Sådan kan landbrug og solceller på marken gå hånd i hånd

Med Parisaftalen satte verden sig for at indfri en målsætning om en nettoudledning af drivhusgasser på nul, og i dag haster det mere end nogensinde med at mindske dem fra alle industrisektorer.

Landbruget, som bidrager med op til 22 procent af den globale udledning af drivhusgasser, er et vigtigt fokusområde.

En måde at mindske kulstofudledningerne i landbruget på er at kombinere agerdyrkning og dyrehold med solcelleteknologi ved at integrere solpaneler på marker med afgrøder, drivhuse og områder med husdyrhold.

Metoden, som ofte bliver kaldt 'agrivoltaics', kan hjælpe landmændene med at reducere deres CO₂-aftryk, mens de fortsat producerer fødevarer.

Fra 'arealspild' til dobbelt anvendelse

'Agrivoltaics' kan også afbøde effekten af ét af de vigtigste kritikpunkter, der ofte bliver fremsat mod solenergi: At solcelleanlæg er 'spild' af store områder af landbrugsjord, som ellers kunne bruges til fødevareproduktion.

På nuværende tidspunkt optager solcelleanlæg kun 0,15 procent af Storbritanniens samlede areal - og det er ikke meget i forhold til de 70 procent af arealet, der er afsat til landbrug.

Det mest enkle eksempel på et 'agrovoltaisk' system er konventionelle, krystallinske siliciumsolceller (de mest almindelige solpaneler), installeret i marken sammen med husdyrene.

Denne metode er blevet mere og mere populær i de senere år af tre årsager:

• Den fremmer og øger biodiversiteten, fordi markerne ikke kun bliver brugt til én afgrøde (monokultur), med regelmæssigt sædskifte eller høstes til ensilage.
• Den øger produktionen, fordi dyrene nyder godt af skyggen og den sundere vækst på græsgangene.
• Solcelleanlæg reducerer omkostningerne til vedligeholdelse, fordi dyrene kan holde græsset nede - og det sker alt sammen, mens solpanelerne leverer ren energi, som er genereret lokalt.

Balancere afgrødernes og solpanelernes lysbehov

Men hvis de ikke bliver sat op korrekt, kan 'agrivoltaics' forårsage problemer.

Én af de største udfordringer, når 'agrivoltaics' bruges på marker, hvor der dyrkes afgrøder, er at balancere behovet for sollys mellem afgrøder og solpaneler.

Afgrøderne har brug for lys for at vokse, og hvis solpanelerne blokerer for meget sollys, kan det have en negativ effekt på afgrødeudbyttet.

Denne udfordring varierer fra sted til sted. I lande med færre solskinsdage som Storbritannien er det vigtigt, at mere sollys kan trænge igennem panelerne.

Men steder som Spanien eller Italien kan lidt skygge faktisk hjælpe afgrøderne ved at reducere stress fra den intense varme i sommermånederne.

Det er svært at finde den rigtige balance, da det afhænger af lokale forhold, typen af afgrøder og endda behov hos bestøvere som bier.

Det bliver endnu mere komplekst, fordi vi også skal tage højde for, hvilket materiale solcellerne skal laves af.

Konventionelle siliciumsolceller er ikke altid egnede, fordi de ofte blokerer for de bølgelængder (farver) af lys, som planterne har brug for.

Det er her, nyere materialer – som organiske halvledere og perovskit-solceller – er ideelle, fordi de kan tilpasses, så afgrøderne får det lys, de har brug for, mens de stadig genererer energi.

I modsætning til traditionelle uorganiske halvledere, som i bund og grund er krystaller af metal og halvmetalliske atomer, er organiske halvledere molekyler, som hovedsagelig består af kulstof og brint.

Perovskit-solcellerne er en hybrid mellem organiske og uorganiske halvledere.

Tusindvis af kombinationer at vælge imellem

Der er faktisk tusindvis af kombinationer af disse materialer at vælge imellem, og den videnskabelige litteratur byder på et væld af muligheder. Det kan være en overvældende opgave at finde ud af, hvilket materiale eller kombination der fungerer bedst.

Det er her, et beregningsværktøj kan gøre en stor forskel. I stedet for at teste hvert materiale - hvilket vil tage flere år og være utroligt dyrt - kan forskere bruge simuleringer til at forudsige solcellernes præstationsevne.

Modellerne kan hjælpe med at identificere de bedste materialer til specifikke afgrøder og klimaforhold, hvilket sparer både tid og ressourcer.

Vi har udviklet et beregningsværktøj

Vi har udviklet et open source-værktøj, der hjælper med at sammenligne forskellige materialer, og som gør det nemmere at identificere de bedste muligheder for 'agrivoltaics'.

Vores værktøj bruger geografiske data og realistiske simuleringer af, hvordan forskellige solcellematerialer præsterer.

Vores beregningsværktøj tager højde for, hvordan lyset bevæger sig gennem materialerne, hvordan det bliver reflekteret, såvel som andre vigtige mål som spænding og udgangseffekt.

Værktøjet kan også tage laboratoriebaserede målinger af materialerne og anvende dem på scenarier i den virkelige verden.

Ved hjælp af dette værktøj simulerede vi, hvor meget strøm forskellige materialer kan generere per kvadratmeter i løbet af et år på tværs af forskellige regioner. Og vi beregnede, hvor meget lys der passerede gennem materialerne for at sikre, at det var nok til, at afgrøder kunne trives.

Tættere på en global netto-nuludledning

Ved at køre simuleringer for flere materialer identificerede vi de bedst egnede muligheder for specifikke afgrøder og klimaforhold.

Værktøjer som vores kan spille en afgørende rolle i mindske kulstofudledningen i landbrugssektoren ved at vejlede i, hvordan de 'agrovoltaiske' systemer kan udformes. Fremtidig forskning kan kombinere simuleringer med analyser af de økonomiske og miljømæssige konsekvenser.

Det vil hjælpe os med at forstå, hvor meget energi vi kan forvente af et solpanel i løbet af dets levetid sammenlignet med de ressourcer og omkostninger, der er involveret i at producere det.

I sidste ende kan vores værktøj hjælpe forskere og politiske beslutningstagere med at vælge de mest effektive, miljøvenlige og omkostningseffektive måder at reducere eller helt fjerne kulstofudledningen fra landbruget på og hjælpe os tættere på at opnå en netto-nuludledning på globalt plan.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.