Agrovoltika

Agrovoltika (tiež agrofotovoltika, AV, AFV) kombinuje pestovanie plodín a výrobu elektriny z fotovoltických panelov na rovnakej ploche poľnohospodárskej pôdy. Solárne panely a plodiny tak zdieľajú svetlo medzi týmito dvoma typmi výroby. Tieto systémy môžu byť vhodné pre hospodárske zvieratá a niektoré plodiny vrátane produkcie ovocia.

História 

Koncepciu dvojitého využitia ornej pôdy na výrobu slnečnej energie a pestovanie rastlín s cieľom zlepšiť celkovú produkciu navrhli ako prví v roku 1981 Adolf Goetzberger a Armin Zastrow. Riešili prebiehajúcu diskusiu, či sa má orná pôda využívať na pestovanie plodín alebo produkciu elektrickej energie.

Bod nasýtenia svetlom je maximálne množstvo fotónov absorbovateľných rastlinným druhom. Pretože viac fotónov nezvýši rýchlosť fotosyntézy, Akira Nagashima navrhol kombinovať FV systémy a poľnohospodárstvo tak, aby využívali prebytok svetla. Prvé prototypy vyvinul v Japonsku v roku 2004.

Pojem „agrovoltika“ bol použitý prvýkrát v publikácii v roku 2011. Tento koncept je vo svete známy pod niekoľkými názvami: „agrofotovoltika“ v Nemecku, „agrovoltika“ v Taliansku, „solárne zdieľanie“ v Ázii.  Za agrovoltické systémy možno tiež považovať fotovoltické skleníky.

Keďže jedným z cieľov poľnohospodárskych systémov je ochrana poľnohospodárskej pôdy, všeobecne sa usudzuje, že by sa v agrovoltike nemala zanedbávať poľnohospodárska výroba. Obmedzenia poľnohospodárskej výroby sa v jednotlivých krajinách líšia podľa právnych predpisov alebo podľa typu plodiny a cieľov agrovoltického systému (optimalizácia objemu poľnohospodárskej výroby, kvalita poľnohospodárskych výrobkov, výroba energie).

Agrovoltika vo svete

Európa 
Prvé fotovoltické skleníky vznikli v Európe po roku 2000. Časť strechy skleníka je nahradená solárnymi panelmi. Prvé agrovoltické systémy na otvorených poliach boli inštalované v roku 2007 v Rakúsku, neskôr v Taliansku, Francúzsku a Nemecku.

Rakúsko 
V roku 2004 navrhla spoločnosť Günter Czaloun fotovoltický sledovací systém so systémom lanových regálov. Prvý prototyp bol vyrobený v južnom Tirolsku v roku 2007 na ploche 0,1 ha. Lanová konštrukcia je viac ako päť metrov nad zemou. Nový systém bol predstavený na konferencii Intersolar 2017 v Mníchove. Táto technológia je potenciálne lacnejšia ako iné systémy na otvorenom poli, pretože vyžaduje menej ocele.

Taliansko 
V rokoch 2009 a 2011 boli nad vinicami inštalované agrovoltické systémy s pevnými panelmi. Pokusy ukázali mierny pokles úrody a neskorší zber.

V roku 2009 vyvinula talianska spoločnosť REM TEC dvojosý solárny sledovací systém. V rokoch 2011 a 2012 spoločnosť REM TEC postavila niekoľko MWp agrovoltických elektrární na otvorených poliach. Solárne panely sú inštalované 5 m nad zemou a umožňujú pohyb poľnohospodárskych strojov. Tienenie fotovoltických panelov nepresahuje 15%, aby sa minimalizoval vplyv na plodiny. Spoločnosť ako prvá inštalovala automatizované integrované tieniace systémy na nosné konštrukcie. REM TEC navrhuje aj dvojosové solárne sledovacie systémy integrované do štruktúry skleníka. Kontrola polohy solárnych panelov optimalizuje mikroklímu v skleníku.

Francúzsko 
Fotovoltické skleníky sa začali stavať vo Francúzsku od roku 2000. Konštruktéri fotovoltických skleníkov pokračovali v zlepšovaní poľnohospodárskej výroby aj výroby energie. Napríklad koncept Agrinergie vyvíjala spoločnosť Akuo Energy od roku 2007. Prvé elektrárne pozostávali zo striedania plodín a solárnych panelov. Nové elektrárne sú skleníky. V roku 2017 začala spoločnosť Tenergie s nasadením fotovoltických skleníkov s architektúrou, ktorá rozptyľuje svetlo s cieľom znížiť kontrasty medzi osvetlenými a zatienenými miestami vytváranými solárnymi panelmi.

Systémy na otvorených poliach 
Od roku 2009 INRA, IRSTEA a Sun'R začali pracovať na programe Sun'Agri. Prvý prototyp inštalovaný v teréne s pevnými panelmi bol vyrobený v roku 2009 na ploche 0,1 ha v Montpellieri. Ďalšie prototypy s jednoosými mobilnými panelmi boli vyrobené v rokoch 2014 a 2017. Cieľom týchto štúdií je riadenie mikroklímy prijímanej rastlinami a výroba elektriny optimalizáciou polohy panelov a výskum ako je žiarenie distribuované medzi plodinami a solárnymi panelmi. Prvá agrovoltická elektráreň na otvorenom poli systémom Sun'R bola postavená v roku 2018 v Tresserre v Pyrénées-Orientales. Elektráreň mala kapacitu 2,2 MWp a bola inštalovaná na 4,5 ha viníc. Vyhodnocuje sa na nej v reálnych podmienkach výkonnosť systému Sun'Agri na viniciach.

V roku 2016 sa na agrovoltiku začala špecializovať spoločnosť Agrivolta. Po prvom prototype vyrobenom v roku 2017 v Aix-en-Provence inštalovala spoločnosť Agrivolta svoj systém na pozemok Národného výskumného ústavu záhradníckeho (Astredhor) v Hyères. Za svoje riešenia získala spoločnosť niekoľko inovačných ocenení. V januári 2018 predstavila Agrivolta svoju technológiu na výstave CES v Las Vegas.

Nemecko 
Výskumný projekt zameraný na agrovoltiku začal v roku 2011 inštitút Fraunhofer ISE. Výskum pokračoval v projekte APV-Resola, ktorý sa začal v roku 2015 a jeho ukončenie je naplánované na rok 2020. Prvý prototyp s výkonom 194 kWp bol inštalovaný v roku 2016 na pozemku s rozlohou 0,5 ha, ktorý patrí družstevnej farme Hofgemeinschaft Heggelbach v Herdwangene (Bádensko-Württembersko). Inštitút odhaduje, že takéto systémy budú ziskové bez štátnej podpory po roku 2022.

Pilotné projekty so zvislými obojstrannými fotovoltickými panelmi postavila spoločnosť Next2Sun. Zvislé panely riešia problém s prebytkami elektrickej energie cez poludnie, zároveň elektráreň vyrobí počas roka viac elektrickej energie a krivka výroby zodpovedá dennému profilu spotreby elektrickej energie.

Holandsko 
V roku 2020 inštalovala spoločnosť BayWa na farme pestujúcej maliny agrofotovoltickú elektráreň s inštalovaným výkonom 2,7 MW na rozlohe 3,2 ha. Testovanie ukázalo, že úroda pod polopriehľadnými panelmi bola nižšia o 20 % ako pod fóliovníkmi. Klíma pod solárnymi panelmi je však viac stabilnejšia než pod fóliovníkmi, panely chránia rastliny pred krúpami, silným dažďom a priamym slnečným žiarením. Cirkulácia vzduchu medzi panelmi je efektívnejšia vďaka komínovému efektu. Ďalšou výhodou je, že životnosť panelov je 30 rokov, zatiaľ čo u fóliovníkov je to 6 rokov.

Dánsko 
Katedra agronómie na Aarhuskej univerzite začala v roku 2014 skúmať použitie agrovoltického systému v sadoch pestujúcich bio jablká. Výskum ukázal, že riziko napadnutia jabĺk chrastavitosťou sa dá znížiť pri použitý solárnych panelov takmer na 0 %.

Chorvátsko 
V roku 2017 spoločnosť Work-ing inštalovala agrofotovoltickú elektráreň na otvorenom poli s výkonom 500 kW neďaleko župy Virovitice-Podraviny. Agronomické štúdie podporuje Osijská univerzita a Škola poľnohospodárskeho inžinierstva v Slatine. Vyrobená elektrická energia sa využíva pre zavlažovací systém a poľnohospodárske stroje. Najskôr sa pod zariadením budú testovať kultúry odolné tieneniu.

Amerika

USA 
V USA sa o tento koncept zaujíma spoločnosť SolAgra v spolupráci s Katedrou agronómie na Kalifornskej univerzite v Davise. Vo výstavbe je prvá elektráreň na ploche 0,4 ha. Ako kontrola sa využíva plocha 2,8 ha. Skúma sa niekoľko druhov plodín: lucerna, cirok, šalát, špenát, repa, mrkva, mangold, reďkovka, zemiaky, rukola, mäta, okrúhlica, kel, petržlen, koriander, fazuľa, hrach, šalotka, horčica. Skúmajú sa aj projekty pre izolované lokality. Experimentálne systémy skúma niekoľko univerzít: projekt Biosphere 2 Arizonská univerzita, ďalší projekt Poľnohospodárska škola Stockbridge (University of Massachusetts v Amherste).

Čile 
V Čile boli v roku 2017 postavené tri agrofotovoltické systémy s výkonom 13 kWp. Cieľom tohto projektu podporovaného metropolitným regiónom Santiago bolo skúmať rastliny, ktoré môžu ťažiť z tienenia agrovoltického systému. Vyrobená elektrina sa použila na napájanie poľnohospodárskych zariadení: čistenie, balenie a chladenie poľnohospodárskej výroby, inkubátor pre vajcia. Jeden zo systémov bol nainštalovaný v regióne s častými výpadkami elektrickej energie.

Ázia 
Japonsko bolo celosvetovo priekopníkom vo vývoji agrovoltiky od roku 2004. V rokoch 2004 až 2017 bolo v Japonsku inštalovaných viac ako 1000 agrovoltických elektrární.

Japonsko 
V roku 2004 vyvinul Akira Nagašima demontovateľnú konštrukciu, ktorú testoval na niekoľkých plodinách. Mobilné konštrukcie umožňujú poľnohospodárom sťahovať alebo premiestňovať zariadenia na základe striedania plodín a ich potrieb. Od roku 2004 boli vyvíjané čoraz väčšie elektrárne s kapacitou niekoľkých MW s pevnými konštrukciami a dynamickými systémami. Napríklad v roku 2017 bola uvedená do prevádzky elektráreň s výkonom 35 MW, ktorá bola inštalovaná na 54 ha pôdy. Miera zatienenia tejto elektrárne je 50%, čo je vyššia hodnota ako 30%-né tienenie, ktoré sa zvyčajne používa v japonských agrovoltických elektrárňach. Poľnohospodári pestujú okrem iného ženšen, ašitabu a koriander. Na ostrove Ukujima by čoskoro mala byť umiestnená solárna elektráreň s výkonom 480 MW, z ktorej časť bude agrovoltická. Projekt je predmetom štúdie od roku 2013 a partneri podpísali dohodu o začatí výstavby v roku 2019.

Japonské právne predpisy vyžadujú, aby poľnohospodári udržiavali najmenej 80% poľnohospodárskej produkcie, aby získali povolenie na využívanie agrovoltických systémov.

Čína 
V roku 2016 postavila talianska spoločnosť REM TEC agrovoltickú elektráreň s výkonom 0,5 MWp v okrese Ťin-čaj v provincii An-chuej. Čínske spoločnosti inštalovali niekoľko GW solárnych elektrární kombinujúcich poľnohospodárstvo a výrobu solárnej energie. Napríklad v auguste 2016 Panda Green Energy inštalovala fotovoltické panely nad vinice v Turpane v autonómnej oblasti Sin-ťiang. Elektráreň s výkonom 0,2 MW bola pripojená k sieti. Projekt bol auditovaný v októbri 2017 a spoločnosť získala súhlas na inštaláciu svojho systému po celej krajine. Niekoľko desiatok MW bolo aj inštalovaných. V roku 2016 bola v provincii Ťiang-si nainštalovaná 70 MW agrovoltická elektráreň s poľnohospodárskymi a lesnými plodinami. V roku 2017 čínska spoločnosť Fuyang Angkefeng Optoelectronic Technology Co vyvinula testovaciu agrovoltickú elektráreň s výkonom 50 KWp v meste Fu-jang v provincii An-chuej. Bola vyvinutá na Inštitúte pokročilých technológií Čínskej univerzity vedy a techniky v Hefei pod vedením Wen Liua.

Spoločnosť Elion Group sa už 30 rokov snaží bojovať proti dezertifikácii v oblasti Kubuqi. Medzi použitými technikami boli nainštalované agrovoltické systémy na ochranu plodín a výrobu elektriny. Pokiaľ ide o vybavenie pre púštne oblasti, spoločnosť Wan You-Bao si v roku 2007 patentovala systém tienenia na ochranu plodín v púšti. Tienidlá sú vybavené solárnymi panelmi.

Južná Kórea 
Južná Kórea vykonáva počiatočné testy agrovoltických elektrární na základe japonských systémov od roku 2017. Agrovoltika je jedným zo skúmaných riešení na zvýšenie podielu obnoviteľných energií na energetickom mixe v Južnej Kórei. Ich cieľom je dosiahnuť 20 % obnoviteľnej energie v roku 2030 oproti 5% v roku 2017. Spoločnosť SolarFarm postavila prvú agrovoltickú elektráreň v Južnej Kórei v roku 2016 a produkuje ryžu. Odvtedy bola táto agrovoltická elektráreň ďalej rozvíjaná a testovaná. V januári 2019 bola založená Kórejská agrovoltická asociácia s cieľom propagovať a rozvíjať juhokórejský agrovoltický priemysel.

India 
Projekty pre izolované lokality skúma Amity University v Noide v severnej Indii. Štúdia zverejnená v roku 2017 sa zameriava na potenciál agrovoltiky na viniciach v Indii. Agrovoltické systémy pozostávajú zo solárnych panelov inštalovaných medzi plodinami, aby sa obmedzilo zatienenie rastlín. Táto štúdia naznačuje, že agrovoltické systémy môžu významne zvýšiť príjmy indických poľnohospodárov.

Malajzia 
Universiti Putra Malaysia, ktorá sa špecializuje na agronómiu, začala v roku 2015 experimenty na plantážach, kde sa pestuje jávsky čaj (Orthosiphon stamineus). Využívajú sa pri nich pevné konštrukcie inštalované na experimentálnej ploche asi 0,4 ha.

Vietnam 
Fraunhofer ISE inštaloval svoj agrovoltický systém na krevetovú farmu v Bac Liêu v delte Mekongu. Podľa inštitútu výsledky ich pilotného projektu naznačujú, že spotreba vody sa znížila o 75%. Ich systém by ponúkol ďalšie výhody, ako napríklad tienenie pracovníkov, ako aj nižšiu a stabilnú teplotu vody pre lepší rast kreviet.

Metódy 
Existujú tri základné typy agrovoltiky, ktoré sú aktívne skúmané: slnečné systémy s medzipriestorom pre plodiny, solárne systémy nad plodinami a skleníkové solárne systémy. Všetky tieto tri systémy majú niekoľko premenných použitých na maximalizáciu slnečnej energie absorbovanej panelmi aj plodinami. Hlavnou premennou, ktorá sa berie do úvahy v prípade agrovoltických systémov, je uhol solárnych panelov, ktorý sa nazýva uhol sklonu. Ďalšími premennými pri výbere umiestnenia agrovoltického systému sú zvolené plodiny, výška panelov, slnečné žiarenie v oblasti a podnebie oblasti.

Konfigurácia agrovoltických systémov 
Agrovoltické zariadenia majú rôznu konfiguráciu.

 orientácia solárnych panelov na juh pre pevné alebo východno-západné panely pre panely rotujúce v osi,
 dostatočný odstup medzi solárnymi panelmi pre dostatočný prenos svetla na plodiny,
 vyvýšenie nosnej konštrukcie solárnych panelov na homogenizáciu množstva žiarenia na zem.

Experimentálne zariadenia majú často kontrolovanú poľnohospodársku plochu. Kontrolné pásmo sa využíva za rovnakých podmienok ako agrovoltické zariadenie na štúdium jeho účinkov na vývoj plodín.

Pevné solárne panely nad plodinami 
Najjednoduchším riešením je inštalácia pevných solárnych panelov na poľnohospodárske skleníky, nad otvorené polia alebo medzi plodiny na otvorenom poli. Inštaláciu je možné optimalizovať úpravou hustoty solárnych panelov alebo sklonu panelov. V Japonsku sa agrovoltické systémy obvykle skladajú z demontovateľných ľahkých štruktúr s ľahkými solárnymi panelmi s malými rozmermi, ktoré znižujú odpor vetra.

Dynamická agrovoltika 
V zložitejších konfiguráciách sa používa sledovací systém. Solárne panely je možné ovládať tak, aby sa optimalizovalo ich umiestnenie, aby sa zlepšila poľnohospodárska výroba alebo výroba elektrickej energie.

Prvé dynamické agrovoltické zariadenia boli vyvinuté v Japonsku. Panely boli ručne nastaviteľné. Poľnohospodári môžu upravovať polohu solárnych panelov podľa ročného obdobia alebo fázy vývoja plodín, aby zvýšili alebo znížili tienenie a výrobu elektrickej energie. Japonské spoločnosti tiež vyvinuli niekoľko sofistikovanejších systémov. Napríklad plodiny rastú pod zariadeniami zložených z tabúľ (25 solárnych panelov) upevnených na dvojosový sledovač.

V roku 2004 navrhla spoločnosť Günter Czaloun fotovoltický sledovací systém so systémom lanových regálov. Panely môžu byť orientované na zlepšenie výroby energie alebo na zatienenie plodín podľa potreby. Prvý prototyp bol vyrobený v roku 2007 v Rakúsku. Spoločnosť REM TEC inštalovala niekoľko elektrární vybavených dvojosým sledovacím systémom v Taliansku a Číne. Rovnaký systém bol vyvinutý aj pre použitie v skleníkoch.

Vo Francúzsku vyvíjajú spoločnosti Sun'R a Agrivolta jednoosové systémy sledovania. Podľa týchto spoločností je možné ich systémy prispôsobiť potrebám rastlín. Systém Sun'R je systém sledovania osi východ-západ. Spoločnosť používa komplexné modely rastu rastlín, predpoveď počasia, výpočtový a optimalizačný softvér. Zariadenie od spoločnosti Agrivolta využíva solárne paneli orientované na juh, s ktorými je možné pohybovať posuvným systémom.

Spoločnosť Artigianfer vyvinula fotovoltický skleník, ktorého solárne panely sú inštalované na pohyblivých okeniciach. Panely môžu sledovať pohyb Slnka pozdĺž osi východ - západ.

V roku 2015 prof. Wen Liu z Univerzity vedy a techniky v čínskom Che-fej navrhol nový koncept pre agrovoltiku: zakrivené sklenené panely pokryté dichroitickým polymérnym filmom prepúšťajú selektívne vlnovú dĺžku zo slnečného svetla, ktoré sú potrebné pre fotosyntézu rastlín (modré a červené svetlo). Všetky ostatné vlnové dĺžky sa odrážajú a sústreďujú na koncentrované solárne články vyrábajúce elektrickú energiu. Pre tento fotovoltický typ koncentrácie sa používa duálny sledovací systém. Tiene, ktoré spôsobujú bežné solárne panely nad poľom s plodinami, sú úplne eliminované, pretože plodiny dostávajú vždy modrú a červenú vlnovú dĺžku potrebnú na fotosyntézu. Za tento nový typ agrovoltiky bolo udelených niekoľko ocenení, okrem iného cena R&D100 v roku 2017.

Účinky 
Solárne panely ovplyvňujú plodiny a pôdu, ktorú pokrývajú, nielen tienením. Vplývajú tiež na vlhkosť a prúdenie tepla. Napríklad vinice s vhodným rozostupom by mohli mať 15-násobne vyššie výnosy.

Vlhkosť pôdy 
Pri experimentoch testujúcich mieru odparovania vody pod solárnymi panelmi u plodín odolných tieneniu (uhorky a šalát) napájených zavlažovaním sa zistila úspora 14-29 %. Agrovoltiku je možné použiť na plodiny alebo na oblasti, kde je dôraz na efektívne využitie vody.

Teplota 
Pri štúdii sa zistilo, že teplota vzduchu pod panelmi bola konzistentná, zatiaľ čo teplota pôdy a rastlín bola nižšia. So stúpajúcou teplotou v dôsledku globálneho otepľovania to môže byť dôležité pre niektoré potravinárske plodiny. Fotoviltické panely môžu tiež lepšie fungovať z dôvodu chladenia rastlinami.

Výhody 
 Plodiny ako zemiak, šalát, špenát, bôb, fazuľa, cuketa, uhorka, cibuľa, chmeľ a vinič dosahujú v kombinácii s agrovoltickými systémami vyššie výnosy ako pri tradičnom pestovaní. Agrovoltické systémy nemajú žiadne dopady na výnosy u plodín ako kapusta, špargľa, mrkva, hrach, reďkovka, repka, niektoré obilniny (raž, jačmeň, pohánka, ovos).
 Celková výnosnosť farmy využívajúcej agrovoltický systém môže byť vyššia o 30 % v porovnaní s konvenčnou farmou.
 Umiestnením fotovoltických panelov nad pôdu vzniká mikroklíma, ktorá je prospešná pre rastliny, znižuje odpar vody, pomáha biodiverzite a zvyšuje účinnosť fotovoltických panelov vďaka chladeniu.
 Agrovoltické systémy môžu zvýšiť objem biomasy pre hospodárske zvieratá o 90 %.
 V agrovoltických systémoch sa vyskytuje viac opeľovačov, hmyzu a vtákov než u konvenčných fotovoltických elektrární.
 Konštrukcia agrofotovoltickej elektrárne je ukotvená v pôde pomocou razených pilót, zemných skrutiek alebo systémom pripomínajúcim korene stromu a tak môže byť vďaka svojej modularite ľahko demontovaná a  premiestnená na iné miesto bez zaťaženia pôdy.

Nevýhody 
 Agrovoltické systémy nie sú vhodné pre plodiny ako pšenica, proso, slnečnica, brokolica, ružičkový kel, karfiol, červená a biela kapusta, cvikla, repa a niektoré druhy ovocia.
 Fotovoltické systémy použité u skleníkov znižujú výnosy plodín aj keď celková ekonomická bilancia týchto systémov je vďaka výrobe elektrickej energie zisková.

Referencie

Externé odkazy 

 American Solar Grazing Association (po anglicky) 
 AgriVoltaics Conference  - konferencia venovaná agrivoltaike (po anglicky) 
 Agrivoltaics: Solar Panels Bring Life to Struggling Farms - (po anglicky) 

Slnečná energia
Poľnohospodárstvo
Fotovoltika