La palabra compuesta «agrivoltaic» (agricultura y fotovoltaica) se refiere a la agrupación de la energía solar y agricultura en la misma superficie. Por lo tanto, la energia agrovoltaica es la energía de origen solar aplicada a usos agrícolas. Este término fue inventado y utilizado por primera vez en 2011 por Dupraz. Pero el concepto de combinar la conversión energía solar y agricultura fue concebido originalmente en 1981. Después de un desarrollo de 37 años, ahora los modos típicos de generación de energia agrovoltaica se basan en invernaderos, y bombeos fotovoltaico.
La energía agrovoltaica es la forma de producir energia de fuentes renovables combinando un uso agricola del terreno. Este nuevo concepto tiene la gran ventaja de realizar un uso sostenible de la tierra y mantener la biodiversidad de la zona. Su gran ventaja es la interacción entre la generación de energía fotovoltaica y la agricultura.
Este modelo se aplica en otros lugares del mundo con el objetivo de usar los terrenos de cultivo o de actividad ganadera para otra actividad complementaria y beneficiosa para el agricultor. Los beneficios se multiplican también en términos de conservación de la naturaleza como por ejemplo el alojamiento de colmenas donde viven las abejas que ayudan a polinizar los alrededores.
Una alta capacidad fotovoltaica requiere numerosos paneles fotovoltaicos y, en consecuencia, una gran área de tierra. Para aquellas regiones donde los recursos terrestres son escasos, se recomienda integrar con otras formas de utilización de la tierra, como edificios y naves industriales. De esta forma, se establece una nueva alianza: energía solar y agricultura.
Criterios a considerar en la energia agrovoltaica
La elevada energía solar que recibe España y su potencialidad como zona de cultivo sitúa nuestro país como un lugar idóneo para implantar la energia agrovoltaica. Sin embargo hay más criterios a considerar para combinat la agricultura fotovoltaica.
La implantación de sistemas de energia agrovoltaica requiere criterios para optimizar la inversión acometida. Son condicionantes asumibles, pero que deben ser considerados para alcanzar la rentabilidad de la instalación. Algunas de estas recomendaciones son: no dificultar las tareas agrícolas, ocupar el mínimo suelo posible y permitir el paso de la luz suficiente (directa del sol y/o difusa) tanto a los paneles como a las plantas.
Estas recomendaciones conducen inevitablemente a emplear una estructura más elevada para colocar los paneles. También, implica una densidad fotovoltaica menor que si no hubiera cultivos agricolas.
Los paneles pueden proporcionar protección (contra excesos de insolación, contra el granizo, mantenimiento de la humedad…) y la estructura de la instalación FV puede servir a la vez como soporte de redes anti-pájaros. Hay que considerar el efecto de la insolación sobre el rendimiento del cultivo. La instalación puede influir en el desarrollo normal del cultivo, tanto disminuirlo como retrasar su maduración. En otros casos, en cultivos que requieren más sombra, por ejemplo, puede aumentar su rendimiento.
Otros criterio a considerar es la influencia sobre el agua de lluvia. Los paneles pueden alterar la distribución del agua de lluvia en el suelo o dificultar la mecanización. Lo que seguro que sucederá es un reparto menos homogéneo y una menor evapotranspiración
Un buen ejemplo de energia agrovoltaica: el invernadero fotovoltaico
Entre numerosos ejemplos, encontramos el invernadero fotovoltaico. Dada la similitud con las edificaciones convencionales, se aprovecha la azotea para instalar una instalación solar. Actualmente, se estudia con gran interés el rendimiento del invernadero fotovoltaico en Europa y China.
Sin embargo, a diferencia de los edificios residenciales, los invernaderos agrícolas se construyen para cultivo de plantas. Por lo tanto, la mayoría de las investigaciones sobre invernaderos fotovoltaicos se centran principalmente en la utilización óptima de los sistemas fotovoltaicos para producir alimentos y energía.
El invernadero agrícola, por lo general, está equipado con aislamiento de materiales transparentes. Esto permite proteger las plantas contra el medio ambiente externo hostil y las enfermedades, mientras permite el paso de la luz. La consecuencia directa es una producción de plantas de mayor calidad, y permitir el cultivo fuera de temporada.
En comparación con las tierras de cultivo regulares, el invernadero consume más energía como el coste de crear microclima interno moderado, como irradiación solar, temperatura, humedad, etcétera.
La naturaleza del invernadero fotovoltaico es convertir la energía solar en la forma de energía utilizable. En otras palabras, obtener energía química (fotosíntesis) y energía eléctrica (fotovoltaica). Sin embargo, la eficiencia intrínseca del proceso fotosintético es alrededor del 3%. Esto es mucho menor que la eficiencia de conversión de la fotovoltaica comercial típica. Habitualmente, los módulos proporcionan alrededor del 20%. Esto significa que el sistema fotovoltaico mejorará la tasa global de utilización de la energía solar en el invernadero.
La solución del invernadero fotovoltaico
Los invernaderos de la mayoría de las regiones del mundo comparten un problema común de sobrecalentamiento durante el verano y las bajas temperaturas durante el invierno debido a la temperatura del aire estacional y la radiación solar.
Una solución práctica es instalar un dispositivo parasol en el superior del invernadero con el fin de controlar la cantidad de luz solar incidente. Mientras tanto los sistemas de refrigeración y calefacción también ayudan a regular la temperatura del aire en el invernadero.
Como auges de la industria fotovoltaica, paneles fotovoltaicos asequibles se pueden utilizar como el dispositivo de sombrilla, que bloquea el exceso de luz solar y también suministra electricidad a los sistemas eléctricos en el los mismos, por ejemplo, iluminación artificial, calefacción y refrigeración, riego, etc.
Un invernadero fotovoltaico bien diseñado puede lograr el equilibrio energético interno, es decir, la generación de energía fotovoltaica es capaz de cubrir el consumo total de energía de la operación diaria, o incluso tener electricidad que se puede vender a la compañía de energía eléctrica. Un auto-alimentado ideal invernadero puede llamarse «invernadero de energía cero».
La eficiencia de la energia agrovoltaica
Dupraz evaluó la productividad de la tierra con el indicador de la relación equivalente a la tierra (LER). Descubrió que el sistema mixto de cultivos (durumwheat) y paneles fotovoltaicos (59% de cobertura tierra) reveló el LER de 1,73. Esto significa que una granja de 100 hectáreas produciría tanto electricidad y alimentos, como una superficie de 173 hectáreas con producciones separadas. Por lo tanto, esto implica una mejor forma de utilizar los recursos del suelo, y aumentar la producción de riqueza de esa finca.
También descubrió que aunque la sombra solar de los paneles fotovoltaicos reduce la producción de trigo, esta merece la pena. Sus investigaciones mostraron que la reducción del 57% en la disponibilidad de luz solar, dio lugar una reducción del 19% en el rendimiento del trigo. Esto significa que la eficiencia ligera del cultivo de trigo aumenta bajo la sombra de los paneles fotovoltaicos.
Con respecto al invernadero fotovoltaico, una preocupación principal es si el sombreado fotovoltaico afecta el crecimiento de las plantas. En primer lugar, las plantas se pueden clasificar en especies de sol y sombra en función de su adaptabilidad a la intensidad lumínica.
Datos del proyecto de energia agrovoltaica de Enel
A finales de enero de 2022 la empresa Enel Green Power realizo un experimento a gran escala de energia agrovoltaica a nivel europeo. Este proyecto se realizó en tres países: cinco en España, dos en Grecia y dos en Italia.
Este proyecto trata de obtener conclusiones a varios niveles. El territorial, es decir, verificar la coexistencia positiva de cultivos, fauna y paneles fotovoltaicos instalados en el suelo. El tecnológico, mediante la prueba de diferentes tecnologías de paneles y configuraciones de instalaciones (paneles de una y dos caras, estructuras fijas y de seguimiento). El social, a través de la colaboración del mundo de la investigación, la innovación, la agricultura y la industria.
El proyecto se denominó Parque solar sostenible. Este programa no solo promueve la integración y la coexistencia de varias empresas, sino que también fomenta la adopción de técnicas agrícolas avanzadas e innovadoras con herramientas de alta tecnología y digitales. Así se ofrecen ventajas no solamente a los socios agrícolas para que puedan mejorar su competitividad en el mercado, sino también a la producción que puede beneficiarse de un mayor nivel de control de los parámetros técnicos y medioambientales.
Los resultados del programa de investigación de agrovoltaica
Los resultados obtenidos han demostrado que la colaboración entre la agricultura y la energía solar genera un beneficio mutuo. En virtud de las menores temperaturas inducidas por la presencia de los cultivos, se ha observado un aumento de la eficiencia de los paneles solares, en beneficio de la producción de electricidad. Simultáneamente, debido a las condiciones de sombreado parcial e intermitente provocadas por la presencia de los paneles fotovoltaicos, el crecimiento de algunas plantas y sus frutos ha mejorado notablemente. La causa es la reducción del estrés térmico debido a la elevada radiación solar y las altas temperaturas. Dos consecuencias del cambio climático a las que los cultivos se someterán cada vez más en el futuro.
Otro aspecto relevante está en el consumo de agua. Aquí el desarrollo de la energia agrivoltaica también favorece los efectos adversos del cambio climático. La instalación solar en los campos agricolas genera condiciones microclimáticas favorables que reducen el consumo de agua para el cultivo hasta un 15-20 %.
Las pruebas han mostrado, en los cultivos colocados entre las hileras de paneles, un aumento de hasta el 60 % en el rendimiento agrícola y el peso medio de los frutos de ciertas especies vegetales como los pimientos, y un aumento del número de frutos de hasta el 30 % en comparación con las zonas de control sin instalaciones fotovoltaicas. No solo eso, plantas como el aloe vera han mostrado un aumento de la biomasa de entre el 50 y el 60 %. El caso de otras especies de plantas aromáticas, medicinales, leguminosas y forrajeras, se ha observado un mayor rendimiento de entre el 30 % y el 60 %.
Aplicaciones de la energia agrovoltaica
La sombra parcial causada por los paneles fotovoltaicos no son necesariamente una desventaja para la planta objetivo dependiendo de su adaptabilidad. Veremos que la unión energía solar y agricultura es más favorable de lo que pueda parecer a simple vista.
Para plantas específicas, se investigaron cultivos comunes sobre la cuestión del sombreado en algunas investigaciones previas.
Estudios sobre el tomate
Cossu y su equipo de investigación, observaron una disminución del rendimiento anual del tomate en el invernadero fotovoltaico de pruebas (50% de cobertura de la zona del techo, sur), pero un enorme aumento de ingresos teniendo en cuenta la generación de energía fotovoltaica.
Sin embargo, Urena y otros no encontraron diferencias significativas en la producción comercial, el peso promedio y la firmeza de la carne de tomate comparando las secciones de invernadero de 9,6% de cobertura fotovoltaica con el grupo de control (sin cobertura fotovoltaica). Los distintos resultados de esos dos estudios sobre el rendimiento del tomate podrían de la diferencia de cobertura fotovoltaica.
Estudios sobre la cebolla
Kadowaki y otros investigaron el crecimiento de cebolla galesa cultivada hidropónicamente en el invernadero fotovoltaico. Estudiaron los efectos bajo las sombras echadas por línea recta dispuesta pv-array (matriz de fotovoltaica proyectando sombras en un área específica de la plantas de forma continua) y checkerboard PV-array (matriz fotovoltaica proyectando sombras intermitentemente).
Tanto el peso fresco como el peso de materia seca de la cebolla galesa cultivados bajo la matriz de fotovoltaica fueron significativamente menores que los del invernadero de control. Mientras los efectos inhibitorios bajo la matriz fotovoltaica disminuyeron.
Concluyeron que los arreglos geométricos de los arrays fotovoltaicos afectaron drásticamente el crecimiento de las plantas cultivadas debajo de las matrices fotovoltaicas.
Estudio sobre la lechuga
Dupraz estudió el crecimiento de cuatro variedades de lechugas bajo dos densidades de sombra de paneles fotovoltaicos (50% y 70% de la radiación entrante). Encontraron que el rendimiento de la lechuga se mantuvo porque lechuga tenía la capacidad de adaptar las condiciones de sombreado y compensó la falta de disponibilidad de luz mediante una mayor capacidad de recolección de luz.
Otros estudios
En otra investigación, Marrou y su equipo, evaluaron la tasa de crecimiento de tres cultivos (lechuga, pepino y trigo duro) bajo tratamiento solar completo y dos densidades de paneles fotovoltaicos como se describe en sus estudio anterior. Los resultados revelaron que la tasa de crecimiento fue similar en todos los tratamientos.
Valle realizó otra investigación donde se utilizaron rastreadores de sol para equilibrar la energía solar y agricultura. Los resultados muestran que los sistemas agrovoltaicos dinámicos aumentan la producción eléctrica sin competir con alimentos.
Se debe considerar que, las últimas cuatro investigaciones se llevaron a cabo en el entorno de campo abierto en lugar del invernadero. Sobre la base de la estudios pertinentes antes mencionados, los paneles fotovoltaicos en el cultivo agrícola pueden afectar el incidente irradiancia, temperatura del suelo, temperatura del aire, temperatura de cultivo, humedad, etc.
Otras investigaciones cientificas relacionadas con la energia agrovoltaica
Hay pocas referencias sobre los beneficios económicos de la aplicación de la energía agrovoltaica. Un interesante articulo fue publicado en Journal of Renewable and Sustainable Energy. Este articulo trataba de la evaluación económica de invernaderos fotovoltaicos en China, y analiza modelos de costes e ingresos.
Se realizó una evaluación económica a la luz de tres indicadores como período de recuperación, valor actual neto y tasa interna de retorno. También, se analizaron los efectos de la capacidad instalada fotovoltaica, la proporción de préstamos bancarios, el coste unitario de inversión de la energía fotovoltaica, y la estimación del tiempo anual de plena potencia.
En dicho articulo, también se analizaron los ingresos de plantación para proporcionar una referencia para la inversión de invernaderos fotovoltaicos. Los resultados muestran datos pesimistas. Los invernaderos fotovoltaicos con gran capacidad instalada fotovoltaica ocupan una gran superficie de terreno y generan grandes costes de inversión. Estos costes no están disponibles para los agricultores, ni siquiera para las grandes empresas.
La capacidad instalada de los invernaderos fotovoltaicos no supera los 15 MW. La conclusión manifestaba que no es rentable invertir en invernaderos de vidrio de alta calidad con gran capacidad fotovoltaica. El beneficio económico de los invernaderos fotovoltaicos disminuye significativamente con una gran proporción de préstamos bancarios. Por eso, un aspecto que ayudará en su desarrollo será la redución del precio de paneles fotovoltaicos.
Como aspectos más positivos se recomienda plantar cultivos con buena rentabilidad para generar liquidez para invertir. Es necesario que un proyecto de invernaderos fotovoltaicos tenga en cuenta la capacidad de inversión, la escala de inversión, la región de inversión, la política de subvenciones de la energía fotovoltaica.
Una conclusión interesante muestra que un esquema de plantación facilita el éxito de la inversión. Se trata de elaborar un patrón de plantación y plantación de cultivos. También se consideran las especies de plantación en el área de luz solar para obtener un mayor beneficio. La inversión a escala adecuada en invernaderos fotovoltaicos puede lograr el doble de beneficios de la economía de los cultivos y la electricidad.
