L'agricoltura sotto pannelli solari consente di risparmiare acqua e creare energia

L'agricoltura sotto pannelli solari consente di risparmiare acqua e creare energia

Un tradizionale giardino a cielo aperto è situato accanto a un sistema agrivoltaico, in cui le piante vengono coltivate sotto pannelli solari fotovoltaici. Lo studio è stato condotto presso la Biosfera 2, che può essere visto in background. (Credito: Patrick Murphy / U. Arizona)

I ricercatori riferiscono che coltivare colture sotto pannelli solari, un processo chiamato agrivoltaics, può aumentare la produzione di cibo, il risparmio idrico e l'efficienza della produzione di elettricità.

Costruire la resilienza nelle energie rinnovabili e nella produzione alimentare è una sfida fondamentale nel mondo in evoluzione di oggi, in particolare nelle regioni sensibili al caldo e alla siccità.

Agrivoltaics, noto anche come condivisione solare, è un'idea che ha preso piede negli ultimi anni. Pochi studi, tuttavia, hanno monitorato tutti gli aspetti dei sistemi alimentari, energetici e idrici associati, e nessuno si è concentrato sulle aree delle terre aride, regioni che hanno difficoltà di produzione alimentare e carenze idriche, ma hanno una sovrabbondanza di energia solare.

“Molti di noi vogliono più energia rinnovabile, ma dove metti tutti quei pannelli? Man mano che le installazioni solari crescono, tendono ad essere fuori dai confini delle città, e questo è storicamente dove abbiamo già coltivato il nostro cibo ”, afferma Greg Barron-Gafford, professore associato presso la School of Geography and Development presso l'Università di Arizona e autore principale dell'articolo in Sostenibilità della natura.

All'ombra dei pannelli solari, un dispositivo verde utilizzato per i test ha un'immagine dell'attore Jeff Daniels come personaggio del Big Lebowski, che si trova accanto ad alcuni piccoli raccoltiI ricercatori hanno utilizzato strumenti per monitorare continuamente diversi fattori chiave, tra cui livelli di luce in entrata, temperatura dell'aria, umidità relativa, temperatura della superficie del suolo e umidità del suolo. (Foto: Greg Barron-Gafford / U. Arizona)

Un recente studio in Nature scoperto che le attuali terre coltivate sono le "coperture del terreno con il più grande potenziale di energia solare fotovoltaica" basate su un'analisi approfondita della luce solare in arrivo, della temperatura dell'aria e dell'umidità relativa.

“Quindi quale uso del territorio preferisci: produzione di cibo o energia? Questa sfida colpisce proprio l'intersezione delle connessioni uomo-ambiente, ed è qui che brillano i geografi! ”Afferma Barron-Gafford, che è anche ricercatore di Biosphere 2. "Abbiamo iniziato a chiedere: 'Perché non fare entrambi nello stesso posto?' E da allora coltiviamo colture come pomodori, peperoni, bietole, cavoli ed erbe all'ombra dei pannelli solari. ”

Fatto all'ombra

Utilizzando pannelli solari fotovoltaici, o fotovoltaici, e verdure regionali, il team ha creato il primo sito di ricerca agrivoltaica presso Biosphere 2. Professori e studenti, sia universitari che laureati, hanno misurato tutto da quando le piante germinate alla quantità di impianti a carbone stavano succhiando l'atmosfera e l'acqua che stavano rilasciando, fino alla loro produzione totale di cibo durante la stagione di crescita.

Lo studio si è concentrato sulle piante di peperoncino, jalapeno e pomodoro ciliegia che sono state posizionate sotto un campo fotovoltaico. Durante la stagione di crescita estiva media di tre mesi, i ricercatori hanno costantemente monitorato i livelli di luce in entrata, la temperatura dell'aria e l'umidità relativa utilizzando sensori montati sopra la superficie del suolo, nonché la temperatura e l'umidità della superficie del suolo a una profondità di 5 centimetri. Sia la tradizionale area di impianto che il sistema agrivoltaico hanno ricevuto uguali tassi di irrigazione e i ricercatori li hanno testati utilizzando due scenari di irrigazione: irrigazione giornaliera e irrigazione ogni due giorni.

Hanno scoperto che il sistema agrivoltaics ha influenzato significativamente tre fattori che influenzano la crescita e la riproduzione delle piante: temperature dell'aria, luce solare diretta e richiesta atmosferica di acqua. L'ombra fornita dai pannelli fotovoltaici ha portato a temperature diurne più fredde e temperature notturne più calde rispetto al tradizionale sistema di impianto a cielo aperto. C'era anche un minor deficit di pressione di vapore nel sistema agrivoltaico, il che significa che c'era più umidità nell'aria.

"Abbiamo scoperto che molte delle nostre colture alimentari fanno meglio all'ombra dei pannelli solari perché sono risparmiate dal sole diretto", afferma Baron-Gafford. "In effetti, la produzione totale di frutta a peperoncino era tre volte maggiore sotto i pannelli fotovoltaici in un sistema agrivoltaico e la produzione di pomodori era due volte più grande!"

I jalapenos hanno prodotto una quantità simile di frutta sia nel sistema agrivoltaico che nella trama tradizionale, ma lo hanno fatto con una perdita di acqua traspirazionale inferiore dell'65%.

“Allo stesso tempo, abbiamo scoperto che ogni evento di irrigazione può supportare la crescita delle colture per giorni, non solo per ore, come nelle attuali pratiche agricole. Questa scoperta suggerisce che potremmo ridurre il nostro consumo di acqua ma mantenere comunque i livelli di produzione alimentare ”, aggiunge Barron-Gafford, rilevando che l'umidità del suolo è rimasta circa il 15% superiore nel sistema agrivoltaico rispetto al diagramma di controllo durante l'irrigazione a giorni alterni.

Meglio anche per i pannelli solari

Oltre ai vantaggi per gli impianti, i ricercatori hanno anche scoperto che il sistema agrivoltaics ha aumentato l'efficienza della produzione di energia. I pannelli solari sono intrinsecamente sensibili alla temperatura: quando si riscaldano, la loro efficienza diminuisce. La coltivazione di colture sotto i pannelli fotovoltaici ha permesso ai ricercatori di ridurre la temperatura dei pannelli.

"Quei pannelli solari surriscaldati sono in realtà raffreddati dal fatto che le colture sottostanti emettono acqua attraverso il loro naturale processo di traspirazione, proprio come i signori nel patio del tuo ristorante preferito", afferma Barron-Gafford.

"Tutto sommato, si tratta di una vittoria vincente in termini di miglioramento del modo in cui coltiviamo il nostro cibo, utilizziamo le nostre preziose risorse idriche e produciamo energia rinnovabile."

Agrivoltaics per un futuro più verde

La ricerca di Barron-Gafford sull'agrivoltaica si è estesa fino a includere diverse installazioni solari sul territorio del Tucson Unified School District o TUSD. Moses Thompson, che divide il suo tempo tra il TUSD e la School of Geography and Development, nota che il team sta anche usando le installazioni solari TUSD per interagire con gli studenti di K-12.

"Ciò che mi attira a questo lavoro è ciò che accade allo studente K-12 quando il loro coinvolgimento è consequenziale e la ricerca vive nella loro comunità", afferma Thompson. "Questo cambiamento di dinamica crea studenti che si sentono in grado di affrontare grandi sfide come il cambiamento climatico".

Gli autori affermano che sono necessarie ulteriori ricerche con ulteriori specie di piante. Notano anche l'impatto attualmente inesplorato che l'agrivoltaica potrebbe avere sul benessere fisico e sociale dei braccianti agricoli. Dati preliminari mostrano che la temperatura della pelle può essere di circa 18 gradi Fahrenheit più fredda quando si lavora in un'area agrivoltaica rispetto all'agricoltura tradizionale.

"I cambiamenti climatici stanno già compromettendo la produzione alimentare e la salute dei lavoratori agricoli in Arizona", afferma il coautore Gary Nabhan, un agroecologo del Southwest Center. “Gli Stati Uniti del sud-ovest vedono molti colpi di calore e morti legate al calore tra i nostri braccianti agricoli; questo potrebbe avere un impatto diretto anche lì. ”

Barron-Gafford e il team stanno ora collaborando con il National Renewable Energy Lab del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per valutare in che misura un approccio agrivoltaics può funzionare in altre regioni del paese e in che modo le politiche regionali possono promuovere l'adozione di nuovi approcci per risolvere questi problemi pervasivi.

"Immagina l'impatto che possiamo avere nella nostra comunità - e nel resto del mondo - pensando in modo più creativo all'agricoltura e alla produzione di energia rinnovabile insieme", afferma il coautore Andrea Gerlak, professore alla School of Geography and Development del College of Social and Behavioural Scienze.

Altri coautori provengono dall'Università dell'Arizona, dall'Università del Maryland e dal National Renewable Energy Laboratory. Il finanziamento per questo studio è venuto dalla National Science Foundation e dal National Renewable Energy Lab del Dipartimento dell'Energia.

Fonte: University of Arizona

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