По мнению исследователей, солнечные парки нового поколения, которые позволяют производить энергию и продукты питания, а также экономить воду, могут помочь решить возникшую проблему землепользования, связанную с производством и использованием солнечной энергии.
«Есть много дискуссий об эффективности использовании земли для получения солнечной энергии по сравнению с использованием ее для сельского хозяйства, — говорит исследователь из Университета штата Колорадо Дженнифер Буссело (Jennifer Bousselot). — И я просто закатываю глаза, потому что не нужно выбирать. Их можно комбинировать».
«Это жизненно важно для будущего энергетической отрасли, — добавляет Ричард Рэндл-Боггис (Richard Randle-Boggis) из Университета Шеффилда. — Особенно в таких местах, как Великобритания, где устойчивое землепользование является серьезной проблемой».
Растения и панели могут существовать в «симбиозе»
В агроэлектрических солнечных парках фотоэлектрические (PV) панели расположены дальше друг от друга, чтобы позволить большему количеству солнечного света достигать земли, и подняты выше в воздух, чтобы под ними можно было выращивать сельскохозяйственные культуры или даже мелкий домашний скот, пишет EastFruit со ссылкой на Agritech Future.
Исследования показали, что при правильном расположении этот подход может на самом деле предложить дополнительные преимущества. Например, панели обеспечат защиту растений от чрезмерного тепла, холода и ультрафиолетового излучения, тем самым увеличивая урожайность определенных культур.
«Проведенное исследование показало, что производство некоторых видов перца будет в три раза выше, — сообщает Буссело. — Это шокирующая цифра».
По мере повышения глобальной температуры панели также могут помочь сохранить истощающиеся запасы пресной воды за счет уменьшения испарения как растениями, так и почвой.
По словам Рэндл-Боггиса, испарение, происходящее под панелями, дает дополнительный эффект в виде охлаждения фотоэлектрических панелей и увеличения производства электроэнергии.
В результате, агроэлектроэнергетика не только более устойчиво использует землю, но и помогает увеличить запасы самых необходимых ресурсов, необходимых для человеческого развития, — продовольствия, воды и энергии.
«Всеми тремя ресурсами, которые нам понадобятся, можно более эффективно управлять в агроэлектрической системе», — поясняет Буссело.
Мощности агроэнергетики уже выросли почти в 3000 раз
Поскольку мир стремится достичь нулевых выбросов к 2050 году в соответствии с Парижским соглашением, а Европа пытается уменьшить свою зависимость от российских углеводородов после вторжения в Украину, страны стремятся нарастить свои солнечные мощности.
Великобритания рассчитывает на пятикратное увеличение к 2035 году, в то время как ЕС стремится удвоить свои мощности в следующие три года.
Между тем, США необходимо будет построить достаточное количество солнечных ферм, чтобы охватить весь штат Западная Вирджиния, если они надеются достичь нулевого уровня выбросов.
Но солнечным проектам все чаще отказывают в разрешении на строительство, и они сталкиваются с противодействием со стороны сельских общин и фермеров, которые обеспокоены тем, что фотоэлектрические батареи «испортят» местный ландшафт и выведут плодородные сельскохозяйственные угодья из производства.
«Солнечная энергетика вызывает много негативной реакции, особенно в настоящий момент», — отмечает Ричард Рэндл-Боггис.
Для борьбы с конфликтами в сфере землепользования все больше исследований показывают, как неиспользуемое пространство под солнечными панелями можно перепрофилировать на благо людей и природы.
На базовом уровне это может включать посадку цветущих лугов рядом с фотоэлектрическими батареями для создания среды обитания для опылителей, что может улучшить биоразнообразие и, возможно, даже увеличить урожайность окружающих сельскохозяйственных угодий.
Более продвинутые агроэлектрические системы, где солнечные батареи размещаются вместе с пищевыми культурами, разрабатывались в континентальной Европе, а также в некоторых частях Восточной Азии и США в течение последних 15 лет и в настоящее время начинают становиться все более распространенными.
Развиваясь от исследовательских проектов до коммерческих предприятий, эти системы недавно достигли той же солнечной мощности, что и вся Великобритания, резко увеличившись с 5 000 до 14 000 мегаватт в период с 2012 по 2021 год.
Агроэлектрические участки более производительны, даже несмотря на более низкую урожайность
Сколько еды и энергии может быть произведено в результате агроэлектрического проекта, существенно зависит от местоположения системы, выращиваемых культур и расположения панелей.
Фермерам в более темных и холодных странах, таких как Германия или Дания, приходится использовать панели меньшей плотности и размещать их дальше друг от друга, чтобы не лишать посевы ограниченного доступного солнечного света.
Здесь энергия и урожайность, как правило, немного ниже, чем на участке земли, который используется исключительно для сельского хозяйства или солнечной энергетики.
Но в целом производительность агроэлектрического участка все же выше, считает Рэндл-Боггис, поскольку он производит два разных продукта одновременно.
«Некоторое снижение урожайности все же лучше, чем ничего не выращивать, — утверждает он. — Речь идет о поиске этого экономически оптимального баланса».
Исследователи также экспериментируют с новыми технологиями, такими как полупрозрачные солнечные панели, вертикальные фотоэлектрические «заборы» или лампы для выращивания растений, установленные на нижней стороне традиционных панелей, чтобы повысить производительность агроэлектрических систем в условиях недостатка света.
Система имеет решающее значение для пострадавших от засухи регионов
До сих пор часть лучших результатов использования агроэлектрических систем была достигнута в суровых и жарких условиях выращивания, например, в Аризоне, где под солнечными батареями производство томатов черри удвоилось, а перца чильтепин утроилось.
«В условиях сильной жары мы также начинаем сталкиваться с засухой. Поэтому, если вы можете дать немного больше тени растениям, это принесет им пользу», — объясняет Томас Хики (Thomas Hickey) из энергетической компании Sandbox Solar.
Ричард Рэндл-Боггис получил аналогичные результаты на тестовом участке в Кении, где панели были размещены с более высокой плотностью, чтобы защитить урожай от солнечного и ультрафиолетового излучения, что позволило увеличить выработку электроэнергии при одновременном снижении количества воды, необходимой для орошения, на 47% и получить урожай капусты на 24% выше.
По словам Рэндл-Боггиса, это особенно важно для таких стран, как Кения, где беспрецедентные засухи, вызванные глобальным потеплением, уже влияют на продовольственную и водную безопасность, а покупка электроэнергии из национальной сети обходится чрезвычайно дорого.
«Мы уменьшили зависимость аграриев от национальной сети, поэтому они становятся более самодостаточными, — поясняет он. — Кроме того, существует потенциал для устойчивости к изменению климата, потому что вы, по сути, создаете более благоприятную среду для выращивания и сдерживаете некоторые из этих экстремальных условий».
Агроэлектростанции на крышах защищают ресурсы в городах
Еще одна среда выращивания, где агроэлектроэнергетика может преуспеть, — это фермы на крышах, где ограниченное количество воды и более высокие температуры могут препятствовать как функционированию панелей, так и росту сельскохозяйственных культур.
«Когда температура поднимается выше 25 градусов по Цельсию, солнечные батареи начинают терять эффективность, а при 40 градусах они отключаются. Летом крыши довольно быстро нагреваются до такой температуры. Таким образом, фермы «помогают» панелям, являюсь охладителями аз счет испарений», — говорит Дженнифер Буссело.
В таком климате, как Колорадо, где Буссело управляет одним из самых первых испытательных участков с агроэлектростанциями на крышах, панели также показали, что они продлевают вегетационный период некоторых культур, сохраняя тепло ночью.
«Это как мини-теплица без стенок», — объясняет специалист.
В конечном счете, Буссело утверждает, что агроэлектростанции на крышах могут помочь сконцентрировать основные ресурсы там, где они больше всего нужны, поскольку ожидается, что к 2050 году более двух третей населения мира будет жить в городах.
Неопределенность препятствует широкому внедрению
Агроэлектроэнергетика в настоящее время находится в зачаточном состоянии, и исследователи все еще находятся на ранних стадиях составления графиков того, какие конфигурации и культуры следует использовать в различных климатических условиях для получения оптимальных урожаев.
«Со всеми неизвестными переменными развитие затруднено. Очень медленно идет», — говорит Хики.
«В результатах, которые мы получаем, так много различий только потому, что существует так много факторов, и это такая новая область исследований, — добавляет Рэндл-Боггис. — Это не будет работать в любых условиях. Таким образом, основное внимание в области солнечной энергетики по-прежнему будет уделяться вашему типичному наземному солнечному парку».
Пытаясь привлечь фермеров и разработчиков к делу, компания Sandbox Solar в настоящее время разрабатывает программное обеспечение для агроэлектрического проектирования и моделирования под названием Spade в сотрудничестве с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL).
Это позволит пользователям получить приблизительное представление о том, какие культуры и конфигурации они могут использовать в своем местном климате, а также о связанных с этим затратах и прибылях на основе существующих исследований.
«Таким образом, вы можете понять, какие входные затраты и какие результаты вы получите — как от солнечной энергии, так и потенциально от урожая — и как долго будет окупаемость инвестиций в эту инфраструктуру», — сказал Хики.
Монтаж агроэлектрических систем более дорогостоящий и сложный
Существуют и другие практические проблемы, связанные с широким внедрением агроэлектроэнергетики.
Как правило, установка солнечных систем двойного назначения стоит дороже из-за более крупных и сложных монтажных систем, необходимых для удержания панелей.
По словам Буссело, например, установка оборудования на крыше может стоить в три раза дороже, чем установка традиционной плоской крыши.
«Это высокие первоначальные капитальные затраты, — пояснила она. — Но долгосрочная окупаемость инвестиций потрясающая, потому что в конечном итоге вы защищаете эти [водные, энергетические и пищевые] системы».
Поскольку агроэлектростанции поднимаются выше над землей, чем обычные солнечные панели, Рэндл-Боггис говорит, что они также нуждаются в более глубоких стальных фундаментах и, следовательно, имеют более высокий углеродный след.
