Il 13 Febbraio di quest’anno è stato pubblicato sul sito del ministero il decreto che “promuove la realizzazione di sistemi agrivoltaici innovativi di natura sperimentale”. Il decreto mette a disposizione risorse per oltre un miliardo di euro con l’obiettivo di realizzare nuovi impianti per un totale di circa 1 GigaWatt (GW). Per comprendere l’entità della misura basti osservare che al 31 Dicembre 2022 la potenza totale installata era di 123 GW, mentre la potenza da fotovoltaico ammontava a 25 GW: si tratta quindi dell’1% circa della potenza totale, e del 4% di quella da fotovoltaico. Ma cosa sono questi “sistemi agrivoltaici”? E cosa c’entra la matematica? Scopriamolo insieme con questo contributo di Annalisa Pascarella dell’IAC-CNR e Alberto Sorrentino dell’Università di Genova, tra le persone fondatrici dello spin-off matematico BEES (www.bees.srl). 

L’agrivoltaico è una tecnologia di recente sviluppo che consiste nell’installazione di pannelli fotovoltaici sopra i terreni agricoli, con l’obiettivo di combinare la produzione di energia con la produzione agricola, ottenendo così un duplice sfruttamento del territorio. Con questa integrazione sinergica di agricoltura e fotovoltaico, una vera e propria simbiosi tra due sistemi produttivi fino ad oggi separati, si punta ad un approccio trasformativo all’uso del territorio che promette di affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo: sicurezza alimentare, sostenibilità energetica e cambiamenti climatici. 

Uno non vale uno

Sebbene pochi di noi avessero sentito parlare di agrivoltaico fino a pochi anni fa, le radici dell’idea risalgono agli anni ’80, quando sono stati proposti i primi quadri teorici. In effetti però è stato solo all’inizio del XXI secolo che i progressi tecnologici e la crescente consapevolezza ambientale hanno alimentato l’implementazione pratica di questi sistemi.

Val la pena notare che non tutti gli impianti agrivoltaici sono uguali, e il termine viene usato per indicare una gamma di soluzioni in realtà piuttosto ampia. Tra le variabili più importanti che differenziano i vari approcci citiamo le seguenti. 

• Fisso o dinamico: nel caso più semplice  i pannelli solari sono montati a un angolo e a un’altezza fissi. Pur essendo più semplice ed economico, questo approccio risulta in generale subottimale, sia dal punto di vista della produzione energetica che dal punto di vista della produzione agricola. Nell’agrivoltaico dinamico i pannelli solari sono regolabili e possono essere inclinati o spostati durante il giorno per ottimizzare la distribuzione della luce. Questa flessibilità può migliorare significativamente l’efficienza della cattura dell’energia solare e della crescita delle colture.
• L’altezza dei pannelli: mentre per colture a crescita bassa (lattuga, erbe ecc.) può essere sufficiente installare i pannelli a 2 o 3 metri di altezza, per colture più alte (pomodori, vite, mais, ecc.) è necessario raggiungere altezze maggiori, come 5 o 6 metri.

I benefici

L’agrivoltaico presenta una moltitudine di vantaggi, alcuni più evidenti e altri di meno immediata intuizione ma di non minore importanza, che ne favoriscono l’adozione in diversi paesaggi agricoli:

• Produzione di energia rinnovabile. Per quanto ovvio, è utile sottolineare come gli impianti agrivoltaici siano anzitutto degli impianti di produzione di energia solare, rinnovabile e a basso impatto in termini di emissioni.
• Maggiore efficienza nell’uso del suolo. Consentendo l’uso contemporaneo di terreni per la produzione di energia e di cibo, viene massimizzata la produttività dei terreni dando una carta in più nell’affrontare la competizione per le risorse fondiarie.
• Miglioramento della resa delle colture. Contrariamente all’ipotesi iniziale che i pannelli solari ostacolino inevitabilmente la crescita delle colture, alcuni studi suggeriscono che un’ombreggiatura parziale può proteggere le colture dal calore eccessivo e ridurre la perdita di acqua, portando in alcuni casi a un miglioramento della resa. 
• Ridotto utilizzo delle risorse idriche. I pannelli solari possono creare un microclima modificato che oltre a ridurre la velocità del vento e le temperature estreme, che può essere vantaggioso per alcune colture, riduce in generale il consumo di acqua, una risorsa preziosa e dalla disponibilità sempre più incerta in alcune aree geografiche.
• Vantaggi economici. Gli agricoltori possono diversificare i loro flussi di reddito vendendo sia i prodotti agricoli che l’elettricità generata dal solare, aumentando la resilienza economica e riducendo la dipendenza da fonti di reddito uniche.

I limiti

A fronte dei benefici sopra descritti, l’agrivoltaico pone alcune importanti sfide che non vanno sottovalutate.  Anzitutto, una progettazione e/o un utilizzo non ottimale dell’impianto possono portare a scarso rendimento su entrambi i fronti, creando una vera competizione per la radiazione in cui entrambe i fronti vanno a perdere dalla simbiosi forzata. Un secondo punto importante riguarda la manutenzione di questi impianti, che può diventare più complessa e costosa per la necessità di intervenire su un sotto-sistema (agricolo o energetico) senza danneggiare l’altro. In una certa misura, la presenza dei pannelli se non adeguatamente progettata può ostacolare le normali operazioni con le macchine agricole. Una maggior esposizione al rischio in caso di eventi estremi, in cui entrambi i sotto-sistemi possono essere fortemente danneggiati simultaneamente. L’installazione dei pannelli può danneggiare l’ecosistema locale modificando il suolo, il drenaggio dell’acqua e l’habitat della fauna locale.

Il ruolo della matematica

Matematica e statistica possono svolgere un ruolo cruciale nello sviluppo, nell’ottimizzazione e nell’implementazione degli impianti agrivoltaici, contribuendo a minimizzare i rischi appena descritti. In pieno spirito “digital twins”, è infatti possibile creare un modello matematico e poi computazionale del terreno, della coltura, del pannello e della meteorologia che consentano di effettuare simulazioni per prevedere i risultati in vari scenari; in questo modo la matematica può dare importanti contributi in tutte le fasi che vanno dalla selezione del terreno alla progettazione, alla pianificazione e all’utilizzo di sistemi agrivoltaici.

Progettazione ottimale del sistema. In fase di progettazione i modelli possono simulare diverse configurazioni di pannelli solari, come l’altezza, l’angolo di inclinazione e la spaziatura, per determinare la configurazione ottimale che assicura un’adeguata distribuzione della luce solare alle colture, massimizzando l’efficienza fotovoltaica. Incorporando variabili come l’irraggiamento solare, i modelli meteorologici e le caratteristiche delle colture, questi modelli forniscono indicazioni sulle migliori pratiche di progettazione per specifiche località geografiche e tipi di colture.

Previsione delle prestazioni delle colture. Una volta messo in funzione l’impianto, i modelli matematici e statistici possono assistere l’agricoltore nella gestione. Utilizzando lo storico delle variabili meteorologiche è possibile indovinare lo stato di crescita della coltura anche prima che sia effettivamente visibile. Inoltre, è possibile fare simulazioni per prevedere l’andamento della produzione agricola e di quella energetica al variare dei possibili scenari meteorologici, quindi modificare eventualmente la gestione pianificata al fine di raggiungere determinati obiettivi e ridurre per esempio la variabilità naturale indotta dalle condizioni meteo.

Valutazione della fattibilità economica e del rischio. I modelli economici sono fondamentali per valutare la fattibilità finanziaria dei progetti agrovoltaici. Questi modelli valutano i costi, i ricavi e il ritorno sull’investimento considerando fattori quali i costi di installazione e manutenzione, i tassi di produzione di energia, le rese delle colture e i prezzi di mercato. L’analisi di sensibilità può essere eseguita per capire come le variazioni dei parametri chiave influenzano la redditività complessiva, aiutando gli stakeholder a prendere decisioni di investimento informate. Inoltre, i modelli di valutazione del rischio possono identificare i potenziali rischi associati agli impianti fotovoltaici, come eventi meteorologici estremi o fluttuazioni del mercato, e suggerire strategie di mitigazione.

La nostra esperienza

BEES (www.bees.srl) è una start-up registrata tra le piccole e medie imprese a carattere innovativo ed è uno spin-off dell’Università di Genova e del Consiglio Nazionale delle Ricerche. Da qualche tempo collaboriamo da alcuni anni con una delle realtà più innovative nel campo dell’agrivoltaico: REMTEC srl (https://remtec.energy/). REMTEC ha sviluppato diversi brevetti, validi a livello mondiale, e porta avanti una strategia industriale particolarmente orientata a declinare la tematica ambientale in ogni suo aspetto. Nella sua collaborazione con BEES, REMTEC, con lungimiranza, ha fatto leva sulla nostra esperienza nel campo dei modelli matematici e statistici per dare vita a strumenti all’avanguardia per la pianificazione e la gestione degli impianti agrivoltaici.

Annalisa Pascarella e Alberto Sorrentino

Immagini di copertina e dell’impianto: @REM Tec Energy