Фотоэлектрические технологии объединяют защиту климата и устойчивое сельское хозяйство

Электричество и биоразнообразие бок о бок в поле? Солнечные фермы могут быть построены для интеграции сельскохозяйственных культур и природной среды, что может внести ценный вклад в сохранение биоразнообразия. Агрофотовольтаика, двойное использование сельскохозяйственных земель как для сельскохозяйственных культур, так и для солнечной энергии, является актуальной темой, которая будет обсуждаться на выставке EnergyDecentral 2024 в Ганновере, Германия, с 12 по 15 ноября. Современные системы крепления модулей со специальными панелями позволяют одновременно выращивать сельскохозяйственные культуры и производить устойчивую электроэнергию на сельскохозяйственных землях.

Когда посетители EnergyDecentral будут обсуждать, как может выглядеть устойчивое сельское хозяйство в будущем, один термин, вероятно, будет всплывать снова и снова: агрофотовольтаика, или сокращенно «Agri-PV».

«Это относится к земле, которая может использоваться как для сельского хозяйства, так и для производства солнечной энергии», — объясняет Маркус Вагт, менеджер проекта EnergyDecentral. Амбициозные цели Германии по защите климата могут быть достигнуты только в том случае, если «мы сосредоточимся на всем многообразии фотоэлектрических технологий и будем способствовать их расширению», — говорит Вагт.

Эту точку зрения разделяет Институт Фраунгофера по системам солнечной энергетики ISE. Ученые из Фрайбурга, Германия, оценивают устанавливаемую мощность в Германии только для высокорасположенных агроэлектростанций примерно в 1700 гигаватт. В математических терминах около четырех процентов сельскохозяйственных земель Германии было бы достаточно для покрытия текущего спроса на электроэнергию в Германии.

Солнечная энергия из поля

Благодаря своей высоте от четырех до шести метров, надземные системы подходят для теневыносливых культур, которые можно выращивать там, где в настоящее время размещены сетки или защитные пленки от града. Благодаря своим полупрозрачным модулям эти системы обеспечивают достаточно света для фотосинтеза.

«В свою очередь, культуры получают выгоду от защиты, обеспечиваемой солнечными модулями», — объясняет профессор, доктор Андреас Швайгер из Университета Хоэнхайма, Германия, где он возглавляет исследовательский проект «SynAgri-PV» по растительно-экологическим аспектам систем Agri-PV.

«Именно в тени многие растения начинают увеличивать рост фотосинтетически активного листового материала над землей. Это актуально, например, для салата, поскольку эта часть растения представляет коммерческий интерес», — объясняет Лиза Патачек, научный сотрудник в проектной группе.

Однако этот потенциал варьируется в зависимости от климатических условий и зависит от растений, которые выращиваются в таких системах двойного землепользования.

«Большинство изученных до сих пор культур выдерживают до 15 процентов затенения без существенной потери урожайности», — подчеркивает Швайгер.

Например, ягоды, фрукты и плодоносящие овощи выигрывают от затенения, в то время как урожайность кормовых культур, клубней и корнеплодов, а также большинства злаковых культур страдает минимально. С другой стороны, кукуруза, фасоль, соя и люпин испытывают более существенные потери урожайности.

Добавленная стоимость в области изменения климата и систем слежения, которые следуют за движением солнца

Но эта форма генерации энергии может сделать даже больше.

«Когда воды не хватает, растения выигрывают от меньшего испарения и, следовательно, от меньших потерь воды: урожайность выше, чем на незатененных участках», — говорит Патачек.

С точки зрения исследователей, этот стабилизирующий эффект на урожайность делает агровольтаику перспективным вариантом в районах, подверженных засухе.

«Эта технология не только помогает смягчить последствия изменения климата в регионах, которые уже классифицируются как засушливые», — объясняет Швайгер. «Это будет особенно важно для регионов, которые столкнутся с растущим дефицитом воды в будущем».

На выставке EnergyDecentral 2024 экспоненты представят множество стандартизированных решений, состоящих из фотоэлектрических модулей, монтажных конструкций и систем эксплуатации и обслуживания, которые можно адаптировать к потребностям различных культур в различных климатических зонах и сельскохозяйственных районах. В отличие от обычных монокристаллических модулей, которые статически ориентированы к небу, вертикально установленные двусторонние модули улавливают прямой солнечный свет как на передней, так и на задней панели и преобразуют его в электричество. Аналитики отрасли в целом сходятся во мнении, что вертикальные концепции и подвижные солнечные трекеры будут преобладать на пахотных землях в долгосрочной перспективе. Последние динамически управляют солнечными панелями, чтобы они всегда были выровнены под оптимальным углом к ​​солнцу. Площадь непосредственно под трекером можно использовать для содействия биоразнообразию, например, путем высадки полосы цветов.

Оптимальная доходность за счет глубокого обучения

«Мы видим большой потенциал для отслеживаемых систем с идеально скоординированными алгоритмами отслеживания, особенно в области агровольтаики с ее многочисленными различными культурами и системами», — говорит Ханнес Элсен, менеджер по продукции в Zimmermann PV.

В исследовательском проекте «DeepTrack» компания из Эберхардцелля построила отслеживаемую фотоэлектрическую систему на испытательном поле Fraunhofer ISE во Фрайбурге, Германия. На основе этого консорциум проекта разработал цифрового двойника, который связывает инструменты мониторинга и моделирования с прогнозами погоды благодаря глубокому обучению.

«На первом этапе мы разработали последовательности управления, которые были ориентированы на оптимальную выработку электроэнергии двусторонними солнечными модулями или точно на потребности конкретного растения в агровольтаике», — объясняет доктор Мэтью Бервинд, руководитель группы в Fraunhofer ISE. Следующий шаг — объединить два подхода. «Вычислить эту золотую середину сложно, но возможно благодаря нашей концепции на основе ИИ», — говорит Бервинд.

К началу 2025 года исследователи хотят усовершенствовать и проверить цифрового близнеца, постоянно сравнивая его с фактическими данными о производительности.

Открытые пространства как возможность для биоразнообразия

«Расширение солнечных парков дает возможность положительно повлиять на биоразнообразие в нашем культурном ландшафте. Хорошо спланированные наземные фотоэлектрические (ФЭ) системы могут обеспечить убежище для различных групп видов в течение нескольких десятилетий», — подчеркивает Роберт Буш, управляющий директор Немецкой ассоциации новой энергетической экономики (bne).

Это включает, например, широкую солнечную полосу между рядами модулей и водопроницаемость между отдельными модулями. В фотоэлектрических системах биоразнообразия также нет ни удобрения, ни использования пестицидов, а вместо этого бережный уход за территорией без мульчирования. «Если фотоэлектрические системы биоразнообразия станут стандартом, десятки тысяч гектаров будут ежегодно охраняться для биоразнообразия». В то же время фотоэлектрические системы биоразнообразия привлекательны для фермеров: в то время как земля навсегда теряется в традиционных солнечных фермах, ее статус «сельскохозяйственных земель» сохраняется.

Проекты DLG по сохранению биоразнообразия

DLG, организатор EnergyDecentral и EuroTier, принимает активное участие в нескольких проектах по биоразнообразию, включая «BioMonitor4CAP» (номер проекта 101081964), финансируемый программой исследований и инноваций Horizon Europe Европейского союза, которая направлена ​​на разработку, оценку и тестирование доступных и надежных систем мониторинга биоразнообразия для применения на сельскохозяйственных землях. DLG также является партнером проекта ConservES по исследованию увеличения биоразнообразия на интенсивных пшеничных сельскохозяйственных угодьях в четырех странах ЕС.

Предоставлено DLG