Het opbouwen van veerkracht in hernieuwbare energie en voedselproductie is een fundamentele uitdaging in de veranderende wereld van vandaag, vooral in gebieden die gevoelig zijn voor hitte en droogte. Agrivoltaïsche, de co-locatie van landbouw en fotovoltaïsche zonnepanelen, biedt een mogelijke oplossing, met nieuw door de Universiteit van Arizona geleid onderzoek dat positieve effecten op de voedselproductie rapporteert, waterbesparing en de efficiëntie van de elektriciteitsproductie.

Agrivoltaïsche, ook bekend als delen van zonne-energie, is een idee dat de laatste jaren aan kracht wint; echter, weinig studies hebben alle aspecten van het bijbehorende voedsel gevolgd, energie- en watersystemen, en geen enkele heeft zich gericht op droge gebieden - regio's die te maken hebben met uitdagingen op het gebied van voedselproductie en watertekorten, maar hebben een overvloed aan zonne-energie.

"Velen van ons willen meer hernieuwbare energie, maar waar zet je al die panelen? Naarmate zonne-installaties groeien, ze bevinden zich meestal aan de rand van steden, en dit is historisch gezien waar we ons voedsel al verbouwen, " zei Greg Barron-Gafford, een universitair hoofddocent aan de School of Geography and Development en hoofdauteur van het artikel dat vandaag werd gepubliceerd in Natuur Duurzaamheid .

Een recent spraakmakend onderzoek in Natuur ontdekte dat de huidige akkerlanden de "landbedekkers zijn met het grootste potentieel voor zonne-PV-energie", gebaseerd op een uitgebreide analyse van binnenkomend zonlicht, luchttemperatuur en relatieve vochtigheid.

"Dus welk landgebruik heeft uw voorkeur - voedsel- of energieproductie? Deze uitdaging treft precies op het kruispunt van verbindingen tussen mens en milieu, en dat is waar geografen schitteren!" zei Barron-Gafford, die ook onderzoeker is bij Biosphere 2. "We begonnen te vragen, 'Waarom niet beide op dezelfde plek produceren?' En we verbouwen gewassen zoals tomaten, pepers, snijbiet, boerenkool, en kruiden in de schaduw van zonnepanelen sindsdien."

Met behulp van fotovoltaïsche zonne-energie, of PV, panelen en regionale groenten, het team creëerde de eerste agrivoltaïsche onderzoekssite in Biosphere 2. Professoren en studenten, zowel bachelor als master, alles gemeten, van het moment waarop planten ontkiemden tot de hoeveelheid koolstof die planten uit de atmosfeer zuigen en het water dat ze vrijgaven, tot hun totale voedselproductie gedurende het groeiseizoen.

Het onderzoek richtte zich op chiltepin-peper, jalapeno- en cherrytomatenplanten die onder een PV-array werden geplaatst. Gedurende het gemiddelde groeiseizoen van drie maanden in de zomer, onderzoekers volgden continu de niveaus van inkomend licht, luchttemperatuur en relatieve vochtigheid met behulp van sensoren die boven het bodemoppervlak zijn gemonteerd, en bodemtemperatuur en vocht op een diepte van 5 centimeter. Zowel het traditionele beplantingsgebied als het agrivoltaïsche systeem kregen gelijke irrigatiesnelheden en werden getest met behulp van twee irrigatiescenario's:dagelijkse irrigatie en irrigatie om de dag.

Ze ontdekten dat het agrivoltaïsche systeem een ​​aanzienlijke invloed had op drie factoren die de groei en reproductie van planten beïnvloeden:luchttemperaturen, direct zonlicht en atmosferische vraag naar water. De schaduw van de PV-panelen resulteerde in koelere dagtemperaturen en warmere nachttemperaturen dan de traditionele, open-sky beplantingssysteem. Er was ook een lager dampdrukdeficit in het agrivoltaïsche systeem, wat betekent dat er meer vocht in de lucht was.

"We ontdekten dat veel van onze voedselgewassen het beter doen in de schaduw van zonnepanelen omdat ze gespaard blijven van de directe zon, ' zei Baron-Gafford. 'In feite, de totale productie van chiltepin-fruit was drie keer groter onder de PV-panelen in een agrivoltaïsch systeem, en de tomatenproductie was twee keer zo groot!"

Jalapenos produceerde een vergelijkbare hoeveelheid fruit in zowel het agrivoltaïsche systeem als het traditionele perceel, maar deed dat met 65% minder transpiratievochtverlies.

"Tegelijkertijd, we ontdekten dat elke irrigatiegebeurtenis de gewasgroei dagenlang kan ondersteunen, niet alleen uren, zoals in de huidige landbouwpraktijken. Deze bevinding suggereert dat we ons watergebruik kunnen verminderen, maar toch de voedselproductie op peil kunnen houden. " Barron-Gafford voegde toe, opmerkend dat het bodemvocht ongeveer 15% hoger bleef in het agrivoltaïsche systeem dan het controleperceel bij irrigatie om de andere dag.

Naast de voordelen voor de planten, de onderzoekers ontdekten ook dat het agrivoltaïsche systeem de efficiëntie van de energieproductie verhoogde. Zonnepanelen zijn van nature gevoelig voor temperatuur, omdat ze opwarmen, hun efficiëntie daalt. Door gewassen onder de PV-panelen te verbouwen, onderzoekers waren in staat om de temperatuur van de panelen te verlagen.

"Die oververhitte zonnepanelen worden eigenlijk afgekoeld door het feit dat de gewassen eronder water uitstoten door hun natuurlijke transpiratieproces - net als meneertjes op het terras van je favoriete restaurant, ' zei Barron-Gafford. 'Alles bij elkaar, dat is een win-win-win in termen van het verbeteren van onze manier waarop we ons voedsel verbouwen, gebruik maken van onze kostbare waterbronnen, en duurzame energie te produceren."

Barron-Gafford's onderzoek naar agrivoltaics is uitgebreid met verschillende zonne-installaties op Tucson Unified School District, of USD, land. Mozes Thompson, die zijn tijd verdeelt tussen de TUSD en de UA School of Geography and Development, merkt op dat het team ook de TUSD-zonne-installaties gebruikt om in contact te komen met K-12-studenten.

"Wat me in dit werk aantrekt, is wat er gebeurt met de K-12-leerling wanneer hun betrokkenheid consequent is en het onderzoek in hun gemeenschap leeft, "Zei Thompson. "Die verschuiving in dynamiek creëert studenten die keuzevrijheid voelen bij het aanpakken van grote uitdagingen zoals klimaatverandering."

De auteurs zeggen dat meer onderzoek met extra plantensoorten nodig is. Ze wijzen ook op de momenteel onontgonnen impact die agrivoltaïsche energie kan hebben op het fysieke en sociale welzijn van landarbeiders. Voorlopige gegevens tonen aan dat de huidtemperatuur ongeveer 18 graden Fahrenheit koeler kan zijn bij het werken in een agrivoltaïsch gebied dan in de traditionele landbouw.

"Klimaatverandering verstoort nu al de voedselproductie en de gezondheid van landarbeiders in Arizona, " zei Gary Nabhan, een agro-ecoloog in het UA Southwest Center en co-auteur van het papier. "Het zuidwesten van de VS ziet veel hitteberoerte en hittegerelateerde sterfte onder onze landarbeiders; dit zou daar een directe impact kunnen hebben, te."

Barron-Gafford en het team werken nu samen met het National Renewable Energy Lab van het Amerikaanse ministerie van Energie om te beoordelen hoe goed een agrovoltaïsche aanpak kan werken in andere regio's van het land en hoe regionaal beleid de invoering van nieuwe benaderingen kan bevorderen om deze alomtegenwoordige problemen op te lossen.

"Dit is UA-innovatie op zijn best - een interdisciplinair team van onderzoekers die werken aan het aanpakken van enkele van onze meest uitdagende milieudilemma's, " zei co-auteur Andrea Gerlak, een professor in de School of Geography and Development in het College of Social and Behavioral Sciences. "Stel je de impact voor die we kunnen hebben in onze gemeenschap - en de grotere wereld - door creatiever na te denken over landbouw en de productie van hernieuwbare energie samen."