Agrivoltaics: optimaliseren van de synergie tussen gewasproductie en zonnepanelen

Duurzame landbouw wordt steeds vaker gezien als tegengesteld aan de gangbare bedrijfsvoering. Het streven naar meer duurzaam energiegebruik, steeds verregaandere restricties op het gebruik van chemische gewasbescherming en toenemende beperkingen op emissies brengen veel uitdagingen met zich mee. Bovendien zorgt de klimaatverandering voor nieuwe problemen in de landbouw. Een toename aan intense neerslag en extreme temperaturen brengt de oogst in gevaar en drijft telers tot nieuwe beheers praktijken. Om relevant en competitief te blijven, nemen telers innovatie onder de arm en kijken ze uit naar verbeteringen of vernieuwingen van hun teeltsysteem.

Een steeds toenemende wereldbevolking en stijgende energievraag staan in schril contrast met het huidige aandeel aan hernieuwbare energie in onze elektriciteitsmix. Ondanks voortdurende inspanningen, vordert de vergroening van onze energie aan een traag tempo. Daarnaast zorgen de plannen voor de kernuitstap voor een wederopening van gas- en kolengestookte energiecentrales welke broeikasgassen verder doen toenemen. Om de klimaatdoelen te bereiken is een hogere inzet op zonne- en windenergie essentieel.

Agrivoltaics (AV) productiesystemen maken de brug tussen energie en landbouw. Door zonnepanelen te integreren op landbouwgrond kan gewasproductie worden verzekerd en nieuwe ruimte aangeboord worden voor zonne-energie. Onder AV-productie systemen groeien planten in een gewijzigd microklimaat, gekenmerkt door verminderde zonnestraling, veranderde temperaturen en verschoven neerslagpatronen.

Hedendaagse zonnepanelen bestaan quasi allemaal uit kristallijne siliciumzonnecellen. Nieuwe technologieën zoals perovskiet-silicium tandemcellen zijn veelbelovend om PV-efficiëntie te blijven verhogen. Brandstofproductie direct uit zonne-energie behoort sinds kort ook tot de mogelijkheden onder de vorm van waterstofpanelen. Implementatie van deze technologie boven gewassen kan diens captatie van water uit de lucht verbeteren. Ook bieden de H2 panelen een alternatief voor batterij opslag en fossiele brandstoffen. Semitransparante modules kunnen kosteneffectief zijn in de juiste toepassing. Door hun flexibiliteit kunnen ze breed worden geïntegreerd in systemen waar extra lichttransmissie vereist kan zijn, zoals bij agrivoltaics.

Een van de grootste uitdagingen bij het implementeren van AV-systemen is de onzekerheid over de gewasopbrengst. De sterk fluctuerende energieprijzen maken het op hun beurt lastig om de winstgevendheid te bepalen. De verscheidenheid aan teelthandelingen, zoals het gebruik van zware machines, of intensieve handarbeid leiden tot een even grote variatie aan vereisten voor AV-systemen. De verschillende schaduwtolerantie per gewasgroep vereist op maat gemaakte AV-ontwerpen waarbij zowel energieproductie als landbouwopbrengst geoptimaliseerd zijn.

Aan de hand van een uitgebreide literatuurstudie brengen we in een eerste fase de beperkingen en randvoorwaarden van AV-systemen in kaart. Globaal identificeren we drie types gewasreactie onder AV. Gewassen zoals maïs of aardbei verdragen schaduw slechts in beperkte mate en vertonen een sterke daling in productiviteit met toenemende schaduw. Andere gewassen zoals sla, peer of zwarte bessen nemen af in opbrengst maar in eer beperkte mate. Ten slotte hebben we (deels) schaduwtolerante gewassen, zoals bosbes of framboos. De meeste commerciële AV-systemen richten zich op de productie van zachtfruit zoals framboos of braam, of de productie van hooi in extensieve systemen om zodoende minimaal aan gewasopbrengst in te boeten.

Vervolgens kijken we naar de plaats die AV in het landschap inneemt. Het bepalen van geschikte locaties voor AV-systemen vereist dat we verschillende belangen verzoenen. Residentieel landgebruik, natuur, of verstedelijking beperken het AV potentieel. Doormiddel van een GIS multi-criteria decison analyse van Vlaanderen klasseren we 60% van het landbouwareaal als potentieel geschikt is voor AV. Desalniettemin werd een sterke gewasafhankelijkheid duidelijk. Het grootste deel van het fruitteeltgebied bereikte AV-geschiktheidsscores van meer dan 0,95 op 1, terwijl akkerbouwteelten en groenten 0,12 punten lager scoorden. Alle gewassen hadden te kampen met belangrijke beperkingen vanwege de nabijheid van erfgoedlocaties of gebieden met waardevolle fauna en flora. Ondanks een plaats te moeten veroveren in een sterk gefragmenteerd landschap, hebben agrivoltaics systemen het gezamenlijk potentieel om tot 200TWh elektriciteit per jaar leveren – 4 keer het huidige jaarlijkse verbruik van Vlaanderen.

Naast de theoretische geschiktheid van gewassen en de geografische selectie van ideale landbouwpercelen voor AV-implementatie te bepalen, hebben we ook veldproeven uitgevoerd op verschillende AV-systemen in Vlaanderen. Om het technisch potentieel van akkerbouw AV te bepalen werden twee experimentele agrivoltaics pilotsites onderzocht. Op de eerste site bestudeerden we statische bifaciale modules naast ‘single axis trackers’ samen met productie van suikerbiet. De AV-installatie zorgde voor een lichtreductie van 15 à 20%. Hier werd vastgesteld dat bietenteelt tussen een verticale constructie te kampen had met sterke landverliezen. De bieten opbrengst was verminderd met 11-19% onder AV, maar bleef binnen de gewenste kwaliteitsparameters.

De tweede akkerbouw AV-pilot combineerde tarwe onder een agrivoltaics systeem op hoogte, samen met traditionele ondoorzichtige modules en waterstofpanelen aan 22-30% schaduw. De tarwe onder de tweede structuur gaf grotere verliezen van 33-46%. Collectief bereikten de akkerbouwgewassen een land equivalent ratio (LER) tussen 1,00 en 1,22.

Een derde proefsite bracht het potentieel van AV-systemen in de perenproductie in kaart. Op onze AV-pilotinstallatie werden drie opeenvolgende groeiseizoenen van ‘Conference’ peren onderzocht. We registreerden microklimaatveranderingen onder AV bij een lichtreductie van 24% welke de canopy lucht temperatuur, de perenopbrengst en de vruchtkwaliteit beïnvloedden. Het AV-systeem bleek de nachttemperaturen tijdens vorstperioden met 0,5°C te verhogen en andere temperatuurextremen af te vlakken. De fruitopbrengst was consequent 15% lager, echter zonder de naoogst kwaliteit of de bewaarbaarheid te beïnvloeden. Een verschuiving in de vruchtvorm en -maat werd vastgesteld. De toename van flesvormige peren met 93 % alsook de daling in kaliber met 5mm was eer onwenselijk. Ondanks deze veranderingen, bleek het AV-systeem een verwaarloosbaar effect te hebben op de bloei en fruitontwikkeling terwijl het extra bescherming bood tegen zonnebrand en lentevorst.

Innovatieve gewasproductiesystemen vereisen vaak een initiële periode van trial and error voordat hun volledige potentieel bereikt kan worden. Door een geschikte locatie te selecteren, een winstgevend energiegebruiksmodel te bepalen en te streven naar optimale gewaskeuze, kunnen betere keuzes gemaakt worden om agrivoltaics systemen te doen bijdragen aan vernieuwing in de moderne landbouw.

Ons onderzoek en de daaruit voortvloeiende praktische ervaringen tonen aan dat agrivoltaics niet alleen een toegevoegde waarde kan zijn voor teeltsturing, maar ook een nieuwe piste biedt naar het uitbouwen van duurzame energieproductie in tandem met winstgevende gewasproductie. Met zorgvuldig gekozen systeemontwerpen en aangepaste cultivars kunnen agrivoltaics systemen de efficiëntie van ons landgebruik verbeteren, gewasopbrengsten behouden en bijdragen aan de dubbele doelstellingen van energieduurzaamheid en voedselzekerheid.