La disponibilidad ininterrumpida y global de alimentos garantizada mediante la agricultura y ganadería, junto con la disponibilidad de energía, son dos grandes pilares necesarios para el bienestar y florecimiento de las sociedades humanas. No en vano, el Hambre cero y la Energía asequible y no contaminante constituyen dos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU. Dentro de las distintas fuentes de energía renovable, la conversión de luz en electricidad mediante el efecto fotovoltaico, es decir, los conocidos paneles solares, es una de las formas más eficientes de aprovechar la energía abundante y distribuida que regala el Sol a la Tierra.
Puesto que tanto las plantas como los paneles solares necesitan la luz solar, se podría pensar que, automáticamente, ambas formas de generar energía (química o eléctrica) compiten por el acceso al sol y, en definitiva, por el uso del suelo. En este artículo veremos cómo es posible la cogeneración agrícola y fotovoltaica en un mismo terreno en lo que se conoce como agrivoltaica (Figura 1).
¿Por qué molestarse en que cohabiten?
Según fuentes oficiales, entre tierras de cultivo, prados, pastos y otras superficies, la superficie agrícola en España es de unos 23 millones de hectáreas (17 millones en cultivo). Esto equivale aproximadamente a la mitad del país. Además, se estima que otras 50.000 hectáreas están ocupadas por grandes instalaciones fotovoltaicas. Seguir aumentando la superficie artificial podría suponer un problema medioambiental. Por su parte, sustituir cultivos por paneles solares puede dar lugar a problemas sociales a corto plazo, como el mostrado en la película Alcarràs. La agrivoltaica puede ayudar a que ambas necesidades sean cubiertas sin entrar en directa competición, y siempre respetando que la alimentación es una necesidad primaria, y por tanto debe ser prioritaria con respecto a necesidades secundarias, como el acceso a energía eléctrica.
Además de los motivos medioambientales y sociales que se podrían minimizar cogenerando, existen otros de carácter más técnico. Por un lado, el mundo agrícola está transitando hacia el uso de tecnologías avanzadas que optimicen los recursos y aumenten la producción. Por ejemplo, con iniciativas como la agricultura de precisión, los invernaderos tecnificados o la introducción de robots agrícolas. Estas nuevas tecnologías, que mejoran el rendimiento agrícola, requieren energía para su implementación. Esta energía podría provenir directamente de la agrivoltaica, reduciendo así su coste de implementación, y las pérdidas eléctricas asociadas con la trasmisión de energía de larga distancia. Otro ejemplo podría ser el suministro energético para la desalinización de agua para regadío, práctica cada vez más habitual en el contexto del cambio climático, como muestran los datos de la Asociación Española de Desalación y Reutilización.
¿Qué necesita una planta para crecer?
Todos sabemos que una planta para crecer necesita agua, nutrientes y sol. La pregunta que nos hacemos aquí es: ¿cuánto sol? No todas las plantas requieren la misma cantidad de luz. En total oscuridad, una planta consume energía en su respiración. A medida que le vamos dando luz, se alcanza un punto de compensación en el que la fotosíntesis genera tanta energía como consume la planta. Subiendo la intensidad lumínica más allá de ese punto, la tasa fotosintética aumenta produciendo compuestos químicos (energía química almacenada en forma de azúcares como la glucosa) y oxígeno que permiten el normal funcionamiento y crecimiento de la planta.
Sin embargo, llegado cierto punto, la velocidad fotosintética se ralentiza, alcanzando la saturación. Dicho punto es conocido como límite de saturación lumínica (LCP por sus siglas en inglés, medido en mmol s-1 m-2). Exceder este punto puede ser perjudicial para la planta, provocando efectos negativos en su desarrollo y salud, como el amarillamiento de las hojas (clorosis), la fotoinhibición y la debilitación general del crecimiento. El LCP varía muchísimo entre cultivos, desde valores en torno a 1000 mmol s-1 m-2 para la espinaca, cebolla, fresa o patata, pasando por unos 1500 mmol s-1 m-2 para la berenjena y el pepino, hasta los cerca de 2000 mmol s-1 m-2 del tomate. Esto debe compararse con la irradiancia solar anual promedio en la superficie de la Tierra*, de unos 2150 mmol s-1 m-2. Es decir, aunque un cálculo más riguroso debería tener en cuenta más factores como la ubicación, la variabilidad de irradiancia diaria y anual y las necesidades de las plantas en los distintos momentos de crecimiento, lo que está claro es que, en lugares como España, muchos cultivos necesitan menos luz de la que les llega, hasta el extremo de necesitar sombra en momentos puntuales. En otras palabras, para las plantas, menos luz puede resultar en mayor producción.
Más allá de la intensidad, también importa la composición de la luz. Los fotones que llegan del sol tienen un rango espectral que va desde el ultravioleta (250 nm) hasta el infrarrojo (2500 nm). De este amplio abanico de colores, las plantas emplean en la fotosíntesis principalmente el azul (una banda centrada en torno a 450 nm) y el rojo (una banda centrada en 650 nm). El rango entre 400 y 700 nm es conocido como la radiación fotosintética activa. Como veremos, la selectividad cromática de las plantas abre la posibilidad de emplear celdas solares semitransparentes que aprovechen los colores que las plantas no usan para su crecimiento.
Arquitecturas fotovoltaicas convencionales para distintas aplicaciones agrícolas
La eficiencia típica de conversión de luz solar en energía química en plantas oscila generalmente entre el 1 % y el 2 % y, como hemos visto, en determinados casos, una reducción de la irradiancia incidente puede mejorar el rendimiento del cultivo. Por su parte, la conversión de luz en electricidad en las tecnologías fotovoltaicas convencionales está entre el 15 % y el 23 %. Lamentablemente, si le quitas luz a las células solares, estas producen proporcionalmente menos electricidad. Teniendo en cuenta las necesidades de las plantas y las propiedades de las distintas familias fotovoltaicas que existen, se han propuesto distintas formas de combinar paneles solares y cultivos. La Figura 1 muestra varios ejemplos esquemáticos.
La tecnología fotovoltaica convencional basada en silicio poli-, multi- o monocristalino da lugar a paneles opacos y rígidos. Esto implica que, para dejar acceder la luz hasta las plantas, hay que espaciar los módulos dejando que las plantas crezcan entre líneas de paneles. En ocasiones, se puede compaginar dicho tipo de instalaciones con ganadería. La presencia de sistemas agrivoltaicos no afecta la densidad del ganado, pero puede proporcionar refugio a los animales de pastoreo. En función de las características lumínicas y plantas específicas, la optimización de este tipo de sistemas agrivoltaicos puede llevar a espaciar los paneles dentro de la línea, elevarlos o motorizarlos para que puedan seguir al sol (o evitarlo para minimizar la sombra). El rendimiento fotovoltaico total del sistema agrivoltaico será inversamente proporcional al área efectiva cubierta con paneles, es decir, si la eficiencia fotovoltaica nominal del panel era de 20 %, pero solo cubrimos la mitad del terreno con paneles, la eficiencia de conversión eléctrica efectiva en todo el terreno será del 10 %.
Como aspectos negativos, cabe mencionar que la sombra que producen estas instalaciones es irregular (Figura 2), lo cual puede generar problemas en algunos cultivos, además de que necesitan una infraestructura de sujeción importante que encarece mucho el sistema. Como aspectos positivos están la eficiencia y estabilidad contrastadas durante décadas de esta tecnología fotovoltaica, así como otra serie de beneficios que han sido demostrados ya en sistemas agrivoltaicos.
Numerosos artículos científicos muestran cómo la agrivoltaica puede dar lugar a una reducción de la temperatura en el cultivo, lo que, por un lado, conlleva una reducción de evapotranspiración de las plantas y aumento de humedad en el suelo, reduciendo así los requerimientos de riego y, por otro lado, una menor temperatura en los módulos, lo que mejora la eficiencia de los mismos.
Para comparar la productividad de los sistemas agrivoltaicos (duales) con aquellos en los que el uso del suelo es único, se suele emplear el uso equivalente de la tierra (UET). Un UET>100 % indica que el sistema combinado es más productivo que si la misma superficie fuese usada solo para agricultura o para generación fotovoltaica. Estudios como los de la planta de Heggelbach en Alemania muestran UETs que van desde 160 % a casi 190 % según el tipo de cultivo.
En un informe publicado por el National Renewable Energy Laboratory en el que se comparan multitud de casos de agrivoltaica en EEUU, se muestra cómo el éxito de una instalación agrivoltaica depende de muchos factores, incluidos el tipo de cultivo, el clima y las condiciones medioambientales, la elección de tecnología fotovoltaica y arquitectura agrivoltaica, la compatibilidad de las instalaciones con actividades solares y agrícolas, y los acuerdos de asociación entre las distintas partes involucradas.
El futuro de la agrivoltaica
Las tecnologías fotovoltaicas emergentes basadas en colorantes, semiconductores orgánicos o perovskitas híbridas permiten fabricar celdas flexibles, ligeras y semitransparentes con el grado de transmisión de luz variable (Figura 3). Se depositan a baja temperatura y desde disolución por métodos parecidos a los de la impresión de periódicos, lo cual las hace, potencialmente, muy sostenibles. Como se muestra en la fotografía de la Figura 3(a) para el caso de semiconductores orgánicos, tanto su color como su grado de transparencia pueden ser variados según se necesite. En algunos casos, incluso permiten sintonizar la absorción de los paneles para que absorban los colores complementarios a los que necesitan las plantas, con lo que se consigue compartir el espectro solar sin necesidad de espaciar los módulos (Figura 2). Además, se pueden fabricar tanto sobre sustratos rígidos como flexibles. La eficiencia en laboratorio de las tecnologías de perovskita y orgánica opacas supera el 20 %. No obstante, típicamente la eficiencia se reduce al aumentar el grado de transparencia. El factor clave que necesita mejorarse es su durabilidad, que todavía es inferior a la de las tecnologías convencionales.
Las propiedades de ligereza, flexibilidad y semitransparencia de estas tecnologías las hacen particularmente interesantes para su integración en invernaderos flexibles y como sustituto de sombrillas y mallas antigranizo en frutales. También se están proponiendo como cubiertas flotantes que minimicen las pérdidas de agua por evaporación en embalses y bolsas de agua (Figura 1d). Si bien todavía se están estudiando, ya existen varias publicaciones científicas que revelan que las plantas pueden crecer igual de bien bajo este tipo de “filtros” o incluso mejor, como demuestra un estudio realizado con lechugas y tomates por varias universidades estadounidenses. Alcanzar el punto en el que el crecimiento de las plantas mejora bajo la fotovoltaica y esta, además, genere electricidad es la panacea de la convivencia entre agricultura y fotovoltaica.
Esta publicación es parte de los proyectos de investigación PLEC2022-009323, CEX2023-001263-S, PID2024-163010OB-I00 y CPP2024-011776 financiados por MCIN/ AEI /10.13039/501-100011033/. El autor agradece los comentarios de Eva Español y el consorcio Synatra.
Referencias
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