Typy agrivoltaických systémů

Agrivoltaických systémů jsou z hlediska konstrukce v zásadě dva typy - horizontální a vertikální. Běžnější jsou horizontální fotovoltaické panely (obr. 1). Ty jsou umístěny na speciální zvýšené konstrukci nad povrchem půdy tak, aby se pod ní mohla pohybovat pracovní síla i zemědělská technika. Světlá výška konstrukce běžně bývá 3,5 až 5 metrů. Záleží na výšce používané techniky a pěstovaných plodin. Například u chmele je výška konstrukce i přes 8 metrů. Plocha fotovoltaických panelů je orientována na jih, nebo se používají jednoosé „trackovací“ fotovoltaické systémy, které kopírují pohyb Slunce a maximalizují tak výnos energie během dne. Konstrukce zabere cca 2 % plochy pozemku.

Dále se používají vertikální konstrukce. V tomto případě jsou panely umístěny svisle směrem k povrchu půdy v nosné konstrukci (obr. 2), jejíž šířka je zhruba 20 cm. K této šířce je však z hlediska záboru nutné připočítat cca 0,5 m ochranného pruhu z každé strany, vzhledem k nutnosti minimalizovat možnost poškození panelů při pojezdech zemědělské techniky. Vzdálenost mezi jednotlivými liniemi panelů bývá 9 - 25 m. Linii vertikálního fotovoltaického systému lze využít i jako plot. Vertikální konstrukce jsou osazeny bifaciálními (oboustrannými) fotovoltaickými panely. Plocha těchto panelů je orientována směrem východ - západ. Podle dostupných matematických modelů má vertikální bifaciální fotovoltaický systém orientovaný směrem východ - západ umístěný nad 50° severní šířky větší výkon než konvenční fotovoltaický systém orientovaný k jihu. Navíc je křivka vyráběné energie rozložena rovnoměrněji, s dvěma vrcholy při východu a při západu slunce (obr. 3). Takové rozložení lépe odpovídá spotřebě energie během dne.

Dopad agrivoltaiky na plodiny

Jakým způsobem přítomnost fotovoltaických panelů ovlivní pěstované rostliny, je předmětem intenzivního výzkumu. Efektivitu agrivoltaického systému lze stanovit na základě tzv. efektivity využití půdy, LER (z angl. land equivalent ratio). Tato hodnota ukazuje účinnost kombinovaného využití půdy, tedy výnosu plodin a energie, v poměru k využití stejné plochy půdy pouze plodinou. Pokles výnosu následkem snížení plochy pro plodinu, respektive snížení produkce vlivem přítomnosti solárních panelů, tak v ideálním případě bude bohatě vykompenzován ziskem z fotovoltaiky. Většina dostupných údajů pochází z experimentálních nebo poloprovozních situací využívajících horizontální fotovoltaické panely, data pro vertikální systémy jsou méně zastoupené.

Horizontální fotovoltaické panely snižují množství slunečního svitu a stíní tak prostor pod sebou. Dochází tak ke snížení dostupného slunečního záření potřebného pro fotosyntetickou aktivitu rostlin. Dále může dojít k ovlivnění mikroklimatu na pěstební ploše omezením vysychání půdy, snížením proudění vzduchu a změnou teploty. U změny teploty byl zaznamenán jak nárůst, tak pokles, popřípadě snížení denní fluktuace, přičemž tyto rozdíly mohou být zapříčiněny různou výškou konstrukce nebo místně specifickým klimatem, popřípadě umístěním čidel. Horizontální umístění panelů ovlivňuje rovnoměrnou distribuci srážek a zároveň může zvýšit riziko eroze v místech, kam stéká voda z panelů.

Pilotní dvouletý experiment byl proveden např. univerzitou v německém Hohenheimu. Meziroční výsledky se lišily pravděpodobně v závislosti na rozdílných klimatických podmínkách. V obou letech pokusu byly rostliny vyšší pod panely než v kontrole, což ale nebylo ve všech případech spojeno s nárůstem biomasy. V roce 2017 byly hodnoty LER agrivoltaického systému 160 %. Výnosy plodin pěstovaných s fotovoltaickým panelem poklesly, přičemž nejlepších výsledků bylo dosaženo u jetele s poklesem výnosu o 5,3 %, u pšenice, brambor a celeru byl pokles výnosu do 20 %. V následujícím roce byly výsledky lepší. Hodnota LER dosáhla u kombinace brambor a fotovoltaiky 186 % (obr. 4). V této sezóně byly výnosy u většiny plodin pod fotovoltaikou dokonce vyšší než na referenčním pozemku bez agrivoltaiky. Výnosy pšenice pod fotovoltaikou byly vyšší o 3 %, brambor o 11 % a celeru o 12 %. U jetele byl zaznamenán pokles o 8 %. Jelikož byl rok 2018 suchý, nárůst výnosů lze pojit s vyšší vlhkostí půdy a příhodnějším mikroklimatem pod fotovoltaickými panely v porovnání s kontrolními podmínkami. Zhruba 40 % vyprodukované energie bylo využito přímo na farmě, což v sezóně téměř pokrylo denní spotřebu energií. Z jiných studií vyplývá, že pokles výnosu je závislý na hustotě fotovoltaických panelů umístěných nad plodinami. Například studie z Japonska dokládá, že při řídké hustotě panelů (řady vzdáleny 1,67 metrů) nebyla produktivita kukuřice v porovnání s kontrolou nijak negativně zasažena, i když je kukuřice pokládána za plodinu, jež není tolerantní k zastínění. Hustě osazené panely (vzdálené 0,71 m) již negativní vliv na výnos měly.

Ačkoliv jsou vertikální panely umístěny odlišným způsobem, vliv na mikroklima porostu se přesto projevuje. Jedná se zejména o zastínění způsobené svisle stojícími panely. V experimentu v jižním Švédsku bylo zjištěno, že s klesající vzdáleností mezi řadami panelů klesá výnos ovsa a brambor. V případě brambor byl pokles výrazný, z cca 6 tun/ha při vzdálenosti panelů 20 m na 3,5 tun/ha při vzdálenosti panelů 5 m. Obdobně klesala i produkce elektřiny na panel. Přesto hodnoty LER přesáhly ve všech případech hodnotu 100 %, a paradoxně nejvyšší hodnoty LER byly získány pro varianty s nejnižší vzdáleností řad s panely právě díky výnosům z elektrické energie. 

Pozitivní efekt agrivoltaiky tak bude nejspíše souviset s klimatem, a bude přínosnější zejména v sušších a slunnějších oblastech. Potenciálně nejvýhodnější se jeví zejména u druhů plodin tolerujících zastínění, jako je listová zelenina, pícniny, bobulovité, jádrovité a peckovité ovoce, měkké ovoce, či speciální plodiny, jako jsou česnek, chřest a chmel.

K případnému poklesu výnosu úbytkem světla je také potřeba připočítat i pás nevyužité plochy mezi jednotlivými podporami konstrukce. Tento pás je komplikované obdělávat většími stroji a často se nechává ležet ladem. Celkově by úbytek využitelné půdy k pěstování plodin neměl překročit 10 %.

Potenciál využití agrivoltaiky v České republice

Z obnovitelných zdrojů energie má v podmínkách ČR fotovoltaika zásadní potenciál. Podle studie provedené společností EGÚ Brno je celkový technický potenciál FVE umístěných na rezidenčních i nerezidenčních budovách 23,7 GWp. Odhad potenciálu agrivoltaiky pro ČR není vypracován, ale v tomto případě můžeme srovnávat se sousedním Německem, protože intenzita slunečního záření je zde podobná. Fraunhofer Institut ve svém manuálu uvádí, že pouze kolem 4 % orné půdy v režimu s agrivoltaikou je zapotřebí k pokrytí současné celkové spotřeby elektřiny v Německu (cca 500 GWp instalovaného výkonu). Podle jejich předběžných odhadů je technický potenciál agrivoltaiky v Německu kolem 1700 GWp. V ČR odpovídá zmíněná plocha 4 % plochy oseté řepkou pro energetické účely. Z hlediska výnosu energie i potravin se tedy zdá agrivoltaika mnohem efektivnější než pouhé pěstování energetických plodin.

I přes pozitivní výsledky pilotních pokusů je stále v oblasti agrivoltaiky třeba odpovědět na mnoho otázek. V ČR ještě žádný pilotní pokus realizován nebyl a nevíme tedy, jaký dopad na výnos plodin můžeme očekávat v místních klimatických podmínkách. V tuto chvíli nelze odpovědně říci, které plodiny a jaké agrivoltaické systémy jsou v našich podmínkách efektivní a jaký by měly celkový dopad na produkci potravin, energetiku a krajinu. Lze předpokládat, že zisky z výnosu energie budou vyšší než zisky z výnosů plodin. Tímto mohou být pěstitelé potravin vystaveni tlaku k upřednostňování výroby energie před výrobou potravin. Dalším neméně důležitým aspektem je krajinotvorná funkce zemědělství, která představuje důležitou službu společnosti. Neregulovaná instalace agrivoltaiky by mohla tuto funkci narušit. Měly by být stanoveny podmínky výstavby agrivoltaiky tak, aby nebyla ohrožena produkce potravin, byla zachována kvalita půdy i krajinný ráz a estetika krajiny. Je třeba se soustředit na osvětu směrem k veřejnosti, jelikož negativní vnímání umístění fotovoltaiky na orné půdě může zhatit potenciál, který tento obor má.

Skutečný potenciál výkonu agrivoltaiky pro ČR není známý, ale lze předpokládat, že v případě rozvoje agrivoltaiky by došlo ke značnému nárůstu instalovaného výkonu fotovoltaických zdrojů energie, čemuž by se musela přizpůsobit distribuce. Důležitý bude další vývoj a výzkum v oblasti využití energií přímo v zemědělské výrobě a na lokální úrovni. Dále bude nutný další rozvoj v oblasti krátkodobého i sezonního skladování energie.

Projekt

Dosavadní zkušenosti ze zahraničí ukazují, že agrivoltaika má značný potenciál. V České republice se však tomuto tématu dosud nikdo patřičně nevěnoval. Výzkumný ústav zemědělské techniky, v. v. i., ve spolupráci s Výzkumným ústavem rostlinné výroby, v. v. i., Technickou fakultou ČZU a společností Stradlova s.r.o. inicioval vůbec první projekt na výzkum agrivoltaiky v ČR financovaný Technologickou agenturou České republiky. Hlavním cílem projektu je výzkum kombinace biopásů a pěstování polních plodin s vertikálním agrivoltaickým bifaciálním systémem. Oproti většině projektů řešených v zahraničí zahrnuje náš koncept vertikální bifaciální panely a zároveň uvažuje využití neobhospodařovatelných ploch v liniích panelů pro podporu biodiverzity v agroekosystémech. Toho by mohlo být dosaženo právě podsevem linií panelů směsí kvetoucích nebo krmných rostlin dle stávající legislativy (biopásy). Tato kombinace by v konečném důsledku mohla podpořit biodiverzitu v zemědělské krajině při současném zvýšení ekonomické atraktivity biopásů skrze tvorbu obnovitelné elektrické energie. Kromě změn v biologické rozmanitosti rostlin či hmyzu bude sledován vliv přítomnosti biopásů s panely na pěstované plodiny a bude stanoven výkon elektrárny. Na základě výsledků budou zpracovány podklady pro úpravu legislativních předpisů, a dále budou zpracována doporučení pro zemědělskou praxi.

V případě, že se potvrdí přínos agrivoltaiky v našich podmínkách a dojde ke vhodnému legislativnímu nastavení jejich rozvoje, přínosem může být nárůst financí v zemědělství, lokální produkce energie z obnovitelných zdrojů a tím i omezení závislosti na importu energií z nestabilních oblastí a snížení emisí skleníkových plynů.

Text: Ladislav Jílek, David Hájek, Radek Pražan, Výzkumný ústav zemědělské techniky v. v. i., Praha 6-Ruzyně, Pavel Saska, Hana Foffová, Výzkumný ústav rostlinné výroby, v. v. i., Praha 6-Ruzyně, Petr Novák, Česká zemědělská univerzita v Praze, Praha 6-Suchdol