Agrofotovoltaika a pěstování polních plodin

05. 09. 2024 Ing. Ladislav Jílek, Ph.D. a kol. Management Zobrazeno 210x

Od počátků civilizace bylo zemědělství závislé na energii získávané přímo z lokálních zdrojů, jako je vítr, voda či energie ze slunce. S příchodem průmyslové revoluce však došlo k radikální transformaci, kdy se energie začala vyrábět centralizovaně a zemědělství se stalo závislým na dovozu fosilních paliv. V současnosti, ve světle výzev 21. století, jako jsou klimatické změny, se opět obracíme k myšlence využívání lokálních a obnovitelných zdrojů energie. Tento posun naznačuje sice návrat ke kořenům, avšak s využitím moderních technologií a inovací, které nám lokální produkci energie umožňují. Agrovoltaika představuje právě takový směr, spojení solární energetiky a zemědělství na jednom pozemku. Otevírají nové možnosti pro udržitelný rozvoj a energetickou soběstačnost.

Koncept agrovoltaiky je známý již od 80. let minulého století, ale k významnějšímu rozvoji dochází až v poslední dekádě, a to zejména v západní Evropě, Spojených státech amerických, Číně a Japonsku. V Evropě se vývoj zaměřil zejména na trvalé kultury s nižším vzrůstem, především na bobuloviny. Rostliny, jako jsou maliny, vynikají svou schopností tolerovat částečné zastínění, což je klíčové pro úspěšnou integraci s fotovoltaickými panely. Protože jsou tradičně pěstovány pod lehkými konstrukcemi s fóliemi, byla myšlenka využít stávající lehké konstrukce a fólie nahradit poloprůsvitnými fotovoltaickými panely logickým krokem. Výsledky potvrdily, že tento přístup má minimální dopad na výnosy plodin, zatímco současně nabízí úsporu nákladů spojených s údržbou fólií a ziskem z vyrobené energie.

Typy konstrukcí

Z hlediska využitelné plochy nabízí významně větší potenciál aplikace agrovoltaiky na orné půdě. V kombinaci s polními plodinami se v pilotních instalacích ověřují různé typy konstrukcí.

Horizontální systémy

V první řadě jsou to horizontální systémy (obr. 1). U tohoto typu jsou fotovoltaické panely umístěny na vysoké konstrukci nad produkční plochou. Pod konstrukcí se pohybuje zemědělská technika a potřebná výška této konstrukce bývá i 5 metrů. Výška konstrukce ovlivňuje množství fotosynteticky aktivního záření (PAR) dopadajícího na pěstební plochu, což znamená, že se optimální výška liší v závislosti na geografické poloze - v jižní Evropě může být konstrukce nižší než v severní Evropě. Panely jsou obvykle orientovány na jih nebo východ a západ, aby se optimalizoval výkon vyrobené elektřiny s její spotřebou. Mezi sloupy konstrukce zůstávají neobdělávané pruhy půdy široké až půl metru, které mohou přispět rozvoji biodiverzity v polním prostředí, avšak může vést i k navýšení počtu plevelů na této lokalitě.

Výhodou horizontální konstrukce je rovnoměrnější distribuce světla, menší podíl zabrané půdy, nevznikají rizika poškození panelů při aplikaci hnojiv a postřiků.

Nevýhodou jsou vyšší výrobní náklady na vyvýšenou konstrukci. Při cenách kvalitních materiálů tato skutečnost výrazně navyšuje náklady na realizaci. Další nevýhodou je nerovnoměrná distribuce srážek dopadajících na pěstební plochu. Pod panely vznikají suchá místa a naopak na okrajích panelů stéká koncentrované množství srážkové vody. Tímto nastává riziko eroze půdy pod okraji konstrukce. Vznikají různá řešení, od použití okapů a svodu vody do akumulačních nádrží či vsaků, až po natočení panelů vertikálním směrem při srážkách. Tato řešení dále navyšují již takto vysokou cenu konstrukce.

Obr. 1: Horizontální agrovoltaický systém

Vertikální systémy

Dále jsou na orné půdě testovány vertikální systémy (obr. 2). U tohoto typu konstrukčního řešení jsou použity bifaciální fotovoltaické panely a jsou umístěny ve vertikálním směru tak, že aktivní strany panelů směřují na východ a na západ. Tyto vertikální linie jsou zasazeny doprostřed pásu neobdělávané půdy o šířce zhruba 1 m.

Pilíře pro montáž panelů jsou vtlačeny hluboko do země, a není tedy nutné použití betonu. Tyto linie jsou typicky instalovány s rozestupem nejméně 10 metrů. Rozestup je primárně určen používanou agrotechnikou, aby se zajistilo, že pracovní šířka techniky odpovídá násobku šířky obdělávaného pruhu mezi vertikálními liniemi.

Výhodou této konstrukce jsou nižší náklady v porovnání s horizontálním systémem. Další výhodou může být rozložení energetických zisků během dne. Nejvyšší výkon produkce energie je v dopoledních a odpoledních hodinách dne. Toto rozložení více odpovídá spotřebě energie domácností, a také vhodně balancuje produkci energie z převládajících fotovoltaických instalací orientovaných jižním směrem. Při vhodné orientaci linie po vrstevnici by mohl účinně bránit vodní erozi. Diskutován je i vliv proti větrné erozi. Zde není výsledek nijak jednoznačný. Při orientaci linií v kolmém směru k převládajícímu větru by mohl snižovat rychlost větru, ve specifických případech by ale mohl rychlost větru podle principu difuze zvyšovat. Tato problematika je v současné době předmětem výzkumu.

Neobdělávaný pás půdy může být přirozeným útočištěm hmyzu či rostlin a zvyšovat tak biodiverzitu a vyšší pestrost zemědělské krajiny.

Nevýhodou je nerovnoměrné rozložení světla na pěstební ploše během dne. Plodiny v blízkosti vertikální linie jsou zastíněné více než plodiny uprostřed pěstební plochy. Náklady na vertikální agrovoltaicku výrobnu jsou stále vyšší než na klasickou pozemní fotovoltaickou elektrárnu, ale jsou nižší než náklady na střešní fotovoltaiku, což ji činí perspektivní alternativou k pozemní fotovoltaické elektrárně.

Obr. 2: Vertikální agrovoltaický systém s květnatým biopásem

Pohyblivé - trackovací systémy

Zajímavým a stále běžnějším řešením jsou pohyblivé - trackovací systémy (obr. 3). V tomto případě panely podle zadaného algoritmu sledují pohyb Slunce a maximalizují tedy energetický zisk. Pohyb panelů lze upravit podle zadaných preferencí. V případě, že je žádoucí upřednostnit rostlinu před energetickými zisky, je pohyb panelu modifikován tak, aby umožnil dopad vyšší intenzity slunečního záření k rostlinám na úkor výroby energie. V případě potřeby zastínění z důvodů teplotních extrémů může být pohyb nastaven tak, aby více zastínil pěstební plochu.

Trackovací systémy jsou nákladnější, ale vyšší ziskovost urychluje dobu návratnosti investice. Vhodnější volbou se zdá použití jednoosých trackovacích systémů pohybujících se podél jedné osy. Dvouosý systém má vyšší výkon než jednoosý systém a současně vyšší náklady na instalaci a provoz.

Obr. 3: Vertikální trackovací agrovoltaický systém

Vliv na výnosy plodin

Pro zemědělce i veřejnost je klíčovým faktorem při hodnocení využití agrovoltaiky na orné půdě dopad na výnosy plodin, případně na jejich tržní cenu (obr. 4). V současné době jsou publikovány výsledky zejména v zahraniční literatuře, ale tyto výsledky nejsou z důvodu rozdílné geografické polohy a specifického lokálního klimatu přímo aplikovatelné na podmínky v ČR.

Vliv na výnos plodin bude záviset zejména na dopadajícím fotosynteticky aktivním záření, které je dáno geografickou polohou a celkovým designem agrovoltaické výrobny. Podle dostupné vědecké literatury lze u polních plodin aplikovat design se snížením dostupného světla až o 30 % a zároveň dosáhnout adekvátního LER (Land Equivalent Ratio - poměr pozemkových ekvivalentů), tedy příznivý poměr výnosů plodin a elektrické energie.

Homogenita světla a míra snížení fotosynteticky aktivního záření se mohou v závislosti na konkrétních konfiguracích systémů agrovoltaiky výrazně odlišovat. Podle výzkumu provedeného na Univerzitě v Mälardalenu, systém agrovoltaiky s dvouosým trackovacím systémem vykazuje v naší geografické poloze vysokou homogenitu světla s ročním snížením PAR o 12 %. Oproti tomu, vertikální agrovoltaický systém o výšce 3 metry a vzdáleností mezi liniemi 10 metrů dosahuje nižší homogenity světla a vykazuje roční snížení PAR o 20,5 %.

Obr. 4: Sledování výnosů pšenice ozimé Výzkumným ústavem zemědělské techniky

Vliv zastínění na plodiny

Výzkumy poukazují na vhodnost výběru odrůd demonstrací rozdílu mezi odrůdami ozimé pšenice. Odrůda lépe snášející zastínění, vykázala vyšší nárůst výnosu při mírném zastínění 8 % než jiná odrůda ozimé pšenice, citlivější na zastínění. Při vyšším zastínění (23 %) byl pokles u odolnější odrůdy -5,8 % a u citlivější odrůdy byl -6,7 %. Dokonce i při pokusech s vyšším zastíněním byla ztráta výnosu nižší, než by odpovídalo poklesu fotosynteticky aktivního záření. To autoři vysvětlují kompenzačními efekty, jako je zvětšení listové plochy a dalšími adaptačními mechanismy. Specifické morfologické a fyziologické znaky by mohly být využity při šlechtění odrůd tolerantních k zastínění. Tyto výsledky odpovídají polním experimentům, kde z předběžných výsledků sledování výnosů obilnin u vertikálních agrovoltaických výroben v liniích s rozestupem 10 metrů vyplývá pokles výnosů o -4 až -10 %. K tomu je potřeba připočíst ušlý výnos z neobdělávaného ochranného pásu půdy okolo vertikální linie.

U polních plodin je situace při porovnání s trvalými kulturami složitější také z důvodů nutnosti střídání a různorodého množství plodin s odlišnou mírou tolerance k zastínění. Příznivé výsledky u jedné mohou být negovány sníženými výnosy následné plodiny. Rizikem by mohlo být, že nesprávné střídání z důvodů preference plodin tolerující stín by mohlo negativně ovlivnit kvalitu půdy.

Střídáním plodin se zabýval experiment v jihovýchodním Německu, ve kterém byly pěstovány pro tuto oblast typické plodiny - celer, ozimá pšenice, brambory a jetel. Plodiny byly pěstovány pod vertikálním agrovoltaickým systémem a na kontrolní parcele bez solárních panelů. Monitorovány byly mikroklimatické parametry a výnosy. Průměrně bylo fotosynteticky aktivní záření pod agrovoltaikou sníženo o přibližně 30 %. Ve sledovaném období bylo rozpětí výnosů pod agrovoltaikou ve srovnání s referenčním místem -19 až +3 % pro ozimou pšenici, -20 až +11 % pro brambory a -8 až -5 % pro jetel. V horkém suchém létě byly výnosy plodin ozimé pšenice a brambor zvýšeny díky agrovoltaice o 2,7 % a 11 %. Tato zjištění ukazují v běžných podmínkách snížení výnosů pod agrovoltaikou, ale za horkých a suchých sezon se mohou podmínky pro pěstování stát příznivějšími. V kontextu postupující změny klimatu se tyto otázky stanou stále relevantnějšími.

Agrovoltaika v ČR

Česká republika nezůstala ve výzkumu agrovoltaiky pozadu a v současné době probíhá několik výzkumných projektů ověřujících agrovoltaiku jak na trvalých kulturách, tak i na polních plodinách. Výzkumný ústav zemědělské techniky, v. v. i. ve spolupráci s dalšími vědeckými organizacemi zkoumá na několika lokalitách vliv agrovoltaického systému na výnos polních plodin, mikroklima, biodiversitu a další důležité ukazatele. Již nyní české firmy nabízí konstrukce a systémy pro výstavbu agrovoltaiky.

Na tento vývoj také zareagovala státní správa ČR přípravou potřebné legislativy. Nyní prochází v Parlamentu ČR schvalovacím procesem novela zákona č. 334/1992 Sb., o ochraně zemědělského půdního fondu, ve znění pozdějších předpisů, která umožní výstavbu agrovoltaiky (agrovoltaických výroben elektřiny) v České republice. V rámci legislativních změn by bylo možné instalovat agrovoltaiku v rámci pěstování trvalých kultur (vinice, sady a chmelnice). Probíhají debaty o možném rozšíření kultur. Pro polní plodiny, pastviny, louky a další není v současné době možné realizovat výstavbu agrovoltaiky. Dalším omezením je např. omezení v rámci územního plánování a stavebního řízení (zákon č. 183/2006 Sb., stavební zákon, ve znění pozdějších předpisů). V současné době není možné legálně postavit agrovoltaiku bez vyjmutí pozemku ze Zemědělského půdního fondu a změny pozemku v územním plánu katastru obce na výstavbu fotovoltaické elektrárny včetně všech podmínek a nákladů s tím spojených.

Technický potenciál pro výrobu energie v agrovoltaických výrobnách v kombinaci s polními plodinami je enormní. Přínosem může být navýšení podílu energie z obnovitelných zdrojů a zvýšení soběstačnosti českého zemědělství, zdroj příjmů pro zemědělce, ochrana půdy před extrémními klimatickými jevy nebo zvýšení pestrosti krajiny. Nutné je ale také zvážit rizika, jako je zvýšení pojezdu na obdělávaném pozemku a snížení výnosů plodin. Pro eliminaci rizik by státní správa měla stanovit pravidla, aby nedošlo ke snížení výnosů pod kritickou mez, či pravidla pro managment ochranných pásů, než začne podporovat projekty agrovoltaiky v této oblasti.

Budoucnost

V nadcházejícím období se očekává, že inovace povedou k vývoji ještě efektivnějších agrovoltaických systémů. S rostoucí elektrifikací dopravy, průmyslu a zemědělství se zdá, že význam agrovoltaických řešení bude neustále narůstat. Je proto zásadní, aby se výzkum a rozvoj v této dynamicky se vyvíjející oblasti nejen udržely současné tempo, ale i intenzivně rozvíjely za aktivní podpory jak veřejného, tak soukromého sektoru. K tomu, aby agrovoltaické systémy našly širší uplatnění, je nezbytné vytvořit optimální podmínky, které umožní jejich efektivní a výhodnou integraci a využití.

Použitá literatura u autorů.

Tento projekt č. SS05010243 je financován se státní podporou Technologické agentury ČR a Ministerstva životního prostředí ČR v rámci Programu Prostředí pro život.

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 Vašková, Ph.D.², Ing. Ilona Gerndtová¹, Ing. Agnes Hájek, BSc., BcE.⁴, Ing. Přemysl Štranc, Ph.D.⁵, Daniel Štranc^5
1Výzkumný ústav zemědělské techniky v. v. i., Praha-Ruzyně; ²Výzkumný ústav rostlinné výroby, v. v. i., Praha-Ruzyně; ³Česká zemědělská univerzita v Praze; ⁴soukromá osoba; ⁵Stradlova s.r.o.
foto: L. Jílek