BASF
BASF
BASF

AGRA

Agrivoltaika v podmínkách České republiky

05. 09. 2022 Ing. Ladislav Jílek, Ph.D. a kol. Management Zobrazeno 1023x

Vývoj na světové scéně potvrzuje, že schopnost státu produkovat vlastní potraviny a energie udržitelným způsobem jsou zásadními faktory pro jeho bezpečnost. Z hlediska kvality a množství produkovaných potravin si Česká republika vede velice dobře. V oblasti energií je situace výrazně složitější. Dohody o ochraně klimatu nás zavazují k postupnému vyřazování fosilních zdrojů energie a nízkoemisní jaderná energie se potýká s problémy politického rázu.

Proseeds

Obnovitelné zdroje si bohužel příliš dobré jméno zatím nezískaly. Větrníky v hustě osídlené krajině nejsou pochopitelně příliš oblíbené. Zdroje biomasy jsou velmi omezené a povětšinou čím dál tím více finančně náročnější. Pokus o rozšíření fotovoltaiky v roce 2010 byl tak nešťastně provedený, že se celý sektor zdiskreditoval na celé desetiletí. Závislost na zemním plynu pocházejícího z nestabilních zemí se ukazuje jako bezpečnostní riziko. Překvapivé řešení můžeme nalézt v kooperaci se zemědělstvím a nazývá se pojmem vzniklým složením slov agri a fotovoltaika, tedy agrivoltaika.

Co je agrivoltaika

Agrivoltaika nebo také agrovoltaika je koncept, který se objevil v 80. letech minulého století. Znamená souběžné pěstování plodin a výroby fotovoltaické energie na jednom pozemku. Primární je výroba potravin a produkce energie je pouze doplňková. Proto se fotovoltaika umísťuje tak, aby nekonkurovala pěstovaným plodinám. Agrivoltaický systém z produkční plochy zabírá pouze minimální prostor podpěrami konstrukce. Základy pro konstrukci jsou řešeny bez betonových patek, aby nedošlo ke znehodnocení půdy a aby po konci životnosti konstrukce pole mohlo být uvedeno do původního stavu. V současné době je agrivoltaika intenzivně testována v Německu, Holandsku, Francii či Itálii. Mimo Evropu to je zejména v Japonsku nebo Číně.

Z hlediska konstrukce je nejběžnější horizontální umístění fotovoltaických panelů na speciální zvýšené konstrukci nad pozemkem tak, aby se pod ní mohla pohybovat pracovní síla i zemědělská technika (obr. 1). Světlá výška konstrukce běžně bývá 3,5 až 5 metrů. Záleží na výšce používané techniky a pěstovaných plodin. Například u chmele je výška konstrukce i přes 8 metrů. Fotovoltaické panely jsou orientovány na jih nebo se používají i jednoosé trackovací fotovoltaické systémy, které kopírují pohyb slunce a maximalizují tak výnos energie během dne.

Dále se používají vertikální konstrukce. Tu si lze představit jako linie plotu (obr. 2). V případě vertikálního fotovoltaického systému je šířka konstrukce zhruba 20 cm. K této šířce je nutné připočítat 0,5 m ochranného pruhu z každé strany. Vzdálenost mezi jednotlivými vertikálními liniemi bývá 9–25 m. Linii vertikálního FV systému lze využít i jako plot, například k ohraničení pastevního pozemku, domu či zemědělského objektu. Vertikální konstrukce je osazena bifaciálními fotovoltaickými panely, které jsou orientovány plochou zachytávající sluneční záření z východu a západu. Tato orientace generuje v naší zeměpisné poloze srovnatelné množství energie jako panely orientované na jih. Podle matematických modelů má vertikální bifaciální fotovoltaický systém orientovaný směrem východ-západ nad 50° severní šířky větší výkon než konvenční fotovoltaický systém orientovaný k jihu (1). Podle Next2sun GmbH křivka generované energie je rozložena rovnoměrněji s dvěma vrcholy při východu a při západu slunce (graf 1). Takové rozložení více odpovídá spotřebě energie během dne.

Testovány jsou také agrivoltaické systémy při pěstování ovoce či speciálních plodin, kdy fotovoltaické panely slouží jako ochrana před dopady počasí, například prudkým deštěm, silným větrem či kroupami (obr. 3). V pilotním projektu u pěstitelů malin v Holandsku byly ochranné přístřešky z fólie nahrazeny semitransparentními fotovoltaickými panely. Pěstitelé tak získali solidnější ochranu proti nepříznivému počasí, než kterou poskytovaly fólie. Zároveň snížili náklady na energie a získali další příjem za prodej přebytečné energie. Pěstební plocha přitom zůstala stejná a dopad na objem produkce s poklesem až o 3,5 % je minimální.

Graf 1: Křivka generované energie vertikálních bifaciálních panelů orientovaných východ-západ (zdroj: Next2sun GmbH)
Graf 1: Křivka generované energie vertikálních bifaciálních panelů orientovaných východ západ (zdroj: Next2sun GmbH)

Obr. 1: Horizontální agrivoltaický systém (zdroj: Fraunhofer ISE)
Obr. 1: Horizontální agrivoltaický systém (zdroj: Fraunhofer ISE)

Obr. 2: Vertikální bifaciální agrivoltaický systém (zdroj: Next2Sun GmbH)
Obr. 2: Vertikální bifaciální agrivoltaický systém (zdroj: Next2Sun GmbH)

Obr. 3: Agrivoltaika na malinách (zdroj: BayWa r. e.)
Obr. 3: Agrivoltaika na malinách (zdroj: BayWa r. e.)

Efektivita agrivoltaického systému

Fotovoltaické panely odebírají část slunečního svitu a stíní prostor pod sebou, čímž dochází k ovlivnění mikroklimatu na pěstební ploše. Jakým způsobem tento fakt ovlivní plodiny, je předmětem výzkumů.

Efektivitu agrivoltaického systému lze určit podle ukazatele LER (efektivita využití půdy, z ang. land equivalent ratio). Tato hodnota ukazuje účinnost kombinovaného využití půdy, tedy výnosu plodin a energie v poměru k jednotlivému využití půdy (obr. 4). Výsledky na experimentálním pozemku univerzity v Hohenheimu v roce 2017 ukázaly celkovou účinnost využití půdy při pěstování pšenice v kombinaci s fotovoltaikou 160 %. Nejlepších výsledků bylo dosaženo u jetele s poklesem výnosu o 5,3 %. U pšenice, brambor a celeru byl pokles výnosu do 20 % (2).

Zajímavé výsledky byly získány v následujícím roce 2018, kdy byly na lokalitě velmi suché podmínky. Efektivita využití půdy dosáhla u kombinace brambor a fotovoltaiky 186 %. V té sezoně byly výnosy u většiny plodin pod fotovoltaikou dokonce vyšší než na referenčním pozemku bez agrivoltaiky. Výnosy pšenice byly vyšší o 3 %, brambor o 11 % a celeru o 12 %. U jetele byl zaznamenám pokles o 8 %. Nárůst výnosů v suchém roce je dán zejména nižší evapotranspirací, což má za efekt vyšší vlhkost půdy a příznivější mikroklima pod fotovoltaickými panely.

Efekt zastínění je tak logicky přínosný zejména v aridních oblastech. Nejvýhodnější se jeví zejména u rostlin, kterým vyhovuje určité zastínění, jako je listová zelenina, pícniny, bobulovité, jádrovité a peckovité ovoce, měkké ovoce, či speciální plodiny jako česnek, chřest a chmel.

K případnému poklesu výnosu úbytkem světla je také potřeba připočítat i pás nevyužité plochy mezi jednotlivými podporami konstrukce. Tento pás je komplikované obdělávat většími stroji a často se nechává ležet ladem. Celkově by úbytek využitelné půdy k pěstování plodin neměl překročit 10 %.

Obr. 4: Efektivita využití půdy na experimentálním pozemku v Heggelbachu (zdroj: Fraunhofer ISE)
Obr. 4: Efektivita využití půdy na experimentálním pozemku v Heggelbachu (zdroj: Fraunhofer ISE)

Potenciál pro Českou republiku

Z obnovitelných zdrojů energie má v podmínkách ČR fotovoltaika zásadní potenciál. Podle studie provedené společností EGÚ Brno je celkový technický potenciál FVE umístěných na rezidenčních i nerezidenčních budovách 23,7 GWp (3).

Odhad potenciálu agrivoltaiky pro ČR není vypracován, ale v tomto případě můžeme srovnávat se sousedním Německem, protože intenzita slunečního záření je zde podobná. Fraunhofer Institut ve svém manuálu (2) uvádí, že pouze kolem 4 % orné půdy v režimu s agrivoltaikou je zapotřebí k pokrytí současné celkové spotřeby elektřiny v Německu (cca 500 GWp instalovaného výkonu). Podle jejich předběžných odhadů je technický potenciál agrivoltaiky v Německu kolem 1 700 GWp (graf 2).

V ČR z celkové osevní plochy zemědělských plodin připadá 14 % plochy na řepku olejku a z toho zhruba 1/3 je zpracována pro energetické účely (4, 5). Z hlediska výnosu energie i potravin se tedy zdá agrivoltaika mnohem efektivnější než pouhé pěstování energetických plodin.

I přes pozitivní výsledky pilotních pokusů je stále v oblasti agrivoltaiky třeba odpovědět na mnoho otázek. V ČR ještě žádný pilotní pokus realizován nebyl a nevíme tedy, jaký dopad na výnos plodin můžeme očekávat v místních klimatických podmínkách. Při nevhodném použití agrivoltaiky by mohlo dojít k poklesu objemu produkce potravin a omezení potravinové soběstačnosti. V tuto chvíli nelze odpovědně říci, které plodiny a jaké agrivoltaické systémy jsou v našich podmínkách efektivní a jaký by měly celkový dopad na osevní postup, produkci potravin, energetiku a krajinu. Lze předpokládat, že zisky z výnosu energie budou vyšší než zisky z výnosů plodin. Tímto mohou být pěstitelé potravin vystaveni tlaku k upřednostňování výroby energie před výrobou potravin. Dalším neméně důležitým aspektem je krajinotvorná funkce zemědělství, která představuje důležitou službu společnosti. Neregulovaná instalace agrivoltaiky by mohla tuto funkci narušit. Měly by být stanoveny podmínky výstavby agrivoltaiky tak, aby nebyla ohrožena produkce potravin, byla zachována kvalita půdy i krajinný ráz a estetika krajiny.

Skutečný potenciál výkonu agrivoltaiky pro ČR není známý, ale lze předpokládat, že při rozvoji agrivoltaiky dojde k vysokému nárůstu instalovaného výkonu fotovoltaických zdrojů energie, které mohou přinést komplikace na straně distribuce. Důležitý bude další vývoj a výzkum v oblasti využití energií přímo v zemědělské výrobě a na lokální úrovni. Dále bude nutný další rozvoj v oblasti krátkodobého i sezonního skladování energie.

V případě, že se potvrdí přínos agrivoltaiky v našich podmínkách a dojde ke vhodnému nastavení jejich rozvoje, přínosem může být navýšení financí v zemědělství, lokální produkce energie z obnovitelných zdrojů, a tím i omezení závislosti na importu energií z nestabilních oblastí a snížení emisí skleníkových plynů.

Graf 2: Technický potenciál fotovoltaiky v Německu (zdroj: Fraunhofer ISE)
Graf 2: Technický potenciál fotovoltaiky v Německu (zdroj: Fraunhofer ISE)

Výzkumný projekt

Z výše zmíněných důvodů Výzkumný ústav zemědělské techniky, v.v.i., ve spolupráci s Výzkumným ústavem rostlinné výroby, v.v.i., Technickou fakultou ČZU a firmou Stradlova s.r.o. inicioval první projekt na výzkum agrivoltaiky v ČR financovaný Technologickou agenturou České republiky. Cílem projektu je výzkum kombinace biopásů a pěstování polních plodin s vertikálním agrivoltaickým systémem. Tato kombinace by měla podpořit biodiverzitu v zemědělské krajině při současném zvýšení ekonomické atraktivity biopásů skrze tvorbu obnovitelné elektrické energie. Sledována bude mimo jiné změna v biologické rozmanitosti rostlin, hmyzu a vliv na pěstované plodiny a výkon elektrárny.

Na základě výsledků budou zpracovány podklady pro úpravu legislativních předpisů, a dále budou zpracována doporučení pro zemědělskou praxi. Řešení tohoto projektu bylo zahájeno v letošním roce. Vzhledem ke kombinaci opatření pro podporu biodiverzity a fotovoltaiky by se v případě tohoto projektu dal použít i termín „ekovoltaika“.

Literatura:

  1. Chudinzow, Dimitrij, Sylvio NAGEL, Joshua Güsewell and Ludger Eltrop, 2020. Vertical bifacial photovoltaics – A complementary technology for the European electricity supply. Applied Energy [online]. 264. ISSN 03062619. Dostupné z: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261920302944
  2. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Agrivoltaics: Opportunities for Agriculture and the Energy Transition, October 2020, Guideline for Germany. [online]. Dostupné z: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/en/documents/publications/studies/APV-Guideline.pdf
  3. Oponentní posudek k vybraným tématům z návrhu Národního Klimaticko-Energetického Plánu (NKEP) pro oblast FVE, Zhotovitel: EGÚ Brno a. s., Objednatel: Solární asociace, Zpracovali za zhotovitele: Petr Čambala, Matěj Hrubý, Oldřich Muselík, Tomáš Špaček, Jiří Procházka a kolektiv EGÚ Brno, a. s. [online]. Dostupné z: https://www.solarniasociace.cz/aktuality/20190107_oponentni-posudek-k-nkep-pro-fve.pdf
  4. Situační a výhledová zpráva olejniny, Vydalo Ministerstvo zemědělství, Těšnov 65/17, 110 00 Praha 1, www.eagri.cz, e–mail: info@mze.cz ISBN 978-80-7434-446-6, Praha 2018 [online]. Dostupné z: https://eagri.cz/public/web/file/583063/SVZ_Olejniny_12_2017.pdf

Český statistický úřad. Tab. Osevní plochy zemědělských plodin k 31. 5. 2021. Český statistický úřad [online]. 26.4.2022. Dostupné z: https://www.czso.cz/

Ing. Ladislav Jílek, Ph.D.1, Ing. David Hájek, Ph.D.1, Doc. RNDr. Pavel Saska, Ph.D.2, Doc. Ing. Petr Novák, Ph.D.3, Ing. Radek Pražan, Ph.D.1, Ing. Hana Foffová, Ph.D.2
1
Výzkumný ústav zemědělské techniky v.v.i., Praha-Ruzyně
2
Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha-Ruzyně
3Česká zemědělská univerzita v Praze

Související články

Konference Živá krajina se zaměřila na strategii EU, uhlík a život v půdě

02. 02. 2023 Ing. Petr Štěpánek, Ph.D.; Agromanuál Management Zobrazeno 137x

Nový prístup k ochrane vôd pred znečistením pesticídmi v chránených oblastiach Slovenska

04. 11. 2022 RNDr. Anna Patschová, PhD.; Výskumný ústav vodného hospodárstva Bratislava Management Zobrazeno 338x

Máku na našich polích méně než loni

27. 10. 2022 Ing. Hana Honsová, Ph.D.; Praha Management Zobrazeno 507x

Slavnostní otevření Potravinářského pavilonu ČZU

22. 10. 2022 Ing. Vít Langmaier; Agromanuál Management Zobrazeno 338x

Výhled produkce olejnin a zejména sóji v roce 2022

12. 10. 2022 Ing. Přemysl Štranc, Ph.D. a kol. Management Zobrazeno 426x

Další články v kategorii Management

detail