Undvika konflikter mellan globala mål för hållbarhet genom att kombinera jordbruk och solcellssystem

Bakgrund

En vanlig kritik mot storskaliga solcellsparker är konkurrensen mellan mark för energi och mark för mat som skapar djupa konflikter mellan de globala hållbarhetsmålen. En av de hållbara och tekniska lösningarna för att ta itu med hållbarhetsmålens konkurrens är användning av solcellssystem som kombinerar el- och grödoproduktion. Begreppet agro-solcellssystem introducerades på 1980-talet genom att föreslå ett konventionellt optimalt lutat solcellssystem men med moduler som var högre monterade jämfört med markmonterade solcellssystem för att möjliggöra tillväxt av grödor under solcellssystemet. Kombinationen av solcellssystem och grödoproduktion skapar ett komplext skuggningstillstånd som påverkar det dynamiska mikroklimatet under solcellsmodulerna och den fotosyntetiska aktiva strålningsfördelningen.

Detta påverkar elproduktionen från solcellssystemet på grund av variationer i albedo, mikroklimat och grödornas avkastning. Även om flera experimentella och storskaliga agro-solcellssystem har installerats över hela världen har endast en demonstrationsanläggning installerats i Sverige av huvudsökanden. Genom att studera sambandet mellan vatten, mat, energi och klimat kommer detta projekt att ge en djupgående förståelse för sambandet mellan solstrålningsfördelning på grödanivå, solelproduktion, mikroklimat och grödaavkastning för agro-solcellssystem. Det finns lite kunskap om hur denna teknik fungerar under nordiska förhållanden och hur el och grödoproduktion kan samexistera.

Särskild uppmärksamhet kommer att ägnas åt hur denna teknik bidrar till mat, vatten och energisäkerhet under ett normalt meteorologiskt år såväl som under extrema händelser, som 2018 års torka eller under framtida modellerade klimatförändringar.

Projektet har tre huvudmål. Det första målet är att genom den befintliga experimentanläggningen och nya sensorer bedöma hur albedo och den fotosyntetiskt aktiva strålningen påverkas av de komplexa skuggningsförhållanden som skapas av solcellsmodulerna. Nya matematiska modeller kommer att utvecklas för att förutsäga albedo variationen och den fotosyntetiskt aktiva strålningen.

Det andra målet är att förstå hur ett agrivoltaiskt system påverkar mikroklimatet under solcellsmodulerna och därmed hur mikroklimatet påverkar produktionen av solel och grödor. En ny integrerad och robust modell kommer att utvecklas för att bedöma prestanda för olika agrosolcellskonfigurationer (vertikalt monterade, fast monterade och solföljande).

Det sista målet är att förstå hur tillämpning av stora agro-solcellssystem kan stödja energi-, vatten- och livsmedelssektorn under extrema väderfenomen eller under ogynnsamma förutsagda klimatförändringar. Speciellt kommer den modell som utvecklats inom projektet att tillämpas på väder- och klimatologiska dataprodukter som produceras av SMHI och Europeiska unionen för att analysera effekterna av agro-solcellssystem på skördeavkastning och bevattning, som under torkan under 2018. Detta görs för att agro-solcellssystem visade sig vara en nyckelteknologi för klimatanpassning och mildring av torka i andra experiment som genomförts i Italien och Tyskland.

Genomförande och aktiviteter

Projektet kommer att genomföras genom att använda det första agrivoltaiska systemet som installerats i Sverige som nyckelanläggning som har börjat ge ett unikt dataset för agrivoltaiska system i Norden sedan 2021. Den nuvarande anläggningen kommer att förstärkas med nya sensorer för en förbättrad mätning av solstrålning och bedömning av albedo.

Projektet kommer att undersöka genom experiment hur komplexa skuggförhållanden skapade av agrovoltaiska system påverkar distribution av albedon och av den fotosyntetiskt aktiva strålningen som omvandlas till biomassa av grödor. Projektet kommer också att undersöka hur mikroklimatet är genom en energibalansansats under av agrovoltaiska system påverkar elproduktionen av solceller och skörden genom att utveckla en integrerad vatten-mat-energi-nexusmodell för agro-fotovoltaiska system.

Samverkan

Projektet genomförs på Kärrbo Prästgård utanför Västerås och i hela Sverige i samarbete med flera nationella och internationella partner som arbetar inom fjärranalys, solstrålning, modellering av grödor och solceller. Detta projekt behandlar världens åtaganden gentemot FN: s mål för hållbar utveckling, särskilt Ingen hunger, Hållbar energi och Bekämpa klimatförändrinmgarna. Det överensstämmer också med den svenska regeringens mål att ha 100 procent förnybar elproduktion till 2040 och att uppnå inga nettoutsläpp av växthusgaser fram till 2045. Projektet stämmer också överens med de svenska målen att ha en stark och konkurrenskraftig jordbrukssektor som kan mildra klimatförändringar och anpassa sig till ett förändrat klimat.

Projektmål

Syftet med projektet är att studera hur agrovoltaiska system kan övervinna konflikten mellan hållbara utvecklingsmål och samproducera el och mat på samma mark. Det övergripande syftet blir därmed att ge en djupgående förståelse för sambanden mellan solstrålningsdistribution på grödanivå, solcellsproduktion, mikroklimat och skördens respons under agrovoltaiska system.

Projektets huvudmål inkluderar:

1) utveckling av banbrytande algoritmer för att förstå hur skuggningarna som produceras av PV-modulerna påverkar skörden

2) utföra experiment vid försöksanläggningen belägen vid Kärrbo Prästgård för modellvalidering

3) skala upp modellen på nationell nivå för att bättre förstå hur agrovoltaiska system kan fungera som en klimatanpassningsteknik.

Publikationer

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261923003458 Länk till annan webbplats.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652623043937 Länk till annan webbplats.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377422002815?via%3Dihub Länk till annan webbplats.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X22003917?via%3Dihub Länk till annan webbplats.

https://pubs.aip.org/aip/jrse/article/16/1/013503/3265692/Photosynthetically-active-radiation-separation Länk till annan webbplats.