Lumea are deja nevoie de mai multă energie solară. Este energie curată, regenerabilă și depășește rapid la capitolul creare de locuri de muncă și accesibilitate combustibilii fosili. Dar, pe lângă aceasta, un domeniu de cercetare în creștere sugerează că poate îmbunătăți și agricultura, ajutându-ne să cultivăm mai multă hrană și să creăm habitate pentru polenizatori, conservând în același timp pământul și apa.
„Fermele solare” mari, la scară utilitară, sunt o sursă importantă de energie solară, completând sursele mai mici, mai puțin centralizate, cum ar fi panourile solare de pe acoperișurile clădirilor. Fermele solare ocupă însă mult spațiu – și prosperă în locuri cu multe dintre aceleași calități favorizate de culturile agricole. După cum a constatat un studiu recent, zonele cu cel mai mare potențial pentru energie solară tind să fie deja utilizate ca terenuri cultivate, ceea ce este logic, având în vedere importanța luminii solare pentru ambele.
„Se pare că acum 8.000 de ani, fermierii au găsit cele mai bune locuri de pe Pământ pentru a recolta energie solară”, a declarat Chad Higgins, coautor al studiului și profesor de științe agricole la Universitatea de Stat din Oregon, într-un comunicat.
Deoarece culturile ocupă deja multe dintre acele locuri, acest lucru ar putea părea să prezinte fermele solare și fermele agricole ca rivali pentru spațiu. Totuși, deși este inteligent să echilibrăm producția de hrană și energie, un domeniu de cercetare în creștere sugerează că poate fi inteligent și să le combinăm. Spre deosebire de combustibilii fosili, unul dintre marile avantaje ale energiei solare este că este suficient de curată pentru a permite utilizarea în continuare a terenului pentru producția de alimente, fără a fi nevoie să ne facem griji cu privire la contaminare. Și nu numai că culturile și panourile solare pot coexista pe același teren, dar atunci când sunt combinate în mod corect în locațiile potrivite, cercetătorii spun că fiecare o poate ajuta pe cealaltă să funcționeze mai eficient decât ar face-o singură.
Această idee – cunoscută în SUA sub numele de „agrivoltaice”, un amestec de agricultură și fotovoltaice – nu este nouă, dar cercetările recente arată cât de benefică poate fi. Pe lângă beneficiile recoltării de hrană și energie curată de pe același teren, studiile sugerează că panourile solare stimulează performanța culturilor – potențial crescând randamentul și reducând necesarul de apă – în timp ce culturile ajută panourile să funcționeze mai eficient. Acest lucru ar putea crește productivitatea globală a terenurilor cu 73%, generând în același timp mai multă hrană cu mai puțină apă, deoarece unele culturi sub panouri solare sunt cu până la 328% mai eficiente din punct de vedere al utilizării apei.
Sistemele agrivoltaice nu vor funcționa neapărat la fel pentru fiecare locație sau fiecare cultură, dar nici nu este nevoie. Conform cercetării lui Higgins, dacă chiar și mai puțin de 1% din terenul cultivat existent ar fi convertit într-un sistem agrivoltaic, energia solară ar putea acoperi cererea globală de electricitate. Acest lucru tot nu ar fi la fel de simplu pe cât sună, dar pe fondul urgenței crescânde a schimbărilor climatice, a cererii de energie și a insecurității alimentare, este o idee care pare mai mult decât pregătită pentru momentul său sub soare.
Tipuri de sisteme agrivoltaice
Trei tipuri diferite de sisteme agrivoltaice: (a) utilizarea spațiului dintre panourile solare pentru culturi, (b) o seră fotovoltaică și (c) un sistem montat pe stâlpi. (Ilustrație: Sekiyama et al. [CC BY 4.0]/Environments)
Ideea de bază a agrivoltaicii datează cel puțin din 1981, când doi oameni de știință germani au propus un nou tip de centrală fotovoltaică „care permite utilizarea agricolă suplimentară a terenului implicat”. A evoluat în deceniile de atunci, ducând la noi abordări ale conceptului care au avut succes în mai multe țări, inclusiv Japonia – care a devenit lider global în „partajarea solară”, așa cum este cunoscută practica acolo – precum și Franța, Italia și Austria, printre altele.
Există trei categorii generale de sisteme agrivoltaice. Ideea originală plasa culturile între rândurile de panouri solare, valorificând spațiile care altfel sunt în mare parte neutilizate (vezi exemplul „a” din ilustrația de mai sus). O altă tactică, dezvoltată în 2004 de inginerul japonez Akira Nagashima, implică panouri solare ridicate pe stâlpi la aproximativ 3 metri (10 picioare) de sol, creând o structură asemănătoare unei pergole cu spațiu dedesubt pentru culturi (exemplul „c” de mai sus). O a treia categorie seamănă cu metoda pe stâlpi, dar plasează panourile solare deasupra unei sere (exemplul „b”).
Este una să plantezi culturi în spațiile însorite dintre panourile solare, dar semănarea lor sub panouri înseamnă că lumina solară este blocată pentru cel puțin câteva ore în fiecare zi. Dacă scopul este maximizarea eficienței atât a culturilor, cât și a panourilor solare, de ce să lași una să blocheze lumina solară pentru cealaltă?
Făcut la umbră
Plantele au evident nevoie de lumină solară, dar chiar și ele au limite. Odată ce o plantă își atinge capacitatea maximă de a folosi lumina solară pentru fotosinteză, mai multă lumină solară îi poate împiedica de fapt productivitatea. Plantele native din climatele uscate au evoluat diverse moduri de a face față energiei solare excesive, dar, așa cum subliniază cercetătorii de la Universitatea din Arizona, multe dintre culturile noastre agricole nu sunt adaptate la deșert. Pentru a le cultiva cu succes în deșerturi, compensăm lipsa lor de adaptare cu irigare intensivă.
În loc să folosim toată acea apă, am putea imita și unele dintre adaptările naturale folosite de plantele din climatele uscate. Unele se descurcă cu habitatele lor aspre crescând la umbra altor plante, de exemplu, și asta este ceea ce încearcă să imite susținătorii agrivoltaicii prin cultivarea plantelor în umbra panourilor solare.
Și acest beneficiu poate fi substanțial, în funcție de culturi și condiții. Conform unui studiu din septembrie 2019 publicat în revista Nature Sustainability, sistemele agrivoltaice pot îmbunătăți trei variabile importante care afectează creșterea și reproducerea plantelor: temperaturile aerului, lumina solară directă și cererea atmosferică de apă.
Autorii studiului au creat un sit de cercetare agrivoltaică la Biosfera 2 din Arizona, unde au cultivat ardei chiltepin, jalapeños și roșii cherry sub un șir de panouri fotovoltaice (PV). Pe tot parcursul sezonului de creștere de vară, au monitorizat continuu nivelurile de lumină solară, temperatura aerului și umiditatea relativă folosind senzori montați deasupra suprafeței solului, precum și temperatura și umiditatea solului la o adâncime de 5 centimetri (2 țoli). Ca și control, au amenajat și o zonă de plantare tradițională lângă situl agrivoltaic; ambele au primit rate egale de irigare și au fost testate sub două programe de irigare, fie zilnic, fie o dată la două zile.
Umbra de la panouri a dus la temperaturi diurne mai scăzute și temperaturi nocturne mai ridicate pentru plantele care creșteau dedesubt, precum și la o umiditate mai mare disponibilă în aer. Acest lucru a afectat fiecare cultură diferit, dar toate trei au prezentat beneficii semnificative.
„Am constatat că multe dintre culturile noastre alimentare se dezvoltă mai bine la umbra panourilor solare, deoarece sunt ferite de soarele direct”, a declarat autorul principal Greg Barron-Gafford, profesor de geografie și dezvoltare la Universitatea din Arizona, într-un comunicat. „De fapt, producția totală de fructe de chiltepin a fost de trei ori mai mare sub panourile PV într-un sistem agrivoltaic, iar producția de roșii a fost de două ori mai mare!”
Jalapeños au produs o cantitate similară de fructe atât în scenariul agrivoltaic, cât și în cel tradițional, dar au făcut acest lucru cu 65% mai puțină pierdere de apă prin transpirație în configurația agrivoltaică.
„În același timp, am constatat că fiecare eveniment de irigare poate susține creșterea culturilor zile întregi, nu doar ore, ca în practicile agricole actuale”, a spus Barron-Gafford. „Această constatare sugerează că am putea reduce utilizarea apei, dar totuși să menținem nivelurile de producție alimentară”. Umiditatea solului a rămas cu aproximativ 15% mai ridicată în sistemul agrivoltaic decât în parcela de control atunci când irigarea se făcea o dată la două zile.
Acest lucru reia alte cercetări recente, inclusiv un studiu din 2018 publicat în revista PLOS One, care a testat efectele de mediu ale panourilor solare pe o pășune neirigată care experimentează adesea stres hidric. A constatat că zonele de sub panourile PV au fost cu 328% mai eficiente din punct de vedere al utilizării apei și au arătat, de asemenea, o „creștere semnificativă a biomasei la sfârșitul sezonului”, cu 90% mai multă biomasă sub panourile solare decât în alte zone.
Prezența panourilor solare ar putea părea o problemă atunci când este timpul să recoltezi culturile, dar, așa cum a spus recent Barron-Gafford Societății Ecologice din America (ESA), panourile pot fi aranjate astfel încât fermierii să poată folosi în continuare o mare parte din același echipament. „Am ridicat panourile astfel încât să fie la aproximativ 3 metri (10 picioare) de sol la capătul inferior, pentru ca tractoarele tipice să poată avea acces la sit. Acesta a fost primul lucru despre care au spus fermierii din zonă că ar trebui să fie posibil pentru ca ei să ia în considerare orice fel de adoptare a unui sistem agrivoltaic.”
Desigur, detaliile agrivoltaicii variază considerabil în funcție de culturi, climatul local și configurația specifică a panourilor solare. Nu va funcționa în orice situație, dar cercetătorii se străduiesc să identifice unde și cum poate funcționa.
Un „câștig-câștig-câștig”
Potențialele beneficii doar pentru culturi ar putea face agrivoltaica valoroasă, ca să nu mai vorbim de concurența redusă pentru teren și cererea de apă. Dar mai există și alte avantaje. În primul rând, cercetările au constatat că un sistem agrivoltaic poate crește și eficiența producției de energie de la panourile solare.
Panourile solare sunt în mod inerent sensibile la temperatură, devenind mai puțin eficiente pe măsură ce se încălzesc. Așa cum au constatat Barron-Gafford și colegii săi în studiul lor recent, cultivarea plantelor a redus temperatura panourilor de deasupra.
„Acele panouri solare supraîncălzite sunt de fapt răcite de faptul că plantele de dedesubt emit apă prin procesul lor natural de transpirație – exact ca vaporizatoarele de pe terasa restaurantului tău preferat”, a spus Barron-Gafford. „În total, acesta este un câștig-câștig-câștig în ceea ce privește îmbunătățirea modului în care cultivăm hrana, utilizarea resurselor noastre prețioase de apă și producerea energiei regenerabile.”
Sau poate este un câștig-câștig-câștig-câștig? În timp ce panourile solare și culturile se răcoresc reciproc, ar putea face același lucru și pentru oamenii care lucrează pe câmp. Datele preliminare sugerează că temperatura pielii umane poate fi cu aproximativ 10 grade Celsius mai scăzută (18 grade Fahrenheit) într-o zonă agrivoltaică decât în agricultura tradițională, conform cercetărilor de la Universitatea din Arizona. „Schimbările climatice perturbă deja producția de alimente și sănătatea muncitorilor agricoli din Arizona”, spune agroecologul Gary Nabhan, coautor al studiului Nature Sustainability. „Sud-vestul SUA înregistrează multe cazuri de insolație și decese cauzate de căldură în rândul muncitorilor noștri agricoli; acest lucru ar putea avea un impact direct și acolo.”
Generarea de interes
Pe lângă toate beneficiile menționate anterior ale agrivoltaicii – pentru culturi, panouri solare, disponibilitatea terenurilor, resursele de apă și muncitori – acest tip de combinație s-ar putea dovedi a fi un mare avantaj și pentru albine, împreună cu alți polenizatori.
Insectele sunt responsabile pentru polenizarea a aproape 75% din toate culturile cultivate de oameni și a aproximativ 80% din toate plantele cu flori, dar acestea dispar acum din habitatele din întreaga lume. Situația albinelor domestice tinde să atragă mai multă atenție, dar polenizatorii de toate felurile au fost în declin de ani de zile, în mare parte din cauza unei combinații de pierdere a habitatului, expunere la pesticide, specii invazive și boli, printre alte amenințări. Aceasta include bondari și alte albine native – unele dintre care sunt mai bune la polenizarea culturilor alimentare decât albinele domestice – precum și gândaci, fluturi, molii și viespi.
Multe culturi valoroase depind în mare măsură de polenizarea insectelor, inclusiv majoritatea fructelor, nucilor, boabelor și a altor produse proaspete. Alimente precum migdalele, ciocolata, cafeaua și vanilia nu ar fi disponibile fără insecte polenizatoare, conform Societății Xerces pentru Conservarea Nevertebratelor, iar multe produse lactate ar fi, de asemenea, limitate, având în vedere numărul mare de vaci care se hrănesc cu plante dependente de polenizatori, cum ar fi lucerna sau trifoiul. Chiar și multe culturi care nu necesită insecte polenizatoare – cum ar fi soia sau căpșunile, de exemplu – produc randamente mai mari dacă sunt polenizate de insecte.
Și acesta este impulsul din spatele efortului de a crea mai mult habitat pentru polenizatori pe fermele solare, în special în zonele agricole unde polenizatorii pot juca cel mai mare rol economic. Acest lucru este bine stabilit în Marea Britanie, unde o companie solară a început să permită apicultorilor să își instaleze stupi la unele dintre fermele sale solare în 2010, conform CleanTechnica. Ideea s-a răspândit, iar Marea Britanie are acum un „succes îndelungat și bine documentat în utilizarea habitatului pentru polenizatori pe siturile solare”, așa cum îl descrie organizația nonprofit din Minnesota Fresh Energy.
Combinarea polenizatorilor și a energiei solare este din ce în ce mai populară și în SUA, mai ales după ce Minnesota a promulgat Legea Solară Prietenoasă cu Polenizatorii în 2016. Această lege a fost prima de acest fel în țară, stabilind standarde bazate pe știință pentru modul de încorporare a habitatului pentru polenizatori în fermele solare. De atunci, a fost urmată de legi similare în alte state, inclusiv Maryland, Illinois și Vermont.
La fel ca și culturile, florile sălbatice ar putea ajuta la răcirea panourilor solare de deasupra, în timp ce umbra panourilor ar putea ajuta florile sălbatice să prospere în locuri calde și uscate fără a epuiza resursele de apă. Dar principalii beneficiari ar fi albinele și alți polenizatori, care ar transmite apoi norocul lor fermierilor din apropiere.
Pentru un studiu din 2018 publicat în revista Environmental Science & Technology, cercetătorii de la Laboratorul Național Argonne au analizat 2.800 de instalații de energie solară (USSE) existente și planificate la scară utilitară în SUA continentale, constatând că „zona din jurul panourilor solare ar putea oferi o locație ideală pentru plantele care atrag polenizatori”. Aceste zone sunt adesea umplute doar cu pietriș sau gazon, au remarcat ei, care ar fi ușor de înlocuit cu plante native, cum ar fi iarba de prerie și florile sălbatice.
Și pe lângă faptul că ajută polenizatorii în general – ceea ce ar fi probabil înțelept chiar dacă nu am putea cuantifica beneficiile pentru oameni – cercetătorii de la Argonne au analizat și modul în care „habitatul pentru polenizatori pe siturile solare” ar putea, la rândul său, stimula agricultura locală. Având mai mulți polenizatori în jur, se poate crește productivitatea culturilor, oferind potențial fermierilor un randament mai mare fără a utiliza resurse suplimentare, cum ar fi apă, îngrășăminte sau pesticide.
Cercetătorii au găsit peste 3.500 de kilometri pătrați (aproximativ 350.000 de hectare sau 865.000 acri) de teren agricol în apropierea instalațiilor USSE existente și planificate, care ar putea beneficia de mai mult habitat pentru polenizatori în apropiere. Ei au analizat trei exemple de culturi (soia, migdale și merișoare) care depind de insecte polenizatoare pentru randamentul lor anual, examinând cum mai mult habitat pentru polenizatori pe siturile solare le-ar putea afecta. Dacă toate instalațiile solare existente și planificate din apropierea acestor culturi ar include habitat pentru polenizatori, și dacă randamentele ar crește cu doar 1%, valorile culturilor ar putea crește cu 1,75 milioane dolari, 4 milioane dolari și, respectiv, 233.000 dolari pentru soia, migdale și merișoare, au constatat aceștia.
Cercetări edificatoare
Agricultura în SUA a devenit din ce în ce mai dificilă în ultima vreme, din cauza unei combinații de factori, de la secete și inundații la războiul comercial SUA-China, care a redus cererea pentru multe culturi americane. Așa cum raportează Wall Street Journal, acest lucru determină unii fermieri să-și folosească terenurile pentru a recolta energie solară în loc de hrană, fie închiriind terenul companiilor energetice, fie instalând propriile panouri pentru a reduce facturile la electricitate.
„Profitul la sfârșitul anului a fost foarte mic”, spune un fermier de porumb și soia din Wisconsin, care închiriază aproximativ 130 de hectare (322 acri) unei companii solare pentru aproximativ 1730 de dolari pe hectar anual (700 de dolari pe acru), conform WSJ. „Energia solară devine o modalitate bună de a-ți diversifica veniturile.”
Agrivoltaica s-ar putea să nu fie o soluție rapidă pentru fermierii care se confruntă cu dificultăți acum, dar acest lucru s-ar putea schimba pe măsură ce cercetările dezvăluie noi informații, informând potențial stimulente guvernamentale care fac mai ușoară adoptarea practicii. Aceasta este ceea ce vizează mulți cercetători acum, inclusiv Barron-Gafford și colegii săi. Ei lucrează cu Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă al Departamentului de Energie al SUA pentru a evalua viabilitatea agrivoltaicii dincolo de sud-vestul SUA și pentru a examina modul în care politicile regionale ar putea încuraja mai multe sinergii inovatoare între agricultură și energie curată.
Cu toate acestea, fermierii și companiile solare nu trebuie neapărat să aștepte mai multe cercetări pentru a valorifica ceea ce știm deja. Pentru a face bani din agrivoltaică imediat, Barron-Gafford spune ESA, este în mare parte doar o chestiune de a ridica stâlpii care susțin panourile solare. „Aceasta face parte din ceea ce face această lucrare actuală atât de interesantă”, spune el. „O mică schimbare în planificare poate aduce o mulțime de beneficii grozave!”
