Evaluation of the first agrivoltaic system in Sweden

• Photovoltaic (PV) systems in Sweden have primarily been seen as an energy efficiency measure to reduce the amount of purchased electricity for buildings, both residential and commercial. Only recently utility-scale solar systems have begun to increase their share of the solar market to support national energy and emissions targets. Due to the economies of scale, conventional ground-mounted PV (CGMPV) installations represent the best solution for producing electricity at the lowest specific initial investment costs. This relatively new solar market segment, with large-scale ground-mounted solar farms on agricultural land, has faced several challenges with the permitting process. Agricultural land that is suitable for cultivation is of "national importance" according to the Swedish Environmental Code. Cultivable agricultural land may be exploited for other purposes on a permanent basis only if it is necessary to satisfy essential societal interests and there is no other possible land to use within the area in question. Traditionally, ground-mounted solar farms have increased competition for land resources for food production and drawn criticism in the so-called "food-versus-fuel (electricity)" debate over whether agricultural land should be used for electricity generation or food production. Agrivoltaic (APV) systems represent an intelligent solution to avoid land use competition by combining arable farming and electricity production on the same agricultural land. The main objective of this project was to study how APV systems perform from an energy, agricultural and economic perspective compared to CGMPV systems and agriculture production. The project aimed to highlight advantages and disadvantages of APV systems at northern latitudes with an energy-food-water perspective. The aim was pursued by establishing an APV test site, the first APV system in Sweden, monitoring its performance both from an energy and agricultural point of view, and developing new techno-economic models. Data from the APV test site were used to better understand how APV systems at northern latitudes affect: 1) the efficiency of the solar modules; 2) crop productivity, and 3) the financial return for ground-based solar PV systems. The first agrivoltaic system in Sweden has been built on a permanent ley grass field, at Kärrbo Prästgård, Västerås, and research activities have been carried out on the ley grass during 2021 and 2022. As in previous research studies in other countries, we defined three sub-fields: 1) a sub-field is covered only by the ley grass (reference area), 2) a sub-field is a CGMPV system 11.8 kWp solar PV system with two rows of solar modules with a 30° tilt and 3) the last subfield is a  22.8 kWp APV system with three rows of vertically mounted solar modules, with ley grass between the modules. This field set-up allowed for comparisons between practices (agriculture and electricity generation) and technologies (CGMPV systems versus APV systems). The calculated specific electricity production during a typical meteorological year for the APV system and the CGMPV system was 1,067 kWh/kWp/year and 1,116 kWh/kWp/year, respectively. Nevertheless, the APV system tends to have higher efficiency than the CGMPV systems due to the solar irradiation patterns on the solar cell surfaces and wind cooling of the PV modules. The main results of the project in terms of shadow effects on the ley grass showed that the APV system did not significantly affect the productivity of the forage grass in 2021-2022. There was no statistically significant difference between the yield of the samples taken in the APV system and the reference area. Even so, the yield per hectare is reduced by approximatively 10%, when the distance between the vertically mounted solar modules is 10 meters, due to the area under the solar modules that cannot be mechanically harvested. The measurements performed at the test site allowed us to validate the earlier developed model for both electricity production and the effects of shading on crop production. Having a model to assess crop yields under APV systems is of utmost importance to be able to pre-assess the system's effects on food production, which is one of the main goals of APV system regulations worldwide. From an economic perspective, APV systems cannot compete with CGMPV systems due to lower electricity production per hectare, lower density of the solar modules per hectare, and higher investment costs per hectare. Nevertheless, APV systems can be the solution to overcome the legal obstacles that prohibit or hinder the use of agricultural land for electricity generation with PV systems. 

• Solceller i Sverige har främst setts som en energieffektiviseringsåtgärd för att minska mängden köpt el för byggnader, både bostäder och kommersiella. Först nyligen har solcellssystem i bruksskala börjat öka sin andel på solcellsmarknaden för att stödja de nationella energi- och utsläppsmålen. På grund av stordriftsekonomins fördelar representerar markmonterade solcellsanläggningar den bästa lösningen för att producera el till lägsta initiala investeringskostnader. Detta relativt nya marknadssegment för solel, med storskaliga markmonterade solcellsparker på jordbruksmark har ställts inför flera utmaningar med tillståndsprocessen. Jordbruksmark som är lämplig för odling är av "nationell betydelse" enligt svenska Miljöbalken. Odlingsvärd jordbruksmark får varaktigt exploateras för andra ändamål endast om det behövs för att tillgodose väsentliga samhällsintressen och det inte finns någon annan möjlig mark att använda inom det aktuella området. Traditionellt har markmonterade solcellsparker ökat konkurrensen om markresurser för livsmedelsproduktion och väckt kritik i den så kallade "mat-mot-elproduktion"-debatten, dvs om marken ska användas för elproduktion eller livsmedelsproduktion. Agrivoltaiska (APV) solcellssystem representerar en intelligent lösning för att undvika konkurrensen om markanvändning genom att kombinera odling och elproduktion på samma markområde.  Huvudmålet med detta projekt var att studera hur APV-system presterar ur ett energi-, jordbruks- och ekonomiskt perspektiv jämfört med konventionella markbaserade solcellssystem och vanlig jordbruksproduktion. Projektet syftade till att belysa fördelar och nackdelar med APV-system på nordliga breddgrader med ett energi-mat-vatten-perspektiv. Syftet var att etablera en APV-testplats, det första APV-systemet i Sverige, övervaka dess prestanda både ur energi- och jordbrukssynpunkt och utveckla nya teknoekonomiska modeller. I synnerhet användes data från APV-testplatsen, Kärrbo Prästgård, Västerås, för att bättre förstå hur APV-system på nordliga breddgrader påverkar: 1) effektiviteten hos solcellsmoduler; 2) grödans produktivitet och 3) den ekonomiska avkastningen för markbaserade solcellsanläggningar. Det första agrivoltaiska systemet i Sverige har byggts på en permanent vall och forskningsverksamhet har genomförts på vallgrödan under 2021 och 2022. Liksom i tidigare forskningsstudier i andra länder, definierade vi tre delfält på försöksplatsen: 1) ett delfält med enbart odling av vallgrödan (referensområdet), 2) ett delfält med ett konventionellt markbaserat 11,8 kWp solcellssystem med två rader av solcellsmoduler med 30 graders lutning och 3) det sista delfältet med ett 22,8 kWp APV-system med tre rader av vertikalt monterade solcellsmoduler, med odling av vallgrödan mellan de tre raderna av solcellsmoduler. Denna fältuppsättning möjliggjorde jämförelser mellan praxis (jordbruk och elproduktion) och teknik (markmonterade solcellssystem kontra APV-system). Den beräknade specifika elproduktionen under ett typiskt meteorologiskt år för det agrivoltaiska systemet och det konventionella solcellssystemet var 1067 kWh/kWp/år respektive 1116 kWh/kWp/år. Ändå tenderar det agrivoltaiska systemet att ha högre verkningsgrad än de konventionella solcellssystemen på grund av solinstrålningsmönstren på solcellsytorna och vindkylning av modulerna. Projektets huvudresultat, när det gäller skuggeffekter på skördens storlek, visade att det agrivoltaiska systemet inte förändrade vallgräsets produktivitet under 2021–2022. Det fanns ingen statistisk säkerställd skillnad mellan skördeutbytet av proverna som tagits i det agrivoltaiska systemet och referensområdet. Trots detta minskar skördeutbytet per hektar med ca 10 %, när det är 10 meter mellan raderna av solcellsmodulerna i APV-systemet, på grund av den yta under solcellsmodulerna som inte kan skördas maskinellt.  Mätningarna som utfördes vid testanläggningen gjorde det möjligt för oss att validera den sen tidigare utvecklade modellen för elproduktion och effekterna av skuggning på grödan mellan solcellspanelerna. Att ha en modell för att bedöma skörden i agrivoltaiska system är av yttersta vikt för att i förväg kunna bedöma APV-systemets effekter på livsmedelsproduktionen, vilket är ett av de viktigaste målen i regelverk för agrivoltaiska system över hela världen. 

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Naturresursteknik -- Energisystem (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Engineering -- Energy Systems (hsv//eng)

Nyckelord

Agrivoltaiska solcellssystem

elproduktion

jordbruk

odling

samverkan energi

mat och vatten

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)