Agrovoltaico: Un rapporto sinergico tra agricoltura e produzione elettrica, ma è vero?

Lo sviluppo di generatori da energia fotovoltaica richiede l’impiego di grandi superfici di terreno. Gli impianti agrovoltaici, se progettati per ottimizzare l'uso del suolo, armonizzano la produzione agricola ed elettrica sulla stessa unità di terreno.

Lo sviluppo delle energie rinnovabili mira a soddisfare la domanda energetica globale sostituendo i combustibili fossili. Nondimeno, richiede grandi superfici, spesso agricole.

Nello stesso tempo, la sicurezza alimentare è minacciata dall’impatto del cambiamento climatico e dalla crescita della popolazione mondiale. Ciò sta creando una crescente concorrenza per le risorse territoriali limitate. In questo contesto, la combinazione di agricoltura e generatori fotovoltaici – spesso indicati come sistemi agrofotovoltaici (APV) o agrivoltaici – viene vista come un’opportunità per la combinazione sinergica di energia rinnovabile e produzione alimentare.

Sebbene questa tecnologia sia già stata applicata in vari progetti commerciali, la sua praticabilità e il suo impatto sulla produzione agricola oggi è oggetto di studi e sforzi tecnologici e progettuali. In questo articolo, vogliamo rappresentare in modo sintetico lo stato attuale dell’arte e le opportunità potenziali per l’applicazione dei sistemi APV.

La nostra esperienza ci porta a dire che la coltivazione sotto l’APV, se ben progettato, può portare a un calo insignificante dei raccolti anche quando la radiazione solare viene ridotta anche di un terzo sotto i pannelli fotovoltaici.

Mentre, attraverso la produzione combinata di energia e colture, l’APV può aumentare la produttività del terreno fino al 70%. Dati gli impatti dei cambiamenti climatici e delle condizioni nei climi aridi, sono probabili benefici potenziali per la produzione agricola attraverso l’ombreggiamento aggiuntivo e il miglioramento nella gestione dell’acqua. Inoltre, l’APV aumenta il valore dell’agricoltura e può contribuire all’elettrificazione decentralizzata e off-grid di alcune aree rurali e in via di sviluppo, migliorando così ulteriormente la produttività agricola. In quanto tale, l’APV può essere un valido approccio tecnico per un’agricoltura più sostenibile, aiutando a soddisfare le esigenze attuali e future di produzione di energia e cibo e allo stesso tempo risparmiando le risorse del territorio. 

Il concetto di APV

Il concetto di agrofotovoltaico (APV) era stato già introdotto nell’anno 1982 da Goetzberger e Zastrow come mezzo per modificare gli impianti di energia solare e consentire nel contempo un’ulteriore produzione agricola sulla stessa area. L’idea era di alzare i collettori solari a 2 m dal suolo e aumentare la distanza tra loro per evitare un’eccessiva ombreggiatura delle colture. Hanno ipotizzato che questi sistemi avrebbero catturato solo un terzo della radiazione in entrata e che ulteriori miglioramenti tecnici avrebbero potuto aumentare la loro idoneità all’applicazione nella produzione agricola.

Ci sono voluti circa tre decenni prima che questo concetto, denominato agrofotovoltaico, agroPV, agrivoltaico o condivisione solare, fosse implementato in vari progetti e impianti pilota in tutto il mondo.

I calcoli hanno dimostrato che l’applicazione con questo approccio tecnico può aumentare i redditi delle aziende agricole di oltre il 30%, quando le perdite di resa dovute agli effetti di ombreggiamento sono minimizzate dalla selezione di colture adatte allo scopo. In seguito altri ricercatori hanno lavorato sul Land Equivalent Ratio (LER), un metodo per valutare la produttività di un sistema di consociazione rispetto a un sistema di coltivazione monocolturale, per determinare i vantaggi di un sistema APV a duplice uso rispetto una singola coltura e produzione fotovoltaica. Le loro simulazioni hanno dimostrato che la produttività complessiva del terreno può essere aumentata fino al 70% nei sistemi APV.

In un recente studio di modellizzazione riguardante la produzione di mais per biogas, Amaducci, Colauzzi e Yin, tre ricercatori, ( i primi due dell’Università Cattolica del Sacro Cuore di Piacenza e il terzo del Department of Plant Sciences, Wageningen University & Research – Olanda (nel 2018) hanno dimostrato che la produttività del suolo da energia rinnovabile può essere addirittura raddoppiata dall’APV rispetto alla produzione separata di mais ed energia con moduli fotovoltaici montati a terra. Nel 2010, un gruppo di ricerca guidato da Dupraz della INRA, UMR System Francia, ha realizzato un impianto di prova per l’APV per testare la loro ipotesi. Per trovare una combinazione ben bilanciata di produzione di cibo ed energia, hanno testato due diverse densità di moduli fotovoltaici. Da questa prova hanno ricavato che la resa fotovoltaica aumenta con la densità dei pannelli, mentre le condizioni ottimali per la produzione simultanea di colture sono state trovate con la soluzione a bassa densità di moduli fotovoltaici. In questo test i pannelli solari erano sollevati a un’altezza libera di 4 m per consentire il passaggio dei comuni macchinari agricoli.

Le caratteristiche tecniche dei sistemi APV vengono costantemente migliorate e variano a seconda delle regioni e delle aziende. Alcuni progetti APV utilizzano già moduli fotovoltaici mobili che consentono l’inseguimento solare. Questi massimizzano la resa fotovoltaica e allo stesso tempo migliora la disponibilità di luce consentendo una crescita sufficiente delle colture. Questo approccio è stato recentemente studiato con sistemi fotovoltaici orientabili ad 1 asse e diverse impostazioni di tracciamento. Lo studio ha dimostrato che le prestazioni sia in termini di energia che della produzione agricola possono effettivamente essere ulteriormente aumentate mediante l’applicazione di moduli fotovoltaici dinamici. Nella normale modalità di inseguimento solare, i moduli si adattavano automaticamente all’altitudine solare, ottimizzando la produzione di elettricità e aumentando anche la radiazione solare a livello dell’impianto rispetto ai moduli fotovoltaici fissi. Per aumentare la radiazione alla coltura e quindi migliorarne ulteriormente la produttività, hanno anche testato una modalità di tracciamento controllata che incorpora i cambiamenti diurni nella radiazione solare. Nelle ore mattutine e nel tardo pomeriggio, la posizione dei pannelli fotovoltaici è stata modificata per ridurre l’ombreggiamento delle colture, mentre a mezzogiorno solare è stata aumentata l’ombreggiatura per ridurre l’evapotraspirazione e gli effetti negativi dell’alta temperatura e dell’eccessiva radiazione sulla crescita delle piante. Di conseguenza, la biomassa delle colture è aumentata con il monitoraggio controllato, ma ovviamente la produzione di elettricità è diminuita rispetto alla normale modalità di inseguimento solare. La tecnologia di inseguimento solare è già stata implementata in vari impianti APV commerciali e recentemente è stata indagata anche nelle serre fotovoltaiche. Tuttavia, l’entità della radiazione disponibile al di sotto dell’array APV è influenzata più dalla densità del pannello che dalla mobilità del pannello.

Oltre a migliorare l’efficienza dell’uso della luce sia per il fotovoltaico che per la produzione agricola, i pannelli fotovoltaici mobili possono essere utilizzati anche per migliorare la distribuzione delle precipitazioni sotto i sistemi APV. L’impiego di impianti APV è stato recentemente considerato anche in sistemi colturali come la viticoltura e nella produzione intensiva di frutta, dove l’utilizzo di strutture di supporto è già pratica comune e possono esistere effetti sinergici. Uno studio, alcuni ricercatori statunitensi  del Department of Electrical & Computer Engineering del Michigan Technological University, modella il potenziale APV delle aziende vitivinicole in India e ha evidenziato che il reddito annuo di queste aziende agricole potrebbe essere moltiplicato rispetto alle aziende agricole convenzionali senza APV, pur mantenendo inalterate le rese dell’uva. Ora, estrapolando su scala nazionale (cioè prendendo in considerazione l’intera superficie coltivata a vite in India che è di circa 34.000 ettari), hanno calcolato una produzione APV di 16.000 GWh, sufficiente per soddisfare la domanda di energia di oltre 15 milioni di persone.

Dunque, il potenziale più promettente dei sistemi APV può essere facilmente previsto nelle regioni aride dove possono verificarsi vari effetti sinergici. La produzione agricola può beneficiare di un maggiore risparmio idrico grazie alla riduzione dell’evapotraspirazione e degli effetti negativi delle radiazioni eccessive, mentre la redditività economica aumenta e l’elettrificazione rurale è resa possibile, oltretutto la ridotta evaporazione del suolo in presenza di APV può anche diminuire le perdite di resa negli anni secchi e migliorare la stabilità della resa colturale.

Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE - Agrophotovoltaic pilot system in Heggelbach

Progetti e tecnologie esistenti

Negli ultimi anni sono state realizzate diverse strutture APV commerciali e di ricerca.

Dal 2004 in poi, in Giappone sono stati costruiti numerosi impianti APV di piccola scala. Questi sistemi, denominati ‘solar sharing’, sono costituiti da pannelli fotovoltaici montati su pali con un’altezza da terra di 3 m. Combinano la produzione di energia solare con la coltivazione di varie colture alimentari locali come arachidi, patate dolci, melanzane, cetrioli, pomodori, taros e cavoli.

Alcuni progetti APV sono stati implementati anche in Europa. Oltre a diverse strutture di ricerca in Francia e Germania, nel nord Italia sono stati realizzati tre progetti APV commerciali, brevettati come ‘Agrovoltaico’.

Gli impianti installati hanno capacità fino a 1500 kWp utilizzando moduli solari montati (4–5 m di altezza) con tecnologia di inseguimento solare. Un altro campo APV in Abruzzo utilizza 67 inseguitori solari stand-alone con varie colture sottostanti come pomodori, angurie e grano e genera una potenza totale di 800 kWp.

Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE - Agrophotovoltaic pilot system in Heggelbach

In Germania, il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) è in prima linea nella ricerca APV. Nel 2016, il Fraunhofer ISE ha costruito un impianto di ricerca APV nel sud della Germania. Ha una dimensione totale di 0,3 ha e una capacità di 194 kWp. I pannelli solari sono montati su palafitte con una distanza verticale di 5 m. La struttura ha una serie di caratteristiche specifiche per consentire una distribuzione uniforme della luce per l’ottimizzazione simultanea della resa fotovoltaica e fotosintetica. I pannelli fotovoltaici fissi sono orientati in direzione sud-ovest con un angolo di inclinazione di 20° e una distanza tra le file di 6,3 m. Si prevede che la radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) disponibile per le piante sottostanti raggiunga valori di circa il 60% del PAR totale al di sopra dell’array (con variazioni tra inverno ed estate). I moduli fotovoltaici bifacciali vengono utilizzati per migliorare ulteriormente la resa energetica fotovoltaica. Questi, infatti,  sono in grado di utilizzare la luce da entrambi i lati e quindi di intercettare anche la radiazione riflessa. Il sistema è stato realizzato su un campo seminativo di un’azienda agricola gestita secondo i principi della biodinamica al fine di studiarne l’idoneità pratica per le macchine agricole e l’impatto sulla rotazione delle colture.

Cosa è stato notato:

  • L’applicazione di pannelli fotovoltaici può portare a un aumento del deflusso dell’acqua, causando una distribuzione sbilanciata dell’acqua con zone umide distinte sotto il bordo inferiore del pannello e aree riparate direttamente sotto il pannello. Durante forti piogge, i forti deflussi dai moduli fotovoltaici possono portare all’erosione del suolo e alla formazione di calanchi. Tuttavia, il problema si è verificato solo nelle prime fasi di sviluppo del frumento, della patata e della rapa, ovvero quando il terreno non era coperto o era appena coperto dalle colture.
  • La densità dei moduli fotovoltaici deve essere inferiore a quella degli impianti fotovoltaici convenzionali montati a terra per mantenere rese agricole accettabili. Si presume che una distanza tra le file di circa 3 m sia adeguata per consentire a una quantità sufficienti di luce di raggiungere la chioma della coltura, pur ottenendo rendimenti energetici soddisfacenti.
  • Orientare i moduli fotovoltaici verso sud-ovest o sud-est era più adatto per ottenere condizioni di luce uniformi sotto i pannelli. Ciò ha comportato anche una riduzione della resa elettrica del 5% rispetto alle densità degli impianti a terra convenzionali orientati a sud. 
  • Va notato che un ridotto angolo di inclinazione può portare a maggiori depositi di polvere poiché questi non vengono lavati via facilmente dalla pioggia. Lo stesso vale per il manto nevoso. Infatti è opportuno modificare l’inclinazione del pannello durante alcuni periodi dell’anno che corrispondono a fasi di sviluppo delle colture sensibili alla luce.  I moduli fotovoltaici mobili consentono di controllare automaticamente l’inseguimento solare per soddisfare sia le esigenze specifiche delle colture sia le variazioni diurne e stagionali in termini d’intensità della luce.
  • Una particolare preoccupazione è il calo delle prestazioni elettriche attraverso il deposito di polvere sulla superficie del pannello come conseguenza della gestione agricola, ad esempio la lavorazione del terreno e la raccolta.

 

Alterazioni microclimatiche e il loro impatto sulle colture

Oltre agli aspetti di gestione del campo sopra menzionati, uno dei problemi più importanti per la pratica agricola sotto un array di APV è l’alterazione delle condizioni del microclima e le conseguenze che ne derivano per la coltivazione delle colture.

Mentre la riduzione della radiazione solare sotto la copertura dell’APV dovrebbe essere il cambiamento più evidente, anche molti altri fattori microclimatici potrebbero essere alterati. 

In alcuni giorni con bassa velocità del vento o forte irraggiamento solare, le temperature sotto il pannello tendono ad essere più alte. Tuttavia, altri studi hanno scoperto che la temperatura del suolo e la temperatura massima dell’aria sono diminuite all’ombra rispetto alle condizioni di pieno sole. Questa incoerenza può essere dovuta agli effetti diretti dei pannelli solari sulla temperatura dell’aria osservati in studi con parchi solari montati a terra e le condizioni di ombreggiatura eterogenee al di sotto degli impianti APV.

Il calore eccessivo può avere effetti negativi sui raccolti, come è stato dimostrato ad esempio per le patate, dove le rese commerciabili di tuberi sono diminuite. La temperatura può influenzare la qualità nutrizionale, ad esempio la composizione in acidi grassi della colza e il contenuto di amido delle patate. Mentre le temperature dell’aria tendevano ad essere più alte, le temperature del suolo diminuivano sotto l’APV, mentre le temperature delle colture di grano duro, lattuga e cetriolo coltivate sotto l’APV diminuivano durante il giorno, aumentavano durante la notte.

Oltre ai potenziali problemi relativi alla distribuzione dell’acqua, il bilancio idrico in generale può cambiare con un sistema APV. L‘evapotraspirazione è ridotta sotto gli array fotovoltaici a causa sia della diminuzione dell’evaporazione che della traspirazione come conseguenza della riduzione della luce. Tuttavia, hanno scoperto che l’effetto dipendeva dalle specie coltivate, poiché l’evaporazione è favorita dal tasso di copertura delle colture. Sotto l’APV, il tasso di copertura delle colture è aumentato per la lattuga, ad esempio, ma è diminuito per il cetriolo. Dunque i sistemi APV possono migliorare l’efficienza nell’uso dell’acqua (WUE) e aiutare a prevenire perdite d’acqua in climi secchi, se si scelgono specie di colture adatte. Ciò è in accordo con i risultati per gli agrumi coltivati sotto reti ombreggianti, dove il WUE è aumentato con una minore irraggiamento solare. La coltivazione del mais con APV in condizioni non irrigate riduce l’evaporazione del suolo e aumenta anche la resa media. La variazione di resa più elevata è stata ottenuta in condizioni di pieno sole. Pertanto, l’APV può portare alla stabilizzazione del rendimento, mitigando le perdite di rendimento negli anni di siccità

Fonte  

Agrivoltaic systems to optimise land use for electric energy production
Autori:  Stefano Amaducci, Xinyou Yinb, Michele Colauzzi.

How does a shelter of solar panels influence water flows in a soil–crop system?
Autori H. Marrou L.Dufour J.Wery

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