Agrivoltaico: la sinergia tra agricoltura ed energia rinnovabile

L’agrivoltaico (o agrovoltaico) unisce la produzione di cibo (agricoltura) e di energia rinnovabile (fotovoltaico), in una sinergia collaborativa da cui entrambi ne traggono beneficio.

A cura di:

Agrivoltaico: la sinergia tra agricoltura ed energia rinnovabile

Indice degli argomenti:

Inizialmente erano i campi fotovoltaici: distese di pannelli solari più o meno vaste che di fatto sottraevano terre all’agricoltura o al pascolo. Questo motivo ha causato una dura battaglia ostativa da parte di amministrazioni e cittadini, che ne ha impedito – fortunatamente – la diffusione su vasta scala.

Ma, negli ultimi anni la ricerca ha prodotto una nuova forma di combinazione tra fotovoltaico e agricoltura che, invece di generare una competizione tra la produzione energetica e agricola, crea una virtuosa sinergia da cui entrambe traggono beneficio. I ricercatori hanno chiamato questo nuovo metodo di coltivazione agrivoltaico (o agrovoltaico), un efficace neologismo che unisce l’agricoltura con il fotovoltaico.

Vediamo nel dettaglio di cosa si tratta, sviscerandone curiosità, tecniche costruttive, tipologie, benefici, costi ed incentivi.

Il ruolo cruciale del fotovoltaico nella transizione energetica

Il fotovoltaico avrà un ruolo cruciale nel futuro processo di decarbonizzazione e incremento delle fonti rinnovabili (FER) al 2030. In particolare, secondo il Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima (PNIEC), il nostro Paese dovrà raggiungere il 30% di energia da fonti rinnovabili sui consumi finali lordi, target che per il solo settore elettrico si tradurrebbe in un valore pari ad oltre il 55% di fonti rinnovabili rispetto ai consumi di energia elettrica previsti. Per garantire tale risultato, il Piano prevede un incremento della capacità rinnovabile pari a 40 GW, di cui 30 GW costituita da nuovi impianti fotovoltaici.

Tali target verranno rivisti al rialzo, alla luce degli obiettivi climatici previsti dal recente Green Deal europeo, che mira a fare dell’Europa il primo continente al mondo a impatto climatico zero entro il 2050. Per raggiungere questo traguardo si sono impegnati a ridurre le emissioni di almeno il 55% entro il 2030 (invece dell’attuale 40%) rispetto ai livelli del 1990. Queste novità richiederanno un maggiore impegno nello sviluppo delle energie rinnovabili.

Crescita delle FER al 2030 nello scenario inerziale e nello scenario Green Deal

Per il fotovoltaico un fattore limitante delle installazioni è, ad oggi, la disponibilità di superfici. Sebbene infatti le possibilità offerte dalle coperture degli edifici o infrastrutture (opzione migliore dal punto di vista della compatibilità ambientale) potrebbero essere sufficienti a sodisfare l’intero fabbisogno energetico,  sovente esse sono sottoposte a vincoli (artistici, paesistici, fisici, proprietari, finanziari, civilistici, amministrativi, condominiali, ecc.) che ne ostacolano la realizzazione. Si rende perciò necessario prendere in considerazione le vaste aree agricole, colte o incolte, del Pianeta.

Secondo Italia Solare infatti “basterebbe che solo lo 0,32% dei terreni agricoli italiani fosse coperto da impianti solari, per soddisfare il 50% degli obiettivi di decarbonizzazione al 2030 del PNIEC”.

La migliore soluzione per produrre energia elettrica rinnovabile sfruttando le superfici dei terreni, senza entrare in competizione con la produzione agricola, ma anzi a suo supporto e vantaggio, è appunto l’agrivoltaico. Secondo uno studio ENEA-Università Cattolica del Sacro Cuore (Agostini et al., 2021), le prestazioni economiche e ambientali degli impianti agrivoltaici sono simili a quelle degli impianti fotovoltaici a terra: il costo dell’energia prodotta è di circa 9 centesimi di euro per kWh, mentre le emissioni di gas serra ammontano a circa 20 g di CO2eq per megajoule di energia elettrica.

Benefici del fotovoltaico combinato all’agricoltura

Anche se a prima vista può sembrare strano, l’ombra dei pannelli solari permette un uso più efficiente dell’acqua, oltre a proteggere le piante dagli agenti atmosferici estremi e dal sole nelle ore più calde. Recenti studi internazionali (Marrou et al., 2013) indicano che la sinergia tra fotovoltaico e agricoltura crea un microclima (temperatura e umidità) favorevole per la crescita delle piante che può migliorare le prestazioni di alcune colture.

Benefici del fotovoltaico combinato all’agricoltura

Uno studio (“APV-RESOLA”) dei ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL), il laboratorio del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti dedicato alla ricerca sulle energie rinnovabili, pubblicato alla fine del 2019, conferma questi dati. I risultati suggeriscono che la combinazione di agricoltura e pannelli fotovoltaici potrebbe avere effetti sinergici che supportano la produzione agricola, la regolazione del clima locale, la conservazione dell’acqua e la produzione di energia rinnovabile.

I principali benefici evidenziati, connessi all’agrivoltaico, sono:

Maggiore produzione di cibo

La produzione totale di peperoncino è stata tre volte maggiore. L’efficienza di utilizzo dell’acqua per il jalapeño è stata del 157% maggiore. Per il pomodoro ciliegino, l’efficienza di utilizzo dell’acqua è stata del 65% maggiore e la produzione totale di frutta raddoppiata nell’impianto agrivoltaico.

Risparmio idrico

Irrigando ogni due giorni, l’umidità del suolo rimaneva di circa il 15% maggiore nell’impianto agrivoltaico.
Durante l’irrigazione quotidiana, l’umidità del suolo nel sistema agrivoltaico è rimasta del 5% maggiore prima dell’irrigazione successiva.

Migliore produzione di energia rinnovabile

I tradizionali pannelli fotovoltaici montati a terra erano sostanzialmente più caldi durante il giorno rispetto a quelli con il sottobosco vegetale. I pannelli fotovoltaici agrivoltaici erano più freschi durante le ore diurne rispetto al sistema tradizionale di circa 9°C, consentendo prestazioni migliori.

Agrivoltaico: migliora la produzione di energia rinnovabile rispetto al fotovoltaico tradizionale
Progetto pilota a Heggelbach: l’efficienza nell’uso del suolo dell’impianto agrivoltaico per la coltivazione del grano è stata del 160%

 

Con il gruppo di progetto “APV-RESOLA”, Fraunhofer ISE (istituto per la promozione dell’energia sostenibile) è stato in grado di dimostrare l’efficienza dell’agrivoltaico con un impianto pilota da 194 kW a Heggelbach, in Germania. L’ombreggiamento parziale dei moduli fotovoltaici ha migliorato la resa agricola – il sole estivo ha aumentato la produzione di energia solare. I risultati del 2017 hanno mostrato un’efficienza nell’uso del suolo del 160 percento, incrementati a 186% nel 2018.

I benefici della sinergia tra agricoltura ed energia solare
I benefici della sinergia tra agricoltura ed energia solare (fonte: Clean Energy Council, 2021)

Le principali motivazioni alla base di questi miglioramenti sono:

1. RIDOTTA ESPOSIZIONE AL SOLE ED EVENTI METEOROLOGICI ESTREMI. Sebbene i pannelli creino ombra per le colture, le piante richiedono solo una frazione della luce solare incidente per raggiungere il loro tasso massimo di fotosintesi. Troppa luce solare ostacola la crescita del raccolto e può causare danni. La copertura fornita dai pannelli protegge anche da eventi meteorologici estremi, che rischiano di diventare più frequenti con i cambiamenti climatici.

2. UMIDITÀ E TEMPERATURA DEL SUOLO. L’ombra fornita dai pannelli solari riduce l’evaporazione dell’acqua e aumenta l’umidità del suolo (particolarmente vantaggiosa in ambienti caldi e secchi). A seconda del livello di ombra, è stato osservato un risparmio idrico del 14-29%. Riducendo l’evaporazione dell’umidità, i pannelli solari alleviano anche l’erosione del suolo. Anche la temperatura del suolo si abbassa nelle giornate afose.

3. TEMPERATURA AMBIENTE. Più bassa è l’altezza della struttura che sostiene i pannelli, più pronunciato il microclima, secondo i risultati di APVRESOLA. Gli studi indicano che la temperatura dell’aria giornaliera sotto i pannelli può variare a seconda della posizione e della tecnologia. Uno studio francese, condotto da un istituto agrario di Montpellier, ha riportato temperature simili in pieno sole (nessuna copertura dei pannelli fotovoltaici) alle temperature sotto i pannelli, indipendentemente dalla stagione.

Progetto agrivoltaico in Mali e Gambia (APV-MaGa)
Progetto agrivoltaico in Mali e Gambia (APV-MaGa)

Un progetto pilota tra università di Friburgo, Mali e Gambia (APV-MaGa), si spinge ancora oltre. Attraverso un approccio olistico e integrato che unisce cibo (agricoltura), energia (fotovoltaico) ed acqua (recupero acque meteoriche) arrivano a massimizzare le rese di cibo, acqua ed elettricità senza sfruttare le falde acquifere naturali nel caso del Mali.

APV-MaGa mira a unire la ricerca agricola, le strategie socio-economiche e le competenze sull’energia solare per rivelare le sfide e le opportunità dei sistemi APV e per acquisire una comprensione più profonda delle sinergie e delle interazioni tra il nesso cibo-acqua-energia.

Progettazione: tipologie e caratteristiche degli impianti agrivoltaici

Ricapitolando, il fotovoltaico in aree agricole può essere indirizzato verso i seguenti interventi:

  • Campi fotovoltaici: impianti fotovoltaici totalmente dedicati dalla produzione di energia rinnovabile, realizzati su terreni inidonei alla coltivazione
  • Impianti agrovoltaici: impianti realizzati su aree agricole e sollevati da terra, capaci di attivare una sinergia tra produzione agricola ed energetica da cui entrambi ne traggono beneficio
Tipologie di sistemi agrivoltaici: impianto a terra o sollevato
Tipologie di sistemi agrivoltaici (fonte: NREL)

La progettazione di un impianto agrovoltaico può essere piuttosto complessa, con competenze trasversali che spaziano dall’ingegneria all’agronomia alla biochimica. Esistono infatti diverse variabili nella configurazione del sistema per potersi adattare alla specificità climatica locale e alle colture previste nel terreno, e soddisfare le esigenze di produzione, sia energetiche che agricole (coltivazione e/o pascolo).

Le variabili riguardano la tipologia della struttura (sistema fisso o variabile, altezza da terra, materiali e caratteristiche), la distanza fra i moduli, angolo di tilt e tipo e percentuale di ombreggiamento desiderata.

Un impianto agrivoltaico è caratterizzato dai seguenti elementi:

  • moduli fotovoltaici
  • sistema di funzionamento (fisso o ad inseguimento)
  • struttura portante
  • ancoraggio a terra (fondazione)

Tutti i tipi di moduli solari possono essere utilizzati negli impianti agrivoltaici, ma i più diffusi sono quelli con celle solari in silicio che rappresentano circa il 95% del mercato fotovoltaico globale. La composizione standard prevede una lastra di vetro sul fronte e una pellicola coprente bianca sul retro, montate su un telaio metallico per la stabilizzazione. Le celle solari opache sono collegate in serie a una distanza di 2-3 mm e laminate tra questi due elementi. Un telaio metallico viene utilizzato per il montaggio e la stabilizzazione.

Il sistema agrivoltaico, in base al funzionamento dei suoi moduli fotovoltaici, può distinguersi in

  • fisso (verticale, orizzontale, inclinato)
  • variabile (a inseguimento mono e biassiale)

Sistema agrivoltaico monoassiale o biassiale

Con il sistema variabile a 1 o 2 assi, i moduli seguono il sole utilizzando un meccanismo di tracking. Con il fotovoltaico a inseguimento monoassiale, i moduli seguono il sole orizzontalmente secondo l’angolo di incidenza (elevazione) o verticalmente secondo l’orbita del sole (azimut). Gli inseguitori biassiali fanno entrambe le cose massimizzando la resa energetica. A fronte di maggiori costi di acquisto e manutenzione, la tracciabilità può ottimizzare i rendimenti energetici e la gestione della luce per la coltivazione delle piante.

La struttura portante di sostegno deve essere adeguata alle esigenze dell’impianto. Parametri da considerare sono l’altezza libera e la distanza tra le file che, da una parte determinano la disponibilità di luce, dall’altra possono permettere l’accesso alle macchine agricole. Una grande altezza libera garantisce una distribuzione della luce più omogenea sotto il sistema.

Struttura agrivoltaico: si devono considerare l'altezza libera e la distanza tra le file

Infine, c’è l’ancoraggio a terra o fondazione che garantisce la stabilità della struttura dell’impianto agrivoltaico. Tralasciando le soluzioni in cemento, permanenti e irreversibili, le alternative ecologiche sono fondazioni su pali o di tipo Spinnanker (o Spinanchor), facili da rimuovere senza lasciar traccia.

Agrivoltaico: Fondazione di tipo Spinanchor
Fondazione di tipo Spinanchor (fonte: wolfsystem)

Una soluzione innovativa di fondazione senza calcestruzzo è quella tipo Spinanchor. Questo metodo segue il principio della radice di un albero e consiste in una piastra di ancoraggio in ghisa che viene fissata al suolo tramite barre filettate di lunghezza 2-8 m (a seconda del tipo di terreno e della struttura della superficie) ed è stato applicato con successo presso l’impianto pilota di Heggelbach, in Germania.

L’agrivoltaico a basso impatto ambientale

Entro il 2030 gli impianti solari degli Stati Uniti potrebbero occupare una superficie complessiva di 800.000 ettari. Quasi 10 volte l’estensione della città di New York. Si tratta di un’area gigantesca, che oltre ad ospitare pannelli solari, in futuro potrà essere utilizzata per migliorare la fertilità dei terreni, trattenere l’acqua, nutrire le specie autoctone, produrre cibo e rendere ancora più efficienti gli impianti stessi.

Per questo, Enel Green Power ed i ricercatori del NREL, in 3 impianti del Minnesota (Atwater, Chisaco e Eastwood), sono impegnati in un progetto (denominato InSPIRE: Innovative Site Preparation and Impact Reductions on the Environment) per studiare come coltivare tra i pannelli solari piante autoctone, piante da orto e favorire la vita degli insetti impollinatori.

Certo, per ammissione degli stessi studiosi, l’agrivoltaico non può essere applicato alle monoculture su larga scala, dove sono necessarie enormi superfici e macchinari pesanti, ma in ogni caso i primi risultati delle ricerche suggeriscono che nelle aree più calde e in un lasso di tempo esteso, i pannelli solari possono essere utili per aumentare i rendimenti di alcune colture.

Agrivoltaico sostenibile e a basso impatto ambientale: progetto InSPIRE
Agrivoltaico sostenibile: progetto InSPIRE

In Arizona, ad esempio, i raccolti di pomodori ciliegini coltivati all’ombra dei pannelli solari hanno diminuito la richiesta d’acqua e più che raddoppiato la resa.

I ricercatori pensano per questo che in futuro l’agrivoltaico possa aiutare a compensare l’impatto delle condizioni meteorologiche estreme, riducendo l’uso di acqua, aumentando la produzione di cibo e limitando gli effetti negativi del calore sui pannelli solari.

Costi, incentivi e PNRR

L’agrivoltaico, necessita di strutture per l’installazione dal costo elevato: possono arrivare anche al 30-40% in più rispetto a un impianto a terra. Sono spese importanti che difficilmente un imprenditore agricolo può sostenere in tutta autonomia. Per permettere quindi lo sviluppo di questa tecnologia, lo strumento degli incentivi economici risulta quanto mai fondamentale.

L'importanza degli incentivi per lo sviluppo dell'agrivoltaico

Finora la diffusione degli impianti agrovoltaici è stata ostacolata da un’apposita esclusione normativa al sistema degli incentivi. Fortunatamente l’ultima legge di semplificazione per l’applicazione del PNRR ha inserito anche l’agrivoltaico, in possesso di determinati requisiti, tra le tecnologie dedite alla produzione di energia rinnovabile incentivabili.

Gli incentivi statali (di cui al decreto legislativo 3 marzo 2011, n. 28) vengono ora estesi anche agli impianti fotovoltaici in ambito agricolo (o agrovoltaici), a patto che sia verificata la contemporanea presenza delle seguenti 3 condizioni:

  • uso di soluzioni innovative
  • siano sollevati da terra (in modo da non compromettere l’attività agricola e pastorale)
  • abbiano sistemi di monitoraggio che consentano di verificarne l’impatto ambientale

L’art.31 della legge 108/2021 che modifica l’articolo 65 del decreto-legge 24 gennaio 2012, n. 1, convertito, con modificazioni, dalla legge 24 marzo 2012, n. 27, dopo il comma 1-ter sono inseriti i seguenti:

  • «1-quater. Il comma 1 non si applica agli impianti agrovoltaici che adottino soluzioni integrative innovative con montaggio dei moduli elevati da terra, anche prevedendo la rotazione dei moduli stessi, comunque in modo da non compromettere la continuità delle attività di coltivazione agricola e pastorale, anche consentendo l’applicazione di strumenti di agricoltura digitale e di precisione.
  • 1-quinquies. L’accesso agli incentivi per gli impianti di cui al comma 1-quater è inoltre subordinato alla contestuale realizzazione di sistemi di monitoraggio che consentano di verificare l’impatto sulle colture, il risparmio idrico, la produttività agricola per le diverse tipologie di colture e la continuità delle attività delle aziende agricole interessate.
  • 1-sexies. Qualora dall’attività di verifica e controllo risulti la violazione delle condizioni di cui al comma 1-quater, cessano i benefici fruiti».

È l’opportunità concessa dalla rivoluzione dell’economia circolare che ora chi fa impresa con la terra potrà utilizzare grazie alle novità contenute nel decreto sulla Governance del Pnrr approvato dal governo, che prevede 1,1 mld di euro per lo “Sviluppo agrovoltaico” e una capacità produttiva di 2,43 GW, portando a un calo delle emissioni di gas serra (circa 1,5 milioni di tonnellate di CO2) e costi di approvvigionamento energetico.

Ora finalmente gli agricoltori potranno avere più energia prodotta da fonti rinnovabili a disposizione, da poter anche immettere in rete a beneficio di tutto il sistema energetico.

La piattaforma nazionale per l’Agrivoltaico Sostenibile

L’agrivoltaico, combinazione di energia solare e agricoltura, è in grado di promuovere la decarbonizzazione del sistema energetico, ma anche la sostenibilità del settore agricolo e la redditività a lungo termine delle piccole e medie imprese.

Sono questi gli obiettivi della prima piattaforma nazionale per l’Agrivoltaico Sostenibile promossa dall’ENEA con lo scopo di riunire assieme imprese, istituzioni, università e associazioni di categoria. A sostegno della rete, ENEA ed ETA – Florence Renewable Energies, lanciano la Piattaforma Agrivoltaica Sostenibile, che mira a promuovere lo scambio di informazioni tra tutti gli stakeholders coinvolti e ad alimentare attività che aiutino a identificare linee guida, metodologie e soluzioni tecnologiche e innovative per il costruzione di impianti agrivoltaici in Italia.

La piattaforma nazionale promossa da Enea per l'Agrivoltaico Sostenibile

Il 22 aprile 2021, ENEA ed ETA hanno firmato un accordo per la creazione della piattaforma, seguito dal lancio ufficiale dell’iniziativa il 27 aprile durante la 29° edizione di EUBCE.
Hanno già espresso sostegno alla Rete nazionale per l’agrivoltaico sostenibile: Associazione Italiana Architettura del Paesaggio (AIAPP), Confagricoltura, Consiglio dell’Ordine Nazionale dei Dottori Agronomi e Dottori Forestali (CONAF), Coordinamento FREE (Coordinamento Fonti Rinnovabili ed Efficienza Energetica), Italiasolare , Legambiente, Università Cattolica del Sacro Cuore, REMTec e Società Italiana di Agronomia (SIA).

Per maggiori informazioni e registrarsi alla piattaforma visita agrivoltaicosostenibile.com.


Per approfondire:

Consiglia questo approfondimento ai tuoi amici

Commenta questo approfondimento



Tema Tecnico

Le ultime notizie sull’argomento