O mundo já precisa de mais energia solar. É energia limpa e renovável, e está rapidamente superando a criação de empregos e a acessibilidade de combustíveis fósseis. Além disso, um campo crescente de pesquisa sugere que ela também pode melhorar a agricultura, ajudando-nos a cultivar mais habitat de alimentos e polinizadores e, ao mesmo tempo, conservando a terra e a água.

Grandes "fazendas solares" em escala de utilidade são uma fonte importante de energia solar, ajudando a complementar fontes menores e menos centralizadas, como painéis solares nos telhados dos edifícios. As fazendas solares ocupam muito espaço, porém – e prosperam em lugares com muitas das mesmas qualidades favorecidas pelas culturas alimentares. Como um estudo recente encontrou, as áreas com maior potencial de energia solar já tendem a ser utilizadas como áreas de cultivo, o que faz sentido, dada a importância da luz solar para ambos.

"Acontece que, há 8.000 anos, os agricultores encontraram os melhores lugares para extrair energia solar na Terra", disse Chad Higgins, co-autor do estudo e professor de ciências agrícolas na Oregon State University, em um declaração.

Como as culturas já ocupam muitos desses lugares, isso pode parecer lançar fazendas solares e fazendas de alimentos como rivais no setor imobiliário. No entanto, embora seja inteligente equilibrar a produção de alimentos e energia, um campo crescente de pesquisa sugere que também pode ser inteligente combiná-los. Ao contrário dos combustíveis fósseis, uma das grandes vantagens da energia solar é que ela é limpa o suficiente para ainda usar a terra para produção de alimentos, sem a necessidade de se preocupar com a contaminação. E não apenas as culturas e os painéis solares podem coexistir na mesma terra, mas quando combinados da maneira correta nos locais certos, os pesquisadores dizem que cada um pode ajudar o outro a funcionar com mais eficiência do que sozinho.

Essa ideia – conhecida nos EUA como "agrivoltaica", um mashup de agricultura e energia fotovoltaica – não é nova, mas novas pesquisas estão lançando luz sobre o quão benéfico pode ser. Além dos benefícios de colher alimentos e energia limpa da mesma terra, estudos sugerem que os painéis solares também aumentam o desempenho das culturas – potencialmente aumentando o rendimento e reduzindo as necessidades de água – enquanto as culturas ajudam os painéis a trabalhar com mais eficiência. Isso poderia aumentar a produtividade global da terra 73%, enquanto gera mais alimentos com menos água, já que algumas culturas sob painéis solares podem 328% mais eficiente em termos de água.

A agrivoltaica não funcionará necessariamente da mesma forma para todos os locais ou culturas, mas não precisamos disso. De acordo com a pesquisa de Higgins, se menos de 1% das terras cultivadas existentes fossem convertidas em um sistema agrícola, a energia solar poderia atender a demanda global por eletricidade. Isso ainda não seria tão simples quanto parece, mas em meio à crescente urgência das mudanças climáticas, demanda de energia e insegurança alimentar, é uma ideia que parece mais do que pronta para seu momento ao sol.

Tipos de sistemas agrivoltaicos

ilustração de três sistemas agrivoltaicos diferentes
Três tipos diferentes de sistemas agrivoltaicos: (a) utilizando o espaço entre os painéis solares para as culturas, (b) uma estufa fotovoltaica e (c) um sistema montado sobre palafitas. (Ilustração: Sekiyama et al. (CC BY 4.0) / Ambientes)

A idéia básica da agrivoltaica data de pelo menos 1981, quando dois cientistas alemães proposto um novo tipo de usina fotovoltaica "que permite o uso agrícola adicional das terras envolvidas". Ele evoluiu nas décadas desde então, levando a novas reviravoltas no conceito que obteve sucesso em vários países, incluindo o Japão – que emergiu como líder global em "compartilhamento solar, "como a prática é conhecida lá – assim como França, Itália e Áustria, entre outros.

Existem três categorias gerais de sistemas agrivoltaicos. A idéia original colocou culturas entre linhas de painéis solares, capitalizando em espaços que de outra maneira não seriam utilizados (veja o exemplo "a" na ilustração acima). Uma tática diferente, desenvolvida em 2004 pelo engenheiro japonês Akira Nagashima, envolve painéis solares levantados sobre palafitas cerca de 3 metros (10 pés) do chão, criando uma estrutura semelhante a uma pérgola com espaço abaixo para as culturas (exemplo "c" acima). Uma terceira categoria se assemelha ao método estilizado, mas coloca os painéis solares em cima de uma estufa (exemplo "b").

Uma coisa é plantar colheitas em espaços ensolarados entre os painéis solares, mas semeá-las por baixo dos painéis significa que a luz solar fica bloqueada por pelo menos algumas horas todos os dias. Se o objetivo é maximizar a eficiência das culturas e dos painéis solares, por que deixar um bloquear a luz solar do outro?

Feito na sombra

sistema de compartilhamento agrícola ou solar em uma fazenda de arroz no Japão
Os painéis solares estão acima de um arrozal em uma fazenda de compartilhamento solar no Japão. (Foto: Σ64 (CC BY 3.0) / Wikimedia Commons)

As plantas obviamente precisam da luz solar, mas mesmo elas têm limites. Uma vez que uma planta maximiza sua capacidade de usar a luz solar para a fotossíntese, mais luz solar pode realmente impedir sua produtividade. As plantas nativas de climas secos desenvolveram várias maneiras de lidar com o excesso de energia solar, mas, como pesquisadores da Universidade do Arizona apontar, muitas de nossas culturas agrícolas não são adaptadas ao deserto. Para cultivá-los com sucesso nos desertos, compensamos sua falta de adaptação com irrigação intensiva.

Em vez de usar toda essa água, no entanto, também poderíamos imitar algumas das adaptações naturais usadas pelas plantas de clima seco. Alguns lidam com seus habitats duros cultivando à sombra de outras plantas, por exemplo, e é isso que os defensores da agrivoltaica estão tentando imitar cultivando culturas nas sombras dos painéis solares.

E essa recompensa pode ser substancial, dependendo das colheitas e condições. De acordo com um Estudo de setembro de 2019 publicado na revista Nature Sustainability, os sistemas agrivoltaicos podem melhorar três variáveis ​​importantes que afetam o crescimento e a reprodução das plantas: temperatura do ar, luz solar direta e demanda atmosférica de água.

Os autores do estudo criaram um site de pesquisa agrícola na Biosphere 2, no Arizona, onde cultivavam pimentas, jalapeños e tomates cereja sob uma matriz fotovoltaica (PV). Durante a estação de crescimento do verão, eles monitoraram continuamente os níveis de luz solar, temperatura do ar e umidade relativa usando sensores montados acima da superfície do solo, bem como temperatura e umidade do solo a uma profundidade de 5 centímetros (2 polegadas). Como controle, eles também montaram uma área de plantio tradicional próxima ao local da agrobacia, que recebeu taxas de irrigação iguais e foram testadas sob dois programas de irrigação, diariamente ou em dias alternados.

sistema agrícola na Biosfera 2 no Arizona
Uma vista do sistema agrícola na biosfera 2 no sul do Arizona. (Foto: Patrick Murphy / Universidade do Arizona)

A sombra dos painéis levou a temperaturas diurnas mais frias e temperaturas noturnas mais quentes para as plantas que crescem abaixo, além de mais umidade disponível no ar. Isso afetou cada cultura de maneira diferente, mas os três tiveram benefícios significativos.

"Descobrimos que muitas de nossas culturas alimentares se saem melhor à sombra dos painéis solares porque são poupadas do sol direto", disse o principal autor Greg Barron-Gafford, professor de geografia e desenvolvimento da Universidade do Arizona, em um declaração. "De fato, a produção total de frutos de chiltepin foi três vezes maior sob os painéis fotovoltaicos em um sistema agrícola e a produção de tomate foi duas vezes maior!"

Os jalapeños produziram uma quantidade semelhante de frutas nos cenários agrícola e tradicional, mas o fizeram com 65% menos perda de água transpiracional no cenário agrícola.

"Ao mesmo tempo, descobrimos que cada evento de irrigação pode suportar o crescimento da colheita por dias, não apenas horas, como nas práticas agrícolas atuais", disse Barron-Gafford. "Essa descoberta sugere que poderíamos reduzir nosso uso de água, mas ainda manter os níveis de produção de alimentos". A umidade do solo permaneceu cerca de 15% maior no sistema agro-elétrico do que na parcela de controle ao irrigar todos os dias.

Isso ecoa outras pesquisas recentes, incluindo uma Estudo de 2018 publicado na revista PLOS One, que testou os efeitos ambientais dos painéis solares em um pasto irrigado que geralmente sofre estresse hídrico. Ele descobriu que as áreas sob painéis fotovoltaicos eram 328% mais eficientes em termos de água e também mostraram "um aumento significativo na biomassa no final da estação", com 90% mais biomassa sob painéis solares do que em outras áreas.

sistema agrícola na UMass em South Deerfield, Massachusetts
As máquinas ainda podem operar entre os painéis em uma instalação agrícola, dizem os pesquisadores. (Foto: NREL (CC BY-NC-ND 2.0)/ Flickr)

A presença de painéis solares pode parecer uma dor de cabeça na hora de colher as colheitas, mas como Barron-Gafford recentemente disse à Sociedade Ecológica da América (ESA), os painéis podem ser organizados de forma a permitir que os agricultores continuem usando muito do mesmo equipamento. "Elevamos os painéis para que fiquem a cerca de 3 metros do chão, na extremidade baixa, para que os tratores comuns possam acessar o local. Esta foi a primeira coisa que os agricultores da área disseram que deveriam estar no local para que considerem qualquer tipo de adoção de um sistema agrícola. "

Obviamente, os detalhes da agrivoltaica variam muito, dependendo das culturas, do clima local e da configuração específica dos painéis solares. Não funcionará em todas as situações, mas os pesquisadores estão ocupados tentando identificar onde e como isso pode funcionar.

Um 'ganha-ganha-ganha'

sistema agrícola na UMass em South Deerfield, Massachusetts
O pesquisador do NREL, Jordan Macknick, e o professor da Universidade de Massachusetts, Stephen Herbert, pesquisam um campo de testes agrivoltaicos no Centro de Educação e Pesquisa em Animais de Colheita da UMass. (Foto: NREL (CC BY-NC-ND 2.0)/ Flickr)

As vantagens potenciais para as culturas por si só podem valer a pena para os produtos agropecuários, sem mencionar a menor competição por terras e demanda por água. Mas tem mais. Por um lado, as pesquisas descobriram que um sistema agrícola também pode aumentar a eficiência da produção de energia a partir dos painéis solares.

Os painéis solares são inerentemente sensíveis à temperatura, tornando-se menos eficientes à medida que se aquecem. Como Barron-Gafford e seus colegas descobriram em seu estudo recente, o cultivo de colheitas reduziu a temperatura dos painéis no teto.

"Esses painéis solares superaquecidos são realmente resfriados pelo fato de que as lavouras embaixo estão emitindo água através de seu processo natural de transpiração – assim como os deturpadores no pátio do seu restaurante favorito", disse Barron-Gafford. "No total, é uma situação em que todos ganham em termos de melhorar a maneira como cultivamos nossos alimentos, utilizamos nossos preciosos recursos hídricos e produzimos energia renovável".

Ou talvez seja um ganha-ganha-ganha-ganha? Enquanto os painéis solares e as culturas esfriam um ao outro, eles podem fazer o mesmo com as pessoas que trabalham nos campos. Dados preliminares sugerem que a temperatura da pele humana pode ser cerca de 18 graus Fahrenheit mais fria em uma área agrícola do que na agricultura tradicional, de acordo com uma pesquisa da Universidade do Arizona. "As mudanças climáticas já estão prejudicando a produção de alimentos e a saúde dos trabalhadores agrícolas no Arizona", diz o agroecologista Gary Nabhan, co-autor do estudo Nature Sustainability. "O sudoeste dos EUA vê muita insolação e mortes relacionadas ao calor entre nossos trabalhadores agrícolas; isso também pode ter um impacto direto lá".

Gerando buzz

painéis solares e flores silvestres (Tithonia rotundifolia)
O espaço ao redor dos painéis solares pode fornecer um habitat valioso para os polinizadores, hospedando flores silvestres como esses girassóis mexicanos. (Foto: Michael G. McKinne / Shutterstock)

Além de todos os benefícios acima mencionados dos produtos agrícolas – para colheitas, painéis solares, disponibilidade de terras, abastecimento de água e trabalhadores – esse tipo de combinação também pode ser um grande problema para as abelhas, juntamente com outros polinizadores.

Os insetos são responsáveis ​​por polinizar quase 75% de todas as culturas cultivadas por seres humanos e cerca de 80% de todas as plantas com flores, mas agora estão desaparecendo dos habitats em todo o mundo. A situação difícil das abelhas tende a receber mais atenção, mas polinizadores de todos os tipos vêm declinando há anos, em grande parte devido a uma mistura de perda de habitat, exposição a pesticidas, espécies invasoras e doenças, entre outras ameaças. Isso inclui abelhas e outras abelhas nativas – algumas das quais são melhores na polinização de culturas alimentares do que as abelhas domésticas -, além de besouros, borboletas, mariposas e vespas.

Muitas culturas valiosas dependem muito da polinização por insetos, incluindo a maioria das frutas, nozes, bagas e outros produtos frescos. Alimentos como amêndoas, chocolate, café e baunilha não estariam disponíveis sem os polinizadores de insetos, de acordo com a Sociedade Xerces de Conservação de Invertebrados, e muitos produtos lácteos também seriam limitados, dado o grande número de vacas que se alimentam de plantas dependentes de polinizadores, como alfafa ou trevo. Mesmo muitas culturas que não precisam de polinizadores de insetos – como soja ou morangos, por exemplo – produzem maiores rendimentos se forem polinizadas por insetos.

E esse é o impulso por trás de um impulso por mais habitat de polinizadores em fazendas solares, especialmente em áreas agrícolas onde os polinizadores podem desempenhar o maior papel econômico. Isso está bem estabelecido no Reino Unido, onde uma empresa solar começou a permitir que apicultores montassem colméias em algumas de suas fazendas solares em 2010, de acordo com a CleanTechnica. A idéia se espalhou e o Reino Unido agora tem "um sucesso longo e bem documentado usando o habitat de polinizadores em locais solares", como uma organização sem fins lucrativos de Minnesota Energia Fresca descreve.

borboleta monarca em girassol mexicano perto de painéis solares
Uma borboleta-monarca repousa sobre uma flor silvestre na frente de um painel solar. (Foto: Michael G. McKinne / Shutterstock)

O emparelhamento de polinizadores e energia solar também é cada vez mais popular nos EUA, especialmente depois que Minnesota decretou a Lei Solar Amigável ao Polinizador em 2016. Essa lei foi a primeiro de seu tipo no país, estabelecendo padrões científicos sobre como incorporar o habitat dos polinizadores em fazendas solares. Desde então, foi seguido por leis semelhantes em outros estados, incluindo Maryland, Illinois e Vermont.

Assim como as culturas, as flores silvestres podem ajudar a refrescar os painéis solares, enquanto a sombra dos painéis pode ajudar as flores silvestres a prosperar em locais quentes e secos sem taxar o suprimento de água. Mas os principais beneficiários seriam abelhas e outros polinizadores, que deveriam então passar sua boa sorte para os agricultores próximos.

Para Estudo de 2018 publicado na revista Environmental Science & Technology, pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne analisaram 2.800 instalações de energia solar em escala de utilidade (USSE) existentes e planejadas nos EUA contíguos, descobrindo que "a área em torno dos painéis solares poderia fornecer um local ideal para as plantas que atraem polinizadores". Eles observaram que essas áreas costumam ser preenchidas apenas com grama de cascalho ou grama, o que seria fácil de substituir por plantas nativas, como pradarias e flores silvestres.

Além de ajudar os polinizadores em geral – o que provavelmente seria sensato, mesmo que não pudéssemos quantificar o retorno para os seres humanos – os pesquisadores de Argonne também analisaram como "habitat do polinizador com localização solar"por sua vez, pode impulsionar a agricultura local. Ter mais polinizadores por perto pode aumentar a produtividade das lavouras, potencialmente oferecendo aos agricultores um rendimento mais alto sem o uso de recursos adicionais como água, fertilizantes ou pesticidas.

Os pesquisadores encontraram mais de 3.500 quilômetros quadrados (1.351 milhas quadradas ou 865.000 acres) de terras agrícolas perto de instalações USSE existentes e planejadas que poderiam se beneficiar de um habitat mais polinizador nas proximidades. Eles analisaram três exemplos de culturas (soja, amêndoas e cranberries) que contam com polinizadores de insetos para o rendimento anual das culturas, examinando como mais habitats de polinizadores localizados no sol podem afetá-los. Se todas as instalações solares existentes e planejadas próximas a essas culturas incluíssem habitat de polinizadores e se a produção aumentasse em apenas 1%, os valores das culturas poderiam aumentar em US $ 1,75 milhão, US $ 4 milhões e US $ 233.000 para soja, amêndoas e cranberries, respectivamente.

Pesquisa esclarecedora

pimentas e painéis solares na fazenda agrícola
Os pimentões crescem sob painéis solares no campo de teste agronômica da UMass. (Foto: NREL (CC BY-NC-ND 2.0)/ Flickr)

A agricultura nos EUA tornou-se cada vez mais difícil ultimamente, devido a uma mistura de fatores, desde secas e inundações até a guerra comercial EUA-China, que reduziu a demanda por muitas culturas americanas. Como o Wall Street Journal relatórios, isso está levando alguns agricultores a usar suas terras para colher energia solar em vez de alimentos, seja arrendando a terra para empresas de energia ou instalando seus próprios painéis para reduzir as contas de eletricidade.

"Houve muito pouco lucro no final do ano", diz um agricultor de milho e soja de Wisconsin, que está arrendando 322 acres a uma empresa de energia solar por US $ 700 por acre por ano, de acordo com o WSJ. "A Solar se torna uma boa maneira de diversificar sua renda."

A agrivoltaica pode não ser uma solução rápida para os agricultores que estão lutando agora, mas isso pode mudar à medida que a pesquisa revela mais insights, potencialmente informando os incentivos do governo que facilitam a adoção da prática. É nisso que muitos pesquisadores estão se concentrando agora, incluindo Barron-Gafford e seus colegas. Eles estão trabalhando com o Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA para avaliar a viabilidade dos produtos agrícolas além do sudoeste dos EUA e examinar como as políticas regionais podem incentivar sinergias mais novas entre agricultura e energia limpa.

Ainda assim, agricultores e empresas de energia solar não precisam necessariamente esperar mais pesquisas para capitalizar o que já sabemos. Para ganhar dinheiro com produtos agro-industriais imediatamente, Barron-Gafford diz à ESA, é apenas uma questão de elevar os mastros que sustentam os painéis solares. "Isso é parte do que torna este trabalho atual tão emocionante", diz ele. "Uma pequena mudança no planejamento pode gerar uma tonelada de grandes benefícios!"

Para obter mais informações sobre produtos agrícolas, consulte esse explicador bem como o infográfico abaixo da Universidade do Arizona:

Os painéis solares combinam surpreendentemente bem com tomates, pimentas e polinizadores

No setor agrícola, as culturas e os painéis solares não apenas compartilham terra e luz solar, mas também ajudam uns aos outros a funcionar com mais eficiência.



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