Dopad instalace vertikálních bifaciálních panelů na hospodaření na zemědělské půdě a možný energetický přínos

03. 04. 2025 Doc. Ing. Petr Novák, Ph.D. a kol. Technologie pěstování Zobrazeno 422x

Agrivoltaické systémy patří mezi nejnovější systémy v decentralizované energetice. Agrivoltaika koncepčně znamená souběžné pěstování plodin a výrobu elektrické energie na jednom pozemku. Ač primární myšlenka není zcela nová, rozvoj této technologie nastal až v posledních několika letech. Na rozdíl od klasických fotovoltaických elektráren, je primární pěstování plodin, produkce energie je pouze doplňková.

Konstrukce v optimálním případě nepředstavuje hrozbu snížení výnosového potenciálu pozemku, v odůvodněných případech jej může i navyšovat (vhodné stínění citlivým rostlinám - zejména produkce ovoce a zeleniny). Agrivoltaický systém musí vždy minimálně zasahovat do obdělávané plochy a nesmí znehodnocovat půdu (ani například erozí dopadajících kapek z panelů). Základy pro konstrukci jsou řešeny bez betonových patek, aby nedošlo ke znehodnocení půdy, a aby po konci životnosti konstrukce mohlo být pole uvedeno do původního stavu. V současné době je agrivoltaika intenzivně testována v celé řadě zemí jak v Evropě, tak i v dalších částech světa.

Agrivoltaika ale není vhodná pro všechny plodiny a všechny lokality. Rentabilita bude také záviset na možnosti lokálního využití energie a dalších faktorech. Jedním z měřítek smysluplnosti je ukazatel efektivity využití zemědělské půdy. Tato hodnota ukazuje poměr zisků z produkce kombinovaného využití půdy a odděleného využití půdy (obr. 1). Pro opodstatnění agrivoltaiky je nutné, aby výsledný poměr přesáhl 100 %. Výsledky na experimentálním pozemku University v Hohenheimu v roce 2017 ukázaly celkovou účinnost využití půdy při pěstování pšenice v kombinaci s fotovoltaikou 160 %.

Slabinou agrivoltaiky se jeví vysoké pořizovací náklady na vyvýšené konstrukce, a to zejména u horizontálních konstrukcí nad polními plodinami, kdy nelze využít stávajících konstrukcí tak, jako u trvalých kultur. Ekonomické aspekty agrivoltaiky v současné době nejsou dostatečně zmapovány. V budoucích výzkumech by měly být analyzovány a kvantifikovány náklady a přínosy agrivoltaických systémů a celkový dopad na životní prostředí. Z hlediska obnovitelných zdrojů energie má fotovoltaika v podmínkách ČR (ale i SR, kde jsou možnosti využití podobné či mírně vyšší) zásadní význam.

Podle studie provedené společností EGÚ Brno je celkový technický potenciál FVE, umístěných na rezidenčních i nerezidenčních budovách, 23,8 GWp. 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 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 1700 GWp. V ČR odpovídají zmíněná 4 % ploše oseté řepkou pro energetické účely. Z hlediska výnosu energie i potravin se tedy zdá agrivoltaika mnohem efektivnější než pouhé pěstování energetických plodin.

Obr. 1: Efektivita využití půdy na experimentálním pozemku v Heggelbachu (Zdroj: Fraunhofer ISE)

Typy agrivoltaických systémů

Agrivoltaických systémů existují z hlediska konstrukce v zásadě 2 typy - horizontální a vertikální. Horizontální fotovoltaické panely (obr. 2) jsou umístěny na zvýšené konstrukci nad povrchem půdy tak, aby se pod ní mohla pohybovat pracovní síla i zemědělská technika. Světlá výška konstrukce běžně bývá 3,5–5 m. Záleží na výšce používané techniky a pěstovaných plodin. Například u chmele je výška konstrukce i přes 8 m. Plocha fotovoltaických panelů je orientována na jih nebo se používají jednoosé „trackovací“ fotovoltaické systémy, které kopírují pohyb Slunce a maximalizují tak výnos energie během dne. Konstrukce zabere cca 2 % plochy pozemku. Dále jsou testovány panely s různým poměrem FV článků a skla nebo polopropustné panely

Druhou možností jsou vertikální konstrukce (obr. 3). V tomto případě jsou panely umístěny svisle směrem k povrchu půdy v nosné konstrukci. Slabinou je obtížné obhospodařování plochy přímo pod panely do vzdálenosti cca 0,5 m ochranného pruhu z každé strany, vzhledem k nutnosti minimalizovat možnost poškození panelů při pojezdech zemědělské techniky. Vzdálenost mezi jednotlivými liniemi panelů může být různá. Zde se logicky vyskytuje otázka záběru používané techniky a jeho násobků. Linii vertikálního fotovoltaického systému lze využít i jako plot. Toto řešení může být použito i např. okolo sadů či vinic.

Obr. 2: Horizontální agrivoltaický systém (Zdroj: Fraunhofer ISE)

Obr. 3: Vertikální bifaciální agrivoltaický systém (Zdroj: Next2Sun GmbH)

Obr. 4 Simulace agrivoltaiky na lokalitě Zavidov

Polní pokus s vertikálním systémem

Tento článek je zaměřen na dopad instalace bifaciálních panelů na hospodaření na zemědělské půdě. V rámci pokusného ověření byla instalována simulace agrivoltaického systému na lokalitě Zavidov (50.0599292N, 13.6215481E). Vertikální konstrukce jsou osazeny běžně bifaciálními (oboustrannými) fotovoltaickými panely. Plocha těchto panelů je orientována směrem východ - západ. Podle dostupných matematických modelů má vertikální bifaciální fotovoltaický systém, orientovaný směrem východ – západ a umístěný nad 50° severní šířky větší výkon než konvenční fotovoltaický systém orientovaný k jihu. Navíc je křivka vyráběné energie rozložena rovnoměrněji, s dvěma vrcholy při východu a při západu slunce. Takové rozložení lépe odpovídá spotřebě energie během dne.

Linie vertikálního agrivoltaického systému nabízí možnost rozčlenění lánů polí na menší celky, a tím suplovat některé eko-servisní služby mezí, aniž by byla ohrožena ekonomika provozovatele. Tyto linie by mohly mít podobný pozitivní efekt jako meze, tedy ochranu proti vodní a větrné erozi a podporu biodiversity. Linie se jeví vhodně i v kombinaci s biopásy. Zde platí, že linie může být ve středu či na jednom okrajů z důvodu střídání polohy biopásu.

V rámci pokusu byla provedena simulace vertikálního agrivoltaického systému, který nezahrnoval výrobu elektrické energie. Na pozemku byly vytvořeny 6m biopásy, na jejichž okrajích byla instalována simulace systému.

Během pokusu byl sledován vliv na půdní podmínky, biodiverzitu a výnosotvorné prvky. Pro porovnání výnosů byly odebrány vzorky z ohraničené plochy ve vzdálenosti 1 m od hrany simulace a dále náhodně z částí porostu, které nebyly ovlivněny instalací. Zajímavostí bylo zaznamenání téměř nulového vlivu částečného zastínění na výnos porostu pšenice, ale i parametr HTS. Data v grafech 1, 2 jsou ze sezony 2023. Velmi podobné výsledky s obdobným závěrem byly zaznamenány i v dalším roce měření. Tyto výsledky tak částečně odporují některým studiím, které hovoří o dílčím snížení výnosu (v literatuře 0–20 %).

Graf 1: Relativní výnos pšenice (2023)

Graf 2: Relativní HTS pšenice (2023)

Dopad agrivoltaiky na plodiny

Jakým způsobem přítomnost fotovoltaických panelů ovlivní pěstované rostliny je předmětem intenzivního výzkumu. Zde je třeba říci, že dlouhodobé dopady nejsou dosud globálně popsány a výzkum bude trvat ještě poměrně dlouhou dobu. Přesto existují určité zjednodušující postupy. Efektivitu agrivoltaického systému lze stanovit na základě tzv. efektivity využití půdy, LER (z angl. land equivalent ratio). Tato hodnota ukazuje účinnost kombinovaného využití půdy, tedy výnosu plodin a energie, v poměru k využití stejné plochy půdy pouze plodinou. Pokles výnosu následkem snížení plochy pro plodinu, respektive snížení produkce vlivem přítomnosti solárních panelů, tak v ideálním případě bude bohatě vykompenzován ziskem z fotovoltaiky. Většina dostupných údajů pochází z experimentálních nebo poloprovozních situací využívajících horizontální fotovoltaické panely, data pro vertikální systémy jsou méně zastoupené.

Pozitivní efekt agrivoltaiky tak bude nejspíše souviset s klimatem, a bude přínosnější zejména v sušších a slunnějších oblastech. Potenciálně nejvýhodnější se jeví zejména u druhů plodin tolerujících zastínění, jako je listová zelenina, pícniny, bobulovité, jádrovité a peckovité ovoce, měkké ovoce, či speciální plodiny, k nimž řadíme 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, určený k pěstování plodin, neměl překročit 10 %. Díky moderním systémům precizního zemědělství lze toto číslo výrazně snížit.

Energetický přínos instalace

Odlišným pohledem instalace je energetický přínos vertikálního systému. Model výroby elektrické energie byl vytvořen v programu PVGIS pro místo, kde se nachází pokusná lokalita. U bifaciálních panelů bylo počítáno s albedo (odrazivost od okolní plochy) efektem 20 %. Program pracuje s daty od roku 2005 do roku 2020, ze kterých byl vytvořen průměr.

Agrivoltaická elektrárna, která je tvořena vertikálními bifaciálními panely má nespornou výhodu v rozložení výroby elektrické energie během dne. Oproti běžným horizontálním konstrukcím jsou dva vrcholy výroby elektrické energie (graf 3), jeden dopoledne a druhý odpoledne. Tento faktor může mít pozitivní vliv na okamžitou výkupní cenu elektrické energie a poté i celkovou návratnost technologie. Nejvyšší výkonosti lze dosáhnout, pokud je orientace 1. strany panelů přímo na východ a 2. strany přímo na západ. Levý vrchol je tvořen osvitem na panely z východní strany a pravý vrchol je tvořen osvitem na panely ze západní strany.

V případě nížin 50. rovnoběžky lze z 1 kWp instalovaného výkonu bifaciálních panelů dosáhnout výnosu až 850 kW elektrické energie. V grafu 4 je znázorněna výroba elektrické energie podle jednotlivých měsíců z obou orientací včetně celkového výnosu v jednotlivých měsících. Největší nevýhodou fotovoltaických systému je sezonnost výroby elektrické energie, v létě se vyrábí velké množství energie, ale v zimních měsících je vyráběn pouze zlomek.

Graf 3: Okamžitý výkon vybraného dne června a prosince

Graf 4: Výkon FVE podle měsíců

Závěr

Agrivoltaické systémy jsou jednou ze zajímavých a perspektivních technologií současně se proměňujícího zemědělství. V podmínkách ČR určitě existuje vhodný segment pro potenciální využití této technologie. Další nezbytnou součástí je i hledání řešení maximálního využití získané energie přímo pro zemědělství samotné. Význam agrivoltaiky tak bude nepochybně stoupat spolu se zaváděním nových technologií, jako jsou polní roboty, autonomní stroje a obecně technika s alternativním pohonem. Tím se zemědělství paradoxně vrátí jako energeticky autonomní obor.

Rizikem instalace je naopak negativní dopad na zemědělskou činnost, který lze ale účinně odstranit využitím nejmodernějších metod hospodaření včetně robotiky a autonomních technologií. Budoucí optimalizace legislativního rámce je pak velmi náročný úkol s mnoha částečně protichůdnými argumenty. Budoucností je i lokální spotřeba energie optimálně pro dílčí obhospodařování pozemku a další úkoly.

Článek vznikl v rámci projektu TAČR SS05010243 „Výzkum kombinace biopásů s vertikálními agrivoltaickými systémy jako součásti agroenvironmentálně-klimatických opatření vedoucích k podpoře biodiverzity“.

Doc. Ing. Petr Novák, Ph.D.¹, Ing. Michal Strnad¹, Ing. Libor Matyáš¹, Ing. David Hájek, Ph.D.^2
1Česká zemědělská univerzita v Praze, ²Národní centrum zemědělského a potravinářského výzkumu, v.v.i., Praha-Ruzyně