Agrivoltaico: una grande opportunità per i piccoli ruminanti

INDICE

• Introduzione
• Metodo
• Panoramica della tecnologia agrivoltaica in uso
• Configurazioni della struttura di montaggio e orientamenti dei moduli
• Tipologia di moduli fotovoltaici
• Disposizione del pannello solare
• Il ruolo dei piccoli ruminanti nell’agrivoltaico
• I potenziali impatti dell’agrivoltaico sulla produttività agricola e sul territorio
• Benessere e comportamento del bestiame
• Produttività del bestiame
• Foraggio
• Densità di allevamento
• Impatti sul suolo
• Microclima
• Altri aspetti della sostenibilità
• Conclusioni

Introduzione

L’Agenzia Internazionale per l’Energia (di seguito anche solo IEA) ha pubblicato un rapporto completo su come si possa realizzare la transizione verso un sistema energetico a zero emissioni nette di carbonio, “garantendo al contempo forniture energetiche stabili e accessibili, fornendo un accesso universale all’energia e consentendo una solida crescita economica “.

Il percorso economicamente produttivo ed economicamente conveniente che viene delineato mostra chiaramente un’economia energetica pulita, dinamica e resiliente, dominata dalle energie rinnovabili, in particolare eolica e solare (vedi Fig. 1). La generazione variabile di energia eolica e solare implica che dovranno essere integrate con altre energie rinnovabili, come l’energia idroelettrica, e diverse opzioni di stoccaggio per raggiungere un sistema energetico a zero emissioni nette di carbonio.

Fig. 1. Produzione globale di energia elettrica per fonte in uno scenario di emissioni nette di carbonio pari a zero.

L’IEA prevede che per i pannelli fotovoltaici (PV) su scala industriale, o parchi fotovoltaici, si raggiungerà tra l’1,5 e l’1,8 TW di capacità di generazione di elettricità entro il 2028. Le analisi di Bolinger e Bolinger (2022) indicano che l’attuale densità di potenza delle tipiche installazioni commerciali, a inclinazione fissa o a inseguimento monoassiale, è compresa tra 0,54 e 1,01 MW _DC per ettaro, il che implica che 1,5-3,3 milioni di ettari di terreno saranno utilizzati per parchi fotovoltaici entro il 2028. Anche se questa superficie è piccola rispetto al totale dei terreni agricoli utilizzati a livello globale per l’allevamento del bestiame, circa 4 miliardi di ettari, i parchi fotovoltaici su scala industriale richiedono terreni ragionevolmente pianeggianti in regioni con buone risorse di energia solare, il che implica una potenziale competizione nell’uso del suolo.

Negli Stati Uniti, l’American Farmland Trust stima che tra il 2016 e il 2040 potrebbero andare persi 7,5 milioni di ettari aggiuntivi di terreno agricolo se gli attuali trend di sviluppo continueranno. D’altro canto, con i tipici progetti di parchi fotovoltaici commerciali, i punti più bassi degli array FV vengono installati per renderli più adatti al pascolo di piccoli ruminanti, sebbene la pastorizia possa essere più impegnativa. In effetti, l’uso di pecore per mantenere la vegetazione attorno e sotto gli array FV è diventata una pratica comune in tutto il mondo. L’American Solar Grazing Association, ad esempio, ha stimato nel 2023 che circa 5000 pecore mantenevano parchi fotovoltaici negli Stati Uniti, anche se i risultati del censimento completo saranno pubblicati alla fine del 2024. Tuttavia, Ross (2023) sottolinea diverse sfide con i parchi fotovoltaici convenzionali. In alcune regioni c’è una forte opposizione alla conversione di terreni agricoli produttivi in ​​solar farms intensive con un po’ di pascolo, in quanto ci sono preoccupazioni di danni agli ambienti, alle economie e alla cultura locali, nonché al (potenziale) calo dei valori delle proprietà adiacenti. Inoltre, i pastori indicano che molti siti fotovoltaici esistenti non sono costruiti appositamente per soddisfare le esigenze delle pecore (acqua, cure di routine, cibo e riparo) e la logistica associata richiesta per la gestione della vegetazione con le pecore comporta costi significativi.

L’agrivoltaico, introdotto nei primi anni ’80, affronta queste sfide con le combinazioni efficaci di produzione agricola (come prima priorità) e generazione di elettricità (per reddito secondario) sullo stesso terreno. Il concetto sta ricevendo molta attenzione a livello globale come alternativa praticabile ai convenzionali parchi fotovoltaici su larga scala, per creare vantaggi reciproci per ogni settore. I sistemi agrivoltaici differiscono dai convenzionali pannelli solari montati a terra in quanto i pannelli hanno in genere una maggiore altezza dal suolo e sono più distanziati. Ciò fornisce abbastanza spazio per il funzionamento delle attrezzature agricole e consente alla luce di raggiungere le colture sottostanti. È possibile prevedere un cambiamento nella resa delle colture a causa delle ombre sotto i pannelli dei moduli, ma la quantità dipende dal clima e dalla tolleranza all’ombra della coltura specifica. Ad esempio, lattuga, patate dolci, melanzane, soia e arachidi prosperano in ambienti ombrosi o con poca luce. Se i sistemi agrivoltaici sono ben progettati, la produttività del terreno potrebbe aumentare del 60-70% rispetto alla massimizzazione della sola generazione di energia elettrica solare, il che potrebbe rispondere alle preoccupazioni, in alcuni paesi, di convertire i terreni arabili in estesi parchi solari.

Cuppari et al. (2021), ad esempio, dimostrano aumenti sostanziali dei ricavi rispetto agli scenari che prevedono la sola azienda agricola per erba medica e soia in Oregon e soia e fragole nella Carolina del Nord. Inoltre, i sistemi agrivoltaici sono stati utilizzati in terreni utilizzati per le attività pastorali fornendo un riparo aggiuntivo per proteggere il bestiame dallo stress da caldo e dalle avverse condizioni meteorologiche invernali.

È stato dimostrato che la combinazione di agrivoltaico e allevamento ovino è particolarmente indicata, e sia i pastori sia l’industria del fotovoltaico riconoscono i vantaggi della progettazione di sistemi agrivoltaici adeguati. Schoeck (2023) riferisce che l’industria statunitense prevede un tasso di crescita annuale superiore al 10% per sfruttare questi vantaggi.

Sebbene il concetto di agrivoltaico stia guadagnando terreno, permangono molte incertezze che sono oggetto di ricerca.

Gli obiettivi di questa revisione sono di fornire maggiori approfondimenti su:

1. lo stato attuale rispetto alla tecnologia,
2. il ruolo dei piccoli ruminanti (appropriati) nell’agrivoltaico,
3. i potenziali impatti dell’agrivoltaico sulla produttività agricola e sul territorio,
4. altri aspetti legati alla sostenibilità.

Metodo

Il metodo principale per intraprendere la ricerca è stato quello di una revisione narrativa, che è definita come “un riassunto accademico insieme a interpretazione e critica” (Greenhalgh et al., 2018). I coautori sono esperti in diversi aspetti dell’agrivoltaico, vale a dire: tecnologie solari fotovoltaiche, allevamento di ruminanti e impatti ambientali. Si sono quindi concentrati separatamente sugli obiettivi specifici e hanno intrapreso una combinazione di una revisione ermeneutica, per creare una comprensione più profonda e interpretativa dei vari aspetti dell’agrivoltaico, e una revisione realista, per ottenere una migliore comprensione della causalità in termini di implicazioni dell’agrivoltaico. Il termine chiave “agrivoltaico” è stato utilizzato per esaminare la letteratura esistente e identificare documenti di ricerca specifici per i singoli obiettivi.

Panoramica della tecnologia agrivoltaica in uso

Per i sistemi agrivoltaici vengono applicate molte diverse configurazioni di pannelli solari, che si manifestano in diverse tipologie (vedere Fig. 2). Per i sistemi agrivoltaici combinati con l’allevamento ovino, vengono solitamente utilizzate strutture di montaggio aperte e sospese. Di fondamentale importanza per la generazione ottimale di elettricità sono le configurazioni della struttura di montaggio e gli orientamenti dei moduli, il tipo di moduli FV e la disposizione dei pannelli solari in termini di spaziatura, tutti fattori che incidono sulla tecno-economia.

Fig. 2 . Tipologie di sistemi agrivoltaici (adattato da Trommsdorff et al., 2022 ).

Configurazioni della struttura e orientamenti dei moduli

La fattibilità di un sistema agrivoltaico dipende dalle strutture, poiché diverse disposizioni dei pannelli possono influenzare le operazioni agricole e la quantità di luce che raggiunge le colture.

Esistono due disposizioni prevalenti dei pannelli: un modello lineare o a scacchiera (vedere Fig. 3). Il modello a scacchiera distribuisce la radiazione solare in modo più eterogeneo, ma genera meno elettricità per area di terreno; quindi, le strutture lineari sono le più comuni nella pratica.

Fig. 3. Disposizione convenzionale dei pannelli: linea retta (sinistra) e scacchiera (destra) ( Trommsdorff et al., 2020 ).

Le strutture di montaggio possono ospitare sistemi di inseguimento a inclinazione fissa (rivolti verso l’equatore) o allineati nord-sud, per seguire il sole (vedere Fig. 4 ). Con i sistemi a inclinazione fissa, i pannelli sono solitamente a circa 2-3 m dal livello del suolo (al centro), con distanze tra le file di almeno tre volte l’altezza dei moduli (per ottenere una radiazione solare ragionevolmente uniforme sul terreno).

Sono possibili agrivoltaici più alti, con più di 4 m in alcuni sistemi, ma si preferiscono strutture a bassa altezza per ridurre al minimo il wind shear e i costi associati per il rafforzamento delle strutture. Vengono utilizzate diverse opzioni di fondazione, a seconda della geologia della posizione. La maggior parte dei progetti utilizza pali infissi e, per terreni specifici, ancoraggi (per terreni bonificati o incassamenti poco profondi) o viti di terra (alto contenuto di argilla). In queste applicazioni non è necessario alcun calcestruzzo. In casi eccezionali possono essere utilizzati sistemi di zavorra sopra il terreno. L’inclinazione ottimale per un sistema fisso varia a seconda della posizione ed è idealmente simile alla latitudine della posizione.

Fig. 4. Sistemi agrivoltaici a inclinazione fissa (a) e a inseguimento monoasse (b).

I sistemi di tracciamento, sebbene più costosi, consentono una migliore distribuzione della radiazione solare e di gestire l’ombreggiatura in diverse fasi di crescita delle colture. Possono anche ridistribuire la pioggia per prevenire il deflusso eterogeneo e quindi l’erosione del suolo. È stato dimostrato che la produttività del terreno in un sito in Italia aumenta fino al 14% con i sistemi di tracciamento rispetto ai sistemi a inclinazione fissa. Sono classificati in sistemi di tracciamento a singolo e doppio asse. Tuttavia, il tracciamento a singolo asse è il più economico e quindi più comunemente utilizzato.Un vantaggio della struttura è il microclima che si crea sotto i pannelli, con una migliore ritenzione dell’umidità del terreno.

Tipologia di moduli fotovoltaici

Diversi tipi di moduli fotovoltaici sono ora ampiamente disponibili sul mercato. I tradizionali moduli policristallini (efficienza 13-16%) e monocristallini (efficienza 15-20%) sono stati utilizzati nei sistemi agrivoltaici. Tuttavia, da una prospettiva economica, i moduli monocristallini sono più efficaci. I pannelli bifacciali stanno diventando lo standard del settore in quanto possono catturare la luce riflessa dal terreno. Sebbene siano più costosi di circa il 10%, danno gli stessi guadagni rispetto ai moduli monocristallini.

Soprattutto nei periodi dell’anno con bassi livelli di insolazione, come mostrato per località specifiche in Vietnam, Bangladesh, Cina, India e Brasile, possono offrire un migliore ritorno sull’investimento. I moduli semi-trasparenti colorati possono far passare selettivamente frequenze di luce importanti per la fotosintesi, in genere parti dello spettro dal verde al rosso, catturando il resto. Sebbene siano molto promettenti, al momento sono utilizzati principalmente nelle serre e non per sistemi agrivoltaici più grandi e aperti.

Disposizione del pannello solare

Un aspetto cruciale è la disposizione dei pannelli solari, che devono tenere conto della specifica produzione agricola e considerare gli effetti, tra gli altri, sull’acqua e sul microclima. Toledo e Scognamiglio (2021) forniscono lo stato attuale dell’arte nelle progettazioni in termini di geometria e densità, nonché altezze indicative. Nella maggior parte della letteratura riportata, tuttavia, l’uso di una disposizione di pannelli a mezza densità o a schema ha consentito una maggiore crescita delle piante. Lo standard del settore, per il pascolo del bestiame, è un rapporto di copertura del suolo (GCR) del 44% per i sistemi a inclinazione fissa e del 33% per i sistemi di tracciamento.

I sistemi agrivoltaici mobili, sebbene abbiano un costo più elevato, possono anche ridurre le perdite nelle rese dei pascoli perché la luce disponibile può essere aumentata nelle fasi critiche di crescita. Per ridurre al minimo la quantità di terreno utilizzato, i progetti verticali bifacciali sono i migliori (GCR <1%) con la produzione di energia più elevata al mattino e nel tardo pomeriggio. Lo standard tedesco per i sistemi agrivoltaici può essere un punto di riferimento ragionevole. Questo stabilisce che il terreno agricolo inutilizzabile non deve superare il 10% per l’agricoltura di categoria I (sistemi aerei, >2,1 m di altezza).

Il ruolo dei piccoli ruminanti nell’agrivoltaico

Un elemento particolarmente importante dell’agrivoltaico è garantire che non solo i pannelli solari rimangano in buone condizioni, ma anche l’ambiente più ampio dell’impianto. Oltre alla produzione di energia dei pannelli solari, ci sono effetti benefici sulla produzione agricola e sulla gestione della vegetazione. Nelle tipiche solar farms, senza pascolo, la vegetazione attorno ai pannelli tende a essere gestita tramite l’uso di erbicidi, lavoro manuale e falciatura. L’uso di bestiame al pascolo è un approccio molto più efficace ed efficiente in termini di tempo.

Può fornire foraggio al bestiame per supportare la sua crescita e capacità produttiva, mantenendo al contempo la vegetazione per gli agricoltori e riducendo la richiesta di lavoro manuale. Andrew et al. (2021) notano che i piccoli ruminanti possono essere utilizzati, “in sistemi di pascolo mirati ” per controllare la produzione e la crescita eccessiva dell’erba senza l’intervento di macchinari, o con una minore dipendenza dai macchinari, il che ha vantaggi sia finanziari che ambientali. Inoltre, l’uso persistente di sostanze chimiche per la gestione della vegetazione ha effetti duraturi sulla biodiversità, che sarebbero costosi da invertire. La manutenzione con erbicidi potrebbe anche causare deflusso, potenzialmente inquinando i sistemi naturali adiacenti.

La progettazione di un sistema di pascolo agrivoltaico di successo si basa sull’attenta considerazione della progettazione e della disposizione dell’impianto, sulla selezione del bestiame appropriato e sulla creazione e manutenzione di pascoli o colture da pascolo adatte. Questi fattori aiutano a garantire che i sistemi agrivoltaici siano adatti all’ambiente. L’agrivoltaico è particolarmente utile quando si lavora a fianco di allevamenti di piccoli ruminanti perché, a differenza dei bovini, le pecore sono abbastanza piccole da stare sotto i pannelli solari montati a terra, eliminando il rischio di danneggiarli. Ciò consente una facile installazione e generalmente non è necessario regolare i pannelli fotovoltaici. Le capre non sono adatte perché sono predisposte a masticare i fili o a saltare sui pannelli. Pertanto, l’uso delle pecore può essere un modo conveniente per utilizzare tutto ciò che i pannelli solari hanno da offrire sia in senso agricolo che commerciale.

I potenziali impatti dell’agrivoltaico sulla produttività agricola e sul territorio

Benessere e comportamento del bestiame

La revisione di Biswal et al. (2021) ha scoperto che le condizioni di stress da caldo influenzano significativamente la crescita, la produzione, la produzione di latte, l’ingestione di alimento, le prestazioni riproduttive e altre funzioni biologiche dei piccoli ruminanti, in particolare nelle aree tropicali e subtropicali con elevati livelli di umidità e temperature superiori a 30 °C. Sostiene inoltre che il cambiamento climatico esacerberà questi effetti.

Gli impianti agrivoltaici ombreggiano l’area direttamente sottostante e si ritiene che possano apportare benefici in termini di benessere e produttività al bestiame che pascola sotto di essi, offrendo un’ombra simile a quella naturale degli alberi, per mitigare il rischio di stress da caldo, nonché riparo dalle intemperie. Marcone et al. (2021) hanno concluso che le pecore possono subire lo stress da caldo anche in condizioni moderatamente calde. La loro ricerca ha scoperto che il 54% delle pecore da lana cercherà l’ombra quando la temperatura media dell’aria supera i 19 °C in un paese ad alta latitudine (Estonia). All’ombra, le pecore ansimano meno e mangiano e ruminano di più. Inoltre, Sevi e Caroprese (2012) hanno scoperto che nei paesi mediterranei le pecore in lattazione che sperimentano temperature superiori alla loro zona termoneutra (25 °C) diminuiscono l’ingestione, la produzione di latte e la sua qualità. Allo stesso modo, in una sperimentazione su vacche da carne in Aotearoa Nuova Zelanda, la fornitura di ombra ha comportato più tempo trascorso al pascolo. Sebbene questo studio non abbia concluso che un maggiore pascolo abbia comportato una maggiore produzione, offre un’indicazione sui benefici del dare agli animali accesso all’ombra.

È stato dimostrato che le pecore trascorrono il 38% del loro tempo sotto i pannelli fotovoltaici e questa percentuale aumenta al 70% quando la radiazione solare è uguale o superiore a 800 W/m ² in uno studio condotto vicino a San Paolo, California, USA. Fonsêca et al., 2023 hanno scoperto che le pecore avevano il 30% in meno di carico termico radiante quando erano all’ombra dei pannelli solari, rispetto a quando erano esposte al sole. Durante il periodo tra aprile e maggio in Oregon, USA, gli agnelli al pascolo nei terreni con pannelli solari hanno trascorso rispettivamente il 96,1% e il 96,5% del loro “tempo di inattività” all’ombra dei pannelli solari. Il tempo di pascolo in sé è rimasto lo stesso, con circa il 43,5% del loro tempo trascorso sotto i pannelli solari al pascolo, notando che questo non differiva nei diversi momenti della giornata. Ciò contrasta con Kampherbeek et al. (2023), che hanno scoperto, per una solar farm in California, che il tasso di pascolo delle pecore è aumentato nel gruppo con pannelli solari rispetto al gruppo di pascolo nativo. Si noti, tuttavia, che il tempo di pascolo potrebbe non essere una buona metrica dei benefici, poiché può essere influenzato, ad esempio, dal tipo di foraggio. I pannelli possono fornire riparo dalla pioggia, proteggendo gli animali al pascolo dagli elementi e supportando un maggiore benessere. La modellazione di Gill et al. (2024) basata sulle condizioni di Victoria, Australia, suggerisce che nei climi più freddi, la sopravvivenza degli agnelli potrebbe essere migliorata grazie alla significativa riduzione della velocità del vento e alla protezione dalla pioggia. La recinzione dei siti solari offre anche protezione dai predatori in ambienti in cui la predazione del bestiame è un problema.

La resistenza antielmintica è un problema crescente a livello globale nella gestione dei ruminanti. Un’attenta gestione del pascolo è un prezioso strumento non chimico nel controllo dei parassiti gastrointestinali negli ovini. Le strategie di gestione del pascolo includono il pascolo incrociato di diverse specie di ruminanti, nonché il rinnovamento delle colture e/o dei pascoli sia per migliorare la nutrizione che per scopi di decontaminazione. Dato il significativo investimento finanziario nell’installazione di impianti fotovoltaici, alcuni operatori di parchi agrivoltaici sono riluttanti a consentire ai ruminanti più grandi di pascolare sotto i pannelli o a utilizzare macchinari più grandi necessari per la coltivazione nelle vicinanze dei pannelli fotovoltaici. Inoltre, se i siti vengono utilizzati spesso per il pascolo di agnelli che ricevono regolari trattamenti chimici antielmintici, è probabile che il rischio di resistenza antielmintica aumenti in modo significativo. Sebbene questa preoccupazione relativa ai danni ai pannelli possa essere giustificata con gli impianti fotovoltaici esistenti, limita potenzialmente la fattibilità a lungo termine dell’ingrasso degli agnelli nel contesto del pascolo sotto impianti solari, in particolare nelle aree in cui i parassiti gastrointestinali rappresentano già una sfida importante per i sistemi di produzione ovina. Sono attualmente in corso sperimentazioni in diversi stati degli Stati Uniti con bovini al pascolo sotto pannelli fotovoltaici elevati. Inoltre, prove aneddotiche provenienti da Australia, Stati Uniti e Regno Unito suggeriscono che man mano che si stabiliscono e si rafforzano le relazioni tra le aziende che operano nel settore dell’energia solare e gli agricoltori, aumenta l’accettazione dell’uso di macchinari agricoli tra i pannelli e altre attività agricole, e coloro che sviluppano i propri sistemi fotovoltaici (in contrapposizione ai pascoli di proprietà di terzi) avranno la possibilità di progettarli per bestiame e macchinari più grandi, se necessario, per massimizzare l’uso del terreno.

Produttività del bestiame

Mancano ricerche sulla produttività del bestiame al pascolo sotto i pannelli solari. Tuttavia, in uno dei pochi articoli pubblicati fino ad oggi, Andrew et al. (2021) hanno notato una crescita comparabile negli agnelli al pascolo sotto i pannelli solari in Oregon, USA, rispetto a quelli al pascolo su pascoli aperti, nonostante la minore offerta di erba nei pascoli sotto i pannelli solari. Ciò può essere attribuibile al ridotto stress da caldo che gli agnelli hanno sperimentato quando si trovavano nei pascoli con pannelli solari. Di conseguenza, è probabile che gli agnelli abbiano un migliore apporto di cibo e ansimino meno per regolare la temperatura corporea, il che riduce le perdite di produzione. Ciò è stato supportato da studi precedenti in cui Pent et al. (2020) hanno registrato che gli agnelli trascorrevano circa il 90% delle ore diurne all’ombra in estate, in Virginia, USA, e Cloete et al. (2000) hanno notato che gli agnelli nati in recinti ombreggiati erano più pesanti di quelli nati in pascoli aperti nella provincia del Capo Occidentale del Sud Africa.

Foraggio

Diverse piante possono essere coltivate con successo sotto i pannelli solari senza essere influenzate negativamente dai livelli più elevati di ombra rispetto ai pascoli aperti. La letteratura mostra che in un sistema di ombra completa, la produzione di foraggio è ridotta per limiti di umidità e piante che intercettano meno radiazione solare. Un esperimento che valuta l’effetto dell’ombra permanente su un mix di trifoglio bianco e loietto perenne ha mostrato una riduzione della produzione in linea con l’aumento dell’ombra ( Ehret et al., 2015 ). I risultati sono simili ad Andrew et al. (2021) che ha segnalato una significativa riduzione della resa di erba in aree completamente ombreggiate. L’ombra parziale, con distribuzione della luce solare tra i pannelli, offre i vantaggi dell’ombra, come un’evapotraspirazione più lenta e temperature del suolo più basse, senza compromettere la crescita. L’ombreggiatura parziale potrebbe consentire un’adeguata esposizione alla luce solare necessaria per la fotosintesi e la crescita delle piante e ridurre al minimo i danni causati dalla sovraesposizione.

Sono state osservate rese migliori in specie intolleranti all’ombra sotto un pannello solare a bassa densità di moduli in Colorado, USA, rispetto a un controllo (senza moduli) e ad alta densità di moduli. Ciò indica che la coltura non ha bisogno di essere amante dell’ombra per mantenere la produzione in un sistema parzialmente ombreggiato. Il sistema di pascolo in Aotearoa Nuova Zelanda, ad esempio, è stato tradizionalmente basato su loietto e trifoglio bianco. Il loietto perenne presenta significative riduzioni di produzione e qualità a temperature superiori a 20 °C. Hassanpour Adeh et al. (2018) hanno scoperto che le erbe dei pascoli in ombra parziale hanno prodotto significativamente più biomassa con una maggiore efficienza idrica rispetto a quelle in pieno sole, in Oregon, USA. Lo studio ha attribuito ciò alle piante esposte a una minore radiazione solare e quindi a una più lenta essiccazione dell’acqua immagazzinata. In alcune prove, l’integrazione agrivoltaica ha dimostrato di migliorare l’efficienza nell’uso dell’acqua senza potenzialmente influire sulla resa. Payne e Norton (2011) discutono sul fatto che  le piante che sperimentano periodi di ombra hanno maggiore acqua disponibile nei terreni e nel fogliame, in una regione secca di Aotearoa, Nuova Zelanda. L’ombra porta a una minore evapotraspirazione, che riduce la richiesta di acqua della vegetazione. In ambienti aridi e semi-aridi, è stato dimostrato che le piante sotto pannelli solari traggono vantaggio dall’ombreggiatura riducendo il livello di radiazione solare e riducendo le perdite d’acqua.

La revisione di Yavari et al. (2022), in diverse regioni climatiche, supporta ciò, osservando che l’efficienza idrica è massimizzata nelle aree ombreggiate, il che aiuta ad aumentare la biomassa riducendo le perdite di evapotraspirazione. Ciò è supportato anche da Semeraro et al. (2024) che hanno osservato, nell’Italia meridionale, una maggiore produzione sotto i pannelli solari nel trattamento a basso apporto di acqua rispetto al trattamento ad alto apporto di acqua e suggeriscono che ciò potrebbe offrire benefici economici con una minore dipendenza dall’irrigazione. Tuttavia, la disponibilità di umidità direttamente sotto i pannelli può diventare un fattore limitante. Beatty et al. (2017) indicano che qualsiasi area sotto i pannelli a più di 0,5 m dal bordo può ricevere acqua limitata dalla pioggia. L’efficienza può essere migliorata selezionando tatticamente piante adatte. La revisione di Mamun et al. (2022) nota che erba e leguminose crescono bene insieme e così facendo migliorano la salute a lungo termine del terreno e incoraggiano la pronta crescita delle colture delle stagioni successive. Notano anche che pascolo per pecore, loietto perenne, citronella, erba francese, Sonamukhi e segale sono adatti in condizioni di umidità nelle aziende agricole con agrivoltaico. Lo studio di Loan et al. (2022) nella Francia centrale ha scoperto che le specie della famiglia Poaceae avrebbero alte probabilità di crescita; questo non vale però per le piante Fabaceae perché hanno una bassa tolleranza all’ombra.

La progettazione del parco solare è un fattore determinante per il successo del sistema agrivoltaico, riducendo i problemi legati alla competizione per i terreni. Ad esempio, l’area ombreggiata è influenzata dall’area e dall’altezza dei pannelli. All’aumentare dell’altezza dei pannelli, l’area ombreggiata diminuisce. Marrou et al. (2013), Montpellier, Francia, mostrano che con pannelli distanti 1,6 m la resa della lattuga era inferiore del 48% rispetto a quella in pieno sole, mentre a 3,2 m la resa era appena influenzata. La progettazione influisce anche sulla facilità di coltivazione e sulla capacità di utilizzare macchinari tra le file. Yavari et al. (2022) notano che il modo in cui i pannelli solari erano inclinati potrebbe avere un impatto sulla distribuzione dell’acqua e ridurre al minimo l’intercettazione dell’acqua. I pannelli montati in basso sono il design più comune, che ha conseguenze sulla qualità del foraggio e sulla capacità di una produzione efficiente di pascoli, come dimostrato da uno studio in Brasile ( Maia et al., 2020 ). Una preoccupazione è la capacità delle piante di crescere con gli effetti di calpestamento delle pecore. Ciò è attribuibile alla quantità di tempo che le pecore trascorrono sotto i pannelli, che impediscono alle piante di vedere e assorbire luce e spazio per crescere.

La crescita del foraggio può anche essere influenzata dal modo in cui i pannelli sono sagomati, dalle loro dimensioni e dalla direzione in cui puntano rispetto a dove le piante dovrebbero crescere. Kampherbeek et al. (2023) hanno studiato la qualità del foraggio confrontando un sito di pannelli solari con un’area di pascolo autoctona in California, USA. Il modo in cui è strutturato un sistema fotovoltaico influenza la crescita e la qualità del foraggio sotto i pannelli. I pannelli solari sono utili nel senso che possono creare “microclimi” fornendo ombra e trattenendo l’umidità nel terreno. Di conseguenza, ci sono quantità di proteine ​​più elevate nel foraggio che cresce sotto i pannelli, in particolare sul bordo. In un ambiente semiarido, con pascolo C3 dominante in Colorado, con spaziatura delle file progettata per massimizzare la produzione di energia, né la qualità del pascolo né la produzione sono state significativamente influenzate rispetto al controllo del pascolo aperto. Loan et al. (2022) hanno sollevato la preoccupazione che il pascolo persistente sotto i pannelli solari possa penalizzare la produzione di biomassa in Francia. Tuttavia, lo studio di Sturchio et al. (2024) in Colorado ha suggerito che il pascolo ha effetti benefici sulla crescita del foraggio. Perna et al. (2019) concludono che i sistemi agrivoltaici ben progettati, in California e Texas, possono ottimizzare la produzione di energia, la produzione e la qualità del foraggio.

Densità di allevamento

La densità di allevamento è strettamente correlata alla produzione di foraggio, quindi, come descritto nel paragrafo che precede, le variazioni nella densità di allevamento saranno altamente specifiche per ogni sito. Kochendoerfer et al., (2022) suggeriscono, sulla base della loro ricerca nel Nord-Est degli Stati Uniti, che la produzione di foraggio nelle aree ombreggiate dai pannelli potrebbe essere fino a 2,5 volte inferiore rispetto alle aree non ombreggiate e che la densità di stoccaggio dovrebbe essere adeguata di conseguenza. Vaughan et al. (2023) hanno modellato una riduzione del 30% della densità di stoccaggio per un sito di un impianto solare con un design di inseguimento con spaziatura tra le file di 9 m. Questa riduzione rifletteva il rapporto totale tra pannelli e copertura del suolo del 28,9%. Risultati migliori nella gestione della vegetazione possono essere ottenuti tramite il pascolo rotazionale a una densità di bestiame più elevata (Kamperherbeek et al. (2023). Gli autori suggeriscono che ciò si tradurrà in un pascolo più uniforme, un numero maggiore di specie pascolate e quindi gli animali diventeranno meno selettivi.

Impatti sul suolo

La costruzione di centrali fotovoltaiche cambierà il paesaggio originale e influenzerà l’idrologia del suolo, la dinamica del carbonio e della vegetazione e le attività biologiche (Yousuf et al., 2022). In condizioni normali, le superfici terrestri interessate potrebbero richiedere lunghi periodi di recupero. Tuttavia, lo studio di Luo et al. (2024) dimostra che un sistema agrivoltaico ben progettato, con coltivazione, può migliorare significativamente la qualità del suolo entro due anni di funzionamento con “un notevole arricchimento di carbonio organico, azoto, fosforo e potassio del suolo”. Si nota, tuttavia, che il controllo era un terreno sterile in una zona climatica calda. Tuttavia, se si utilizza un pascolo esistente, ci si può aspettare che il terreno si riprenda dal processo di costruzione entro due stagioni di crescita. L’integrazione di erbe nei campi agrivoltaici riduce l’erosione e la deriva del suolo, e questo impatto si estende all’idrologia. È stato scoperto che i processi idrologici sono influenzati dagli impianti solari, come è evidente dalla differenza nelle quantità di minerali nel suolo. Negli Stati Uniti è stato scoperto che le quantità di “respirazione basale e biomassa microbica” sono inferiori negli impianti solari rispetto alle “coperture del suolo di riferimento“, e anche le quantità di carbonio e azoto sono state trovate inferiori nei terreni dei pannelli solari. Potrebbero esserci anche variazioni nell’elaborazione dell’acqua all’interno dell’impianto solare a seconda di dove sono posizionati i pannelli. Ad esempio, uno studio completato in Colorado ha scoperto che la presenza di conduttività idraulica insatura era maggiore direttamente sotto i pannelli rispetto allo spazio tra di essi o ai bordi. I comportamenti dei ruminanti, discussi nel paragrafo “benessere e comportamento del bestiame” , sono un fattore importante. Betteridge et al. (2012) hanno scoperto che il 50% degli eventi di minzione si è verificato nel 10% del paddock in cui gli animali sono vicino all’acqua e all’ombra. Discutono che queste zone causano il sovraccarico dei terreni, aumentando il percolato. Tuttavia, nessuno studio ha indagato questo impatto nel contesto dell’agrivoltaico in cui l’area d’ombra è maggiore e quindi lo stazionamento  può (potenzialmente) essere distribuito in modo più uniforme sul terreno.

Microclima

I pannelli fotovoltaici modificano il microclima locale in termini di temperature dell’aria e del suolo e livelli di umidità. Come già analizzato, la disposizione dei pannelli influisce sui livelli di irradiazione solare nel suolo, nonché su diversi modelli di deflusso delle acque piovane. Una scoperta significativa di Luo et al. (2024) è che la presenza di un array FV in una valle calda e secca nella Cina sud-occidentale ha ridotto l’evaporazione del suolo, come discusso nel paragrafo che precede, a causa dell’effetto di blocco del vento, mentre la copertura vegetale e l’assorbimento delle radici contribuiscono a una migliore ritenzione di umidità del suolo attraverso un processo di feedback positivo tra pianta e umidità del suolo. Mostrano anche velocità del vento significativamente inferiori e diverse direzioni del vento vicino al suolo, nonché temperature più basse direttamente sotto i pannelli, quando si confrontano le variabili meteorologiche da una stazione al centro di un sistema agrivoltaico (con misurazione a diverse altezze) e una stazione in un sito di controllo adiacente. Studi in Colorado mostrano che il suolo sotto i pannelli solari ha temperature inferiori rispetto a quello in pieno sole. Le temperature dell’aria più basse aumentano le prestazioni dei moduli FV solari. Da qui l’importanza di integrare questi sistemi per migliorare le prestazioni sia nella generazione di energia elettrica che nella produzione di biomassa.

Altri aspetti legati alla sostenibilità

Sono state espresse preoccupazioni circa l’eccesso d’acqua causato dall’angolazione dei pannelli solari, dove l’acqua gocciola lungo i lati e causa una distribuzione non uniforme. Di conseguenza, è necessario prendere in considerazione la gestione delle acque piovane. Negli stati degli Stati Uniti con parchi agrivoltaici, vengono fornite raccomandazioni in merito alla costruzione di pannelli solari per promuovere efficienza, sostenibilità e prevenzione dello spreco di acque piovane. Tra queste raccomandazioni rientrano la cattura del deflusso delle acque piovane progettando uno spazio tra le file di pannelli solari per raccogliere l’acqua o l’installazione di bacini di infiltrazione. L’acqua può essere riciclata collegando canali d’acqua lungo i bordi dei pannelli per drenare in barili dove può essere immagazzinata l’acqua in eccesso. Quest’acqua potrebbe quindi essere utilizzata per pulire i pannelli o per l’irrigazione delle colture. L’integrazione di sistemi agrivoltaici nelle aziende agricole offre entrate sia dalla produzione di energia che dalla produzione di colture. Tuttavia, vi è ancora una comprensione e una quantificazione limitate di come e in quale misura l’agrivoltaico avrà un impatto sulla resa di diversi pascoli e colture e di come ciò varierà a seconda del clima e del tipo di terreno. Tuttavia, uno studio di caso di Vaughan et al. (2023) su un allevamento di pecore in Aotearoa Nuova Zelanda dimostra che, se le normali operazioni possono continuare, anche con una densità di bestiame ridotta, i benefici finanziari per l’allevatore sono sostanziali.

Un’altra considerazione riguarda le prestazioni ambientali dei sistemi fotovoltaici, che richiedono un approccio più olistico sotto forma di valutazioni del ciclo di vita o dalla culla alla tomba. Le valutazioni del ciclo di vita (LCA) sono state intraprese per parchi agrivoltaici su scala di pubblica utilità. Poiché sono necessarie poche modifiche alle strutture fotovoltaiche solari per l’integrazione con l’allevamento di ruminanti, i risultati delle LCA sono quindi utili per comprendere le implicazioni ambientali, in genere in relazione alle metriche dell’intensità dei materiali e alla domanda di carbonio e di energia cumulativa (e al rimborso). Pimentel Pincelli et al. (2024) hanno intrapreso una LCA completa di un parco solare costruito in Aotearoa, Nuova Zelanda. Hanno scoperto che l’impronta di carbonio era di circa 26 gCO _2eq /kWh di elettricità generata, che include l’estrazione e la lavorazione a monte dei materiali, la produzione dei componenti in tutto il mondo, il trasporto al sito del parco solare, la costruzione, il funzionamento e la manutenzione per oltre 30 anni e la dismissione e la gestione di fine vita. Il ritorno di carbonio ed energia è inferiore a 1 anno con lo spostamento di altri generatori sulla rete nazionale.

Nel complesso le loro analisi e la loro revisione di precedenti LCA indicano un’implicazione netta positiva complessiva per la transizione energetica con l’utilizzo di questi sistemi. L’accettazione sociale dipenderà dai contratti di utilizzo del suolo per fornire certezza e stabilità agli agricoltori. Nella maggior parte delle località, l’agrivoltaico non è ben definito in termini di politiche e regolamenti, ostacolando l’investimento iniziale a causa delle leggi di zonizzazione. Gli agricoltori, nel Michigan, USA, affermano che il terreno dovrebbe rimanere agricolo in un impianto agrivoltaico, poiché la permanenza dei pannelli solari potrebbe rivelarsi difficile per lo svolgimento produttivo delle normali attività. Ci sono anche preoccupazioni sulla flessibilità dei sistemi per rispondere ai cambiamenti del mercato agricolo. Tuttavia, la maggior parte degli agricoltori reagisce positivamente al concetto, in particolare allevando bestiame sotto i pannelli poiché ciò riduce i costi di falciatura e fornisce ombra. Un altro sondaggio, in Australia, ha suggerito che l’efficienza dell’uso del suolo era la priorità più bassa segnalata dagli agricoltori. Gli intervistati erano più propensi a sostenere gli interessi agricoli e i benefici economici che ne derivano. Le incognite del mercato rappresentano il più grande ostacolo all’adozione dell’agrivoltaico da parte degli agricoltori. Si raccomanda l’istituzione di un codice etico e di contratti a lungo termine tra agricoltori e sviluppatori fotovoltaici.

Conclusioni

I sistemi agrivoltaici stanno guadagnando sempre più terreno come parte della transizione energetica per consentire un duplice utilizzo del suolo per la generazione di energia elettrica fotovoltaica solare e la produzione agricola. I piccoli ruminanti, in particolare le pecore, probabilmente svolgeranno un ruolo chiave nella maggior parte dei sistemi agrivoltaici, in quanto possono aiutare nella gestione della vegetazione. Per gli allevatori di pecore, i pannelli solari offrono protezione per il bestiame con, potenziali, guadagni di produttività in termini di benessere degli animali e utilizzo dell’acqua. Stanno emergendo prove che se i sistemi agrivoltaici integrati sono progettati bene, tenendo in considerazione la spaziatura tra le file di pannelli solari e la gestione del deflusso dell’acqua, tra gli altri, ci sono molteplici vantaggi in termini di microclimi creati, impatti sul suolo e crescita della vegetazione. Tuttavia, le rese dei pascoli necessitano di ulteriori indagini in diversi contesti (climatici) con molti sforzi di ricerca in corso in tutto il mondo. Ulteriori prove e normative migliorate in merito all’agrivoltaico supporteranno una maggiore accettazione sociale. In generale, da questa revisione si può concludere che le implicazioni in termini di sostenibilità derivanti dall’integrazione di un’agrivoltaica ben progettata con l’allevamento di ruminanti sono ampiamente positive dal punto di vista ambientale, economico e sociale.

Traduzione di: “Agrivoltaics for small ruminants: A review” di Anna Vaughan ^a e Alan Brent ^b,c

a. Anna Vaughan Consulting, New Zealand

b. Sustainable Energy Systems, Wellington Faculty of Engineering, Te Herenga Waka Victoria University of Wellington, New Zealand

c. Department of Industrial Engineering, Stellenbosch University, South Afric

Small Ruminant Reserarch 241(2024) 107393

https://doi.org/10.1016/j.smallrumres.2024.107393