Pionowe panele APV na północy Europy? Badanie pokazuje, że to się opłaca

Fińscy naukowcy pokazali, że pionowe, bifacjalne systemy agrofotowoltaiczne (APV) mogą być opłacalne nawet na dużych szerokościach geograficznych – pod warunkiem, że rzędy paneli są odpowiednio rozstawione.

Badacze z Uniwersytetu w Turku przeanalizowali pracę systemu agrofotowoltaicznego z pionowymi panelami bifacjalnymi (VBPV) w układzie wschód–zachód, dla warunków Finlandii. W modelu uwzględniono 15 rzędów paneli ustawionych pionowo, w konfiguracji „landscape”, z prześwitem 1 m nad gruntem, pasami ziemi uprawnej pomiędzy rzędami i buforem 0,5 m po obu stronach modułów na potrzeby pracy maszyn rolniczych.

Symulowano różne odległości między rzędami modułów fotowoltaicznych – od 5 m do 100 m – oraz dwa referencyjne systemy z panelami skierowanymi na południe. Badania dowiodły, że przy zajęciu około 10 proc. powierzchni pola przez instalację PV da się wygenerować ponad jedną trzecią energii, jaką dawałaby dedykowana farma słoneczna zajmująca całe pole. Kluczowe okazuje się nie tylko, ile energii produkuje instalacja, ale też jak bardzo zacienia uprawy i jak wpisuje się w profil cen energii.

REKLAMA

Jak połączyć wysoką wydajność PV i hodowlę roślin?

Celem było wyznaczenie takiej geometrii, która pozwoli połączyć produkcję energii z utrzymaniem możliwie wysokich plonów. Za dopuszczalny poziom uznano maksymalnie 25 proc. spadku napromienienia na roślinach – poniżej tego progu większość upraw nie wykazuje istotnego spadku plonów w porównaniu z niezacienionym polem. Z analizy wynika, że przy odstępie 8 m rośliny otrzymują co najmniej 75 proc. promieniowania, co powinno przekładać się na minimalny wpływ na plony względem scenariusza bez paneli. Dla bardziej zachowawczego podejścia odległość między rzędami na poziomie 11,3–13,7 m pozwala osiągnąć około 90 proc. rocznej produkcji referencyjnej – przy jednocześnie wyraźnie ograniczonym zacienieniu.

Autorzy zwracają uwagę, że zwiększanie odstępu między rzędami modułów fotowoltaicznych wyraźnie poprawia produkcję energii do okolic 10 m, a powyżej 20 m przyrosty zaczynają się wypłaszczać. Dla odstępu 20 m system osiąga około 93–95 proc. produkcji referencyjnej, przy jedynie 8–9 proc. utraty napromienienia na uprawach. W praktyce taki rozstaw dobrze współgra też z wymaganiami sprzętu rolniczego, np. opryskiwaczy o szerokości do około 20 m.

Pionowa czy standardowa fotowoltaika?

Istotnym elementem analizy było także to, ile energii można pozyskać z relatywnie niewielkiej części pola. Badanie pokazuje, że gdy pionowe panele VBPV zajmują tylko 10 proc. powierzchni rolnej, są w stanie wygenerować ponad jedną trzecią energii wytwarzanej przez dedykowaną farmę PV, która pokrywa całe pole. W przykładzie dla pola o powierzchni około 1,6 ha przy takim układzie wygenerowana energia przełożyła się na blisko 26 tys. euro przychodu z instalacji PV, przy zachowaniu pełnej funkcjonalności pozostałych 90 proc. areału pod produkcję rolną.

Czy rodzaj upraw ma znaczenie?

Zespół przyjrzał się także wpływowi rodzaju upraw na albedo i produkcję energii. Najwyższą produkcję uzyskano przy jęczmieniu ozimym, najniższą przy owsie, ale różnice między skrajnymi wariantami sięgały zaledwie około 4 proc. rocznego uzysku. W praktyce oznacza to, że wybór uprawy ma drugorzędne znaczenie dla wyniku energetycznego w porównaniu z doborem odległości między rzędami.

Znacznie większe znaczenie ma natomiast zacienienie zewnętrzne: największe straty pojawiają się, gdy wysokie przeszkody (np. drzewa) znajdują się od wschodu lub zachodu – w skrajnych przypadkach wymagana odległość od takich obiektów może sięgać nawet 50 m. Cień od południa jest wyraźnie mniej problematyczny, jeśli zachowany jest pewien dystans instalacji od przeszkód.

REKLAMA

Sprzedaż do sieci czy autokonsumpcja?

W warstwie ekonomicznej autorzy podkreślają, że o opłacalności systemu w coraz większym stopniu decydują ceny energii, a nie tylko geometria układu. Analiza przychodów dla lat 2019–2023 pokazuje, że przy zbliżonej produkcji energii rok 2022 – z wysokimi cenami spot – wygenerował około trzykrotnie wyższe przychody niż najlepsze z pozostałych lat, a w porównaniu z najsłabszym rokiem (2020) różnica sięgała około pięciokrotności.

Dodatkowym atutem pionowych systemów VBPV jest profil generacji – produkcja ma dwa wyraźne piki (rano i wieczorem), co lepiej pokrywa się z przebiegiem cen energii niż klasyczne systemy południowe z maksymalną generacją w południe.

Naukowcy wskazują też, że w wielu przypadkach najbardziej racjonalnym scenariuszem może być priorytetyzacja autokonsumpcji, ponieważ energia zużyta na miejscu ma wyższą wartość niż odsprzedana do sieci (brak dodatkowych opłat i kosztów).

W konkluzji badacze z Finlandii podkreślają, że pionowe systemy agrofotowoltaiczne w wysokich szerokościach geograficznych są technicznie i ekonomicznie wykonalne już przy rozstawie rzędów wynoszącym przynajmniej 8 m, pozwalając zwiększyć lokalną odporność systemu energetycznego przy wykorzystaniu jedynie ułamka powierzchni gruntów rolnych.

Wyniki swoich dotychczasowych badań naukowcy przedstawiają w artykule „Performance evaluation of high latitude agrivoltaic systems with vertically mounted bifacial panels” opublikowanym w czasopiśmie Applied Energy.