Agrivoltaika koncepčne znamená súbežné pestovanie plodín a výrobu elektrickej energie na jednom pozemku. Aj keď primárna myšlienka nie je úplne nová, rozvoj tejto technológie nastal v posledných niekoľkých rokoch. Na rozdiel od klasických fotovoltaických elektrární je primárne pestovanie plodín, produkcia energie je iba doplnková. Konštrukcia v optimálnom prípade nepredstavuje hrozbu zníženia úrodového potenciálu pozemku, v odôvodnených prípadoch ho môže aj navyšovať (vhodné tienenie citlivým rastlinám – najmä produkcia ovocia a zeleniny).
Agrivoltaický systém musí vždy minimálne zasahovať do obrábanej plochy a nesmie znehodnocovať pôdu (ani napríklad eróziou dopadajúcich kvapiek vody z panelov). Základy pre konštrukciu sú riešené bez betónových pätiek, aby nedošlo k znehodnoteniu pôdy a aby po konci životnosti konštrukcie mohlo byť pole uvedené do pôvodného stavu. Agrivoltaika ale nie je vhodná pre všetky plodiny a všetky lokality. Rentabilita bude tiež závisieť od možnosti lokálneho využitia energie a ďalších faktorov. Jedným z merítok zmysluplnosti je ukazovateľ efektivity využitia poľnohospodárskej pôdy. Táto hodnota ukazuje pomer ziskov z produkcie kombinovaného využitia pôdy a oddeleného využitia pôdy (obr. 1). Aby mala agrivoltaika opodstatnenie, je nutné, aby výsledný pomer presiahol 100 %. Výsledky na experimentálnom pozemku Univerzity v Hohenheime v roku 2017 ukázali celkovú účinnosť využitia pôdy pri pestovaní pšenice v kombinácii s fotovoltaikou 160 %.
Slabinou agrivoltaiky sa javia vysoké obstarávacie náklady na vyvýšené konštrukcie, a to najmä pri horizontálnych konštrukciách nad poľnými plodinami, kedy nemožno využiť existujúce konštrukcie tak ako pri trvalých kultúrach. Ekonomické aspekty agrivoltaiky v súčasnosti nie sú dostatočne zmapované. V budúcich výskumoch by mali byť analyzované a kvantifikované náklady a prínosy agrivoltaických systémov a celkový dopad na životné prostredie. Z obnoviteľných zdrojov energie má v podmienkach ČR (ale aj SR, kde je potenciál podobný alebo mierne vyšší) fotovoltaika zásadný potenciál. Podľa štúdie uskutočnenej spoločnosťou EGÚ Brno je celkový technický potenciál FVE umiestnených na rezidenčných aj nerezidenčných budovách 23,8 GWp. Odhad potenciálu agrivoltaiky pre ČR nie je vypracovaný, ale v tomto prípade môžeme porovnávať so susedným Nemeckom, pretože intenzita slnečného žiarenia je tu podobná. Fraunhofer Institut vo svojom manuáli uvádza, že iba okolo 4 % ornej pôdy v režime s agrivoltaikou je potrebné na pokrytie súčasnej celkovej spotreby elektriny v Nemecku (cca 500 GWp inštalovaného výkonu). Podľa ich predbežných odhadov je technický potenciál agrivoltaiky v Nemecku okolo 1700 GWp (obr. 2). V ČR zodpovedajú spomínané 4 % ploche osiatej repkou na energetické účely. Z hľadiska výnosu energie aj potravín sa teda zdá agrivoltaika oveľa efektívnejšie ako obyčajné pestovanie energetických plodín.
Typy agrivoltaických systémov
Agrivoltaických systémov existujú z hľadiska konštrukcie v zásade dva typy – horizontálne a vertikálne. Horizontálne fotovoltaické panely sú umiestnené na zvýšenej konštrukcii nad povrchom pôdy tak, aby sa pod ňou mohla pohybovať pracovná sila aj poľnohospodárska technika. Svetlá výška konštrukcie bežne býva 3,5 až 5 metrov. Záleží na výške používanej techniky a pestovaných plodín. Napríklad pri chmeli je výška konštrukcie aj cez 8 metrov. Plocha fotovoltaických panelov je orientovaná na juh, alebo sa používajú jednoosé „trackovacie“ fotovoltaické systémy, ktoré kopírujú pohyb slnka a maximalizujú tak výnos energie počas dňa. Konštrukcia zaberie cca 2 % plochy pozemku. Ďalej sú testované panely s rôznym pomerom FV článkov a skla alebo polopriepustné panely.
Druhou možnosťou sú vertikálne konštrukcie. V tomto prípade sú panely umiestnené zvisle smerom k povrchu pôdy v nosnej konštrukcii. Slabinou je ťažké obhospodarovanie plochy priamo pod panelmi do vzdialenosti cca 0,5 m ochranného pruhu z každej strany, vzhľadom na potrebu minimalizovať možnosť poškodenia panelov pri pojazdoch poľnohospodárskej techniky. Vzdialenosť medzi jednotlivými líniami panelov môže byť rôzna. Tu sa logicky vyskytuje otázka záberu používanej techniky a jeho násobkov. Líniu vertikálneho fotovoltaického systému je možné využiť aj ako plot – toto riešenie môže byť použité aj napr. okolo sadov či viníc.
Vertikálne konštrukcie sú osadené bifaciálnymi (obojstrannými) fotovoltaickými panelmi. Plocha týchto panelov je orientovaná smerom východ – západ. Podľa dostupných matematických modelov má vertikálny bifaciálny fotovoltaický systém orientovaný smerom východ – západ umiestnený nad 50° severnej šírky väčší výkon ako konvenčný fotovoltaický systém orientovaný na juh. Navyše je krivka vyrábanej energie rozložená rovnomernejšie, s dvoma vrcholmi pri východe a pri západe slnka. Takéto rozloženie lepšie zodpovedá spotrebe energie počas dňa.
Línia vertikálneho agrivoltaického systému ponúka možnosť rozčlenenia lánov polí na menšie celky a tým suplovať niektoré eko-servisné služby medzí bez toho, aby bola ohrozená ekonomika prevádzkovateľa. Tieto línie by mohli mať podobný pozitívny efekt ako medze, teda ochranu proti vodnej a veternej erózii a podporu biodiverzity. Línia sa javí vhodne aj v kombinácii s biopásmi. Tu platí, že línia môže byť v strede alebo na jednom okrajov z dôvodu striedania polohy biopásu .
Vplyv agrivoltaiky na plodiny
Akým spôsobom prítomnosť fotovoltaických panelov ovplyvní pestované rastliny, je predmetom intenzívneho výskumu. Tu treba povedať, že dlhodobé dopady nie sú doposiaľ globálne popísané a výskum bude trvať ešte pomerne dlhú dobu. Napriek tomu existujú určité zjednodušujúce postupy. Efektivitu agrivoltaického systému je možné stanoviť na základe tzv. efektivity využitia pôdy, LER (z angl. land equivalent ratio). Táto hodnota ukazuje účinnosť kombinovaného využitia pôdy, teda výnosu plodín a energie, v pomere k využitiu rovnakej plochy pôdy iba plodinou. Pokles výnosu následkom zníženia plochy pre plodinu, respektíve zníženie produkcie vplyvom prítomnosti solárnych panelov, tak v ideálnom prípade bude bohato vykompenzovaný ziskom z fotovoltaiky. Väčšina dostupných údajov pochádza z experimentálnych alebo poloprevádzkových situácií využívajúcich horizontálne fotovoltaické panely, dáta pre vertikálne systémy sú menej zastúpené.
Pozitívny efekt agrivoltaiky tak bude zrejme súvisieť s klímou a bude prínosnejší najmä v suchších a slnečnejších oblastiach. Potenciálne najvýhodnejšie sa javia najmä u druhov plodín tolerujúcich zatienenie, ako je listová zelenina, krmoviny, bobuľovité, jadrovité a kôstkové ovocie, mäkké ovocie, či špeciálne plodiny, ako sú cesnak, špargľa a chmeľ.
K prípadnému poklesu výnosu úbytkom svetla je tiež potrebné pripočítať aj pás nevyužitej plochy medzi jednotlivými podporami konštrukcie. Tento pás je komplikované obrábať väčšími strojmi a často sa necháva ležať úhorom. Celkovo by úbytok využiteľnej pôdy na pestovanie plodín nemal prekročiť 10 %. Vďaka moderným systémom precízneho poľnohospodárstva je možné toto číslo výrazne znížiť.
Záver
Agrivoltaické systémy sú jednou zo zaujímavých a perspektívnych technológií súčasne sa premieňajúceho poľnohospodárstva. V podmienkach ČR, ale aj SR určite existuje vhodný segment na potenciálne využitie tejto technológie. Ďalšou nevyhnutnou súčasťou je aj súčasné hľadanie riešení maximálneho využitia získanej energie priamo pre samotné poľnohospodárstvo. Význam agrivoltaiky tak bude nepochybne stúpať spolu so zavádzaním nových technológií, ako sú poľné roboty, autonómne stroje a všeobecne technika s alternatívnym pohonom. Tým sa poľnohospodárstvo paradoxne vráti ako energeticky autonómny odbor.
Autori: doc. Ing. Peter Novák, Ph.D.1, doc. Ing. Ján Vopravil, Ph.D.2, Ing. David Hájek, Ph.D.3, 1 Česká poľnohospodárska univerzita v Prahe, Technická fakulta; 2Výskumný ústav meliorácií a ochrany pôdy vvi.; 3Výskumný ústav poľnohospodárskej techniky vvi.
Dedikácia: Článok vznikol v rámci podpory NAZV, projektu QL24020111 „Agrovoltaika dvojaké využitie pôdy na poľnohospodársku výrobu a výrobu elektriny“.
