Made in the shade: l’agrivoltaico rende di più del fotovoltaico tradizionale

Coltivare nelle fattorie solari produce efficienza alimentare ed energetica

[6 Aprile 2023]

Secondo lo studio “The Potential for Agrivoltaics to Enhance Solar Farm Cooling”, pubblicato recentemente su Applied Energy da  Henry  Williams, Khaled Hashad, Haomiao Wang e K. Max Zhang della Sibley School of mechanical and aerospace engineering della Cornell University, coltivare nelle fattorie solari è più efficiente sia per l’utilizzo del terreno agricoloe per aumentare la produzione alimentare commerciale, sia per migliorare le performance e la longevità dei pannelli solari.

Il principale autore dello studio, Henry Williams, spiega che «Ora disponiamo, per la prima volta, di uno strumento basato sulla fisica per stimare i costi e i benefici della co-localizzazione dei pannelli solari e dell’agricoltura commerciale, dal punto di vista dell’aumento dell’efficienza di conversione dell’energia e della longevità dei pannelli solari»,

Zhang, l’autore senior dello studio, sottolinea che «Rispetto ai tradizionali parchi solari, esiste un potenziale per i sistemi agrivoltaici – in cui coesistono agricoltura e pannelli solari – per fornire un maggiore raffreddamento passivo attraverso pannelli più alti, una copertura del terreno più riflettente e tassi di evapotraspirazione più elevati. Attraverso sistemi agrivoltaici, possiamo generare elettricità rinnovabile e conservare terreni agricoli».

Per esempio, secondo lo studio “Strategic Land Use Analysis for Solar Energy Development in New York State”, pubblicato su Renewable Energy nell’agosto del 2021 dal team di Zhang, a New York il 40% della capacità dei grandi impianti solari commerciali è stata sviluppata su terreni agricoli, mentre circa l’84% dei terreni ritenuti idonei per lo sviluppo solare su scala industriale è agricolo.

Controintuitivamente, i pannelli funzionano meglio quando non sono troppo caldi: precedenti ricerche avevano già dimostrato che, oltre i 25° C, l’efficienza dei pannelli fotovoltaici sperimentano diminuisce dello 0,5% per ogni aumento di grado.

Grazie a un modello computazionale unico del microclima basato sulla dinamica dei fluidi e dati sulla temperatura dei pannelli solari, i ricercatori hanno simulato gli effetti di diversi livelli di copertura del suolo, diverse quantità di evapotraspirazione dalla vegetazione e varie altezze dei pannelli combinati per influenzare il microclima iperlocale. Utilizzando  questi fattori, il loro modello è stato applicato a 18 diversi scenari, che hanno anche simulato diverse velocità del vento e temperature dell’aria ambiente. il team della Cornell ha valutato l’altezza del pannello solare, la riflettività della luce del suolo e i tassi di evapotraspirazione (il processo in cui il vapore acqueo sale dalle piante e dal suolo), scoprendo che «I sistemi agrivoltaici possono potenzialmente aiutare a risolvere futuri problemi globali di cibo-energia». Gli ingegneri hanno dimostrato che «I pannelli solari montati sopra la vegetazione mostrano cali di temperatura superficiale rispetto a quelli costruiti su terreno nudo».

I pannelli solari sono stati montati a 4 metri sopra un campo di soia e i moduli solari hanno mostrato riduzioni di temperatura fino a 10 gradi Celsius, rispetto ai pannelli solari montati a mezzo metro sopra il suolo nudo.  Il nuovo studio evidenzia che «L’effetto di raffreddamento dovuto all’aumento dell’evapotraspirazione e dell’albedo superficiale della vegetazione e del suolo è più significativo di quello indotto dalla maggiore altezza del pannello; e il raffreddamento passivo aumenta l’efficienza del pannello solare, rispetto al terreno esposto o alla ghiaia». E c’è anche un altro grosso vantaggio: «Il calo della temperatura porta a una maggiore durata del pannello solare e a un potenziale economico migliore a lungo termine».

Williams spiega ancora: «Diminuendo la temperatura operativa del pannello solare, è possibile aumentare l’efficienza e migliorare la longevità dei moduli solari. Stiamo dimostrando duplici vantaggi. Da un lato, abbiamo la produzione alimentare per gli agricoltori e, dall’altro, abbiamo mostrato una maggiore longevità e una migliore efficienza di conversione per gli sviluppatori solari».

Queste scoperte potrebbero essere utili per affrontare l’opposizione  all’agrivoltaico, che spesso si basa sulla preoccupazione che i pannelli fotovoltaici possano compromettere i raccolti o che i raccolti impediscano ai pannelli solari di funzionare al meglio. Dimostrare che la combinazione agricoltura-fotovoltaico può in realtà migliorare l’efficienza agricola ed energetica potrebbe convincere molti dei contrari a cambiare idea. I ricercatori ritengono che questo sia necessario perché  «Le colture e le energie rinnovabili avranno entrambe bisogno di sostegno per funzionare in un mondo che cambia; questo studio suggerisce che uno potrebbe in effetti essere determinante per il successo dell’altro».

Infatti, la comprensione di questo concetto reciprocamente vantaggioso arriva in un momento critico per la produzione agricola: il World Resources Institute prevede che entro il 2050 la domanda globale di cibo aumenterà del 50%, per nutrire circa 10 miliardi di persone (anche se recenti stime hanno ivisto al ribasso questa previsione). Allo stesso tempo, occorre assolutamente accelerare la diffusione delle energie rinnovabili per mitigare l’impatto del cambiamento climatico.

In climi caldi come negli Stati Uniti occidentali, le fattorie agrivoltaiche sarebbero la soluzione ideale.

Zhang ricorda che «Fino a questo punto, la maggior parte dei vantaggi dei sistemi agrivoltaici ruotava attorno alle zone climatiche calde e aride».

Kathy Dwyer Marble e Curt Marble del Cornell Atkinson Center for a Sustainable Future,  concludono: «Questo studio è un passo verso la valutazione della fattibilità dell’agrivoltaico in climi rappresentativi degli Stati Uniti nordorientali, per allentare la competizione sull’utilizzo del suolo che il mondo deve affrontare».