Agrovoltaicos. La simbiosis de la generación fotovoltaica y la agricultura

Lic. Luis Gutiérrez Urdaneta, Master of Arts - Economics. Empresa de Fuentes Renovables de Energía. La Habana, Cuba.- urdaneta@emfre.une.cu 

 Resumen

 Cuba ha dado los primeros pasos en la extensión de la generación fotovoltaica en la agricultura principalmente en el bombeo de agua y la instalación de paneles en techos y pequeñas áreas en empresas agropecuarias. Sin embargo, la introducción del pastoreo de ganado en parques solares se ha producido de manera aislada y esporádica. En tiempos recientes, la simbiosis de la generación fotovoltaica y la agricultura ha estado presente en la discusión académica y en aplicaciones prácticas en muchos países. Se han desarrollado nuevas tecnologías agrovoltaicas, en que las que la tierra, ese recurso tan limitado y escaso, tiene un doble uso: instalaciones solares y agricultura. En el presente trabajo el autor explora algunas de las combinaciones y tecnologías que hoy se utilizan en varios países, muchos de ellos con menores niveles de radiación solar, con el objetivo de hacer más eficiente la actividad conjunta generación fotovoltaica-agricultura con un enfoque integral, o lo que sería igual para Cuba, “pensando como país”.

Introducción

La tierra es un recurso no renovable, limitado y escaso. En el caso de Cuba, un pequeño archipiélago, la superficie disponible para ser utilizada en la construcción de parques fotovoltaicos, los suelos menos productivos, debe competir con otros usos alternativos. Estas áreas, además, se encuentran fragmentadas, como se observa en la figura 1.

 

 Pero además, no todas las áreas disponibles pueden ser utilizadas, pues la construcción de parques a gran escala conectados a la red eléctrica, requiere de condiciones técnico- económicas adicionales: topográficas y geotécnicas, niveles de radiación, propiedad de la tierra, proximidad a la infraestructura eléctrica, tamaño del área, tipo de suelo, aspectos ecológicos y arqueológicos, probabilidad de inundaciones, accesibilidad, disponibilidad de fuerza de trabajo y provisión de agua, entre otras Mierzwiak y Calka (2017). Esto reduce significativamente su disponibilidad práctica.

Y como que la tierra es un recurso tan limitado y la luz solar tan abundante, sean la generación eléctrica o el desarrollo de actividades agropecuarias los propósitos fundamentales de ciertos proyectos, ha surgido una nueva disciplina: agrovoltaica (agrivoltaics), que trata de lograr la conjunción económicamente eficiente de ambas actividades mediante la mutua complementariedad en una misma superficie.

En el presente artículo se propone introducir en la discusión tres combinaciones agrovoltaicas de desarrollo reciente, de las muchas que existen (Energy council, 2021), y su posible aplicación en las condiciones de Cuba. En la primera, la generación fotovoltaica se realiza mediante sistemas convencionales (sistemas de ángulo fijo y de seguimiento con elevaciones comunes), siendo la ganadería y creación de hábitats amigables para para la reproducción de polinizadores (abejas y otros insectos) las actividades agropecuarias asociadas; en la segunda, los sistemas fotovoltaicos convencionales y otros se asocian a la producción de frutas y vegetales, y finalmente, la generación se produce con paneles bifaciales colocados verticalmente, comúnmente con orientación Este-Oeste, en granjas agrícolas con ciertos tipos de plantaciones y para cercados.

Estos sistemas agrovoltaicos pudieran tener mayor impacto en el corto plazo y mediano pazo en Cuba, a partir de la autorización de la importación de sistemas fotovoltaicos sin fines comerciales para personas naturales.

 

Materiales y métodos

 Población y muestra

Se realizó una extensa revisión bibliográfica de artículos académicos, sitios de productores de sistemas agrovoltaicos, y artículos de prensa, muchos de ellos publicados en el 2021.

Aunque parece no existir una base de datos global, se pudo reunir la siguiente información sobre cada una de las combinaciones agrovoltaicas (Tabla 1). Esta información puede ser considerada conservadora, y todo parece indicar que las instalaciones agrovoltaicas están en expansión.

Agrovoltaicos

 

Tipo de instalación FV	Actividad agrícola	Australi a	Mundo (China, Japón, Corea del          Sur, Francia y otros)**	Estados Unidos	Alemani a, Austria, Corea del sur e Irlanda	China	Reino Unido
Estructura s comunes	Pastoreo*	1,1 GW		0,1 GW			50 MW
	Hábitat de polinizad o-res			1 GW
	Cultivos		2,8 GW
Estructura s elevadas	Cultivos					0,7 GW
Paneles bifaciales verticales	Pastoreo, heno, cultivos y cercas***				6,2 MW
*Existen referencias de pastoreo en instalaciones convencionales en España, otros países europeos, China y Canadá. La mayor planta fotovoltaica de China, en Qinghai, utiliza ovejas para el control de las hierbas. **Incluye estructuras comunes y elevadas en cultivos. ***Tecnología muy reciente
Fuentes: (Kelsey    et al., 2020), (Clean Energy Council, 2021), (Scurlock, 2014), (Next2sun, 2021)

Tabla 1. Información de potencia en instalaciones agrovoltaicas en el mundo

En el caso de la colocación vertical de paneles bifaciales, por ser una tecnología agrovoltaica no convencional se realizaron simulaciones en dos sitios en Cuba con diferentes latitudes, cuyos detalles se describirán más adelante. Se extrajeron varias conclusiones preliminares desde el punto de vista energético. Aunque parece ser que esta tecnología aún no está madura y aunque circunscripta principalmente a Europa, ya existen productores de dicha tecnología en Australia que la promueven (Brakels, 2021).

 

Análisis de los resultados

a.      El índice equivalente del suelo

El índice equivalente del suelo (LER, Land Equivalent Ratio) es una medida ampliamente utilizada para evaluar el uso de la tierra con más de un uso simultáneo, como ocurre con las instalaciones agrovoltaicas (Campana et a.l, 2021). Se calcula según la ecuación 1,

donde Y_c,a es rendimiento de la actividad agrícola en la configuración agrovoltaica, Y_c,r es el rendimiento agrícola si toda la tierra fuera destinada a solo ese uso. Se expresan en t/ha. Asimismo E_PV,a es la energía producida por m² durante un año en la combinación agrovoltaica, y E_PV,r es la energía por m² por un sistema convencional fotovoltaico, y se expresan en kWh/m²/año.

La condición necesaria para que se aplique una tecnología agrovoltaica es que LER sea mayor que 1. Mientras mayor, la tierra se usa de manera más intensiva. No obstante, para que se pueda afirmar que una combinación agrovoltaica es más eficiente debe realizarse una evaluación económica para cada caso específico. En las combinaciones que a continuación se exploran, se parte de la premisa de que el LER debe ser mayor que la unidad.

b.      Sistemas fotovoltaicos convencionales combinados con la ganadería y la creación de hábitats amigables para para la reproducción de agentes polinizadores

Como se muestra en la tabla 1, la combinación de sistemas fotovoltaicos con pastoreo es la más extendida, excepto en los Estados Unidos. Se recomienda el pastoreo de ganado ovino (no ganado bovino ni caprino) Penn State Extension (2020), aunque también existen algunas experiencias positivas con gansos y gallinas. Según el texto Agricultural Good Practice Guidance for Solar Farms Scurlock (2014), en las condiciones ambientales y del suelo del Reino Unido y en determinadas estaciones se pueden tener entre cuatro u ocho ovejas o y hasta 20 000 aves por hectárea (Figura 2). 

El pastoreo de ganado ovino en los parques fotovoltaicos convencionales trae un grupo de ventajas con ciertos requerimientos (Tabla 2) (Scurlock, 2014) (Clean Energy Council, 2021).

 

Ventajas		Requerimientos
Para los operadores de los parques	Para     los     granjeros     y animales	Evitar el sobre pastoreo.
Reducción de las labores de chapeo (posiblemente con mejor calidad), y los riesgos de incendio.	Acceso gratuito al pasto, sobre todo en época de sequía.	En caso de que se apliquen fertilizantes deben evitarse daños al suelo o a los módulos.
Reducción de los costos de operación, daños de pesticidas y provocados a las instalaciones por equipos de chapea.	Menos consumo de agua por animal	Debe mantenerse la fertilidad del suelo y el pH apropiados.
Mayor seguridad del trabajo para los operadores.	Los     animales     tendrían acceso         cercano        al sombreado.	Debe         preverse         el pastoreo         desde        la construcción del parque.
Fortalecimiento de relaciones entre operadores de los parques, comunidades campesinas,    otras    entidades    agropecuarias    y    centros     de    investigación    y universidades.

Tabla 2. Algunas ventajas y requerimientos del pastoreo en parques fotovoltaicos

La principal combinación agrovoltaica en los Estados Unidos ha sido la creación en los parques de hábitats para las abejas. La importancia del aumento de las abejas no sólo se centra en la producción de miel, sino en su función polinizadora por su altísimo impacto en la agricultura en general. Se reportan beneficios en este tipo de instalaciones agrovoltaicas (Figura 3). Existen políticas de apoyo gubernamental en Minnesota, North Carolina, Maryland, Vermont, y Virginia. Para ello se estimula la siembra de determinadas especies vegetales en los parques fotovoltaicos, lo cual implica la activa participación académica (Graham et al., 2021). 

Aunque en Cuba, a diferencia de otros países, la producción de miel crece y existe un Programa de Desarrollo de la Apicultura en Cuba hasta 2030 Pérez (2017), sería útil explorar las posibilidades de las instalaciones agrovoltaicas para el fomento de los agentes polinizadores y la producción de miel.

c.      Sistemas fotovoltaicos convencionales y otros asociados con la producción de frutas y vegetales

Existen configuraciones agrovoltaicas que utilizan tecnologías convencionales con elevaciones comunes, con altas elevaciones y otros, que combinan la generación fotovoltaica con el cultivo de pimiento, tomate, frutas, flores ornamentales, papa, etc. en los Estados Unidos, Japón, Francia, Islas Reunión, Alemania, Holanda, India, Australia, Viet Nam y China Clean Energy Council (2021) Scognamiglio et al., (2015). Usualmente estas instalaciones son relativamente pequeñas, aunque se han construido algunas en Japón y China con gran potencia fotovoltaica instalada.

A continuación, se muestran algunos ejemplos. La participación de centros de investigación ha sido importante en el desarrollo de este tipo de sistemas agrovoltaicos, fundamentalmente con cultivos que requieren cierto grado de sombreado (figuras 4,5 y 6).

En estos desarrollos han estado envueltos centros e investigación. En todos los casos, lo que se intenta es lograr la combinación de los cultivos y la configuración fotovoltaica idóneos.

En el extenso trabajo “Dual-use approaches for solar energy and food production. International experience and potentials for Viet Nam” GreenID (2019), país con semejanzas climáticas a Cuba, se listan varios tipos cultivos y peces que, a partir de investigaciones y resultados de otros proyectos, podrían ser identificados como potenciales candidatos para combinaciones agrovoltaicas (figura 7). 

d.      Generación con paneles bifaciales colocados verticalmente con orientación Este-Oeste Esta es una tecnología nueva, que parte de un principio muy simple: si se colocan paneles bifaciales verticales con orientación Este-Oeste, se sacrifica el rendimiento energético, pero el espacio ocupado es mínimo (≈1%), lo cual permitiría una mayor área para uso agrícola (figura 8). La distancia entre filas es entre 10 y 15 metros, de manera que se pueda operar maquinaria agrícola, además de que minimiza el sombreado entre paneles.

Este sistema ha sido desarrollado en Alemania Next2sun (2021), pero ya existen en el mundo otras empresas de Austria y Australia ofertando la tecnología, y se ha construido instalaciones agrovoltaicas de este tipo en varios países (tabla 3 y figuras 9 y 10). 

Se propone evaluar en dos sitios de Cuba: a) el azimut óptimo para el sistema de paneles bifaciales verticales b) la relación entre las energías producida por m² durante un año con la combinación agrovoltaica, y con el sistema de ángulo fijo convencional, y c) la distribución horaria de la generación con la instalación agrovoltaica vertical.

Los datos mensuales promedio de radiación global horizontal y de la temperatura en el día, según la latitud y longitud de cada ubicación se obtuvieron del libro en Excel “Interp” (Tabla 4), uno de los resultados del proyecto “Determinación de la distribución de radiación solar sobre el territorio nacional partiendo de la información que brinda la red heliográfica”, del Centro de Física de la Atmósfera, del Instituto de Meteorología. 

 

	La Habana		Guantánamo
	Latitud	Longitud	Latitud	Longitud
	23.1	-82.34	19.94	-75.1
	Radiación solar diaria horizontal kWh/m2.día	Temperatura ambiente 0C	Radiación solar diaria horizontal kWh/m2.día	Temperatura ambiente 0C
Enero	4,24	26,9	4,18	28,8
Febrero	4,93	27,6	5,03	29,1
Marzo	5,55	28,7	5,58	29,9
Abril	6,56	30,5	5,84	30,8
Mayo	6,29	31,4	5,89	31,3
Junio	5,94	31,6	6,01	31,9
Julio	6,27	32,6	6,37	32,7
Agosto	6,08	32,6	6,49	32,9
Sept.	5,51	32,0	5,85	32,1
Octubre	4,70	30,6	4,73	31,3
Nov.	4,04	28,8	4,31	30,0
Dic.	3,57	27,4	3,75	29,2
Promedio	5,25	30,1	5,39	30,9

Tabla 4. Radiación y temperatura de los dos sitios

 Las simulaciones, con los datos meteorológicos anteriores y los parámetros tecnológicos de la tabla 5, se realizaron mediante el internacionalmente reconocido software PVsyst Group of Energy Institute of the Sciences of the Environment (2019). Este es el software profesional más utilizado en Cuba como herramienta de simulación. 

Conceptos	Unidad medida	Angulo fijo convencional (SAF)	Vertical Este- Oeste (VBEO)
Inclinación de los paneles (β)	°	15	90
Potencia pico	kWp	2 683
# paneles	-	6 966
# módulos en retrato	-	2
Espacio entre filas	m	6,13 y 5,86*	10
Tipo de panel bifacial	-	LR6-72 HBD 385 M Bifacial
Eficiencia del panel	%	19,14
Factor de bifacialidad	%	75
Ancho banda receptora	m	4,08
# inversores	-	79
Pérdida óhmica en el cableado	%	1,5 en STC
Degradación inducida de la luz	%	1,5
Pérdida de calidad del módulo	%	-0,5
Pérdida por desajuste de módulos	%	1,0
Pérdida por desajuste de cadenas	%	0,1
Modificador       del       ángulo      de incidencia	-	El propio del módulo
Pérdida por suciedad del conjunto	%	3,0	1,0**
Fracción para efecto eléctrico para el sombreado según cadenas de módulos	%	75,0%
*6,13 m La Habana y 5,86 m Guantánamo. Regla del solsticio de invierno con hora solar de diseño 8:00 AM **Menores pérdidas por posición vertical del módulo

 

Tabla 5. Parámetros tecnológicos de los sistemas 

 

Se obtuvieron los siguientes resultados:

I.         Aunque el sistema VBEO de manera preliminar orienta los paneles bifaciales en dirección Este-Oeste (azimut -90°), las simulaciones muestran que con un azimut de -80° se obtiene la máxima energía. En la medida que aumenta o disminuye dicho azimut se reduce la producción de energía. (figura 11)

II.                        Una de las ventajas de la tecnología de paneles bifaciales colocados verticalmente con orientación Este-Oeste es la ocupación mínima del terreno, de manera que prácticamente no afecta el área cultivable para aquellas plantas que soportan o se benefician con ciertos niveles de sombreados, u otras para las que la afectación no es significativa. Esto hace que sea muy probable que con la selección idónea de los cultivos el índice equivalente del suelo (LER) sea mayor que 1 (tabla 6), incluso con azimuts de - 45° y -115°. De ahí su utilidad incluso para cercados. 

 

Conceptos	La Habana			Guantánamo
Azimut	-80°	-45°	-115°	-80°	-45°	-115°
EPV,a (MWh)	3 290	3 127	3 072	3 277	3 060	3 080
EPV,r (MWh)	4 413			4 360
Yc,a Yc,r	0,75	0,71	0,70	0,75	0,70	0,71
Yc,a  mínimo para LER=1 Yc,r	0,25	0,29	0,30	0,25	0,30	0,29

                           

Tabla 6. Relación producción de energía VBEO y SAF

 III.       Otra ventaja podría ser que con el VBEO se obtiene una mayor generación horaria versus SAF en horas tempranas y tardías, lo que su aporte podría ser positivo en el balance de generación y carga del sistema eléctrico nacional (figura 12).

Con el sistema VBEO podrían ponerse a generar áreas que en la actualidad tienen solamente usos agrícolas. Una de las desventajas de esta tecnología podría ser la vulnerabilidad frente a los fuertes vientos. Sin embargo, las estructuras podrían ser montadas en zonas en que estadísticamente no hay una alta probabilidad de huracanes y ancladas en terrenos rocosos Sería posible también construir estructuras más fuertes y con partes móviles de manera que los paneles pudieran ser colocados horizontalmente cuando fuera necesario.

  Conclusiones

1.      El modelo económico cubano se ha caracterizado por el verticalismo y la autarquía en el ámbito de las actividades productivas. La cooperación entre entidades de diferentes ramas productivas y centros de investigación y universidades ha tomado recientemente un impulso positivo, cuya máxima expresión ha sido la estrecha colaboración intersectorial y de industrias, centros de investigación y universidades en la lucha contra la pandemia COVID-19, y cuyo resultado más notable, aunque no el único, han sido las vacunas y los candidatos vacunales. Los encadenamientos productivos son la norma en las economías eficientes. 

2.      La determinación del precio “sombra” de la tierra (como costo de oportunidad), el llamado enfoque económico en la evaluación de proyectos de inversión, y el cálculo de tarifas horarias y estacionales de la electricidad, son elementos pendientes de abordar en la actualización del modelo económico para la realización de evaluaciones más integrales desde el punto de vista social.

3.      Cuba necesita incrementar la generación con fuentes renovables de energía y la producción de alimentos, no sólo por necesidad económica sino de soberanía nacional. Con políticas gubernamentales adecuadas y de apoyo, con un enfoque social en vez del estrechamente sectorial y con la participación directa de los centros de investigación, universidades, empresas de diferentes ramas, diversos actores económicos y comunidades, varios de los sistemas aquí descritos, pueden formar parte del portafolio de proyectos en un futuro cercano.

 Referencias Bibliográficas

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