbudowane z ogniw typu bifacial. W projekcie wykorzystano instalację fotowoltaiczną o mocy 194 kW. Po pierwszym roku zbiory koniczyny z terenu, na którym umieszczono panele fotowoltaiczne, były mniejsze niż z analogicznego terenu niezasłoniętego przez panele o 5,3 %. Wyższe straty na poziomie 18-19 % odnotowano także w przypadku zbioru pomidorów, pszenicy i selera. W 2018 roku nasłonecznienie w badanej lokalizacji wyniosło 1319,7 kWh/m2 i było wyższe o 8,4 %. niż to, które było w roku 2017. Produkcja energii elektrycznej wyniosła w skali roku 249,85 MWh. Natomiast w przypadku upraw selera zbiory były wyższe o 12 % w porównaniu do zbiorów z referencyjnej uprawy. Także zbiory pszenicy ozimej były wyższe o 3 %, a w przypadku pomidorów zbiory były wyższe o około 40 %. Natomiast zbiory koniczyny znowu były niższe tym razem o 8 % [4]. Ponadto odnotowano wyższą wilgotność gleb w czasie upałów.
Perspektywy rozwoju
Biorąc pod uwagę, iż produkcja żywności w skali globalnej, jest jednym z największych wyzwań ludzkości, takie interdyscyplinarne podejście pozwoli na jej udoskonalenie w wielu miejscach na Ziemi. Projekt APV – RESOLA pokazuje, że przy odpowiednim doborze roślin to właściwy kierunek, gdyż agrowoltaika pokazuje wtedy swoje największe zalety. Następnym etapem rozwoju agrowoltaiki będzie przejście z fazy badawczej do zakładania upraw i instalacji na szerszą skalę. Niemiecki Instytut Fraunhofera podał w 2021 roku, że rząd Korei Południowej planuje zbudować 100 000 systemów agrowoltaicznych w gospodarstwach rolnych, jako zabezpieczenie emerytalne dla rolników [5].
W publikacji wykorzystano powszechnie dostępne materiały w tym:
- Adolf Goetzberger, Armin Zastrow. On the Coexistence of Solar-Energy Conversion and Plant Cultivation. „International journal of solar energy”, s. 55-69, 1981. DOI: 10.1080/01425918208909875.
- https://www.ise.fraunhofer.de/en/key-topics/integrated photovoltaics/agrivoltaics.html
- Dinesh, Harshavardhan; Pearce, Joshua M. (2016). "The potential of agrivoltaic systems". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 54: 299–308.
- https://www.ise.fraunhofer.de/en/research-projects/apv-resola.html
- Bhambhani, Anu (23 February 2021). "Fraunhofer ISE Issues Guidelines For Agrivoltaics". TaiyangNews. Beijing. Retrieved 8 March 2021.