Agro-fotovoltaïk: landbouw- én zonne-energieproductie – een oplossing voor onze klimaat- en voedselproblematiek?

  • Agro-fotovoltaïsch systeem verhoogt de productiviteit van landbouwgrond met 160 procent
  • Zonnemodules stimuleren de groei van gras
  • De University of Arizona wil agro-fotovoltaïsch systeem installeren
  • Agro-fotovoltaïk kan landen met grondschaarste helpen meer energie en voedsel te produceren
  • Voordelen en uitdagingen
  • De toekomst van de moderne landbouw

De groeiende wereldbevolking, in combinatie met het toenemende tekort aan landbouwgrond, zou ertoe kunnen leiden dat we op een voedselcrisis afstevenen. Tel daar onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen bij op – en de daaruit voortvloeiende aanhoudende uitstoot van CO2 – en het wordt al gauw duidelijk dat deze combinatie in de toekomst verwoestende gevolgen kan hebben voor ons milieu – en daarmee de mensheid.

Onderzoekers en experts hebben de afgelopen jaren gewerkt aan oplossingen om deze uitdagingen het hoofd te bieden, maar deze zijn vooral gericht op het afzonderlijk behandelen van de twee problemen. Een innovatieve aanpak gebaseerd op agro-fotovoltaïk – een methode die akkerbouw en zonne-energie tegelijkertijd mogelijk maken – zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop we in de toekomst voedsel en energie produceren.

Agro-fotovoltaïk is niet nieuw maar krijgt de laatste tijd steeds meer aandacht. Het concept is eenvoudig en bestaat uit het plaatsen van zonnepanelen op landbouwgrond om duurzame energie te produceren en tegelijkertijd de gewasopbrengsten te verhogen. Nu de prijzen van zonnepaneeltechnologie steeds verder dalen, zou agro-fotovoltaïk een nieuwe basis kunnen worden voor de toekomst van de landbouw.

Agro-fotovoltaïsch systeem verhoogt de productiviteit van landbouwgrond met 160 procent

In de buurt van het Bodenmeer in Duitsland heeft het Fraunhofer-instituut een jaar lang experimenten met agro-fotovoltaïk uitgevoerd. Op een stuk landbouwgrond werden 720 dubbelzijdige zonnepanelen geïnstalleerd. Deze zijn efficiënter dan de traditionele, enkelzijdige panelen, omdat ze zonlicht aan beide kanten kunnen opvangen. Om te voorkomen dat de panelen de groei van gewassen zouden verstoren, werden deze vijf meter boven de grond geplaatst. Hierdoor krijgen de gewassen voldoende zonlicht en kunnen de landbouwmachines zonder problemen hun werk doen. Na een jaar testen concludeerde het team dat de landproductiviteit – door de combinatie van landbouw met zonne-energietechnologie – met 160 procent was toegenomen.

 Infographic met de resultaten van het agro-fotovoltaïsche systeem bij het Fraunhofer Institute

Het agro-fotovoltaïsche systeem van het Fraunhofer-instituut verhoogde de landproductiviteit in het eerste jaar met 160 procent en leidde in 2018 tot 186 procent efficiënter landgebruik per hectare.

Het team experimenteerde met verschillende gewassen, waaronder aardappelen, wintertarwe, klavergras en knolselderij. Voor de elektrische landbouwmachines werd gebruikgemaakt van de gegenereerde zonne-energie en het stroomsurplus werd verkocht aan het energiebedrijf Elektrizitätswerke Schönau. “Op basis van de aardappelopbrengst van 2018 steeg de efficiëntie van het landgebruik met het agrofotovoltaïsche systeem tot 186% per hectare”, vertelt Stephan Schindele van Fraunhofer ISE.

Voordat hun technologie op de markt wordt gebracht willen de onderzoekers eerst meer experimenteren met grotere systemen en hun technologische en economische potentieel en overdraagbaarheid naar andere regio’s demonstreren. “Vanuit het oogpunt van de landbouwwetenschappen is agro-fotovoltaïk een veelbelovende oplossing om zowel de efficiëntie van het landgebruik als het aandeel van hernieuwbare energie in de landbouwsector te vergroten”, zegt professor Iris Lewandowski, hoofd van de afdeling bio-based producten en energiegewassen aan de universiteit van Hohenheim.

Zonnemodules stimuleren de groei van gras

Ook andere experimenten met zonnepanelen op landbouwgrond hebben positieve resultaten opgeleverd. In 2018 onthulden experts van Oregon State’s College of Agricultural Sciences onderzoeksresultaten waaruit bleek dat zonnepanelen de gewasproductie op droog en niet-geïrrigeerd land kunnen verhogen. Als onderdeel van het onderzoek verrichtten de onderzoekers metingen naar verschillende variabelen, waaronder luchttemperatuur, vochtigheid, bodemvocht, windsnelheid en windrichting. Het team ontdekte dat zonnemodules de waterefficiëntie verhoogden omdat de verschillende grassoorten die onder de zonnepanelen werden gekweekt minder water nodig hadden. Volgens pv magazine resulteerde dit in 90 procent meer grasgroei.

 Infographic met onderzoeksresultaten van Oregon’s State College of Agricultural Sciences.
Uit onderzoek van het Oregon State College of Agricultural Sciences bleek dat zonnepanelen de waterefficiëntie van de grond eronder met 328 procent verbeterden, wat leidde tot 90 procent meer grasgroei.

Het verrassende is dat de onderzoekers nooit van plan waren om zonnepanelen te gebruiken voor het kweken van gewassen en toen ze de zonnepanelen op de campus van de universiteit installeerden, was het doel alleen om energie te produceren. Maar toen Chad Higgins, universitair hoofddocent aan de afdeling Biological and Ecological Engineering van de universiteit, met zijn collega’s op een dag langs de zonneboerderij liepen, merkten ze op dat er gras onder de panelen groeide. Na wat onderzoek gedaan te hebben, ontdekte het team dat de bodem onder de panelen een hogere vochtigheidsgraad had dan de grond die rechtstreeks aan de zon werd blootgesteld. Met andere woorden, planten die in de volle zon groeien hebben meer water nodig. Die planten groeien zover ze kunnen en daarna gaan ze dood. “De planten die in de schaduw staan nemen kleine beetjes water op omdat ze minder gestresst zijn en die blijven lekker doorgroeien”, zegt professor Higgins. De studie omvatte het monitoren van de groei van gras, wat gebruikt wordt als voedsel voor koeien en schapen. De onderzoekers hebben echter plannen om dit concept ook te testen op andere gewassen die in schaduwrijke omstandigheden kunnen groeien. “Er zijn verschillende planten die gelukkiger zijn in een schaduwrijke omgeving. De hoeveelheid water die gebruikt wordt voor deze planten is veel kleiner dan in het open veld. Je krijgt dus een verdubbeling van de opbrengst, minder waterverbruik en volop zonne-energie”, aldus Higgins.

De University of Arizona wil agro-fotovoltaïsch systeem installeren

Er zijn nog een aantal instellingen die met agro-fotovoltaïsche technologie experimenteren. Om te helpen voldoen aan de wereldwijde energie- en voedselbehoeften is de University of Arizona bijvoorbeeld van plan om een agro-fotovoltaïsche unit te installeren op het dak van het Environment and Natural Resources 2-gebouw (ENR2). De installatie zal naar verwachting plaatsvinden in de zomer van 2019. De universiteit heeft al een zonne-energiesysteem op zijn campus geïnstalleerd, maar het nieuwe systeem zou de hoeveelheid geproduceerde duurzame energie op de campus met 20 procent kunnen verhogen, elk jaar 50.000 kWh aan elektriciteit kunnen genereren en meer dan 1.040 ton aan koolstofemissies kunnen elimineren.

 Infographic met de potentiële voordelen van een agro-fotovoltaïsche unit op de campus van de University of Arizona
Het installeren van een agro-fotovoltaïsche unit op de campus van de University of Arizona kan leiden tot een 20% productiestijging van hernieuwbare energie op de campus en 50.000 kWh energie per jaar genereren – een besparing van $101.400 en 1.040 ton minder CO2-emissies.

Tegelijkertijd zou het project in de toekomst een aanzienlijke kostenbesparing op de energierekening kunnen opleveren. Het plan is om het gebied onder de zonnepanelen te gebruiken om schaduwtolerante planten te kweken en omdat het systeem schaduw biedt, zal dat de plantengroei ten goede komen, zoals we in het voorbeeld in de vorige paragraaf hebben kunnen zien. Bovendien biedt de universiteit ook rondleidingen aan waarbij studenten en leden van de gemeenschap meer te weten kunnen komen over agro-fotovoltaïk.

Agro-fotovoltaïk kan landen met grondschaarste helpen meer energie en voedsel te produceren

Agro-fotovoltaïk kan bovendien bijzonder nuttig zijn voor regio’s die kampen met grondschaarste. In de Amerikaanse staat Massachusetts bijvoorbeeld, zorgen hoge land- en arbeidskosten ervoor dat de landbouw een steeds minder aantrekkelijke carrièrekeuze wordt. En hoewel de staat zijn duurzame energiecapaciteit wil vergroten, neemt de grondschaarste als gevolg van de hoge bevolkingsdichtheid steeds verder toe, wat de verdere ontwikkeling van zonne-energieprojecten in de weg staat. Over het algemeen is het zo dat wanneer ontwikkelaars op het gebied van zonne-energie landbouwgrond toegewezen krijgen voor hun projecten, ze de bovenlaag verwijderen en betonnen funderingen plaatsen waar de constructies met de zonnepanelen op geïnstalleerd worden. Het land kan op die manier dus alleen worden gebruikt als zonneboerderij.

Maar als het land gebruikt wordt om zowel energie als voedsel te produceren kunnen de autoriteiten van Massachusetts hun plannen alsnog realiseren. Het Crop Research and Education Center van de University of Massachusetts heeft nu zonnepanelen 2,1 meter boven de grond geïnstalleerd en in tegenstelling tot conventionele zonneboerderijen zijn de panelen van de University of Massachusetts niet geclusterd. Onder de panelen verbouwen boeren boerenkool en spruitjes. De technologie staat nog in de kinderschoenen, maar Brad Mitchell, plaatsvervangend uitvoerend directeur van de Massachusetts Farm Bureau Federation, is van mening dat dit een zeer positieve ontwikkeling is. “Je kunt op deze manier landbouw bedrijven en hetzelfde land gebruiken om geld te verdienen met de productie van zonne-energie”, aldus Mitchell.

Voordelen en uitdagingen

Het is duidelijk dat agro-fotovoltaïk in gebieden die kampen met water- en landschaarste de perfecte oplossing zou zijn want gewassen die onder zonnepanelen groeien hebben veel minder water nodig en groeien bovendien beter. Dit leidt tot betere landefficiëntie en hogere opbrengsten. Naast de onmiskenbare voordelen voor het milieu levert dit ook enorme economische voordelen op. Het exploiteren van kolencentrales wordt steeds duurder, terwijl de productie van zonne-energie juist goedkoper wordt. In de VS kan bijvoorbeeld 74 procent van de kolencentrales in het land “geleidelijk worden uitgefaseerd om plaats te maken voor hernieuwbare energie”.

Het enige obstakel dat veel boeren ervan weerhoudt om met agro-fotovoltaïk te experimenteren zijn de hoge installatiekosten van zonnepanelen. Deze investering loont echter op de lange termijn, omdat boeren niet alleen meer voedsel produceren, maar ook gratis groene energie genereren. Boeren zullen geen last meer hebben van onverwachte stroomuitval, omdat de zonne-energie kan worden opgeslagen, waardoor de boerderijen volledig energieonafhankelijk kunnen zijn. De gevolgen van klimaatverandering zullen in de toekomst een steeds zwaardere tol eisen en agro-fotovoltaïk is een waardevolle potentiële oplossing voor de uitdagingen waar de landbouw mee te maken krijgt.

De toekomst van de moderne landbouw

Door de opwarming van de aarde worden boeren steeds vaker geconfronteerd met ernstige problemen. De wereldbevolking groeit explosief en daarmee neemt de vraag naar voedsel toe. Hoewel agro-fotovoltaïk nog niet op grote schaal wordt toegepast, kan deze gecombineerde gewas- en energieproductiemethode de landbouw volledig transformeren. Nu de prijzen van zonnepaneeltechnologie steeds verder dalen, zou agro-fotovoltaïk een nieuwe basis kunnen worden voor de toekomst van de landbouw.

Gratis e-books voor 13 sectoren.

De wereld verandert in snel tempo en dat heeft grote impact op all sectoren. Daarom hebben we voor maar liefst 13 sectoren een compact e-book ontwikkeld. Daarin vind je de laatste trends op een rij, onderbouwd met interessante statistieken.
Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Trendwatcher, futurist en internationaal topspreker Richard Van Hooijdonk neemt je mee naar een inspirerende toekomst die leven, werken en ondernemen drastisch gaat veranderen.

Alle Lezingen