di Austin Kay, La conversazione

Mentre il mondo corre per raggiungere gli obiettivi di zero emissioni nette, le emissioni di tutti i settori industriali devono essere ridotte con maggiore urgenza che mai. L'agricoltura è un'importante area di interesse in quanto contribuisce fino al 22% delle emissioni globali di gas serra, quasi quanto il settore energetico.

Un approccio alla decarbonizzazione del settore agricolo è l'agrivoltaico. Prevede l'integrazione di pannelli solari, o fotovoltaici (PV), in campi coltivati, serre e aree di allevamento, che possono aiutare gli agricoltori a ridurre la loro impronta di carbonio pur continuando a produrre cibo.

L'agrivoltaico può anche mitigare una delle principali critiche spesso mosse all'energia solare: i parchi solari "sprecano" vasti tratti di terreno agricolo che potrebbero altrimenti essere utilizzati per la produzione alimentare. In realtà, i parchi solari occupano attualmente solo lo 0,15% del territorio totale del Regno Unito, non molto rispetto al 70% dei terreni agricoli.

L'esempio più semplice di un sistema agrivoltaico sono i pannelli fotovoltaici convenzionali in silicio cristallino (il tipo di pannelli solari leader di mercato), installati nei campi accanto al bestiame. Questo metodo di diversificazione delle aziende agricole è diventato sempre più popolare negli ultimi anni per tre motivi principali.

In primo luogo, migliora la biodiversità in quanto i campi non vedono una rotazione regolare delle colture, non sono monocolture o vengono raccolti per l'insilato. In secondo luogo, aumenta la produzione poiché il bestiame beneficia dell'ombra e della crescita più sana dei pascoli.

Infine, il parco solare ha ridotto i costi di manutenzione perché il bestiame può mantenere l'erba corta. Tutto questo è possibile grazie ai pannelli solari che forniscono energia pulita e generata localmente.

Ma se non sono impostati correttamente, l'agrivoltaico può causare problemi. Una delle sfide più importanti è bilanciare la necessità di luce solare tra le colture e i pannelli solari. Le colture hanno bisogno di luce per crescere e, se i pannelli solari bloccano troppa luce solare, possono avere un impatto negativo sui raccolti.

This issue varies from place to place. In countries with fewer sunny days like the UK, the panels need to let more sunlight through. But in places like Spain or Italy, some shade can actually help crops by reducing the stress of intense heat during summer months. Finding the right balance is tricky, as it depends on local conditions, the type of crop, and even the needs of pollinators like bees.

The complexity deepens when we consider the type of PV material used. Traditional solar panels aren't always suitable because they often block the wavelengths (colors) of light needed by plants.

This is where newer materials, like organic semiconductors and perovskites, are ideal as they can be customized to let crops get the light they need while still generating energy. Unlike traditional inorganic semiconductors, which are essentially crystals of metal and metalloid atoms, organic semiconductors are molecules mainly made of carbon and hydrogen. Perovskites, meanwhile, are like a hybrid of the two.

But there are thousands of combinations of these materials to choose from, with scientific literature containing a plethora of options. Figuring out which one works best can be a daunting task.

This is where computational tools can make a big difference. Instead of testing each material in real-world conditions—which would take years and be incredibly expensive—researchers can use simulations to predict their performance. These models can help identify the best materials for specific crops and climates, saving both time and resources.

Lo strumento

Abbiamo sviluppato uno strumento open source che aiuta a confrontare vari materiali fotovoltaici, facilitando l'identificazione delle migliori opzioni per l'agrivoltaico. Il nostro strumento utilizza dati geografici e simulazioni realistiche delle prestazioni dei diversi materiali fotovoltaici.

Considera il modo in cui la luce viaggia attraverso questi materiali e si riflette su di essi, nonché altre importanti misure di prestazione come la tensione e la potenza in uscita. Lo strumento può anche effettuare misurazioni di laboratorio di materiali fotovoltaici e applicarle a scenari del mondo reale.

Utilizzando questo strumento, abbiamo simulato la quantità di energia che diversi materiali fotovoltaici potrebbero generare per metro quadrato nel corso di un anno, in varie regioni. E abbiamo calcolato quanta luce passava attraverso questi materiali per assicurarci che fosse sufficiente per far prosperare le colture.

Eseguendo queste simulazioni per più materiali, abbiamo potuto identificare le opzioni più adatte per colture e climi specifici.

Strumenti come il nostro potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nella decarbonizzazione del settore agricolo, guidando la progettazione di sistemi agrivoltaici. La ricerca futura potrebbe combinare queste simulazioni con analisi dell'impatto economico e ambientale. Questo ci aiuterebbe a capire quanta energia possiamo aspettarci da un pannello solare nel corso della sua vita rispetto alle risorse e ai costi necessari per produrlo.

In definitiva, il nostro strumento potrebbe aiutare i ricercatori e i responsabili politici a selezionare i modi più efficienti, economici ed ecologici per decarbonizzare l'agricoltura e avvicinarci al raggiungimento di zero emissioni nette globali.

Fornito da The Conversation 

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.

Le turbine eoliche e il fotovoltaico (PV) stanno diventando sempre più diffusi in tutto il mondo, il che potrebbe contribuire a ridurre l'inquinamento atmosferico causato dalle emissioni di combustibili fossili. Per produrre energia, tuttavia, queste soluzioni di energia rinnovabile si basano su condizioni meteorologiche specifiche (ad esempio, la presenza di vento e sufficienti ore di luce solare).

Un rapporto dell'Energy Information Administration (EIA) degli Stati Uniti ha previsto che entro il 2050 circa il 44% dell'elettricità negli Stati Uniti sarà generata da tecnologie solari ed eoliche. Con l'aumento dell'uso di queste tecnologie, alcuni operatori di sistemi energetici hanno espresso preoccupazione per la dipendenza dalle condizioni meteorologiche di questi sistemi, suggerendo che un'eccessiva dipendenza da queste tecnologie potrebbe aumentare il rischio di blackout.

In alcuni casi, i sistemi di energia rinnovabile sono stati persino incolpati dei blackout verificatisi durante eventi meteorologici avversi. Ad esempio, i blackout verificatisi nel febbraio 2021 in tutto il Texas sono stati inizialmente ed erroneamente creduti causati dall'incapacità delle tecnologie eoliche e solari di generare energia nel freddo inverno.

I ricercatori dell'Università del Tennessee hanno recentemente condotto uno studio che esplora la vulnerabilità dei sistemi di energia rinnovabile alle condizioni meteorologiche avverse e la misura in cui questi sistemi potrebbero essere responsabili di gravi blackout. I loro risultati, pubblicati su Nature Energy, suggeriscono che i pannelli solari e le turbine eoliche hanno meno probabilità di causare gravi blackout rispetto ai sistemi di alimentazione tradizionali.

"L'elevata penetrazione di fonti di energia rinnovabile dipendenti dalle condizioni meteorologiche (WD-RES) come l'eolico e il solare ha sollevato preoccupazioni sulla sicurezza dei sistemi di energia elettrica in condizioni meteorologiche anomale", hanno scritto Jin Zhao, Fangxing Li e Qiwei Zhang nel loro articolo.

"Il ruolo delle FER è stato discusso in eventi di blackout in tutto il mondo, ma rimane controverso. In questo studio, scopriamo che, sebbene le WD-RES non siano dispacciabili e sensibili alle condizioni atmosferiche, le intensità di blackout e la vulnerabilità alle condizioni meteorologiche estreme sono mitigate nelle reti WD-RES ad alta penetrazione".

Nell'ambito del loro studio, i ricercatori hanno filtrato i dati raccolti durante 2.156 eventi di blackout del sistema di massa nel mondo reale, insieme ai dati meteorologici registrati in 278 città sparse in 48 stati degli Stati Uniti per un periodo di 20 anni (dal 2001 al 2020). Hanno organizzato questi dati filtrando le condizioni meteorologiche nelle regioni colpite quando si sono verificati i blackout, nonché i dati rilevanti per l'implementazione di sistemi di energia eolica e solare in queste regioni.

Subsequently, Zhao, Li and Zhang analyzed the organized dataset using statistical techniques and an unsupervised deep learning model. Their findings show that systems relying on WD-RES are not actually more vulnerable to causing blackouts during unfavorable weather events.

"The causal effects of WD-RESs on blackouts generally decrease in high-penetration WD-RES power systems, and WD-RESs are not mainly responsible for the occurrence of blackouts in extreme weather conditions," wrote Zhao, Li and Zhang.

"The results of our research contribute to the debate on RES integration and power system security, offer a guide for the study of power system resilience and provide a reference for the ambitious high-penetration RES goals of the future."

Nel complesso, i risultati di questo recente studio suggeriscono che i sistemi di energia rinnovabile dipendenti dalle condizioni atmosferiche, in particolare i pannelli solari e le turbine eoliche, non sono così inclini a causare gravi blackout del sistema di alimentazione di massa durante condizioni meteorologiche estreme come alcune persone hanno ipotizzato. Infatti, i blackout che si sono verificati nelle regioni con un'elevata penetrazione delle reti elettriche WD-RES sono stati spesso meno gravi di quelli che si sono verificati in luoghi che si basavano solo sulla rete elettrica tradizionale.

Sebbene questi risultati siano promettenti, sono necessari ulteriori studi con set di dati più ampi e completi per confermarne la generalizzabilità. Ad esempio, il team ha analizzato solo i dati raccolti negli Stati Uniti. Pertanto, la ricerca futura potrebbe eseguire analisi simili utilizzando i dati raccolti in altri paesi del mondo.

Ulteriori informazioni: Jin Zhao et al, Impatti delle risorse energetiche rinnovabili sulla vulnerabilità meteorologica dei sistemi energetici, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01652-1

Informazioni sulla rivista: Nature Energy 

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