Agrivoltaica: Uma Solução Ganha-Ganha Para Energia Solar e Agricultura

Como a combinação de painéis solares e agricultura pode impulsionar a produção de energia renovável e a segurança alimentar em regiões quentes e afetadas pela seca

Prof. Aécio D’Silva, Ph.D
AquaUniversity

 Agrivoltaica é a prática de colocar painéis solares e culturas no mesmo terreno, criando uma sinergia que beneficia ambos. A agrivoltaica pode melhorar o desempenho dos painéis solares, aumentar o rendimento e a qualidade das culturas, reduzir o consumo e a evaporação da água e proporcionar rendimento e oportunidades de emprego às comunidades rurais.

A energia solar é uma das fontes mais promissoras de energia renovável, pois é abundante, limpa e econômica. No entanto, a energia solar também enfrenta alguns desafios, tais como conflitos de uso da terra, impactos ambientais e variabilidade de produção. Uma forma de enfrentar estes desafios é integrar a energia solar com a agricultura, criando um sistema conhecido como agrivoltaico.[1, 1a]

Agrivoltaica é o termo cunhado por Adolf Goetzberger e Armin Zastrow em 1981 para descrever a combinação de energia fotovoltaica (PV) e agricultura. A agrivoltaica envolve a instalação de painéis solares acima ou entre as culturas, criando uma relação mutuamente benéfica. Os painéis solares fornecem sombra e proteção para as plantações, enquanto as plantações resfriam e umidificam o ar para os painéis solares. O resultado é uma maior eficiência e produção de energia solar e um maior rendimento e qualidade das colheitas. [1b]

Esta integração também pode proporcionar outros benefícios, como a redução do consumo e da evaporação da água, o reforço da biodiversidade e da saúde do solo, a diversificação dos rendimentos e das oportunidades de emprego e o aumento da segurança alimentar e energética. O sistema pode ser especialmente útil em regiões quentes e assoladas pela seca, onde o potencial da energia solar é elevado, mas os recursos hídricos e terrestres são escassos e vulneráveis.

Nesta postagem de Conhecimento Colaborativo Inteligente do MybeloJardim.com, explicaremos como funciona a agrivoltaica, quais são seus benefícios e quais são alguns exemplos e melhores práticas de agrivoltaica em todo o mundo.

Como funciona a agrivoltaica?

A agrivoltaica funciona explorando as características complementares dos painéis solares e das culturas. Os painéis solares convertem a luz solar em eletricidade, mas também refletem e absorvem parte da radiação solar, o que pode reduzir a sua eficiência e vida útil. As culturas utilizam a luz solar para a fotossíntese, mas também perdem água através da transpiração, o que pode reduzir o seu crescimento e produtividade. [1]

Ao co-localizar painéis solares e culturas, a agricultura voltaica pode criar um ciclo de feedback positivo que melhora o desempenho de ambos. Os painéis solares proporcionam sombra parcial às culturas, reduzindo a sua exposição ao calor e à radiação excessivos e melhorando a eficiência do uso da água e a tolerância ao stress. As lavouras, por sua vez, proporcionam resfriamento evaporativo e umidificação dos painéis solares, reduzindo sua temperatura e aumentando sua eficiência e rendimento.

A concepção e configuração ideais dos sistemas agrivoltaicos dependem de vários factores, tais como o tipo e tamanho dos painéis solares, o tipo e densidade das culturas, as condições climáticas e do solo, e os objectivos económicos e sociais. Alguns dos principais parâmetros a serem considerados são:

• Altura e espaçamento dos painéis solares: A altura e o espaçamento dos painéis solares afectam a quantidade de luz solar e sombra que atinge as culturas, bem como o fluxo de ar e a ventilação que afectam o arrefecimento dos painéis solares. Um espaçamento maior e mais amplo dos painéis solares pode permitir a passagem de mais luz solar e ar, mas também pode reduzir a produção de energia solar e o efeito de sombreamento. Um espaçamento menor e mais estreito entre os painéis solares pode aumentar a produção de energia solar e o efeito de sombreamento, mas também pode reduzir a luz solar e a disponibilidade de ar para as culturas.
• Orientação e inclinação do painel solar: A orientação e inclinação dos painéis solares afetam a direção e o ângulo da luz solar e da sombra que atingem as culturas, bem como a reflexão e absorção da radiação solar que afeta o aquecimento dos painéis solares. Uma orientação horizontal e voltada para o sul dos painéis solares pode maximizar a produção de energia solar e o efeito de sombreamento, mas também pode aumentar a reflexão e a absorção da radiação solar. Uma orientação vertical e voltada para o norte dos painéis solares pode minimizar o reflexo e a absorção da radiação solar, mas também pode reduzir a produção de energia solar e o efeito de sombreamento.
• Tipo e densidade das culturas: O tipo e a densidade das culturas afectam a quantidade de água e nutrientes que consomem e transpiram, bem como a biomassa e o rendimento que produzem. Diferentes culturas têm diferentes necessidades de luz e água, bem como diferentes tolerâncias e adaptações à sombra e ao calor. Uma plantação mais alta e mais densa das culturas pode aumentar o uso da água e a transpiração, bem como a biomassa e o rendimento, mas também pode aumentar a competição e o stress entre as culturas. Uma plantação mais baixa e esparsa das culturas pode reduzir o uso de água e a transpiração, bem como a competição e o stress entre as culturas, mas também pode reduzir a biomassa e o rendimento.

Benefícios da Agrivoltaica

A agrivoltaica pode proporcionar múltiplos benefícios para a energia solar e a agricultura, bem como para o ambiente e a sociedade. Alguns dos principais benefícios são:

• Melhor desempenho da energia solar: A agrivoltaica pode aumentar a eficiência e a produção de energia solar, reduzindo a temperatura e aumentando a umidade dos painéis solares. De acordo com um estudo do Departamento de Energia dos EUA, a agricultura voltaica pode aumentar a produção de energia solar em 8% a 15%, dependendo do clima e do tipo de cultura. [1]
• Aumento do rendimento e da qualidade das colheitas: A agricultura voltaica pode aumentar o rendimento e a qualidade das colheitas, proporcionando sombra parcial e protecção contra o stress térmico e radioativo. De acordo com um estudo da Universidade do Arizona, a agricultura voltaica pode aumentar o rendimento das culturas em 65% a 110%, dependendo do tipo de cultura e da configuração do painel solar. [1] A agricultura voltaica também pode melhorar a qualidade da colheita melhorando a cor, o tamanho, a forma e o valor nutricional das frutas e vegetais. [2]
• Redução do consumo de água e da evaporação: A agricultura voltaica pode reduzir o consumo de água e a evaporação tanto dos painéis solares como das culturas, criando um microclima mais fresco e húmido. De acordo com um estudo do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar, a agrivoltaica pode reduzir o consumo de água dos painéis solares em 75% e o consumo de água das culturas em 25%, em comparação com os sistemas convencionais. [3]

A agricultura voltaica também pode reduzir a evaporação da água do solo em 30% a 40%, dependendo do tipo de solo e da configuração do painel solar. [4]

• Maior biodiversidade e saúde do solo: A agricultura voltaica pode melhorar a biodiversidade e a saúde do solo, fornecendo habitat e alimento para polinizadores, aves e outros animais selvagens, bem como matéria orgânica e nutrientes para o solo. Segundo um estudo do Laboratório Nacional de Argonne, a agrivoltaica pode aumentar a biodiversidade de plantas e animais em 70% a 90%, em comparação com os sistemas convencionais. A agricultura voltaica também pode aumentar o carbono orgânico e o nitrogênio do solo em 5% a 10%, dependendo do tipo de cultura e da configuração do painel solar.
• Renda diversificada e oportunidades de emprego: A agricultura voltaica pode diversificar a renda e as oportunidades de emprego para as comunidades rurais, criando uma fonte dupla de receitas provenientes da energia solar e da agricultura, bem como um mercado potencial para produtos e serviços de valor acrescentado. Segundo estudo do Laboratório Nacional de Energias Renováveis, a agricultura voltaica pode aumentar a renda dos agricultores entre 35% e 95%, dependendo do tipo de cultivo e do preço da energia solar. A agrivoltaica também pode criar novos empregos e competências para instalação e manutenção solar, gestão e colheita de culturas, e agroturismo e educação. [1]
• Aumento da segurança alimentar e energética: A agrivoltaica pode aumentar a segurança alimentar e energética da região através da produção de fontes locais e renováveis de electricidade e alimentos, bem como aumentando a resiliência e adaptabilidade do sistema às alterações e variabilidade climáticas. A agricultura voltaica pode reduzir a dependência de combustíveis fósseis e alimentos importados, bem como a vulnerabilidade a fenómenos meteorológicos extremos, como secas, inundações e ondas de calor. A agrivoltaica também pode fornecer energia de reserva e fornecimento emergencial de alimentos em caso de interrupções na rede ou desastres.

Exemplos de exemplos de sucesso de Agrivoltaica em todo o mundo

A agrivoltaica é um campo de investigação e prática em crescimento e evolução, com muitos exemplos de sucesso e melhores práticas em todo o mundo. Alguns exemplos de projetos agrovoltaicos bem-sucedidos são:

• Jack’s Solar Garden: Este é um jardim solar comunitário de 1,2 megawatts e um local de pesquisa agrivoltaica no Colorado, EUA. Abrange cinco acres de terra e abriga 3.200 painéis solares que fornecem sombra e proteção para culturas como vegetais, ervas, flores e grãos. O local também apresenta habitat de polinizadores, pastoreio de ovelhas e apicultura, que melhoram a biodiversidade e a saúde do solo da terra. O local é um projeto colaborativo entre o proprietário do terreno, o desenvolvedor solar, a concessionária local, o Laboratório Nacional de Energia Renovável e a Universidade Estadual do Colorado. [5]
• Local de Teste Fraunhofer ISE: Este é um local de pesquisa agrivoltaica de 194 quilowatts em Heggelbach , Alemanha. É um dos primeiros e mais abrangentes sistemas agricultura voltaica da Europa, cobrindo 0,3 hectares de terra e albergando 720 módulos solares bifaciais. Os módulos solares são montados num sistema de rastreamento que otimiza a produção de energia solar e o efeito de sombreamento. As culturas incluem batata, trigo, trevo e aipo, que são cultivados organicamente e irrigados com água da chuva. O local também monitora o microclima, a umidade do solo e o rendimento e a qualidade das culturas. [6]
• Projeto Agri PV da Endesa & Enel: Este é um projeto agrivoltaico de 1 megawatt em Totana , Espanha. Abrange 4,7 hectares de terra e abriga 3.000 painéis solares que fornecem sombra e proteção para culturas como alface, brócolis e melão. Os painéis solares são instalados em uma estrutura fixa que permite que luz e ar suficientes cheguem às plantações. As lavouras são cultivadas com sistemas hidropônicos e de irrigação por gotejamento que reduzem o consumo de água e o uso de fertilizantes. O projeto também oferece oportunidades de renda e emprego para os agricultores locais. [7]
• Agricultura Agrivoltaica no Quénia: Este é um projecto agrivoltaico de 50 quilowatts em Nanyuki , Quénia. Abrange 0,5 hectares de terra e abriga 160 painéis solares que fornecem sombra e proteção para culturas como couve, espinafre e cenoura. Os painéis solares são instalados em um sistema rastreador de eixo único que segue o sol ao longo do dia e otimiza a produção de energia solar. As culturas são cultivadas com sistemas de irrigação por gotejamento e cobertura morta que reduzem o consumo de água e a evaporação. O projeto também fornece eletricidade e segurança alimentar para a comunidade local.
• Vinhedo Agrivoltaico na Itália : Este é um projeto agrivoltaico de 100 quilowatts em Montalcino, Itália. Abrange 1 hectare de terreno e abriga 390 painéis solares que proporcionam sombra e proteção às videiras. Os painéis solares são instalados numa estrutura fixa que permite que luz e ar suficientes cheguem às videiras. As videiras são cultivadas utilizando métodos orgânicos e biodinâmicos que melhoram a saúde do solo e a qualidade do vinho. O projeto também reduz as emissões de gases com efeito de estufa e a pegada hídrica da produção de vinho.
• No Arizona: A Universidade do Arizona opera um centro de pesquisa agrivoltaica na Biosfera 2, onde coloca painéis solares e culturas como vegetais, ervas, flores e grãos. O local demonstra os benefícios da agricultura voltaica para a produção de energia solar, rendimento e qualidade das colheitas, eficiência no uso da água, biodiversidade e saúde do solo. [1]
• No Novo México: O Santa Fe Community College administra um projeto agricultura voltaica que combina painéis solares e estufas. O projeto visa fornecer energia renovável e produção de alimentos para o campus e a comunidade, bem como oportunidades de educação e treinamento para estudantes e professores. [1]
• No Brasil: A Universidade Federal de Santa Catarina desenvolve um sistema agricultura voltaica que integra painéis solares e plantas de café. O sistema visa otimizar a geração de energia solar e a produção de café, bem como reduzir o impacto ambiental e o custo operacional de ambas as atividades. [8]
• Além do Arizona, Colorado e New Mexico, a rede InSPIRE  do NREL, conecta quase 30 locais em todo os Estados Unidos comprometidos com a pesquisa agrovoltaica. Juntos, esses locais se esforçam colaborativamente para construir uma compreensão abrangente de como os painéis solares influenciam o crescimento das culturas, os requisitos de água e a produtividade geral em vários climas e localizações geográficas.

Estes são apenas alguns dos exemplos de sistemas agrivoltaicos em todo o mundo, mostrando a sua viabilidade e potencial em regiões quentes e atingidas pela seca. A agricultura voltaica é uma forma promissora e inovadora de produzir energia renovável e alimentos de forma sustentável e sinérgica.

Quais são alguns desafios da agrivoltaica?

A agricultura voltaica é uma forma promissora e inovadora de produzir energia renovável e alimentos de forma sustentável e sinérgica, mas também enfrenta alguns desafios, tais como:

• Desafios técnicos: A agrivoltaica requer um design cuidadoso e otimização do painel solar e da configuração da cultura, bem como a integração dos sistemas elétricos e de irrigação. A agrivoltaica também precisa de considerar a compatibilidade e adaptabilidade dos diferentes tipos e variedades de culturas ao microclima alterado e ao efeito de sombreamento. A agricultura voltaica também deve lidar com a variabilidade e a incerteza da produção solar e das culturas, bem como com a manutenção e operação do sistema. [9, 10]
• Desafios económicos: A agrivoltaica envolve elevados custos de investimento inicial para os painéis solares, as estruturas de montagem e a instalação e ligação do sistema. A agrivoltaica também enfrenta barreiras de mercado e políticas, tais como a falta de incentivos, subsídios ou mandatos para a dupla utilização da terra, a concorrência com sistemas solares e agrícolas convencionais e a regulamentação e tributação da produção solar e agrícola. A agricultura voltaica também deve equilibrar os compromissos e os riscos entre as receitas solares e agrícolas, bem como a distribuição e partilha dos benefícios entre as partes interessadas. [9, 7]
• Desafios sociais: A agricultura voltaica requer a aceitação e participação dos agricultores, dos consumidores e do público, bem como a colaboração e coordenação dos sectores solar e agrícola. A agricultura voltaica também enfrenta barreiras culturais e comportamentais, como a falta de consciência, conhecimento e competências, a resistência à mudança e à inovação, e a preferência e percepção da qualidade solar e das culturas.

Como podemos superar os desafios da agrivoltaica?

Não existe uma resposta simples sobre como podemos superar os desafios da agricultura voltaica, pois envolvem aspectos técnicos, económicos, sociais e ambientais. No entanto, algumas estratégias possíveis são:

• Investigação e inovação: A agrivoltaica requer mais investigação e inovação para optimizar a concepção e configuração do painel solar e do sistema de cultivo, bem como para testar e avaliar o desempenho e o impacto de diferentes combinações de tecnologias solares e agrícolas. A investigação e a inovação também podem ajudar a desenvolver métodos e ferramentas novos e melhorados para a agricultura voltaica, tais como sensores, modelos, software e hardware. [1, 11]
• Promoção e apoio: A agricultura voltaica precisa de mais promoção e apoio para criar um ambiente favorável e estável para o seu desenvolvimento e implantação. A promoção e o apoio podem incluir incentivos à dupla utilização da terra, energia solar e produção agrícola, e produtos e serviços de valor acrescentado. A promoção e o apoio também podem incluir normas, definições e diretrizes para a qualidade, segurança e sustentabilidade dos sistemas agricultura voltaica. [1, 13]
• Educação e divulgação: A agricultura voltaica requer mais educação e divulgação para aumentar a consciência, o conhecimento e as competências dos agricultores, dos consumidores e do público, bem como para promover a aceitação e participação das partes interessadas. A educação e a divulgação podem incluir formação, workshops, visitas de campo, demonstrações e campanhas de comunicação para a agricultura voltaica. A educação e a divulgação também podem incluir a colaboração e a coordenação entre os setores solar e agrícola, bem como as comunidades de investigação e políticas.  [1, 9, 14]

Estas são algumas das estratégias que podem ajudar a superar os desafios da agricultura voltaica e a concretizar o seu potencial e benefícios. A agrivoltaica é uma forma promissora e inovadora de produzir energia renovável e alimentos de forma sustentável e sinérgica.

Concluindo, neste post Colaborativo Inteligente explicamos o que é agrivoltaica, como funciona e quais são seus benefícios. Mostrámos que a agricultura voltaica é uma solução vantajosa para a energia solar e a agricultura, uma vez que pode melhorar o desempenho de ambas, ao mesmo tempo que proporciona benefícios ambientais e sociais. Também demos alguns exemplos e melhores práticas de agricultura voltaica em todo o mundo, demonstrando a sua viabilidade e potencial. Esperamos que esta postagem do blog tenha inspirado você a aprender mais sobre a agricultura voltaica e a considerar sua aplicação em sua região. A agricultura voltaica é uma forma promissora e inovadora de produzir energia renovável e alimentos de forma sustentável e sinérgica.

Referências:

[1] UofA. (2018). What is Agrivoltaics.  https://research.arizona.edu/stories/what-is-agrivoltaics.

[1b] Goetzberger, A.; Zastrow, A. (1 January 1982). “On the Coexistence of Solar-Energy Conversion and Plant Cultivation”. International Journal of Solar Energy. 1 (1): 55–69. Bibcode:1982IJSE….1…55G. doi:10.1080/01425918208909875. ISSN 0142-5919.

[2] Percy Energy. (2023). Agrivoltaics Explained: Farming With Solar Panels (And Sheep!). https://www.perchenergy.com/blog/industry/what-is-agrivoltaics-solar-agriculture-farming.

[3] Ballard, T., J. Bousselot, J., Conrad, S., Gornick, B., Hayes, C., Hickey, T., Meyer, R., and Uchanski, M. (2023). Agrivoltaics in Colorado. University of Colorado. https://extension.colostate.edu/wp-content/uploads/2023/04/Agrivoltaics-Fact-Sheet-Final-2023-1-1.pdf.

[4]  Mereu, M. (2023). Powering the fields: how agrivoltaics revolutionizes farming and solar energy. Innovation Origins. https://innovationorigins.com/en/powering-the-fields-how-agrivoltaics-revolutionizes-farming-and-solar-energy/

[5] Rodríguez, L. 2021. Benefits of Agrivoltaics and 5 real-life examples of successful implementations. RatedPower. Spain.  https://ratedpower.com/blog/benefits-agrivoltaics-examples/.

[6] Hall, S. (2022). Can crops grow better under solar panels? Here’s all you need to know about ‘agrivoltaic farming. World Economic Forum. https://www.weforum.org/agenda/2022/07/agrivoltaic-farming-solar-energy/.

[7] Kuchta, D. (2022). Agrivoltaics: Where Solar Energy Meets Agriculture. Treehugger. https://www.treehugger.com/what-is-agrivoltaics-5705794.

[8] Kennedy, R. (2022). Agrivoltaics: Co-locating solar and agriculture yields mutual benefits. PV-Magazine. https://pv-magazine-usa.com/2022/09/08/agrivoltaics-co-locating-solar-and-agriculture-yields-mutual-benefits/.

[9] Weselek, A., Ehmann, A., Zikeli, S. et al. Agrophotovoltaic systems: applications, challenges, and opportunities. A review. Agron. Sustain. Dev. 39, 35 (2019). https://doi.org/10.1007/s13593-019-0581-3. https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-019-0581-3

[10] Davey, C. (2022). The Advantages and Disadvantages of Agrivoltaics. Earth Org.  https://earth.org/agrivoltaics/

[11] Lawal, A. (2023). Agrivoltaics Offer Solutions to Simultaneous Climate and Health Challenges. Nonprofitquarterly. https://nonprofitquarterly.org/agrivoltaics-offer-solutions-to-simultaneous-climate-and-health-challenges/

[12] Jeanne Yacoubou, J. (2022). Agrivoltaics: A Guide for Farmers and Ranchers About Combining Agriculture With Solar Farms. Green Coast. https://greencoast.org/agrivoltaics/

[13] Gupta, U. (2023). Challenges, opportunities for agrivoltaics in India. PV-Magazine. https://www.pv-magazine.com/2023/05/30/challenges-opportunities-for-agrivoltaics-in-india/

[14] Boyd, M. (2023). The Potential of Agrivoltaics for the U.S. Solar Industry, Farmers, and Communities. Solar Energy Technologies Office. US Dep of Energy.. https://www.energy.gov/eere/solar/articles/potential-agrivoltaics-us-solar-industry-farmers-and-communities