Agrovoltaika (AgPV) nebo přesněji moderní agrovoltaické systémy mají potenciál diverzifikovat možnosti farmářů na půdě a rozšířit sortiment jejich produktů (Dupraz et al., 2011).
Dále může být významným přínosem zvýšení energetické soběstačnosti a vlastního využití vyrobené elektřiny při provozu zemědělských farem a v širším měřítku zvýšení odolnosti venkovských a sociálně slabších regionů vůči výkyvům cen energií o tzv. včetně AgPV v trendech komunitní energetiky (Janota et al., 2023). Citlivým tématem v podmínkách České republiky i některých dalších zemí CEE – v důsledku „prvního fotovoltaického boomu“ (2012-2014) – je otázka vhodného využití kvalitní zemědělské půdy pro instalaci fotovoltaických panelů. Podle nejnovější legislativy bude možné AgPV v ČR instalovat pouze do tzv. trvalých kultur (chmel, vinice, RRD atd.).
Design experimentů s agrovoltaikou v agrolesnickém systému Michovky
Za účelem zhodnocení technických, produkčních a ekologických aspektů AgPV byla v roce 2021 provedena experimentální instalace fotovoltaických panelů v alejovém agrolesnickém systému ve výzkumném pracovišti VÚKOZ Průhonice-Michovky (ALS-1; 0,8 ha), který tvoří 5 linií javorů, lip, jasanů a jeřábů ve směru SWW–JVV. Hustota porostu je relativně vysoká (350 stromů/ha) a výška stromů 8-10 metrů před instalací AgPV. Pásy plodin mezi liniemi dřevin jsou široké 15 metrů a obhospodařuje je AGRO Jesenice se stejnými plodinami a podobnou agronomií jako na sousedním poli. Tři typy panelů (CIGS 135Wp, mono c-S 400Wp, mono c-Si bifacial 380Wp) byly ve dvojicích instalovány na vertikální konstrukce s možností různých sklonů (0°-70°) v řadě resp. pod korunou polovzrostlých lip (66 m dlouhý, 15 ks lip) v lednu 2021. Výška panelů ve svislé pozici je 3 m. Hlavní experimentální aktivity v pokusném systému AgPV Michovky zahrnují:
- Sledování produkčních podmínek plodin v okolí panelů AgPV: Srážky, teplota vzduchu ve výšce 1,5 m, teplota povrchu půdy, teplota půdy a vlhkost -10 cm – byly monitorovány čidly (TOMST) 3 metry od fotovoltaických panelů a stromů a na blízkém 40 ha poli (kontrola) během vegetačních období 2022-2023 (v březnu až říjnu).
- Sledování produkce elektřiny: během dvou let jsme měřili efektivitu výroby elektřiny u tří typů fotovoltaických panelů ve srovnání se standardními panely PV (na UCEEB)
- Využití elektřiny z AgPV pro zemědělskou činnost: Provedli jsme také tři experimenty se sušením energetické štěpky z topolů a vrb (RRD) elektřinou z AgPV v ostrovním režimu (V-VIII 2023; II-V 2024). Objem sušicích a kontrolních boxů byl 5,3 m3 (cca 1 tuna čerstvé štěpky). Ventilátor REMCO RAV 30 (650 W, vzduchový výkon 3300 m3/hod) vytvořil teoretický proud vzduchu 165 m3/hod/m2 přes sušící rošt. Pro modelování ostrovního režimu byl zvolen režim řízení proudění vzduchu — ventilátor se zapnul, když panely produkovaly více než 700 W.
Výsledky monitoringu ukázaly, že panely AgPV instalované ve liniích dřevin statisticky významně neměnily mikroklimatické a hydrické podmínky plodinového pole (jarní ječmen, ozimá pšenice) v blízkém okolí ve srovnání se stromy bez ApPV. Mnohem větší vliv na klimatické parametry měla orientace stromořadí, zejména v případě teploty půdy. Např. teplota půdy v 10 cm byla v okolí AgPV v měsíčních průměrech vyšší ve srovnání s prostředím stromů v roce 2023 pouze v květnu až červenci a to jen o 0,1 až 0,2 °C, zatímco jižní část příkmenného pásu ve srovnání se severním byla v měsíčních průměrech vždy teplejší a to o 0,5 °C v dubnu až o 3,2 °C v červnu. Podobně u teploty povrchu půdy byla průměrná měsíční teplota v prostředí stromů nižší pouze v dubnu a to o 0,1 °C, zatímco ve zbytku sledovaného období zde byla vyšší o 0,1 °C (v březnu až červnu) až o 0,3 °C v srpnu. V jižní části plodinového pásu byla ve všech měsících příkmenného pásu vyšší průměrná teplota povrchu půdy než v severním a to o 0,3 °C (v říjnu) až o 2,2 °C (v červenci). V případě teploty vzduchu v 10 cm byly zjištěny menší rozdíly než u teplot půdy. Mezi prostředím v okolí AgPV a stromů byly nejmenší byly zjištěny stejné průměrné měsíční hodnoty pro květen a červenec a ve zbylých měsících byly v prostředí stromů průměrné měsíční teploty o 0,1 °C vyšší. Nicméně i u tohoto parametru byly v téměř každém měsíci roku 2023 během března až října průměrné měsíční teploty vzduchu vyšší v jižní části příkmenného pásu než v severním a to o 0,1 °C v březnu a dubnu až o 0,5 °C v září, s výjimkou října kdy byly stejné (12,3 °C). Průměrná týdenní suma srážek se pak lišila minimálně jak mezi prostředím stromů a AgPV (v AgPV byla o 1,1 mm vyšší), tak mezi severní a jižní částí příkmenného pásu (na severní straně byla o 0,7 mm nižší než na jižní).
Poměrně překvapivým výsledkem bylo zjištění, že výtěžnost výroby elektřiny z panelů umístěných v těsné blízkosti a pod korunami stromů ALS Michovky byla poměrně vysoká mezi 63-89 % dle měrného výkonu FV panelů a 54-74 % podle plochy pro jednotlivé typy a nastavení panelů v roce 2022. Elektrická účinnost AgPV se následně v roce 2023 zlepšila až na 80-90%, když byly odstraněny větve, které byly nejblíže panelům a vytvářely tak stín během ranního období.
Při experimentu se sušením štěpky s využitím elektřiny z AgPV bylo v experimentálním roštovém boxu dosaženo snížení obsahu vlhkosti z původních 52 % na 12 % za 45 dní, zatímco v kontrolní variantě (bez proudění vzduchu) to bylo 32 %, což vedlo ke zlepšení parametrů pro energetické využití (výhřevnost + 5GJ/t, výskyt dřevokazných hub 4x nižší).
Naše výsledky experimentálního AgPV v AFS Michovky ukázaly, že FV panely mohou mít
relativně dobrou produkci elektřiny, zejména pokud jsou koruny stromů vhodně modelovány a sklon panelů se mění podle ročních období. Odstranění několika stromů z ALS a následná instalace FV panelů neovlivnily parametry mikroklimatu (teploty vzduchu a půdy), a proto pravděpodobně neměly žádný další vliv na produkční parametry plodin v AFS. Výsledky experimentů se sušením štěpky prokázaly dobrý potenciál AgPV pro kombinaci s energetickým cyklem biomasy na úrovni farmy. Pokračovat budeme hodnocením experimentálního AgPV včetně hodnocení ekonomické efektivity AgPV na úrovni farmy nebo ve schématu energetické komunity.
Graf: Průměrné maximální denní teploty v půdě (-0,1 m) tři metry od řady stromů agrolesnického systému Michovky s/bez fotovoltaických panelů (PV) na jižní/severní straně ve srovnání s podmínkami na kontrolním poli (FIELD) v dubnu, červenci a září 2023; červeně jsou označeny statisticky průkazné rozdíly a zeleně rozdíly neprůkazné.
Obrázek: Monitoring teploty a vlhkosti vzduchu a půd pomocí sensorů TOMST – na poli (kontrola)
Obrázek: Agrolesnický systém u Michovky (MichALS-1) - žlutě označena čidla na jih a sever linie stromů)
Obrázek: Průjezd kombajnu kolem panelů AgPV v agrolesnickém systému Michovky při sklizni pšenice v roce 2022
Obrázek: Experimentální roštové sušící kóje s energetickou štěpkou (topoly, vrby) s nuceným oběhem vzduchu poháněným elektřinou z AgPV (jako-léto 2023).
Autoři:
Jan Weger a Jan Šinko
VÚKOZ, v.v.i., odb. fytoenergetiky
Výzkum byl podpořen projektem TACR Theta TK04010166 „Komplexní řešení lokální a regionální energetiky jako součást opatření GreenDealu pro dosažení udržitelného zemědělského a lesnického hospodaření a byl dále prezentován na 6. evropské agrolesnické konferenci v Brně (EURAF Brno, viz níže)
Citace:
Dupraz, C., Talbot, G., Marrou, H., Wery, J., Roux, S., Fabien, L., Ferard, Y., Nogier, A., 2011. To mix or not to mix : evidences for the unexpected high productivity of new complex agrivoltaic and agroforestry systems. Presented at the Resilient Food Systems for a changing world : 5th World Congress of Conservation Agriculture Resilient Food Systems for a changing world, p. 203.
Janota, L., Vávrová, K., Weger, J., Knápek, J., & Králík, T. (2023). Complex methodology for optimizing local energy supply and overall resilience of rural areas: A case study of Agrovoltaic system with Miscanthus x giganteus plantation within the energy community in the Czech Republic. Renewable Energy, 212, 738–750. https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.05.077
Weger, J., Volf, P., Šinko, J., Černá, L., Janota, L., Vávrová, K., (2024)., Agrovoltaics in alley-cropping agroforestry systems – first results of experimental installation – 6th EURAF, Book of abstracts,pp 337. https://doi.mendelu.cz/pdfs/doi/9900/06/1400.pdf
MichALS-1 (Experimental Agroforestry System Michovky – VÚKOZ Průhonice) http://www.agroforestrysystems.eu/en/michovka-2