Agrivoltaico sostenibile (e trasparente)
DALLE RICERCHE DEL CENTRO CHOSE DI ROMA NASCONO NUOVI MODULI FOTOVOLTAICI PENSATI PER I TETTI DELLE SERRE
Il fotovoltaico integrato (FV) sta ricevendo sempre maggiore attenzione per gli sviluppi tecnologici in Europa, e a fronte delle inaspettate incertezze sui mercati mondiali dell’energia e delle risorse. La rapida crescita delle fonti di energia rinnovabili installate localmente è utile per diminuire la dipendenza dalle forniture di energia fossile ed è altamente desiderabile anche in agricoltura. L’obiettivo è utilizzare sempre più ampie aree per l’installazione di impianti fotovoltaici, accelerando così l’espansione delle energie rinnovabili in linea con gli obiettivi climatici europei.
Ridurre la domanda di energia e la dipendenza dai combustibili fossili è fondamentale per migliorare la sostenibilità delle serre, che sono i sistemi a più alta intensità energetica nel settore agricolo. I tetti delle serre rappresentano aree di potenziale non sfruttato pronte per l’integrazione fotovoltaica. Questa applicazione è di particolare interesse, in quanto l’energia fotovoltaica prodotta può essere utilizzata direttamente per scopi agricoli all’interno della serra, consentendo positive ricadute commerciali. Poiché i profili di utilizzo dell’energia in serra possono essere più elevati durante il giorno, la produzione fotovoltaica si adatta bene all’auto utilizzo nei sistemi di irrigazione o HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria). Inoltre, nelle serre vi è la necessità di sistemi di protezione delle colture per mitigare l’eccessivo irraggiamento solare, e il fotovoltaico integrato può essere una forma di ombreggiamento attivo.
Più in generale, ci si può aspettare un incremento delle superfici delle serre per proteggere le colture dagli effetti di condizioni meteorologiche estreme come tempeste, grandine o siccità, che si verificano a frequenze più elevate a causa del cambiamento climatico. Il settore delle serre quindi aumenterà l’area disponibile per infrastruttura FV integrata. Sfruttare questo potenziale potrebbe inoltre aiutare ad affrontare problemi sociali come il conflitto nell’uso del suolo, la decarbonizzazione del settore agricolo e portare a una maggiore sicurezza alimentare.
L’Agrivoltaico è recentemente emersa come una strategia per combinare l’attività agricola e la produzione di energia attraverso il fotovoltaico.
Il limite chiave di questa tecnologia è che l’Agrivoltaico rappresenta una complessa sfida di gestione della luce solare: la produzione di energia fotovoltaica riduce la luce disponibile per le piante per supportare la fotosintesi. I sistemi devono essere progettati attorno a concetti di condivisione della luce solare, per ottenere il massimo utilizzo sinergico della produzione agricola e di energia. Il retrofit (ovvero l’aggiunta di nuove tecnologie o funzionalità a sistemi già esistenti, ndr) con sistemi fotovoltaici deve considerare le interazioni con la struttura della serra esistente, nonché i requisiti energetici delle apparecchiature per il controllo del clima. In particolare, le influenze dell’ombreggiatura fotovoltaica sui parametri agronomici devono essere considerate attentamente.
I pannelli semitrasparenti
In primo luogo, bisogna considerare la risposta delle piante alla luce e gli aspetti tecnologici fondamentali delle serre (in vetro, a tunnel). Il fotovoltaico semitrasparente offre soluzioni a questo problema fondamentale. Particolare attenzione deve essere dedicata alle nuove tecnologie fotovoltaiche flessibili e semitrasparenti, come le celle solari organiche (OPV – Organic PV), o sensibilizzate con coloranti (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cells) o basate su perovskite (PVSK), che consentono la facile integrazione dei moduli fotovoltaici in strutture di serre esistenti o di nuova concezione. Queste nuove tecnologie fotovoltaiche hanno un enorme potenziale dovuto alla possibilità di formulare materiali in grado di sintonizzare le loro caratteristiche spettrali in base alle caratteristiche degli impianti, delle colture e alla capacità di ottimizzare l’uso dell’energia solare in serre ad alta tecnologia (come ad esempio le colture idroponiche). L’ombreggiatura attraverso questi sistemi innovativi ha anche dimostrato di creare un’atmosfera adatta per la crescita delle colture, specialmente nelle regioni calde e tropicali.
I sistemi Agrivoltaici semitrasparenti possono essere adattati a condizioni di crescita appropriate (sia per le diverse varietà vegetali che per le caratteristiche della geografia locale) e allo stesso tempo produrre elettricità per coprire il fabbisogno energetico durante tutto l’anno (ad es. per ventilazione e irrigazione in serre a tunnel in condizioni climatiche calde), e possono anche garantire una maggiore resa delle colture.
Queste nuove tecnologie sono ormai in grado di garantire affidabilità, replicabilità, robustezza e facilità di manutenzione del sistema e delle sue prestazioni, adeguatezza dei costi economici. Inoltre, il fotovoltaico integrato offre anche un impatto ridotto al suolo dai sistemi fotovoltaici, grazie all’integrazione in edifici a effetto serra già esistenti.
Costi e benefici
Il consumo specifico di elettricità di una serra varia in un ampio intervallo (2-260 kWh/m2/anno). In generale, il fabbisogno di energia elettrica in serra è influenzato da un gran numero di parametri, tra cui il tipo di coltura, l’ubicazione della serra e le caratteristiche tecniche (orientamento, materiale di copertura e livello tecnologico di coltivazione), ed è quindi difficile una valutazione univoca ed universale. Facendo riferimento alle condizioni climatiche mediterranee, è stato stimato un consumo elettrico specifico che va da 2 kWh/m2/anno per una serra a bassa tecnologia fino a 9 kWh/m2/anno, per una serra dotata di sistemi di climatizzazione (raffrescamento e ventilazione) e irrigazione.
La domanda di energia elettrica per unità di superficie serra si attesta a valori più elevati, nell’intervallo 100 kWh/m2/anno, quando l’energia elettrica è l’unico vettore energetico utilizzato per soddisfare la domanda di riscaldamento e raffrescamento, come nel caso delle serre dotate di pompe di calore reversibili.
Rispetto ai tradizionali sistemi fotovoltaici in silicio su tetto, le tecnologie semitrasparenti selettive in lunghezza d’onda possono avere un impatto negativo minimo sull’attività fotosintetica delle piante in serra.
Inoltre gli agricoltori e le aziende saranno incoraggiati a produrre localmente, garantendo una maggiore sicurezza alimentare e riducendo la dipendenza dalle importazioni, e migliorando la competitività, sostenibilità, circolarità e diversità delle fattorie regionali e locali in serra. Lo sviluppo di serre con moduli fotovoltaici trasparenti nel range fotoattivo delle piante (Photosynthetically Active Radiation range, PAR) non consentirà solo la generazione di energia elettrica senza concorrenza per il cibo, ma darà anche un forte impulso all’industria europea del fotovoltaico innovativo, come l’OPV. Nella sola Europa si contano oltre 158.000 ettari di serre (laminati e vetro), corrispondenti a un potenziale di 79 GWp di potenza installata (al 5% di efficienza). Coprendo solo il 20% dell’area della serra con OPV porterebbe quindi a una potenza fotovoltaica installata totale di ~16 GWp. Oltre a ciò, il potenziale per le fabbriche di moduli OPV europee è ancora più elevato se si considera il mercato globale, poiché si stima che l’area in serra a livello mondiale sia di circa 5.630.000 ettari, 33 volte l’area in Europa.
I limiti attuali
Gli ostacoli all’applicazione commerciale dell’Agrivoltaico basato su FV semitrasparente (OPV, DSSC, PVSK) possono derivare da aspetti tecnologici (limitata stabilità) ma anche economici. Questi ultimi possono ostacolare seriamente la penetrazione nel mercato di questa tecnologia, a causa del fatto che i prezzi dei moduli OPV non scendono con lo scale-up della produzione.
È piuttosto probabile che i costi per il riscaldamento e l’elettricità aumentino, il che renderà più interessante l’installazione dei moduli OPV nelle serre. È necessario uno sforzo per ridurre la quantità ed il costo dei materiali necessari, ad esempio riducendo il costo per l’incapsulamento con barriere al vapore acqueo e all’ossigeno sopra gli strati attivi o impiegando polimeri semiconduttori di ridotta complessità sintetica. L’unico elemento raro contenuto nei moduli OPV è l’indio, che fa parte dell’elettrodo inferiore trasparente, ma può essere sostituito da nanofili d’argento, processabili da soluzione.
Poiché i moduli OPV non contengono materiali tossici, nel prossimo e medio termine non sono previste normative ostruzionistiche. Questo rischio è ulteriormente mitigato dallo sviluppo di concetti di riciclaggio sostenibili, che ridurranno gli effetti di fine vita sull’ambiente. I moduli sono leggeri, in quanto non comprendono il vetro, quindi le preoccupazioni strutturali non sono rilevanti. Sono costituiti da uno strato organico ultrasottile rivestito su un sottile substrato di film in PET, il che garantisce anche un basso rischio di incendio.
Il CHOSE (Centre for Hybrid and Organic Solar Energy) studia polimeri fotoattivi con spettri di assorbimento selettivi, adottando processi di fabbricazione green (solventi green, scalabilità su larga area), e studia il compromesso tra efficienza fotovoltaica e requisiti spettrali delle colture con apposite camere di crescita, per alcune delle colture ortoflorovivaistiche più significative, in collaborazione con l’Orto Botanico dell’Ateneo di Roma Tor Vergata.
Progetti di ricerca come quelli portati avanti al CHOSE di Roma, basati sull’agrivoltaico, permettono una contaminazione di conoscenze e competenze in grado di soddisfare la domanda di energia in serra, soprattutto quelle tecnologicamente più avanzate. In questo modo, possono essere messe inatto produzioni sinergiche e complementari (aquaponica, itticoltura) secondo i paradigmi dell’economia circolare, riducendo i consumi energetici e il corrispondente impatto sull’ambiente, e promuovendo uno sviluppo sostenibile, quale contributo per promuovere la ripresa verde, offrendo possibili soluzioni rispetto agli effetti della crisi economica e climatica.
