Mitigating the anthropocene extinction via agrivoltaics and ecovoltaics
Authors:   , Macdonald James Duncan 
Published: May 2024

(English) This thesis examines agrivoltaics, ecovoltaics, and agriecovoltaics (A/E/ÆPV): innovative alternative formats of ground-mounted solar photovoltaic (PV) projects which integrate agricultural production and/or ecosystem service-rendering plant species within the extensive electricity-generating areas. The primary research question asks how A/E/ÆPV can play a role in mitigating the Anthropocene Extinction (AX). Secondary questions examine contemporary challenges facing A/E/ÆPV’s expansion, such as linguistic oversimplification and ambiguity, unintentional greenwashing that may lead to poorly performing projects, underexplored research areas, and underdefined roles for the public and private sectors.

To build a basis for these inquiries, mainstream PV technology (before considering A/E/ÆPV) is presented and classified together with such activities as crop agriculture, forestry, and ornamental plant cultivation into the newly proposed category of anthropocene photon transformation operations (APTO). APTO’s long history, intertwined with deforestation and species loss over many millennia is explored, and observations are offered on linkages between prior mass extinctions and AX. AX drivers are divided into kinetic (physical and fire-driven destruction) and akinetic (pollution and atmospheric destabilization), a lens under which APTO such as agriculture (and by extension, fossil fuels) and various formats of PV are inspected.

The multitude of environmental transgressions attributed to agriculture are noted to have driven the research’s original focus on vertical farming (VF) as a potential means towards freeing up huge areas of land for rewilding, by shifting the cultivation of field crops into ultra-efficient (albeit resource-demanding and energy-intensive) controlled-environment cultivation towers. An overview of VF is offered, along with descriptions of the painstaking efforts taken by the author to obtain reliable up-to-date data and professional insight in this field, in the face of scarce academic research. Finally, the author’s re-insertion into the PV sector (with a clear focus on A/E/ÆPV) and related academic and industry exchanges are detailed. The author’s positioning as a thought leader in the burgeoning A/E/ÆPV space is outlined, noting such contributions as the conception of an increasingly internationally recognized framework on APV project validation, and regular presentations on A/E/ÆPV at major conferences.

The 3 articles at the core of the thesis address the research questions noted in the first paragraph above. In Opportunities and Challenges for Scaling Agrivoltaics in Rural and Urban Africa, the quantities of food and energy that can be generated per square meter of APV area is compared with varying food and electricity demand. It is shown that while very small off-grid APV projects will generate negligible amounts of food per capita, larger projects located closer to cities and perhaps even PV-to-green-hydrogen export operations seem like better fits for APV. In Groundcover impacts on utility-scale solar operations and maintenance practices and costs, data from existing projects is analyzed to argue that unsubsidized EPV and ÆPV stand a strong chance to deliver improved ROI over mainstream low-cost low-biodiversity PV projects. Finally, Photovoltaic + photosynthetic coexistence delivers a much broader overview of the global PV panorama, highlighting best-case PV integration options in a broad variety of urban and rural landscapes, with emphasis on increased spacing between and below PV arrays as a major facilitator of biodiversity and farming. The article also confronts PV’s interplay with forestry, biofuels, aesthetics, and regional resiliency.

The thesis closes with evaluations of E/ÆPV’s potential effectiveness in mitigating AX, along with reflections on sustainability and AX’s complex essence, unclear timeframe, and its confounding dual ubiquity and invisibility in modern societies.
(Español) Esta tesis examina la agrivoltaica, la ecovoltaica y la agriecovoltaica (A/E/ÆPV): formatos alternativos innovadores de proyectos solares fotovoltaicos (PV) montados en suelo que integran la producción agrícola y/o las especies de plantas que prestan servicios ecosistémicos dentro de las extensas áreas de generación de electricidad. . La principal pregunta de investigación es cómo A/E/ÆPV puede desempeñar un papel en la mitigación de la Extinción del Antropoceno (AX). Las preguntas secundarias examinan los desafíos contemporáneos que enfrenta la expansión de A/E/ÆPV, como la ambigüedad lingüística, el greenwashing (quizás no intencional), áreas de investigación poco exploradas y roles poco definidos para los sectores público y privado.

Para construir una base para estas consultas, la tecnología PV convencional se presenta y clasifica junto con actividades tales como la agricultura y la silvicultura en la nueva categoría propuesta de “operaciones antropocenos de transformación de fotones” (APTO). Se explora la larga historia de APTO, entrelazada con la deforestación y la pérdida de especies durante muchos milenios, al igual que los vínculos entre extinciones masivas anteriores y AX. Los impulsores de AX se dividen en cinéticos (destrucción física; provocada por el fuego) y acinéticos (contaminación; desestabilización atmosférica), una lente bajo la cual se inspecciona APTO.

Se observa que las transgresiones ambientales atribuidas a la agricultura impulsaron el enfoque original de la investigación en la agricultura vertical (VF, por sus siglas en inglés) como un medio potencial para liberar grandes áreas de tierra para el rewilding, al cambiar el cultivo de cultivos de campo a ultraeficientes (aunque exigentes de recursos) torres de cultivo de ambiente controlado. Se ofrece una visión general de la VF, junto con descripciones de los esfuerzos realizados por el autor para obtener datos y conocimientos profesionales en este campo, frente a la escasa investigación académica existente en 2017-‘19. Finalmente, se detalla la investigación e inserción profesional del autor en la industria A/E/ÆPV.

Los 3 artículos de la tesis abordan las preguntas de investigación mencionadas anteriormente. “Photovoltaic + photosynthetic coexistence” ofrece una amplia visión general del panorama FV global, destacando las mejores opciones de integración FV en una amplia variedad de paisajes urbanos y rurales, con énfasis en un mayor espacio entre y debajo de los conjuntos FV como un importante facilitador de la biodiversidad y la agricultura. El artículo también confronta la interacción de la FV con la silvicultura, los biocombustibles, la estética y la resiliencia regional. En “Opportunities and Challenges for Scaling Agrivoltaics in Rural and Urban Africa”, las cantidades de alimentos y energía que se pueden generar por metro cuadrado de área APV se comparan con la demanda variable de alimentos y electricidad. Se muestra que, si bien los proyectos APV fuera de la red muy pequeños generarán cantidades insignificantes de alimentos per cápita, los proyectos más grandes ubicados más cerca de las ciudades y los puertos parecen encajar mejor para APV. En “Groundcover impacts on utility-scale solar operations and maintenance practices and costs”, se analizan datos de proyectos existentes para argumentar que EPV y ÆPV no subsidiados tienen una gran oportunidad de ofrecer un ROI mejorado en comparación con los proyectos FV convencionales de bajo costo y baja biodiversidad.

La tesis se cierra con evaluaciones de la efectividad potencial de E/ÆPV para mitigar AX, junto con reflexiones sobre la sostenibilidad y la esencia compleja de AX, el marco temporal poco claro y su confusa ubicuidad e invisibilidad dual en las sociedades modernas.