Koncept agrovoltiky je známy už od 80. rokov minulého storočia, ale k jeho významnejšiemu rozvoju dochádza až v poslednej dekáde, a to najmä v západnej Európe, Spojených štátoch amerických, Číne a Japonsku. Agrovoltické systémy, spájajúce produkciu fotovoltickej energie a poľnohospodársku výrobu, sú vo svete stále viac využívaným fenoménom. Napriek rastúcemu významu agrovoltiky existuje značná miera výskumnej neistoty kvôli jej dopadov na úrody plodín, eróziu pôdy, pôdny vodný režim a biodiverzitu.
Nie je úplne jasné, ako sa agrovoltické systémy prejavia v rôznych klimatických a pôdnych podmienkach Slovenskej republiky a aký bude ich vplyv na rôzne druhy plodín. Napriek existencii predbežných štúdií zaoberajúcich sa týmito otázkami je nevyhnutné vyhodnotiť väčšie množstvo empirických dát a spracovať viac modelových výpočtov, aby bolo možné spoľahlivo predikovať reálne scenáre vývoja a uplatnenia tejto technológie v rámci SR.
Možno predpokladať, že snaha o využívanie poľnohospodárskych plôch na produkciu energie, vrátane produkčných plôch, bude naďalej narastať, hoci výsledky úrod plodín sa líšia najmä v závislosti od konkrétnych klimatických podmienok sledovanej lokality a pestovaných plodín. Agrovoltika môže mať rôzny vplyv na eróziu pôdy. Tieto vplyvy môžu byť pozitívne aj negatívne a závisia od špecifického usporiadania agrovoltických systémov. Vplyv na biodiverzitu môže byť podľa rôznych zahraničných štúdií potenciálne prínosný. Agrovoltika predstavuje inovatívny a udržateľný spôsob poľnohospodárskej praxe, ktorý sa v mnohých krajinách stáva čoraz bežnejším. Napriek rýchlemu rozvoju v okolitých krajinách zostávajú otázky vplyvu agrovoltiky na poľnohospodárske hospodárenie a životné prostredie stále aktuálne, najmä v kontexte podmienok Slovenskej republiky.
Zahraničné štúdie naznačujú, že agrovoltické systémy môžu zvýšiť celkovú produktivitu pôdy vďaka efektívnemu využitiu slnečnej energie, čo sa prejavuje zvýšením hodnoty ukazovateľa LER (efektivita využitia pôdy, z anglického „land equivalent ratio“). Výsledky publikované v štúdii Adeh et al. (2019) potvrdili, že účinnosť fotovoltického panelu je ovplyvnená slnečným žiarením, klimatickými podmienkami, teplotou vzduchu, rýchlosťou vetra a relatívnou vlhkosťou vzduchu. Ich model bol aplikovaný s použitím korekcie skreslenia analytických dát na zmapovanie účinnosti solárnych panelov a potenciálu výroby solárnej energie vzhľadom na miestne podmienky pokusu. Potenciál agrovoltických systémov s dvojitým využitím môže zmierniť konkurenčné podmienky využívania ornej pôdy alebo iné priestorové obmedzenia pre výrobu solárnej energie a vytvoriť tak významnú príležitosť pre budúcu energetickú udržateľnosť. Zo záverov autorov Adeh et al. (2019) vyplýva, že celosvetový dopyt po energii by bol kompenzovaný solárnou výrobou, ak by sa aj menej ako 1 % ornej pôdy premenilo na agrovoltický energetický systém.
Majumdar a Pasqualetti (2018) poukazujú na skutočnosť, že väčšina poľnohospodárskej činnosti v oblasti Phoenix MSA sa nachádza vo vzdialenosti do 1 míle od prenosových vedení 230 a 500 kV a je schopná vyrábať 137,5 a 77,5 % MWh elektrickej energie. Pri polovičnej hustote rozmiestnenia panelov však poľnohospodárska pôda získala približne 60 % priameho slnečného žiarenia v porovnaní s pozemkom bez panelov. Poľnohospodárska pôda má schopnosť vyrábať energiu vo väčšom rozsahu, než je potrebné na produkciu poľnohospodárskych plodín. Analýza ukázala, že približne 50 % predaných poľnohospodárskych pozemkov by sa s agrovoltickými systémami dokázalo do dvoch rokov vyrovnať predajnej cene. Účinok zachovania poľnohospodárskej pôdy a vytvorenia prirodzenej hranice rastu na štruktúru rastu miest v rýchlo sa rozvíjajúcom regióne Phoenix MSA je ponechaný pre budúce štúdie.
V štúdii Lee et al. (2023) autori vykonali komplexný návrh APV systémov s ohľadom na agronomické aspekty a konštrukčnú bezpečnosť vrátane analýzy konštrukčných kritérií. Na základe usporiadania agrovoltických modulov a prispôsobenia podmienok inštalácie boli zvažované rôzne typy konštrukcií odrážajúcich podmienky danej lokality. Okrem toho boli analyzované bezpečnostné normy odolnosti voči katastrofám a kompromisy medzi pomerom zatienenia, kapacitou výroby energie a množstvom konštrukčných prvkov. Výsledky posúdenia bezpečnosti ukázali, že stĺp konštrukcie APV systémov je zraniteľný voči zaťaženiu vetrom a bezpečnostné normy sa líšia v závislosti od upravených rozstupov stĺpov. Čím je rozstup stĺpov užší, tým výhodnejšia je bezpečnosť a výroba energie, no nevýhodnejšie prostredie pre pestovanie plodín a vyššie náklady na inštaláciu. Výsledky štúdie Lee et al. (2023) môžu podporiť rozhodovacie procesy budúcich používateľov APV systémov a ich výber vhodných plodín s ohľadom na citlivosť plodín na zatienenie. Výsledky môžu byť využité na vytvorenie štandardizovaného modelu APV systému podporujúceho jeho širšie uplatnenie v praxi.
Typy agrovoltických konštrukcií
V rámci legislatívy Slovenskej republiky sú pre agrovoltiku (v slovenskej legislatíve – agrovoltická výrobňa elektriny) od 1. 1. 2025 povolené dva typy konštrukcií – horizontálne a vertikálne.
Výhodou horizontálnej konštrukcie (obr. 1) je rovnomernejšia distribúcia svetla, menší podiel zabranej pôdy a nevznikajú riziká poškodenia panelov pri aplikácii hnojív a postrekov. Nevýhodou sú vyššie výrobné náklady na vyvýšenú konštrukciu. Pri cenách kvalitných materiálov táto skutočnosť výrazne zvyšuje realizačné náklady. Ďalšou nevýhodou je nerovnomerná distribúcia zrážok dopadajúcich na pestovateľskú plochu. Pod panelmi vznikajú suché miesta a na okrajoch panelov, naopak, steká koncentrované množstvo zrážkovej vody. Tým vzniká riziko erózie pôdy pod okrajmi konštrukcie. Vznikajú rôzne riešenia, od použitia odkvapov a zvodov vody do akumulačných nádrží alebo vsakov, až po natočenie panelov do vertikálneho smeru počas zrážok. Tieto riešenia ďalej zvyšujú už aj tak vysokú cenu konštrukcie.
Na ornej pôde sú testované a realizované vertikálne systémy (obr. 2). Pri tomto type konštrukčného riešenia sú použité bifaciálne fotovoltické panely umiestnené vo vertikálnom smere tak, že aktívne strany panelov smerujú na východ a západ. Tieto vertikálne línie sú umiestnené do stredu pásu neobrábanej pôdy so šírkou približne jeden meter. Piliere pre montáž panelov sú zatláčané hlboko do zeme, takže nie je potrebné použitie betónu. Línie sú inštalované s rozstupom najmenej 8 metrov v závislosti od výšky konštrukcie. Rozstup je určený najmä používanou agrotechnikou, aby sa zabezpečilo, že pracovná šírka techniky zodpovedá násobku šírky obrábaného pásu medzi vertikálnymi líniami. Výhodou tejto konštrukcie sú nižšie náklady v porovnaní s horizontálnym systémom. Ďalšou výhodou môže byť rozloženie energetických ziskov počas dňa, pričom najvyšší výkon výroby energie nastáva v dopoludňajších a popoludňajších hodinách. Toto rozloženie lepšie zodpovedá spotrebe energie domácností a zároveň vyvažuje produkciu energie z prevažne južne orientovaných fotovoltických inštalácií. Pri vhodnej orientácii línií po vrstevnici by systém mohol účinne brániť vodnej erózii. Diskutuje sa aj o vplyve na veternú eróziu, kde však výsledky nie sú jednoznačné. Pri orientácii línií kolmo na prevládajúci vietor by mohlo dôjsť k zníženiu rýchlosti vetra, v špecifických prípadoch by však podľa princípu difúzie mohlo dôjsť k jej zvýšeniu. Táto problematika je v súčasnosti predmetom výskumu.
Neobrábaný pás pôdy môže slúžiť ako prirodzený úkryt pre hmyz alebo rastliny, čím sa zvyšuje biodiverzita a pestrosť poľnohospodárskej krajiny. Nevýhodou je nerovnomerné rozloženie svetla na pestovateľskej ploche počas dňa. Plodiny v blízkosti vertikálnej línie sú zatienené viac než plodiny v strede pestovateľskej plochy. Náklady na vertikálnu agrovoltickú výrobňu sú stále vyššie než pri klasickej pozemnej fotovoltickej elektrárni, ale nižšie než pri strešných fotovoltických systémoch, čo z nej robí perspektívnu alternatívu k pozemným fotovoltickým elektrárňam.
Zaujímavým a čoraz bežnejším riešením sú pohyblivé – trackovacie systémy (obr. 3). V tomto prípade panely podľa zadaného algoritmu sledujú pohyb Slnka a maximalizujú energetický zisk. Pohyb panelov možno upraviť podľa požadovaných preferencií. Ak je žiaduce uprednostniť rastlinu pred energetickým ziskom, pohyb panelov sa modifikuje tak, aby umožnil vyššiu intenzitu dopadu slnečného žiarenia na rastliny na úkor výroby energie. V prípade potreby zatienenia z dôvodu teplotných extrémov môže byť pohyb nastavený tak, aby viac zatienil pestovateľskú plochu. Trackovacie systémy sú nákladnejšie, avšak vyššia ziskovosť skracuje dobu návratnosti investície. Vhodnejšou voľbou sa javí použitie jednoosových trackovacích systémov. Dvojosové systémy majú vyšší výkon, ale aj vyššie náklady na inštaláciu a prevádzku.
Úrody plodín a ich ovplyvnenie
Pre poľnohospodárov aj verejnosť je kľúčovým faktorom pri hodnotení využitia agrovoltiky na ornej pôde vplyv na úrody plodín, prípadne na ich trhovú cenu. Vplyv na úrody plodín závisí najmä od dopadajúceho fotosynteticky aktívneho žiarenia, ktoré je dané geografickou polohou a celkovým dizajnom agrovoltickej výrobne. Podľa dostupnej vedeckej literatúry je možné pri poľných plodinách aplikovať dizajn so znížením dostupného svetla až o 30 % a zároveň dosiahnuť adekvátny LER, teda priaznivý pomer úrody plodín a elektrickej energie. Homogenita svetla a miera zníženia fotosynteticky aktívneho žiarenia sa môžu výrazne líšiť v závislosti od konkrétnej konfigurácie agrovoltických systémov. Podľa výskumu realizovaného na Univerzite v Mälardalene vykazuje agrovoltický systém s dvojosovým trackovacím systémom v našej geografickej polohe vysokú homogenitu svetla s ročným znížením PAR o 12 %. Naproti tomu vertikálny agrovoltický systém s výškou 3 metre a rozstupom línií 10 metrov dosahuje nižšiu homogenitu svetla a ročné zníženie PAR o 20,5 %.
Výskumy poukazujú aj na význam výberu odrôd, čo dokazuje rozdiel medzi odrodami ozimnej pšenice. Odroda lepšie znášajúca zatienenie vykázala vyšší nárast úrody pri miernom zatienení 8 % než iná, citlivejšia odroda. Pri vyššom zatienení (23 %) bol pokles úrody pri odolnejšej odrode −5,8 % a pri citlivejšej −6,7 %. Aj pri vyššom zatienení bola strata úrody nižšia, než by zodpovedalo poklesu fotosynteticky aktívneho žiarenia. Autori to vysvetľujú kompenzačnými efektmi, ako je zväčšenie listovej plochy a ďalšími adaptačnými mechanizmami. Špecifické morfologické a fyziologické znaky by mohli byť využité pri šľachtení odrôd tolerantných voči zatieneniu. Tieto výsledky zodpovedajú poľným experimentom, kde predbežné výsledky sledovania úrod obilnín pri vertikálnych agrovoltických výrobniach s rozstupom línií 10 metrov preukázali pokles úrod o 4 až 10 %. K tomu je potrebné pripočítať ušlý výnos z neobrábaného ochranného pásu pôdy okolo vertikálnej línie.
Poloprevádzková pokusná lokalita v ČR s vertikálnym systémom
Tento článok je zameraný na vplyv inštalácie bifaciálnych panelov na hospodárenie na poľnohospodárskej pôde. V rámci pokusného overenia bola inštalovaná simulácia agrivoltického systému na lokalite Zavidov (50.0599292 N, 13.6215481 E). Vertikálne konštrukcie sú osadené predovšetkým bežnými bifaciálnymi (obojstrannými) fotovoltickými panelmi orientovanými v smere východ – západ. Počas realizácie pokusu bol sledovaný vplyv na viacero parametrov: úrody obilnín, pôdne vlastnosti, biodiverzitu a ďalšie veličiny. Grafy uvádzajú údaje zo sledovania úrody ozimnej pšenice.
V rámci porovnania úrod boli odobraté vzorky z ohraničenej plochy vo vzdialenosti 1 m od hrany FV simulácie a pre porovnanie aj náhodne z porastu bez vplyvu inštalácie. Zaujímavým zistením bol takmer nulový vplyv čiastočného zatienenia na úrodu pšenice, ako aj na parameter HTS. Údaje pochádzajú zo sezóny 2025. Tieto výsledky tak čiastočne odporujú niektorým štúdiám, ktoré uvádzajú čiastkové zníženie úrod (v literatúre 0 – 20 %).
Agrovoltika má aj svoje negatíva, medzi ktoré patrí samotná výstavba spojená s pohybom stavebných strojov, výkopmi a ďalšími stavebnými zásahmi. Stav poľa po výstavbe agrovoltiky je a vo väčšine prípadov bude ovplyvnený výstavbou, pričom je potrebné pristúpiť ku komplexnej pôdnej príprave pre hlavné plodiny.
Záver
Agrovoltika môže v budúcnosti predstavovať jeden z pilierov poľnohospodárskej výroby. Primárnou myšlienkou nemusí byť „záchrana energetiky“, ale skôr spolupráca s nastupujúcou generáciou strojov často vybavených autonómnymi systémami. Logickým krokom bude lokálne využitie vyrobenej energie priamo v poľnohospodárskej výrobe. Nepôjde o inovatívnu myšlienku, ale o návrat k energeticky sebestačnému poľnohospodárstvu, ktoré platilo po väčšinu ľudskej histórie. Nemožno podceňovať ani vplyv na okolité pozemky, ktorý je krátkodobo negatívny, avšak v strednodobom horizonte nehrá významnú úlohu, za predpokladu dodržania technologickej disciplíny pri inštalácii.
Článok vznikol v rámci podpory NAZV, projektu QL24020111 „Agrovoltaika dvojí využití půdy k zemědělské výrobě a výrobě elektřiny“.
Výsledok vznikol za podpory Ministerstva zemědělství, institucionální podpora MZE-RO0425 a MZERO1225.
Autori: doc. Ing. Petr Novák, Ph.D.1, Ing. David Hájek, Ph.D.2, doc. Ing. Jan Vopravil, Ph.D.3, Ing. Oldřich Látal, Ph.D.4
1Česká zemědělská univerzita v Praze, 2Národní centrum zemědělského a potravinářského výzkumu v.v.i., , 3Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy v.v.i., 4Agrovýzkum Rapotín s.r.o.
