Innowacyjne rozwiązanie dla szklarni równoważy potrzeby roślin i wytwarzanie energii
Koncepcja agrowoltaiki(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opisuje zintegrowane systemy, które umożliwiają jednoczesne wykorzystanie gruntów do produkcji rolnej i wytwarzania energii słonecznej. „Choć rozwiązania fotowoltaiczne zapewniają szereg korzyści związanych z żywnością, wodą i energią odnawialną, nieodpowiednie projektowanie takich rozwiązań może zagrażać produktywności upraw”, wyjaśnia Ibrahim Yehia, koordynator projektu REGACE(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Aby rozwiązać ten problem, jednocześnie przyczyniając się do rozwoju bardziej zrównoważonych upraw, zespół projektu REGACE opracował wspomagany sztuczną inteligencją adaptacyjny system agrowoltaiczny, który jest w stanie wytwarzać energię słoneczną przy jednoczesnym zapewnieniu warunków korzystnych dla uprawy roślin. „Dzięki sprostaniu wyzwaniom związanym z dynamicznym oświetleniem i zacienieniem, stabilnością warunków w szklarni oraz wydajności użytkowania gruntów, nasz system minimalizuje potrzebę zwiększania obszaru upraw i budowy dedykowanej infrastruktury energetycznej”, zauważa Yehia.
Analiza rozwiązania w różnych warunkach klimatycznych
Korzystając z szerokiej wiedzy specjalistycznej w dziedzinach agronomii, energii odnawialnej, inżynierii szklarniowej, analityki klimatycznej i cyfrowych systemów monitorowania, badacze skupieni wokół projektu REGACE zaprojektowali, zainstalowali i przeprowadzili badania pilotażowe sześciu agrowoltaicznych systemów szklarniowych w Austrii, Niemczech, Grecji, Izraelu i we Włoszech. Kluczem do skutecznej realizacji koncepcji fotowoltaiki połączonej ze szklarnią jest adaptacyjna strategia sterowania. W przeciwieństwie do konwencjonalnych statycznych instalacji fotowoltaicznych w szklarniach, rozwiązanie REGACE wykorzystujące modele predykcyjne oparte na sztucznej inteligencji i monitorowanie środowiska dynamicznie monitoruje wymagania roślin, warunki w szklarni i lokalizację, a następnie reaguje pozycjonując półprzezroczyste ogniwa fotowoltaiczne, aby lepiej kontrolować natężenie światła słonecznego i zacienienie. Użytkownicy rozwiązania korzystają z interfejsu umożliwiającego monitorowanie i sterowanie rozwiązaniem za pośrednictwem cyfrowej platformy sterowania, która umożliwia wizualizację w czasie rzeczywistym warunków w szklarni, pozycjonowania ogniw i osiągów systemu. Platforma umożliwia także zdalny dostęp do rozwiązania. W ramach badań doświadczalnych w szklarniach badacze analizowali różne scenariusze w rzeczywistych warunkach, aby wyciągnąć wnioski na temat najskuteczniejszych rozwiązań dla zróżnicowanych roślin uprawnych, w tym pomidorów, ogórków i bakłażanów, a także warunków klimatycznych i konfiguracji ogniw fotowoltaicznych. Zespół przeprowadził także symulacje komputerowe dotyczące rozwoju roślin, promieniowania, transportu i przepływu powietrza oraz analizy mikroklimatu szklarni, a także wykorzystali cyfrowe bliźniaki(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wykorzystujące uczenie maszynowe w celu wspierania optymalizacji działania szklarni w zmieniających się warunkach klimatycznych. „Połączenie badań terenowych i symulacji wykazały techniczną wykonalność i potencjał operacyjny naszego adaptacyjnego rozwiązania fotowoltaicznego zintegrowanego ze szklarnią”, dodaje Yehia. „Ze względu na szeroki zakres testowanych scenariuszy pilotażowych, nadal analizujemy działania realizowane w celu weryfikacji osiągów”. Zespół projektu REGACE sprawdził także strategie utrzymania korzystnych poziomów CO2 na potrzeby fotosyntezy, obejmujące sterowanie wentylacją, kontrolę temperatury oraz naświetlenia w różnych warunkach klimatycznych, w szczególności śródziemnomorskich. „Wykazaliśmy, że kontrolowane zwiększanie stężenia CO2 może przyczynić się do poprawy stabilności warunków w szklarni i poprawy wydajności fotosyntezy, zwłaszcza w warunkach, w których dostępność światła i temperatura mieszczą się w optymalnych zakresach”, wyjaśnia Yehia.
Efektywniejsze wykorzystanie zasobów i odporność na skutki zmiany klimatu
Wykazanie możliwości połączenia wytwarzania energii odnawialnej z systemami upraw bez konieczności zwiększania zapotrzebowania na grunty zapewnia produktywność dotychczasowych gruntów rolnych, a jednocześnie przyczynia się do dekarbonizacji gospodarki, sprzyja efektywnemu gospodarowaniu zasobami i zwiększa odporność na stres klimatyczny. Korzyści te z kolei bezpośrednio wpisują się w założenia szeregu kluczowych europejskich priorytetów, w tym Europejskiego Zielonego Ładu(odnośnik otworzy się w nowym oknie), strategii zwiększania odporności na skutki zmiany klimatu i przechodzenia na odnawialne źródła energii. Ze względu na to, że opracowane w ramach projektu REGACE rozwiązanie opiera się na lekkiej i podwieszanej konstrukcji modułowej, można je zastosować w istniejących szklarniach w formie głównej ramy nośnej, co upraszcza ich modernizację. Zrealizowane przez zespół pilotażowe wdrożenia, które trwały przeszło dwa lata, potwierdziły osiągi systemu w zakresie stabilności działania i niskiego zapotrzebowania na konserwację poza rutynowym czyszczeniem ogniw fotowoltaicznych. „Możliwa do przystosowania do indywidualnych potrzeb modułowa konstrukcja zapewnia także skalowalność rozwiązania, dzięki czemu jest interesującą opcją nie tylko dla komercyjnych szklarni, ale także dla podmiotów hodujących rośliny o wysokiej wartości, podmiotów działających w sektorze rolnictwa chronionego dostosowanego do klimatu, rolników wykorzystujących systemy upraw o niskim zapotrzebowaniu na wodę i operatorów infrastruktury energii odnawialnej na obszarach wiejskich”, dodaje Yehia. Aby umożliwić wdrożenie rozwiązania na skalę przemysłową, zespół koncentruje się teraz na jego dalszej optymalizacji - ulepszaniu adaptacyjnych strategii sterowania oraz weryfikacji skuteczności w przypadku dodatkowych rodzajów upraw i innych konstrukcji szklarni.
