Възможности и предизвикателства пред агриволтаиката в прехода към нисковъглеродна икономика

Идеята за производство на слънчева енергия и отглеждане на култури на една и съща площ съществува от 80-те години на 20 век, коментира в анализ за climateka.bg Радина Калдамукова, магистър по геоекология от университета в град Тюбинген, Германия. Участник в програмата за експерти в областта на климатичните промени „Pioneers into practice“, организирана от най-голямото публично-частно партньорство в Европа в сферата на климата – Climate-KIC. 

Концепцията за двойна употреба е замислена от Гьотцбергер и Застров в института Fraunhofer (Германия) през 1981 г. Те предлагат фотоволтаичната конструкция да се издигне на височина от около 2 м и разстоянието между редовете да е около 3 пъти височината на модулите, за да се постигне равномерно огравяне на културите, като в същото време позволява движението на механизирана селскостопанска техника.

Оттогава до днес, изолирани демонстрационни и изследователски инсталации са създадени или планирани в Аризона и Масачузетс (САЩ), Нидерландия, Япония, Индия, Италия, Франция, Германия, Малайзия, Чили и др. През последните години концепцията става все по-привлекателна, тъй като цената на фотоволтаичните панели пада, а интересът към възобновяемата енергия се повишава, заедно с финансовия натиск върху дребните фермери.

В Япония първоначално концепцията е разработена от Акира Нагашима през 2004 г., пенсиониран инженер, който по-късно е изучавал биология. Знаейки, че твърде много слънце няма да помогне за по-нататъшния растеж на растенията, Нагашима достига до идеята да комбинира фотоволтаични системи със земеделие. Скоростта на фотосинтезата се увеличава с увеличаване на нивото на осветеност; в един момент обаче всяко по-нататъшно увеличаване на количеството светлина, която достига едно растение, не води до никакво повишаване на фотосинтезата.

Нагашима измисля и патентова специална структура, която прилича много на пергола в градината. Създадените от него конструкции са направени от тръби и редове фотоволтаични панели без бетонни основи, които са подредени през определени интервали, за да позволят достатъчно слънчева светлина да достигне земята, както и за използване на селскостопанска техника. Въз основа на тестове, проведени в неговите смесени системи в префектура Чиба, той препоръчва около 32% засенчване на земеделската земя, за да се постигне адекватен растеж на културите.

 

Фигура 1. (а) Визуализация на концепциите на Гьоцбергер и Застров – 1981 г.  и (б) първият модел на А. Нагашима в Япония (2004 г.). 

Все повече проучвания и научни трудове подчертават потенциала на агриволтаиците (APV) за подобряване на ефективността на използване на земята, производство на регионална храна и подкрепа на местните икономики, и като едно от решенията в борбата с климатичните промени. Различни агриволтаични конфигурации – като комбиниране на фотоволтаични технологии с обработваеми земи, пасища или местообитания на пчели и други опрашващи насекоми могат да допринесат за постигането на целите за възобновяема енергия и чиста храна, като същевременно намаляват местната съпротива срещу разполагането на фотоволтаични инсталации.

Соларните фотоволтаични (PV) технологии са от ключово значение за прехода към нисковъглеродна енергийна система. И все пак широкомащабното им внедряване може да бъде възпрепятствано поради опасения за компромиси с устойчивото развитие и застрашаване на биоразнообразието и хранителната сигурност. Например, изграждането на фотоволтаични ферми може да се конкурира със селското стопанство за използването на същата земя за производство на храни, създавайки напрежение относно това как земята се разпределя сред местните жители и селскостопански производители.Въпреки това, една нова стратегия, известна като агриволтаика, комбинира производството на слънчева електроенергия със селскостопанска дейност на едно и също място. 

Агриволтаичните системи увеличават добивите, наред с други ползи,

особено в сухи и засушени райони

Проучване на Barron-Gafford и колеги, публикувано в Nature през 2019 г.  сравнява последиците за добивите от селскостопанска продукция, количеството произведена енергия и изхразходваната за напояване вода, използвайки агриволтаична система и традиционна селскостопанска система в щата Аризона, САЩ.

Изследваните растения (лют червен пипер, халапеньо и чери домат) удвояват реколтата си в агриволтаичната система в сравнение с традиционната такава. Поради охлаждащия ефект на растителната транспирация върху слънчевите панели, се наблюдава и леко покачване в производството на електроенергия. Агриволтаичната система генерира 1% повече електроенергия на годишна база (3% увеличение през летните месеци) в сравнение с обикновена фотоволтаична система на същото място. Освен това поглъщането на въглероден диоксид и ефективното използване на вода също са по-високи (и двете с 65%) в такава смесена система, което според авторите е подпомогнало общата производителност чрез намаляване на стреса на растенията от топлина и суша.

Обект на изследователска дейност в сферата на агриволтаиката в последните години са следните въпроси:

• Какъв е потенциалът на соларната енергия според типа земно покритие  – полета, пасища и влажни зони
• Каква е икономическата стойност на производството на соларна енергия, съчетана с производството на култури
• Каква е толерантността на различните култури към засенчване
• Възможно ли е прилагането на тази технология в крайградските селскостопански райони и много други. 

Един актуален проект, който изучава системи с двойна употреба е предложеният от Clean Energy Extension на Университета на Масачузетс, САЩ, който изучава как се развиват растениевъдството и животновъдството под слънчеви панели в собствените си съоръжения от около десетилетие. Екипът проследява поведението на пасящите животни и събира данни за ползите за фермерите и околната среда, наблюдавайки заблатени парцели с червени боровинки или традиционни зеленчуци като тикви.

Досега проучванията показват, че някои култури, като маруля и къпини, се справят добре на сянка и дори могат да „спечелят“ от положителните ефекти, особено в по-горещите региони. Други култури, като броколи, зеле и чушки, показват намален добив. Един негативен ефект е, че се произвежда по-малко енергия на квадратен метър в сравнение с изграждането на стандартни фотоволтаични панели, но експертите са на мнение, че все пак плюсовете преобладават и сметката излиза.

Сборът от ползите, дори при намалени добиви е все още по-голям, отколкото би могло да се постигне при използване само на соларни панели или ако се разчита само на земеделие, което се дължи и на синергиите между тях. 

Япония, където са инсталирани най-много агриволтаични системи досега, е идентифицирала и списък с най-важните агриволтаични култури, подходящи за японския климат и селскостопански условия. Той е разработен в партньорство с университета в Чиба и съдържа повече от 120 вида растения, култивирани успешно в агриволтаични ферми в цялата страна. По същия начин Японската мрежа за соларно споделяне (Japanese Solar Sharing Network) предоставя списък с растения със съвети за отглеждане въз основа на точката на насищане на осветеността на съответната култура.

Необходими са обаче още допълнителни изследвания, за да се определи точен подход за класифициране на пригодността на културите за използване в агриволтаичните системи 

Някои автори предлагат класификация, съставена от три категории: ПЛЮС (+) за по-високи добиви, НУЛА (0) – не показва влияние, и МИНУС (-) за отрицателен ефект.

Независимо от това, до момента няма общ консенсус относно стандартизирана система, която да позволява експериментално да се сравнява продуктивността на културите при полеви условия. За да се постигне обща референтна рамка, ще е необходимо да се установят прагове на увеличени/намалени добиви, което ще гарантира, че двойното използване на земята позволява производството на електроенергия, като същевременно се поддържа витално и продуктивно земеделие. В този смисъл фермерите, които са експерти на свой терен, могат да определят толеранса на загубите на добив, които могат да послужат като референция за определяне на нивата за класификация. Например, въз основа на опита от проекти, осъществени в Германия, фермерите съобщават, че могат да понесат загуба на реколта до 20%, което съвпада с насоките на японското Министерство на земеделието, горите и рибарството (MAFF) за внедряване на фотоволтаични системи върху съществуващи земеделски площи.

200 системи са инсталирани по целия свят от 2014 гoдина

В световен мащаб инсталираният капацитет на агриволтаика продължава да нараства. 

Изчислено е, че 2200 системи са инсталирани по целия свят от 2014 г. насам, а Япония е страната, където са инсталирани най-много агриволтаични ферми, над 1992, които произвеждат около 0,8% от общата фотоволтаична енергия през 2019 г., което води до капацитет от около 2,8 GWp към януари 2020 г. През 2018 г. френската Sun’agri изгражда първото агриволтаично поле в района на Източните Пиренеи. Това поле има мощност от 2,2 MWp и е инсталирано върху 4,5 ха лозя. Днес компанията се фокусира върху разработването на широкомащабни демонстрационни системи на динамична агриволтаична технология в овощни градини и лозя. В холандския град Баберих, компанията BayWa е инсталирала 2,7 MWp агри-PV ферма за малини, която е най-голямата агриволтаична система за производство на плодове в Европа. Полупрозрачните фотоволтаични модули без рамки са монтирани над културите с полузатворена едноредова система, която ги предпазва от атмосферни явления. С това същевременно се осигурява и по-добра вентилация и намалено използване на пестициди, което от своя страна води до опазване на биоразнообразието в полетата.

Фигура 2. Примери за модерни и високоефективни APV системи в (а) Панели на Sun’agri Франция, (б) Италия – патентована технология Agrovoltaico® на компанията REM Tec с двулицеви панели, (в) Полупрозрачни панели на BayWa в Нидерландия. 

Някои проекти вече са достигнали пазарна зрялост. Agrinergie® е името на системите, създадени от групата Akou Energy за комбиниране на енергия от фотоволтаици и производство на култури, като същевременно се взема предвид опазването на ландшафта. Първият проект, който включва тази концепция, е инсталиран на френския тропически остров Ла Реюнион. Модулите са умишлено раздалечени, за да се отглежда лимонена трева между тях, а топографията им се слива хармонично с пейзажа. Немската Next2Sun разработва вертикални инсталации с двулицеви фотоволтаични модули, обърнати на изток и запад, оставяйки междуредови зони (широки около 10 м) за земеделие. В Австрия и Германия вече са разработени проекти с инсталирана мощност от 22 kWp за отглеждане на картофи и съответно сено и силаж. Тези двулицеви панели са и по-ниска конструкция, което означава по-ниски разходи за монтаж и поддръжка. 

Фигура 3. Иновативни проекти на Френската Agrinergie® в (а) Остров Реюнион, Франция; Вертикални панели на немската Next2Sun в (б) Австрия и (в) Германия. 

Фотоволтаични оранжерии

Soliculture, компания базирана в Санта Круз, Калифорния, комерсиализира иновативни полупрозрачни соларни панели, които са съставени от тънки силициеви фотоволтаични (PV) ленти, подредени върху стъклен панел, подобрявайки качеството на светлината чрез преобразуване на зелена светлина в червена. Оптимизираният светлинен спектър подобрява производството на енергия и улеснява растежа на културите, пропускайки максимално слънчевата светлина. При множество проведени опити с растения при културите под този вид панели са наблюдавани положителни реакции на растеж, включително повишен добив, по-бързо време за узряване и устойчивост на болести.

Фигура 4. Иновативни фотоволтаични решения върху покриви на оранжерии (а) фиксирани с различно разположение; (б) динамични (в) Преобразуващи зелена светлина в червена.

Фигура 5. Патентован панел LUMO, който абсорбира зелена светлина и излъчва червена светлина, което не само подобрява качеството на светлината за фотосинтеза на растенията, но също така повишава ефективността на соларната енергия.

Соларна паша

Освен земеделска продукция, двойното използване на площите може да включва и животновъдство. Един такъв пример е соларната паша.
Соларната паша е метод за контрол на растителността под фотоволтаичните панели с помощта на пасищен добитък. При нея най-често се използват овце, тъй като те са най-подходящи поради размера и поведението си.

Обикновено соларните компании сключват договор с местни овцевъди за преместване на овцете на мястото на соларния парк през пролетта, грижат се за тях през пасищния сезон и ги преместват обратно през зимата. Овчарите се грижат за животните, следят за здравето им и ги местят стратегически, за да не обрасва растителността твърде висока и да не засенчва слънчевите панели. За овцевъдите това е възможност за допълнителен доход, като соларните компании често им осигуряват достъп до ресурси като вода и електричество. 

Овцете обичат да консумират много видове плевели и инвазивни растения и са подходящи за паша под панелите, където е по-трудоемко да се коси механично. Добре проектираната ограда около соларния обект е една от важните предпоставки при този метод овцете да не избягат, като същевременно ги предпазва от хищници. Слънчевите панели осигуряват подслон при дъжд, вятър и пряко слънце през горещите дни.

В соларния парк могат да бъдат поставени и кошери с медоносни пчели, заедно с пасящите овце. В Северна Америка, например, овцевъдите работят заедно с пчелари и следят за доброто управление и взаимна полза от този вид агри-фотоволтаична система.

Каква е ситуацията в България?

В България земеделците и животновъдите, които искат да инвестират в изграждането на агриволтаични системи могат да кандидатстват по мярка 4 – „Инвестиции в материални активи“ от Програмата за развитие на селските райони 2014 – 2020 г. (ПРСР). 

На този етап все още няма мащабни проекти за двойно използване на земята, но в страната оперират фирми от над десет години, чиято дейност е в сферата на фотоволтаичните инсталации за собствена нужда или включване в мрежата за продажба на електричество. Някои от проектите на фирмата Соларити БГ например са инсталирани в селскостопански райони като Санданско-Петричко, Кресна, Костинброд, Брезник, Чупрене, Съединение, Петрово, Струмяни, Режанци и други. Фирмата е изградила над 100 енергийни обекта с обща инсталирана мощност над 9 MW в България. От фирмата Nencom пък изграждат собствени соларни централи за овце и крави. 

Много селскостопански обекти не са свързани с електрическата мрежа и затова фермерите използват дизелови генератори. Те са скъпи и шумни, постоянно изискват допълнителни разходи, свързани със закупуването на гориво и редовна поддръжка: смяна на масло, филтри, охлаждаща течност и т.н. Всички тези разходи не са ниски, но свързването към електропреносната мрежа е още по-скъпо. Освен това, изгорелите газове на дизеловите двигатели са официално признати като канцероген от първа група, предизвикващ рак на белия дроб. Дизеловите отработени газове негативно влияят и върху екосистемата (като вредят на обонянието на пчелите) и ефективността на селското стопанство. Собствениците на нов краварник, разположен близо до село Калчево в Ямболска област се обръщат към фирмата за разрешаване на този проблем и генериране на електричество за доене на 60-те си крави. Те инсталират 32 броя фотоволтаични модула Risen по 330 вата, батерии, контролери и инвертори. Към настоящия момент краварникът и къщата на фермерите са снабдени с електричество денонощно, като по-голямата част от времето — в пълна тишина, а разходът на гориво е спаднал значително. Един от плюсовете е, че автоматично се събира и статистика на производството и консумацията на енергия, както и на всички технически параметри на слънчевата централа. 

Електричество за крави и в България.

Пилотни проекти в различни реални условия демонстрират потенциала на агриволтаичната технология за по-масово навлизане, получавайки все по-широко одобрение от индустрията и правителствата. В близко бъдеще се очаква рязко увеличаване на броя на инсталациите и капацитета им, но с това възникват и нови опасения относно опазването на ландшафта и биоразнообразието. Тъй като прилагането на APV може да бъде фокусирано главно върху ефективността на фотоволтаичната система (която носи повече финансов стимул отколкото селското стопанство), трябва да се обърне и достатъчно внимание на правилната синергия между производството на енергия и производството на храна. Разработването на нови технологии, както и правилният подбор на растителни видове, адаптирани към АPV системите, са темите, над които трябва да се фокусират настоящите и бъдещи научни изследвания.

По-нататъшното разработване и усъвършенстване на агриволтаичните системи е от ключово значение за справянето с климатичните предизвикателства, като същевременно полага основите на устойчиви политики в секторите енергетика, земеделие и развитие на селските райони.