На думку дослідників, сонячні парки нового покоління, які дозволяють виробляти енергію та харчові продукти, а також економити воду, можуть допомогти розв’язати проблему землекористування, що виникла, пов’язану з виробництвом і використанням сонячної енергії.
«Є багато дискусій щодо ефективності використання землі для отримання сонячної енергії порівняно з використанням її для сільського господарства, – каже дослідник з Університету штату Колорадо Дженніфер Буссело (Jennifer Bousselot). – І я просто закочую очі, бо не треба вибирати. Їх можна комбінувати».
«Це життєво важливе для майбутнього енергетичної галузі, — додає Річард Рендл-Боггіс (Richard Randle-Boggis) з Університету Шеффілда. – Особливо в таких місцях, як Велика Британія, де стале землекористування є серйозною проблемою».
Рослини та панелі можуть існувати у «симбіозі»
В агроелектричних сонячних парках фотоелектричні (PV) панелі розташовані далі один від одного, щоб дозволити більшій кількості сонячного світла досягати землі, і підняті вище в повітря, щоб під ними можна було вирощувати сільськогосподарські культури або навіть дрібну худобу, пише EastFruit з посиланням на Agritech. Future.
Дослідження показали, що за правильного розташування цей підхід може насправді запропонувати додаткові переваги. Наприклад, панелі забезпечать захист рослин від надмірного тепла, холоду та ультрафіолетового випромінювання, тим самим збільшуючи врожайність певних культур.
«Проведене дослідження показало, що виробництво деяких видів перцю буде втричі вищим, — повідомляє Буссело. – Це приголомшлива цифра».
У міру підвищення глобальної температури панелі також можуть допомогти зберегти запаси прісної води, що виснажуються, шляхом зменшення випаровування як рослинами, так і ґрунтом.
За словами Рендл-Боггіса, випаровування, що відбувається під панелями, дає додатковий ефект у вигляді охолодження фотоелектричних панелей та збільшення виробництва електроенергії.
В результаті, агроелектроенергетика не тільки стійкіше використовує землю, а й допомагає збільшити запаси найнеобхідніших ресурсів, необхідних для людського розвитку, — продовольства, води та енергії.
“Усім трьома ресурсами, які нам знадобляться, можна більш ефективно керувати в агроелектричній системі”, – пояснює Буссело.
Потужності агроенергетики вже зросли майже у 3000 разів
Оскільки світ прагне досягти нульових викидів до 2050 року відповідно до Паризької угоди, а Європа намагається зменшити свою залежність від російських вуглеводнів після вторгнення в Україну, країни прагнуть наростити свої сонячні потужності.
Великобританія розраховує на п’ятиразове збільшення до 2035 року, тоді як ЄС прагне подвоїти свої потужності у наступні три роки.
Тим часом США необхідно буде побудувати достатню кількість сонячних ферм, щоб охопити весь штат Західна Вірджинія, якщо вони сподіваються досягти нульового рівня викидів.
Але сонячним проєктам все частіше відмовляють у дозволі на будівництво, і вони стикаються з протидією з боку сільських громад та фермерів, які стурбовані тим, що фотоелектричні батареї «зіпсують» місцевий ландшафт та виведуть родючі сільськогосподарські угіддя з виробництва.
“Сонячна енергетика викликає багато негативної реакції, особливо зараз”, – зазначає Річард Рендл-Боггіс.
Для боротьби з конфліктами у сфері землекористування дедалі більше досліджень показують, як простір, що не використовується під сонячними панелями, можна перепрофілювати на благо людей і природи.
На базовому рівні це може включати посадку квітучих лугів поруч із фотоелектричними батареями для створення довкілля для запилювачів, що може покращити біорізноманіття і, можливо, навіть збільшити врожайність навколишніх сільськогосподарських угідь.
Більш просунуті агроелектричні системи, де сонячні батареї розміщуються разом з харчовими культурами, розроблялися в континентальній Європі, а також у деяких частинах Східної Азії та США протягом останніх 15 років і нині починають ставати все більш поширеними.
Розвиваючись від дослідницьких проєктів до комерційних підприємств, ці системи нещодавно досягли тієї ж сонячної потужності, що і вся Великобританія, різко збільшившись з 5 000 до 14 000 мегаватів в період з 2012 по 2021 рік.
Агроелектричні ділянки більш продуктивні, навіть попри нижчу врожайність
Скільки їжі та енергії може бути вироблено в результаті агроелектричного проєкту, істотно залежить від розташування системи, культур, що вирощуються, і розташування панелей.
Фермерам у більш темних та холодних країнах, таких як Німеччина чи Данія, доводиться використовувати панелі меншої щільності та розміщувати їх далі один від одного, щоб не позбавляти посіви обмеженого доступного сонячного світла.
Тут енергія та врожайність, як правило, трохи нижча, ніж на ділянці землі, яка використовується виключно для сільського господарства чи сонячної енергетики.
Але в цілому продуктивність агроелектричної ділянки все ж таки вища, вважає Рендл-Боггіс, оскільки вона виробляє два різні продукти одночасно.
«Деяке зниження врожайності все ж таки краще, ніж нічого не вирощувати, — стверджує він. – Йдеться про пошук цього економічно оптимального балансу».
Дослідники також експериментують із новими технологіями, такими як напівпрозорі сонячні панелі, вертикальні фотоелектричні «огорожі» або лампи для вирощування рослин, встановлені на нижній стороні традиційних панелей, щоб підвищити продуктивність агроелектричних систем в умовах нестачі світла.
Система має вирішальне значення для регіонів, що постраждали від посухи
Досі частина кращих результатів використання агроелектричних систем було досягнуто в суворих та спекотних умовах вирощування, наприклад, в Аризоні, де під сонячними батареями виробництво томатів чері подвоїлося, а перцю чильтепін потроїлося.
«В умовах сильної спеки ми також починаємо стикатися із посухою. Тому, якщо ви можете дати трохи більше тіні рослинам, це принесе їм користь», – пояснює Томас Хікі (Thomas Hickey) з енергетичної компанії Sandbox Solar.
Річард Рендл-Боггіс отримав аналогічні результати на тестовій ділянці в Кенії, де панелі були розміщені з більш високою щільністю, щоб захистити врожай від сонячного та ультрафіолетового випромінювання, що дозволило збільшити вироблення електроенергії при одночасному зниженні кількості води, необхідної для зрошення, на 47% одержати врожай капусти на 24% вище.
За словами Рендл-Боггіса, це особливо важливо для таких країн, як Кенія, де безпрецедентні посухи, спричинені глобальним потеплінням, вже впливають на продовольчу та водну безпеку, а придбання електроенергії з національної мережі обходиться надзвичайно дорого.
«Ми зменшили залежність аграріїв від національної мережі, тому вони стають самодостатнішими, — пояснює він. – Крім того, існує потенціал для стійкості до зміни клімату, тому що ви, по суті, створюєте більш сприятливе середовище для вирощування та стримуєте деякі з цих екстремальних умов».
Агроелектростанції на дахах захищають ресурси в містах
Ще одне середовище вирощування, де агроелектроенергетика може досягти успіху, — це ферми на дахах, де обмежена кількість води та вищі температури можуть перешкоджати як функціонуванню панелей, так і зростанню сільськогосподарських культур.
«Коли температура підіймається вище 25 градусів за Цельсієм, сонячні батареї починають втрачати ефективність, а за 40 градусів вони відключаються. Влітку дахи досить швидко нагріваються до такої температури. Таким чином, ферми «допомагають» панелям, є охолоджувачами шляхом випарів», — каже Дженніфер Буссело.
У такому кліматі, як Колорадо, де Буссело управляє однією з перших випробувальних ділянок з агроелектростанціями на дахах, панелі також показали, що вони продовжують вегетаційний період деяких культур, зберігаючи тепло вночі.
“Це як мінітеплиця без стінок”, – пояснює фахівець.
Зрештою, Буссело стверджує, що агроелектростанції на дахах можуть допомогти сконцентрувати основні ресурси там, де вони найбільше потрібні, оскільки очікується, що до 2050 року понад дві третини населення світу житиме у містах.
Невизначеність перешкоджає широкому впровадженню
Агроелектроенергетика зараз знаходиться в зародковому стані, і дослідники все ще знаходяться на ранніх стадіях складання графіків того, які конфігурації та культури слід використовувати в різних кліматичних умовах для отримання оптимальних урожаїв.
«З усіма невідомими змінними розвиток утруднений.Дуже повільно йде», — каже Хікі.
«У результатах, які ми отримуємо, так багато відмінностей лише тому, що існує так багато факторів, і це така нова сфера досліджень, — додає Рендл-Боггіс. – Це не працюватиме за будь-яких умов. Таким чином, основна увага в галузі сонячної енергетики, як і раніше, буде приділятися вашому типовому наземному сонячному парку».
Намагаючись залучити фермерів та розробників до справи, компанія Sandbox Solar наразі розробляє програмне забезпечення для агроелектричного проєктування та моделювання під назвою Spade у співпраці з Національною лабораторією відновлюваних джерел енергії (NREL).
Це дозволить користувачам отримати приблизне уявлення про те, які культури та конфігурації вони можуть використовувати у своєму місцевому кліматі, а також про пов’язані з цим витрати та прибутки на основі чинних досліджень.
“Таким чином, ви можете зрозуміти, які вхідні витрати та які результати ви отримаєте – як від сонячної енергії, так і потенційно від урожаю – і як довго буде окупність інвестицій у цю інфраструктуру”, – сказав Хікі.
Монтаж агроелектричних систем є більш коштовним і складним
Існують інші практичні проблеми, пов’язані з широким впровадженням агроелектроенергетики.
Як правило, встановлення сонячних систем подвійного призначення коштує дорожче через більші та складніші монтажні системи, необхідні для утримання панелей.
За словами Буссело, наприклад, встановлення обладнання на даху може коштувати втричі дорожче, ніж встановлення традиційного плоского даху.
«Це найвищі початкові капітальні витрати, — пояснила вона. – Але довгострокова окупність інвестицій приголомшлива, тому що зрештою ви захищаєте ці [водні, енергетичні та харчові] системи».
Оскільки агроелектростанції підіймаються вище над землею, ніж звичайні сонячні панелі, Рендл-Боггіс каже, що вони також потребують глибших сталевих фундаментів і, отже, мають вищий вуглецевий слід.
