Pedro Pérez Higueras
Grupo de investigación “Advances in Photovoltaic Technology” de la Universidad de Jaén
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Pedro Pérez Higueras
Grupo de investigación “Advances in Photovoltaic Technology” de la Universidad de Jaén pjperez@ujaen.es
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1. Introducción
El Informe Mundial sobre el Desarrollo Sostenible 2019 (Messerli et al., 2019) presenta una evaluación de los retos pendientes y de los que estamos lejos de cumplir las expectativas planteadas. En él informe se identifica el cambio climático y las desigualdades como desafíos globales clave y se destacan los puntos de partida más importantes para potenciar las relaciones entre distintos elementos y para acelerar el avance hacia el cumplimiento de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), entre los cuales los Objetivos 2 y 7 busca garantizar el acceso universal a los alimentos y a la energía, de forma asequible y sostenible.
La Unión Europea, como parte de los países comprometidos, ha implementado diferentes planes y herramientas para abordar la descarbonización, integración de renovables, eficiencia y seguridad energética e innovación. El 11 de diciembre de 2019, en virtud del Pacto Verde Europeo, la Unión se comprometió a hacer frente a los retos energéticos, climáticos y medioambientales y a conseguir la neutralidad climática para 2050, de conformidad con el Acuerdo de París. Para ello, la transformación del sistema energético de la Unión desempeña un papel fundamental, ya que tanto la producción como utilización de energía representan más del 75 % de sus emisiones de gases de efecto invernadero. En 2022, las energías renovables representaron el 23 % del consumo de energía de la Unión Europea. En 2023, los legisladores aumentaron el objetivo de la Unión en lo que respecta a la cuota de fuentes de energía renovables en el consumo bruto de energía para 2030 del 32 % al 45 %.
Entre las energías renovables más prometedoras, la energía solar fotovoltaica destaca significativamente. Los precios de los módulos fotovoltaicos han disminuido de manera exponencial, situándose por debajo de 0,15 €/W implicando una caída del 42% desde el precio de 2020. Además, un informe de Rethink Technology Research predice que el precio módulo fotovoltaico volverá a caer hasta los 0,09 €/W en 2030 y hasta los 0,07 €/W en 2040, lo que supone un descenso del 53% del precio actual. Esta reducción del precio de los módulos ha propiciado, según el informe Global Market Outlook for Solar Power 2024-2028, que la capacidad fotovoltaica instalada a nivel mundial aumente un 87 % respecto del año anterior, alcanzando los 446 GW y una potencia total acumulada a nivel mundial de 1.600 GW. Este crecimiento del mercado fotovoltaico ha llevado a una reducción de aproximadamente el 80% del coste de la energía eléctrica de origen fotovoltaica, ubicándola entre las fuentes de energía más competitivas, junto a la energía eólica (Badouard et al., 2020).
Además de su competitividad económica, la energía fotovoltaica presenta ventajas adicionales como su flexibilidad y modularidad, lo que la hace ideal para su integración en sistemas de autoconsumo en edificios, industrias, etc. También destaca por su capacidad de generar empleo, siendo la fuente de energía con mayor impacto en la creación de empleo, con 12 puestos de trabajo generados por cada millón de euros invertido, según la Comisión Europea (European Commmission, 2021)
Uno de los mayores inconvenientes que tiene la energía fotovoltaica es la mayor necesidad de suelo en comparación con otras tecnologías, donde 1 GW supone ocupar en torno a 2.000 ha de terreno. Extrapolando estos datos a los objetivos marcados para 2030, serían necesarias alrededor de 60.000 ha en España para completar la instalación de los 30 GW previstos. Esta alta necesidad de suelo puede llegar a entrar en conflicto con otras actividades tradicionales,
principalmente la agricultura, además de provocar un alto impacto ambiental, especialmente en aquellas zonas denominadas “tierras baldías”, con bajo valor económico, pero alto valor ambiental (Serrano et al., 2020).
En un momento en el que la población mundial va en aumento y se estima superar los 9.000 millones de personas en 2050, la producción de alimentos va a tener que aumentar en un 70% (FAO, 2009). Reducir la superficie cultivable total para favorecer la instalación de energías renovables no parece una opción sostenible, además de ir en contra del principio “Do No Significant Harm” (European Commmission, 2021) que establece que no se deben alcanzar los objetivos de uno de los desafíos planteados a costa de perjudicar otros. Pero existen varias alternativas para reducir el uso del suelo en las instalaciones fotovoltaicas, entre ellas, la integración en edificios, la fotovoltaica flotante o la Agrivoltaica. Considerando la Agrivoltaica como la generación de energía fotovoltaica y la producción agrícola de forma simultánea en el mismo terreno, o la integración de la fotovoltaica en la agricultura, compartiendo recursos y no compitiendo por ellos de forma excluyente. 2. Respuesta de las plantas a la luz
La luz es uno de los factores más importantes para el crecimiento y desarrollo de las plantas, regulando la fotosíntesis, la morfogénesis, el metabolismo y otras respuestas fisiológicas (Xu, 2018). La intensidad de la luz en horticultura se mide a través de la densidad del flujo de fotones que incide sobre la hoja (µmol photons/m2s), dentro del rango PAR, que es el rango espectral que las plantas pueden aprovechar, y que está entre los 400 nm y los 700 nm de longitud de onda. Por otro lado, la fotosíntesis se mide a través del intercambio de CO2 que tiene lugar por unidad de tiempo y superficie (µmol CO2/m2s). Al realizar la medida de fotosíntesis para distintas intensidades lumínicas obtenemos una curva que relaciona la fotosíntesis de la planta frente a la radiación que recibe, que tiene un aspecto similar al de la Figura 1. Para bajos niveles de radiación se produce un crecimiento casi lineal de la fotosíntesis con respecto a la irradiancia hasta que se llega al punto de saturación de la luz. El punto de saturación de la luz es aquel en el que la fotosíntesis deja de crecer y alcanza su máximo nivel. A partir de aquí, un incremento en el nivel de radiación no llevará asociado un aumento de la fotosíntesis. Por el contrario, si se excede el punto de saturación podrían llegar a la fotoinhibición y a dañar las células de las plantas. Cada cultivo tiene una respuesta fotosintética a luz distinta, aunque de forma general se suelen clasificar en plantas tolerantes a la sombra, en las que el punto de saturación se alcanza para bajos niveles de irradiancia, y plantas intolerantes a la sombra o amantes del sol, cuyo punto de saturación se alcanza para niveles más altos de irradiancia y suelen sufrir en menor medida el efecto de la fotoinhibición. Sin embargo, incluso para aquellos cultivos considerados amantes del sol, el punto de saturación suele encontrarse en torno a los 1000 µmol photons/m2s o por debajo. Si traducimos esto a valores de irradiancia considerando el espectro solar estándar AM1.5 (Masa del aire de referencia) esto equivaldría aproximadamente a 500 W/m2 (que es un valor de radiación media y que se suele superar a diario). Por lo tanto, en teoría es posible aprovechar el exceso de radiación que no se utiliza en la fotosíntesis para la generación de energía eléctrica mediante fotovoltaica.
De forma similar a como ocurre con las células fotovoltaicas, la fotosíntesis de las plantas también se caracteriza por su respuesta espectral, es decir, no todas las longitudes de onda de la luz contribuyen con la misma eficiencia a la fotosíntesis. Para conocer esta respuesta espectral de las plantas podemos analizar la absorción de la clorofila A y B y los carotenoides, que son los
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fotorreceptores encargados de activar la fotosíntesis. Como puede verse en la Figura 2, la absorción de estos pigmentos presenta unos máximos en las longitudes de onda del violeta y el azul y en la longitud de onda roja. Por el contrario, la absorción en las longitudes de onda verdes y amarillas es muy pequeña. Por todo esto, sería muy interesante conseguir aprovechar para la producción de energía fotovoltaica las longitudes de onda fuera de la zona PAR (IR y UV), dejando que las longitudes de onda más eficientes, como la roja y la azul, lleguen a las plantas.
1. Ratio de fotosíntesis vs intensidad de luz de una variedad de olivo medida con un analizador de gases infrarrojo
La uniformidad de la luz es otro de los factores más importantes para el crecimiento de las plantas. Por lo general, cuanto mayor sea la uniformidad en la luz, tanto en intensidad, como en calidad espectral, mejor crecimiento tendrá la planta. Algunos estudios apuntan incluso a que la radiación difusa es más beneficiosa que la radiación directa, por la capacidad de penetrar desde múltiples direcciones, alcanzando las zonas inferiores de las hojas (Ani et al., 2015). El problema de la uniformidad no suele considerarse en la agricultura convencional, y solo es importante cuando se añaden luces artificiales para incrementar la producción, en invernaderos con un alto grado de tecnificación, cultivos de interior o granjas verticales (Balázs et al., 2022). Así, este factor de la uniformidad, al igual que la cantidad de radiación y el espectro que reciben las plantas, deberán ser considerados para realizar un diseño adecuado de las instalaciones agrivoltaicas.
3. Agrivoltaica: definición y tipos
Cómo se ha comentado anteriormente, la agrivoltaica (agriFV, agrovoltaica, agrifotovoltaica), consiste en la generación de energía eléctrica mediante sistemas fotovoltaicos y la producción agrícola de forma simultánea en el mismo terreno consiguiendo aumentar la eficiencia en el uso del suelo. Esto significa que un campo tiene un doble propósito: cultivar (fotosíntesis) y generar energía solar (fotovoltaica). Normalmente se considera la agricultura como la actividad principal en la que se integra la fotovoltaica como una actividad complementaria. Esta tecnología puede convertirse en una de las principales herramientas para evitar la competencia entre ambos sectores, el energético y el agrícola (Dupraz et al., 2011). La energía eléctrica producida puede ser empleada para autoconsumo en climatización, bombeo, luces suplementarias o puede ser inyectada en la red eléctrica para ser vendida o compensada.
La agrivoltaica ha dado lugar a definir el Radio de Terreno Equivalente (Land Equivalent RatioLER) para demostrar la ventaja de combinar ambas actividades en el mismo terreno, mejorando la eficiencia en el uso de dicho terreno (Reasoner y Ghosh, 2022):
Si el LER es mayor que 100% implica que el uso combinado de la agricultura y el la fotovoltaica, aumenta la productividad de un terreno que se dedicase de forma separada a la agricultura o la fotovoltaica (Figura 3).
Figura 3. Terreno con uso agrivoltaico y valor de su Ratio de Terreno Equivalente (LER) (Trommsdorff et al., 2022)
En un sistema fotovoltaico, la optimización está relacionada con el ángulo de inclinación para la captación de irradiación solar sobre los módulos fotovoltaicos, mientras en un sistema Agrivoltaico, además, se debe tener en cuenta la sombra causada por los módulos fotovoltaicos para minimizar la pérdida de radiación fotosintéticamente activa (PAR) en el cultivo. Si se integran de forma correcta, la agrivoltaica reduce el consumo de combustibles fósiles y de electricidad de la red eléctrica convencional, y en consecuencia disminuye la dependencia de fuentes de energía tradicional, mitigando las emisiones de gases de efecto invernadero vinculadas al sector agrícola..
Las soluciones técnicas para integrar la energía fotovoltaica en la agricultura son tan diversas como la propia agricultura. A grandes rasgos, los sistemas agrivoltaico se pueden clasificar en dos categorías principales (Figura 4): agrivoltaico cerrado y agrivoltaico abierto. Los agrivoltaico cerrados (Figura 5) se refieren esencialmente a los invernaderos fotovoltaicos, es decir, los invernaderos en los que se han integrado módulos fotovoltaicos en el techo o las paredes. El agrivoltaico abierto (Figura 6) se puede dividir, de acuerdo con la disposición del generador fotovoltaico, en dos tipos: agrivoltaico interespaciado, donde los módulos fotovoltaicos se colocan entre filas de árboles o alternando con zonas de cultivo, y agrivoltaico aéreo, estos son sistemas en los que los módulos fotovoltaico se sitúan encima de los cultivos, consistiendo en un generador fotovoltaico montado sobre unos pilares, de forma que permitan el crecimiento adecuado del cultivo y el paso de maquinaria agrícola por debajo de los módulos fotovoltaicos.
Aunque la idea de la agrivoltaica fue propuesta por primera vez en 1981 (Goetzberger y Zastrow, 1982), no fue hasta los últimos años, coincidiendo con el crecimiento del mercado fotovoltaico, debido a la baja del precio de los módulos, cuando comenzó a aumentar el interés por la Agrivoltaica. A partir de entonces, esta tecnología se está desarrollado rápidamente y ahora está disponible en la mayor parte del mundo. Su capacidad instalada ha aumentado exponencialmente desde alrededor de 5 MW en 2012 hasta al menos 14 GW en 2021. Los programas de financiación gubernamental en Japón (desde 2013), China (alrededor de 2014), Francia (desde 2017), Estados Unidos (desde 2018) y, más recientemente, en Corea del Sur han hecho posible estos avances (Schindele et al., 2020). La Figura 7 muestra tanto la evolución de la capacidad fotovoltaica global instalada acumulada como el número de estudios científicos que abordan la agrivoltaica, mostrando como en los últimos dos años, se publicaron más de 200 publicaciones de investigación sobre el tema en revistas científicas. Estos estudios se enfocan en encontrar sinergias entre la agricultura y las instalaciones fotovoltaicas, estudiando el aumento de la productividad de la tierra, el autoconsumo de la energía fotovoltaica generada para el riego, la iluminación o la calefacción de invernaderos (Yano y Cossu, 2019), un uso más eficiente del agua (Elamri et al., 2018) y el control tanto de la temperatura del suelo como de la radiación lumínica que llega a los cultivos (Valle et al., 2017). Además, se estudian como las condiciones microclimáticas generadas por los cultivos debajo de la instalación fotovoltaica pueden contribuir a una reducción de la temperatura del módulo fotovoltaico (Dinesh y Pearce, 2016) y, por lo tanto, mejorar el rendimiento fotovoltaico. Obteniéndose de estos estudios, como el impacto positivo de estas sinergias es más relevante en las regiones áridas donde el rendimiento de los cultivos puede aumentar debido al ahorro de agua y la reducción del estrés producido en las plantas por una radiación solar excesiva.
Figura 7. Evolución del número de publicaciones relacionadas con la agrovoltaica (gráfico de barras azules) y crecimiento de la capacidad fotovoltaica instalada a nivel mundial (gráfico de línea roja) desde 2011
En la actualidad, y además de la evaluación de nuevos enfoques sobre invernaderos fotovoltaicos, que tienen un potencial nada desdeñable, según lo evaluado por Fernández et al. (Fernandez et al., 2022), también se está estudiando la integración de la energía fotovoltaica en superficies de terreno ya existentes de huertos o arboledas. En la literatura se dispone de una amplia gama de estudios que abordaron los resultados de los sistemas abiertos de agrivoltaico
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con diferentes tipos de cultivos, como alfalfa (Edouard et al., 2023), brócoli (Chae et al., 2022), maíz (Sekiyama y Nagashima, 2019), trigo (Dupraz et al., 2011), pepino (Marrou et al., 2013), lechuga (Elamri et al., 2018) o uvas de vino (Rollet, 2020).
Sin embargo, la integración de la energía fotovoltaica en la arboricultura no ha sido evaluada en profundidad, con la excepción particular del cultivo de manzanas (BayWa, 2021). El tipo de sistema agrivoltaico que se ha considerado se conoce como "aérea", que, como se mencionó anteriormente, radica en el montaje de módulos fotovoltaicos sobre los cultivos. Este tipo de agrivoltaico es adecuado para árboles frutales. Además, esta tecnología contribuye a reducir la evaporación del suelo, lo que se traduce directamente en una disminución de la demanda de agua. También se ha evaluado el potencial de la agrivoltaico en olivares ya existentes en el área mediterránea, pero hasta el momento, no hay instalaciones de agrivoltaico operativas en olivar. Se espera que este efecto sinérgico provoque beneficios relevantes para los productores de aceitunas debido al ahorro que implica el menor uso de agua en comparación con los olivares tradicionales, con el consiguiente ahorro de energía y la mitigación de los síntomas de estrés en las plantas debido a las altas temperaturas y/o sequías.
Recientemente ha aparecido otro nuevo concepto, la bioagrovoltaica (UNEF, 2024), que se define como la integración efectiva de la actividad agrícola y ganadera, actividades prioritarias, y la generación de electricidad con tecnología fotovoltaica, actividad secundaria, bajo conceptos de producción ecológica y a través de la gestión compartida de la luz para impactar positivamente la actividad agropecuaria.
La bioagrovoltaica tiene como objetivos garantizar:
- El mantenimiento de un elevado nivel de biodiversidad, conservación de los recursos naturales y la aplicación de normativa sobre bienestar animal y sobre producción;
- La mejora productividad agropecuaria, de la economía del agricultor y/o ganadero; y,
- La generación de oportunidades para el medio rural a través de medidas que permitan revitalizar el uso del suelo, prevenir la despoblación y disminuir las vulnerabilidades energéticas y sociales de las comunidades.
4. Ventajas y retos
Los sistemas agrivoltaicos existentes actualmente, han demostrado que la combinación de agricultura y fotovoltaica puede generar ventajas para ambos sectores. Por un lado, las tierras de cultivo suelen ubicarse en zonas con unas condiciones climáticas de alta irradiación, temperaturas moderadas y lluvias. Estas ubicaciones son idóneas para optimizar la eficiencia y el desempeño de los sistemas fotovoltaicos. Por otro lado, el sombreado moderado ocasionado por los módulos fotovoltaicos puede tener efectos favorables para los cultivos, ya que disminuye la temperatura del aire (Ezzaeri et al., 2018) y del suelo (Marrou et al., 2013) y aumenta la humedad del suelo, disminuyendo la evapotranspiración (Barron-Gafford et al., 2019), lo que resulta muy beneficioso, especialmente en climas áridos y templados, donde los sistemas Agrivoltaicos pueden contribuir a incrementar la resistencia de los cultivos al cambio climático. Además, los paneles fotovoltaicos pueden servir de protección al cultivo frente a condiciones meteorológicas adversas, como el granizo intenso o rachas de viento y evitar el quemado de los
frutos por exceso de sol. También existen algunas configuraciones de sistemas agrivoltaicos que permiten recoger el agua de lluvia y almacenarla para su futuro uso en irrigación. En general, los sistemas agrivoltaicos presenta ventajas, ya que producen energía limpia, que puede emplearse para autoconsumo, reducir la huella de carbono vinculada a la agricultura, incrementar los ingresos de los agricultores y proporcionar empleo de calidad en zonas rurales con peligro de despoblación.
Sin embargo, la agrivoltaica también presenta ciertas desventajas, limitaciones e incertidumbres que necesitan ser contempladas.
En primer lugar, desde un punto de vista técnico, resulta más complejo realizar la integración de la fotovoltaica en la agricultura comparado con un sistema sobre suelo convencional. En sistemas abiertos deben calcularse las estructuras que elevarán el sistema y sus cimentaciones, que tendrán un coste superior. Actualmente no existen guías de buenas prácticas para la ingeniería de estas estructuras, así que tiene que diseñarse para cada caso.
Por otro lado, no existe regulación específica relativa a la agrivoltaica en muchos países, como es el caso de España1. Esto puede generar ciertos problemas, como por ejemplo la necesidad de compatibilizar el uso del suelo agrícola y de tipo industrial para instalar fotovoltaica, lo que estará condicionado por la legislación de cada Comunidad Autónoma y por los Planes Generales de Ordenación Urbanística de cada municipio.
Se recomienda el desarrollo de más proyectos de investigación para que los investigadores puedan sacar conclusiones más firmes sobre las posibles sinergias y los problemas de aceptación de los diferentes enfoques de la agrovoltaica. Esto también les permitirá examinar con mayor detalle los factores de éxito social, no técnicos y los riesgos y oportunidades económicos y ecológicos. Al mismo tiempo, estos proyectos pueden hacer que los inversores estén más dispuestos a invertir y animar a las partes interesadas, los ciudadanos y las empresas comerciales a desarrollar soluciones agrivoltaicas.
En resumen, la agrivoltaica, puede aumentar la eficiencia en el uso de la tierra, generar energía limpia y autoabastecimiento energético, promover la seguridad alimentaria, aumentar los ingresos de los agricultores, reducir la temperatura del suelo y la evaporación de agua, promover la agricultura sostenible e impulsar el empleo local
Agradecimientos
Este trabajo forma parte del proyecto “Sistemas Agrivoltaicos en Laboratorios Vivos de Invernadero en España (GLASS)” (PLEC2022-009435), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España
1 Existe una normativa pionera en Cataluña y existe una serie de normas que tiene que cumplir los proyectos que soliciten ayudas a la convocatoria del IDAE
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