Un equipo de investigación de la Universidad de Purdue ha demostrado cómo optimizar el rendimiento en campos de maíz equipados con paneles de energía solar que a lo largo del día proyectan sombras dinámicas sobre los cultivos en crecimiento.
por Steve Koppes, Universidad Purdue
El equipo de ocho investigadores de la Universidad de Purdue y la Universidad de Aarhus en Dinamarca publicó sus hallazgos el 26 de julio de 2024 en Cell Reports Sustainability .
Los paneles solares (fotovoltaicos) normalmente proyectan sombras permanentes sobre el suelo durante todo el día. La sombra permanente en un campo agrícola perjudicaría el crecimiento de los cultivos. El equipo de Purdue probó un sistema de energía agrovoltaica que se eleva por encima de los cultivos para permitir el uso de cosechadoras.
El sistema siguió la trayectoria del sol durante las horas del día. Con paneles en constante movimiento, cada hilera de maíz recibió distintas intensidades de luz a lo largo del día, pero ninguna quedó bajo una sombra constante.
«Desarrollamos un modelo para calcular qué fracción de luz cae sobre cada fila», dijo el coautor Rakesh Agrawal, profesor distinguido Winthrop E. Stone de Ingeniería Química en Purdue.
Armados con los modelos de crecimiento de plantas y de intensidad de luz (sombra dinámica) del equipo de Purdue, los investigadores ahora pueden plantear preguntas críticas de hipótesis. ¿Qué pasaría si los paneles solares funcionaran a menor altura? ¿Qué pasaría si se los acercara o se los alejara? ¿Y si se cultivara una variedad de maíz más pequeña?
«Una temporada es un punto de datos. Si quieres cambiar tus variables, solo hay un verano cada año, así que si cambiamos la altura, puedes cultivar solo un cultivo ese año para medir el impacto», dijo Agrawal. Pero con las simulaciones, los fabricantes de sistemas fotovoltaicos, las compañías eléctricas y los agricultores pueden hacer varias preguntas hipotéticas y probar rápidamente múltiples opciones.
Los paneles del experimento de Purdue tenían una altura de 20 pies, pero el modelo ya ha demostrado que paneles de 10 pies de altura producirían resultados similares con costos de construcción mucho más bajos.
«Estamos demostrando al mundo que, en el caso del maíz, es posible hacer algo así y funciona muy bien», afirmó Agrawal.
La coautora Margaret Gitau, profesora de ingeniería agrícola y biológica, señaló que en algunas situaciones, la energía agrovoltaica también puede afectar el microclima del campo de maneras que promueven la resiliencia climática de los cultivos.
«Algunas áreas podrían experimentar condiciones más húmedas y frescas, mientras que en otras las condiciones podrían no ser diferentes a las de las áreas sin paneles solares «, dijo Gitau. «La sombra que brindan los paneles puede ser importante para conservar la humedad en áreas que experimentan estrés hídrico y térmico durante períodos particularmente secos».
La agrovoltaica también ofrece la posibilidad de construir sistemas hídricos autosostenibles. Las aguas de escorrentía o de drenaje podrían recogerse y reciclarse para proporcionar riego complementario utilizando la energía generada en el lugar, afirmó.
La mayor parte del trabajo de agrovoltaica en Estados Unidos se centra en cultivos especiales como coles de Bruselas, frambuesas, repollos y pimientos, pero esos cultivos ocupan un pequeño porcentaje de tierra en comparación con los cultivos en hileras.
En 2022, el maíz, la soja y el trigo abarcaban más de 200 millones de acres en Estados Unidos, según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura.
«La oportunidad a gran escala es grande», dijo Mitch Tuinstra, quien ocupa la Cátedra Wickersham de Excelencia en Investigación Agrícola, incluso cuando se consideran las necesidades específicas de los sistemas agrovoltaicos, incluidas las líneas de transmisión cercanas, el terreno nivelado y las limitaciones de humedad.
La autora principal del estudio interdisciplinario, la estudiante de doctorado Varsha Gupta, cuenta con el asesoramiento conjunto de Agrawal y Gitau. «Varsha ha sabido integrar conocimientos de diversas disciplinas, como ingeniería química, ciencia de datos , inteligencia artificial, matemáticas e ingeniería agrícola y biológica , lo que no es tarea fácil», afirmó Gitau.
El nuevo artículo surge a raíz de un estudio relacionado publicado en marzo pasado por seis de los mismos coautores que describían cómo optimizar los sistemas agrovoltaicos para la producción de alimentos o energía ajustando el seguimiento o antiseguimiento solar.
El seguimiento continuo genera la mayor cantidad de energía. El antiseguimiento no proyecta sombras sobre los cultivos, pero tampoco genera energía. El nuevo estudio informa sobre cómo optimizar el sistema con el modelado dinámico de sombras.
Los resultados experimentales publicados en ambos artículos revelaron un impacto relativamente pequeño de las sombras dinámicas en el rendimiento del maíz con sistemas agrovoltaicos. Los conjuntos de datos fueron algo diferentes, pero el maíz en ambos experimentos experimentó sombras entre el 20% y el 25% del tiempo.
«Se podría pensar que habría una pérdida de entre el 20% y el 25%. Estamos viendo una pérdida de alrededor del 8%», dijo Tuinstra.
Los agricultores pueden ganar 1.000 dólares por acre con la producción de energía si optimizan su producción para la energía, y unos 300 dólares por acre si optimizan su producción para el maíz. Tuinstra imagina un día en el que un sistema inteligente conectado a la Bolsa de Comercio de Chicago podría contabilizar dinámicamente los precios del mercado del maíz y la energía.
«Las oportunidades que ofrece la energía solar fotovoltaica y la producción de energía renovable también pueden contribuir a los futuros servicios ecosistémicos», es decir, los beneficios que los ecosistemas proporcionan a las personas, afirmó Tuinstra. Esto será posible si se pueden integrar nuevas tecnologías agrícolas sostenibles y regenerativas con la energía solar fotovoltaica.
La agricultura regenerativa comprende estrategias de gestión que incluyen cultivos de cobertura, franjas de pradera, agricultura sin labranza y aplicación mínima de fertilizantes nitrogenados. Estas prácticas ofrecen servicios ecosistémicos, pero sus costos son elevados para los consumidores, los productores y el gobierno por igual.
«Si se encuentra una manera de integrar estas cosas, de repente se obtienen servicios ecosistémicos que se pagan con energía renovable. Todo el mundo puede beneficiarse de estos servicios ecosistémicos», afirmó Tuinstra.
Más información: Varsha Gupta et al, Optimización de la agricultura agrivoltaica de maíz mediante experimentación y modelado a escala de granja, Cell Reports Sustainability (2024). DOI: 10.1016/j.crsus.2024.100148
