Zonnepanelen op landbouwgrond kunnen de klimaatdoelstellingen verzoenen met de voedselproductie, schrijft Austin Kay van het Centre for Integrative Semiconductor Materials van de Swansea University. Hij werkte mee aan een tool om de duizenden combinaties aan technologie en gewassen snel te kunnen analyseren.
In de race om de netto nuldoelstellingen moeten emissies van alle industriële sectoren dringender dan ooit naar beneden. Ook landbouw – goed voor 22 procent van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen – speelt daar een belangrijke rol in.
Eén manier om landbouw CO2-vrij te maken, is de integratie van fotovoltaïsche zonnepanelen (PV’s) in landbouwvelden, serres en graasweiden. Dat soort ‘agrivoltaïsche technologie’ kan boeren helpen hun klimaatvoetafdruk te verkleinen en toch voedsel te blijven produceren.
Agrivoltaïsche technologie (of agrivoltaics) komt ook tegemoet aan van de belangrijkste kritieken op zonne-energie: dat zonneparken grote stukken landbouwgrond ‘verspillen’ die anders gebruikt zou kunnen worden voor voedselproductie. In het Verenigd Koninkrijk beslaan zonneparken momenteel maar 0,15 procent van het totale landoppervlak – niet veel vergeleken met de 70 procent van de oppervlakte die voor landbouw gebruikt wordt.
Veeteelt
Het eenvoudigste voorbeeld van een agrivoltaïsch systeem zijn conventionele, kristallijne siliciumpanelen (het toonaangevende type op de markt) in een weide met vee. Deze methode is de afgelopen jaren steeds populairder geworden – om drie belangrijke redenen.
Ten eerste verbetert het de biodiversiteit, omdat de velden niet worden gebruikt voor slechts één gewas (monocultuur), regelmatige gewasrotatie ondergaan of geoogst worden voor voeder.
Ten tweede verhoogt het de productie, omdat vee profiteert van de schaduw en de gezondere weidegroei. Tot slot heeft de zonneboerderij lagere onderhoudskosten, omdat vee het gras kort kan houden. Dat alles wordt bereikt terwijl de zonnepanelen lokaal gegenereerde, schone energie leveren.
Problemen
Maar als ze niet goed zijn opgesteld, kunnen agrivoltaïsche systemen nog steeds problemen veroorzaken. Een van de belangrijkste uitdagingen in combinatie met gewassen is een evenwicht vinden tussen zonlicht voor de planten en voor de zonnepanelen. Gewassen hebben licht nodig om te groeien, en als zonnepanelen te veel zonlicht blokkeren, kan dat de oogst verminderen.
Dat probleem verschilt sterk van plaats tot plaats. In landen met minder zonnige dagen moeten de panelen meer zonlicht doorlaten. Maar op plekken als Spanje of Italië kan wat schaduw gewassen juist helpen door de stress van intense hitte tijdens de zomermaanden te verminderen. De juiste balans vinden is lastig, want afhankelijk van de lokale omstandigheden, het soort gewas en zelfs de behoeften van bestuivers zoals bijen.
De complexiteit wordt nog groter als we kijken naar het type zonnepaneel dat wordt gebruikt. Traditionele zonnepanelen zijn niet altijd geschikt omdat ze vaak ook de golflengtes – de kleuren – van licht blokkeren die planten nodig hebben.
Nieuwe technologie
Nieuwe materialen, zoals organische halfgeleiders of perovskiet-panelen, kunnen dan een oplossing bieden. Ze kunnen zo worden aangepast dat ze gewassen het licht geven dat ze nodig hebben en tegelijkertijd energie blijven opwekken.
In tegenstelling tot traditionele halfgeleiders – meestal kristallen van metaal- en metalloïde-atomen – zijn organische halfgeleiders moleculen die voornamelijk uit koolstof en waterstof bestaan. Perovskieten zijn dan weer een hybride van organische en anorganische halfgeleiders.
Er zijn in feite duizenden combinaties van deze materialen om uit te kiezen, waarbij wetenschappelijke literatuur een overvloed aan opties bevat. Uitzoeken welke combinatie het beste werkt, kan een onoverkomelijke taak lijken.
Maar dat is waar computertechnologie een groot verschil kan maken. In plaats van elk materiaal te testen in echte omstandigheden – wat jaren zou duren en ongelooflijk duur zou zijn – kunnen onderzoekers simulaties gebruiken om hun prestaties te voorspellen. De modellen kunnen helpen om veel sneller en goedkoper de beste materialen te vinden voor specifieke gewassen en klimaten.
Een speciale tool
Swansea University heeft daarom een open-source tool ontwikkeld die helpt om verschillende PV-materialen te vergelijken en de beste oplossing te vinden. Ons systeem gebruikt geografische data en realistische simulaties van hoe verschillende PV-materialen presteren.
De tool houdt rekening met hoe het licht door de materialen reist en reflecteert, en met andere belangrijke prestatiescores zoals voltage en output. Het is ook mogelijk om labresultaten voor nieuwe materialen te vertalen naar realistische scenario’s op het terrein.
Dankzij de tool hebben ze gesimuleerd hoe verschillende materialen een jaar lang zouden presteren per vierkante meter, en dat in verschillende regio’s. En ze berekenden hoeveel licht er door de materialen kon passeren om te verzekeren dat gewassen genoeg zonlicht krijgen om te bloeien.
Door die simulaties voor meerdere materialen uit te voeren, konden ze de meest geschikte opties vinden voor specifieke gewassen en klimaten.
Dergelijke tools kunnen een cruciale rol spelen in onze inspanningen om de landbouw koolstofvrij te maken door de ontwikkeling van agrovoltaïsche systemen te begeleiden. Toekomstig onderzoek zou die simulaties kunnen combineren met milieu-impactanalyses en economische studies. Dat zou ons helpen begrijpen hoeveel energie ze van een zonnepaneel kunnen verwachten tijdens de levensduur in vergelijking met de hulpbronnen en kosten die komen kijken bij de productie.
Uiteindelijk zou deze tool onderzoekers en beleidsmakers kunnen helpen bij de keuze van de meest efficiënte, kosteneffectieve en milieuvriendelijke manieren om de landbouw koolstofvrij te maken en ons dichter bij de wereldwijde netto-nul-emissies te brengen.
