Dynamiczny przyrost gruntowych instalacji fotowoltaicznych, w tym wielkopowierzchniowych farm słonecznych sprawia, że tereny pod fotowoltaikę się kurczą. Odpowiedzią na ten prognozowany deficyt może stać się agrofotowoltaika. Mówi się, że w przyszłości będzie ona stanowić nawet do 40 procent polskiego rynku energii.
Co to jest agrofotowoltaika?
Termin ten po raz pierwszy został użyty przez niemiecki instytut Fraunhofer ISE, który do dziś pozostaje wiodącym ośrodkiem badającym możliwości agrofotowoltaiki w Europie. Oznacza on jednoczesne wykorzystanie ziemi pod uprawy rolne i do produkcji energii słonecznej.
Może to być np. gruntowa instalacja fotowoltaiczna składająca się z przepuszczających światło modułów umieszczonych na specjalnym, wyższym od obecnych, rusztowaniu, pod którym uprawiane jest zboże lub uprawy szklarniowe (np. ogórki, pomidory). W tym drugim wypadku półprzezroczyste moduły fotowoltaiczne ulokowane są na dachu szklarni.
Idea elektrowni słonecznych zlokalizowanych na terenach uprawnych nie jest nowa. Za jej twórców uważa się Adolfa Goetzbergera, niemieckiego fizyka, pioniera energetyki słonecznej i Armina Zastrowa, naukowca z Freiburga, założyciela instytutu Fraunhofer ISE. W 1981 roku przedstawili rozwiązanie, które umożliwia rolnikom, ogrodnikom lub hodowcom instalowanie ogniw produkujących energię nie tylko na gruntach wyłączonych z użytkowania, jak to ma miejsce dzisiaj. Dzięki temu, agrofotowoltaika umożliwia rozwój energetyki słonecznej przy jednoczesnym zagospodarowaniu gruntów ornych oraz kontroli wydajności upraw poprzez zarządzanie światłem docierającym do plonów.
Agrofotowoltaika korzyści
O pierwszej już powiedziałem. Jednoczesna uprawa ziemi i produkcja prądu pozwala na duże oszczędności terenu, którego braki, przy wciąż powstających farmach fotowoltaicznych, prędzej czy później dadzą o sobie znać. Jak bardzo gra jest warta świeczki niech świadczy fakt, że od 1961 roku dostępność gruntów ornych w przeliczeniu na jedną osobę na świecie zmniejszyła się o niemal połowę, a pamiętajmy, że liczba ludności ciągle wzrasta i z każdym rokiem trzeba będzie produkować więcej żywności, by rosnącą populację wykarmić. Sama Unia Europejska straciła około jedną trzecią gruntów w przeliczeniu na mieszkańca w ciągu ostatnich 50 lat. Instytut Fraunhofer ISE policzył, że gdyby wykorzystać pod agrofotowoltaikę jedynie 4 procent powierzchni upraw na terenie Niemiec, energia wyprodukowana przez takie instalacje byłaby równa produkcji elektrowni o mocy 500 GW i pokryłaby zapotrzebowanie na energię całego kraju.
Moduły instalowane kilka metrów nad ziemią pełnią również funkcję ochronną, zmniejszając skutki nawałnic i gradobicia. Instalacje fotowoltaiczne mogą zastąpić drogie siatki przeciwgradowe i szklarnie z poliwęglanu. Dodatkowe zacienienie korzystnie wpływa również na wilgotność gleby, zmniejszając parowanie, dzięki czemu jakość upraw jest wyższa i nie wymagają one dodatkowego nawadniania. Szczególnie ważne może to się okazać w naszym kraju przy coraz częstszych i dłuższych okresach suszy oraz bardzo małych zasobach wody.
Tam, gdzie nie ma dostępu do energii z sieci, off-gridowe instalacje agrofotowoltaiczne mogą być użyte nie tylko do przeciwdziałania procesom degradacji gleby poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na wodę dzięki zacienieniu, ale i do uzdatniania wody. Największa taka instalacja na świecie znajduje się na obrzeżach pustyni Gobi w Chinach, gdzie uprawiane są jagody.
Prowadzone na całym świecie badania pokazują, że uprawy pod fotowoltaiką mogą być wydajniejsze. W Indiach, w stanie Maharasthra cień zapewniany przez moduły i związany z tym wolniejszy proces parowania może zwiększyć plony pomidorów i bawełny nawet o 40%.
Wśród innych korzyści wymienia się również:
- dodatkowe dochody z tytułu dzierżawy gruntu,
- zwiększenie efektywności wykorzystania gleb,
- produkcję taniej energii,
- rozwój wsi poprzez zwiększenie zatrudnienia i powstanie nowych modeli biznesowych,
- uniezależnienie hodowców od zewnętrznego dostawcy energii
Czy agrofotowoltaika się opłaca?
Poza wieloma korzyściami środowiskowymi, agrofotowoltaika przynosi również opłacalność ekonomiczną. Wyższe koszty montażu rekompensuje zwiększenie wydajności, zmniejszenie zapotrzebowania na wodę oraz niskie koszty produkcji energii. Jest ona nie tylko tańsza od tej pobieranej z sieci, ale również od energii produkowanej przez instalacje fotowoltaiczne na dachu. Na dodatek wzrost popularności systemów agrofotowoltaicznych spowoduje dalszy spadek kosztów, co zbliży je do dużych instalacji gruntowych.
Wyprodukowana energia elektryczna może być wykorzystana do bieżącej działalności rolniczej, np. do naładowania samochodu elektrycznego, pomp do odsalania i uzdatniania wody, czy innych maszyn napędzanych energią elektryczną. Wraz z zaostrzaniem norm emisyjnych zapewne liczba ciągników elektrycznych będzie rosła, a dzięki fotowoltaice będzie można je tanio zasilić.
Agrofotowoltaika zagrożenia i wyzwania
Jeśli nie ma problemu z przywołaniem danych i badań nad pożytkami agrofotowoltaiki, to jeśli chodzi o jej wady jest już dużo gorzej. Wynika to z faktu, że jest to gałąź zbyt młoda, by można zaobserwować skutki długookresowe jej wpływu na środowisko, a przedmiotowe badania są dopiero prowadzone. Na pewno moduły słoneczne nad obszarami rolnymi mogą prowadzić do przestrzennych zmian mikroklimatu, tj. zmiany wilgotności powietrza i gleby, co w niektórych wypadkach jest zaletą, ale może stać się wadą, gdy uprawiane są inne gatunki roślin.
Kolejną kwestią budzącą wątpliwości jest wytrzymałość wysokich konstrukcji na dużych powierzchniach. Chodzi przede wszystkim o silne wiatry nawiedzające Europę przy okazji zmian klimatu.
Z wad mniejszego kalibru należy wskazać walory krajobrazowe. O ile instalacja w ogródku czy na małym obszarze nie przysłoni widoku, to elektrownia na kilku hektarach oznaczałaby montaż ogromnego, stalowego szkieletu.
Jeśli chodzi o wyzwania stojące przed agrofotowoltaiką, to są to przede wszystkim ramy prawne, które nie przewidują dualnego użytkowania gruntów oraz niewystarczające regulacje wspierające rozwój OZE na wsiach czy w ogrodnictwie.
Agrofotowoltaika badania Frauhofer ISE
W marcu 2016 r. Instytut Fraunhofer ISE i APV-RESOLA zainstalowały system pilotażowy z przeznaczeniem do badań o mocy 194 kWp w Heggelbach koło Jeziora Bodeńskiego. Moduły zostały zainstalowane na pięciometrowej konstrukcji fotowoltaicznej. Uprawiano pszenicę ozimą, koniczynę, ziemniaki oraz selery.
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. 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. Cień pod półprzezroczystymi modułami umożliwił roślinom lepsze znoszenie gorących i suchych warunków. 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.
Agrofotowoltaika w Polsce i na świecie
Prekusorem praktycznego wykorzystania agrofotowoltaiki jest Japonia, która pierwszy prototyp zainstalowała w 2004 roku. Jest ona także popularna we Włoszech oraz w Niemczech, w których powołano grupę instytucji APV-RESOLA, mającą na celu popularyzację tego rozwiązania. Na systemowe wsparcie agrofotowoltaiki zdecydowały się rządy Japonii, Chin, Francji oraz USA. Popularność zdobywa również w Korei, Indiach, czy Wietnamie.
Wielkość takich instalacji urosła z około 5MW w 2012 roku do prawie 2,9GW w roku 2020. W ilości zainstalowanej mocy przodują Chiny, gdzie wynosi ona już 1,9 GW.
W Polsce póki co nie doczekaliśmy się instalacji agrofotowoltaicznej, niemniej od grudnia ubiegłego roku trwają prace nad eksperymentalnym polem należącym do zgorzeleckiego ZKlastra. Prace badawczo-rozwojowe będą prowadzone przez Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych.
