Agrivoltaik: tenaga surya untuk tanaman

Pertanian surya membutuhkan tanah, dan lahan terbaik untuk tanaman surya, yaitu tanah yang terbuka, datar, dan bersinar matahari, seringkali adalah lahan pertanian. Hal ini menciptakan konflik diam antara makanan dan energi. Agrivoltaik (juga disebut agrofotovoltaik atau berbagi tenaga surya) mencoba untuk mengatasi hal ini: panel pada tiang tinggi atau dalam baris yang terpisah, dengan tanaman atau rumput di bawah dan di antara mereka.

Ringkasan yang jujur: agrivoltaik terbukti meningkatkan total output dari satu hektar, sering kali sebesar 50 hingga 80%, namun selalu memberikan sedikit listrik dibandingkan dengan pertanian surya biasa, seringkali memberikan sedikit hasil panen dibandingkan dengan lahan terbuka, dan membutuhkan biaya lebih banyak untuk dibangun. Pertanian ini menang di tempat-tempat yang memiliki naungan yang baik untuk tanaman, di mana tanah terlalu berharga untuk ditinggalkan, atau di mana peraturan mewajibkan peternakan untuk terus berlanjut.

Apa itu

Ada tiga desain yang luas (Fraunhofer ISE, 2024):

• Overhead (stilted) systems. Panel pada bingkai empat hingga enam meter tinggi, sehingga traktor dan combine harvesters dapat melewati di bawahnya. Contoh yang paling baik dipelajari adalah Heggelbach di Jerman selatan.
• Interspace systems. Baris panel pada ketinggian normal dengan pita pertanian lebar di antara mereka. Panel vertikal, dua sisi (bifasial) menghadap timur dan barat adalah satu versi: di Eppelborn-Dirmingen di Jerman sistem vertikal 2 MW meninggalkan setidaknya 90% dari lahan yang dapat ditanami.
• Habitat penggembala dan penyerbuk di bawah peternakan surya konvensional. Domba di bawah panel sangat umum; nilai pertanian per hektar lebih rendah, dan beberapa ahli tidak menganggap hal ini sebagai agrovoltaik sama sekali.

Rumah kaca dengan atap dan panel surya di atas kebun buah, kebun anggur dan berry (di mana mereka dapat menggantikan jaring halilintar dan penutup plastik) berada di antara kedua jenis ini.

Bagaimana cara kerjanya

Cahaya dibagi, bukan dilipatgandakan. Cahaya matahari pada sebuah lapangan adalah anggaran tetap: sekitar 1.000 hingga 2.000 kWh per meter persegi per tahun di sebagian besar wilayah pertanian. Panel menangkap sebagian dan tanaman mendapatkan sisanya. Triknya adalah banyak tanaman tidak bisa menggunakan sinar matahari penuh di musim panas. Fotosintesis pada daun meningkat dengan cahaya dan kemudian merata pada titik keasaman cahaya; di atasnya, cahaya tambahan menambahkan panas dan tekanan air daripada pertumbuhan. Tanaman toleran shade seperti sayuran berdaun, rumput clover, banyak buah dan beri menyerap lebih awal dan kehilangan sedikit ketika sebagian cahaya diambil (Fraunhofer ISE, 2024). Tanaman yang membutuhkan sinar matahari seperti jagung atau gandum pada tahun yang dingin akan kehilangan lebih banyak.

Rasio tanah yang setara. Cara standar untuk menilai sebuah bidang bersama adalah LER = Y_crop,shared / Y_crop,alone + Y_power,shared / Y_power,alone. Dalam kata-kata sederhana: tambahkan bagian dari panen normal yang masih Anda dapatkan ke bagian dari listrik pertanian surya normal yang Anda dapatkan. LER sebesar 1,0 berarti berbagi tidak lebih baik daripada membagi lahan menjadi dua; 1,6 berarti satu hektar yang dibagikan melakukan pekerjaan 1,6 hektar yang terpisah. Modeling oleh Dupraz dan rekan-rekannya memprediksi 1,35 hingga 1,73 untuk gandum dan surya di selatan Prancis (Dupraz et al., 2011).

Bayangan mengubah mikroklimat. Di bawah panel tanah tetap lebih dingin di musim semi dan musim panas, kurang air menguap, dan dalam cuaca panas dan kering tanaman dapat tumbuh lebih baik daripada di lapangan terbuka (Barron-Gafford et al., 2019; Fraunhofer ISE, 2019). Panel juga mendapatkan: udara lembab di atas tanaman membuat mereka sedikit lebih dingin daripada panel di atas tanah terbuka.

Elektrik per hektare turun. Baris harus dipisah untuk cahaya dan mesin, sehingga lebih sedikit panel yang cocok. Di Heggelbach kapasitas yang terpasang per hektar sekitar 25% lebih rendah daripada pertanian surya konvensional, tetapi panel dua sisi tinggi dari tanah menangkap cahaya yang direfleksikan tambahan, sehingga listrik per hektar adalah 83% dari pertanian normal.

Batas-batasnya

Secara teori. Cahaya matahari dibagi: setiap kilowatt-jam cahaya yang diambil panel, tanaman tidak mendapatkannya. Agrovoltaik hanya bisa mengalahkan penggunaan lahan terpisah ketika tanaman tidak menggunakan semua cahaya yang diterimanya (atau dirugikan oleh cahaya tersebut). Pada kepadatan panel yang tinggi, kedua panen akan berkurang: peternakan surya normal menutupi lebih banyak lahan daripada tanaman lain.

Praktis.

• Pemilihan tanaman. Sistem overhead pada tahun biasa di Jerman menghabiskan biaya gandum, kentang dan bawang putih 18 hingga 19% dari hasil panen mereka. Hal ini hanya dapat diterima jika pendapatan listrik menutupi kerugian tersebut dan panen tetap berada di atas apa yang dianggap petani sebagai harga pasar (sekitar 80%).
• Structure costs. Tall frames that span a combine harvester need more steel and deeper foundations: Fraunhofer estimates €372 per kWp for the mounting of overhead systems against €76 for ground-mounted solar (Fraunhofer ISE, 2024).
• Cahaya dan hujan tidak merata. Garis bayangan dan tetesan bergerak sepanjang hari, sehingga tanaman tumbuh tidak merata, dan hujan mengalir dari tepi panel dalam garis kecuali jika dikumpulkan atau tersebar.
• Pekerjaan pertanian. Dukungan masuk ke jalan; di Heggelbach pita di sekitar mereka mengambil 8% dari lapangan keluar dari produksi.
• Peraturan dan tanah. Di banyak negara, sebuah lapangan di bawah panel kehilangan status pertanian atau subsidinya kecuali peraturan mendefinisikan apa yang dianggap sebagai penggunaan ganda nyata, seperti standar DIN SPEC 91434 Jerman dan tender agrovoltaik khusus Prancis (Fraunhofer ISE, 2024).

Proyek nyata, diukur

Proyek	Apa itu	Apa yang diukur atau dilaporkan	Sumber
Heggelbach, Jerman (2016 ke depan)	194 kWp panel dua sisi pada 5 m mendukung lebih dari sepertiga hektar; baris 9,5 m terpisah; gandum, kentang, celery, rumput clover	2017: clover −5.3%, tanaman lain −18 hingga −19%; efisiensi penggunaan lahan 160%. 2018 (panas, kering): celery +12%, kentang +11%, gandum +3%, clover −8%; efisiensi penggunaan lahan 186%. cahaya pada tanaman 30% lebih rendah. listrik 1.266 kWh per kW pada tahun pertama dan 1.285 kWh per kW pada tahun 2018 (249.857 kWh), dibandingkan rata-rata Jerman sekitar 950	(Inggris) 2017 Fraunhofer ISE; 2019
Situs uji coba Biosphere 2, Arizona, Amerika Serikat	Tanaman sayuran yang tumbuh di bawah panel di iklim kering, dibandingkan dengan lahan terbuka dan array surya normal	Bayangan mengurangi stres kekeringan tanaman dan meningkatkan produksi makanan untuk beberapa tanaman; panel di atas tanaman berjalan lebih dingin daripada di atas tanah terbuka	Barron-Gafford et al., 2019
Gelsdorf, Jerman (2021)	258 kWp panel semi-transparent di atas kebun apel organik, dibandingkan dengan jaring halilintar dan tutup plastik	Penelitian tentang cahaya, perlindungan tanaman dan penerimaan publik (hasil dalam proses)	Fraunhofer ISE, 2024
Tepi gurun Gobi, Cina	700 MWp di atas perkebunan beri, juga dimaksudkan untuk memperlambat desertifikasi	Kapasitas dilaporkan; tidak ada data tanaman independen yang diterbitkan	Fraunhofer ISE, 2024
Jepang, “berbagi tenaga surya”	Lebih dari 3.000 sistem kecil sejak subsidi tahun 2013	Jumlah sistem yang dilaporkan	Fraunhofer ISE, 2024

Dua pelajaran yang menonjol. Pertama, sistem yang sama menghasilkan hasil 160% pada satu tahun dan 186% pada tahun berikutnya, karena cuaca mengubah arti dari naungan untuk tanaman: agrovoltaik harus dinilai selama beberapa musim. Kedua, sistem terbesar di dunia mempublikasikan data tanaman pangan yang paling sedikit. Bukti yang paling kuat masih berasal dari segelintir situs penelitian.

Berapa harganya

Opsi	Biaya listrik	Tahun dan sumber
Agrovoltaik atas kepala tinggi (lebih dari 4 m), Jerman	sekitar €0.08 per kWh rata-rata (8.15 euro sen), sekitar 50% di atas surya yang dipasang di tanah	2024, Panduan Fraunhofer ISE
Interspace agrivoltaics, Jerman	sekitar €0.06 per kWh rata-rata (6.03 euro sen), sedikit di atas surya yang dipasang di tanah	2024, same source
Agrovoltaik secara umum	€0.06 hingga €0.10 per kWh	2024, same source
Biaya tambahan yang diinstal di atas lahan pertanian surya, Amerika Serikat	$0.07 to $0.80 per W (tertinggi untuk tanaman di bawah struktur tinggi)	2020, (Inggris) NREL, Horowitz et al.
Utility-skala surya, Amerika Serikat	$0.04 to $0.10 per kWh	Juni 2026, Lazard LCOE+ versi 19
Benchmark: rooftop solar on a building	seputar $0.19 pusat	model Fan Wall kita
Solar rooftop komersial dan komunitas, Amerika Serikat	$0.09 to $0.20 per kWh	Juni 2026, Lazard

Tabel ini menyatakan: Berlawanan dengan standar atap bangunan, agrovoltaik adalah listrik murah; berlawanan dengan pertanian surya biasa, lebih mahal. Kasusnya bukanlah kilowatt-jam termurah tetapi kilowatt-jam yang tidak memerlukan panen. Fraunhofer mencatat bahwa sebuah peternakan yang menggunakan tenaga sendiri, alih-alih membeli listrik seharga 14 hingga 16 euro sen per kWh, akan menghemat 7 hingga 9 euro sen pada setiap kWh yang dihasilkan.

Di mana ia bisa menang, dan di mana ia tidak dapat

Ia bisa menang:

• Wilayah panas, kering dan bersinar matahari, di mana naungan dan evaporasi yang lebih rendah membantu tanaman dan memotong irigasi.
• Buah, berry, anggur dan sayur-sayuran yang sudah membutuhkan jaring halilintar, penutup hujan atau kain pelindung: panel-panel ini menggantikan biaya yang dibayar petani.
• Tanaman dan padang rumput yang tahan terhadap shade seperti rumput clover, salad, bayam dan banyak herba.
• Tempat dimana lahan pertanian dilindungi dan pertanian surya normal tidak akan diizinkan, atau di mana komunitas menentang kehilangan ladang.
• Peternakan yang menggunakan tenaga mereka sendiri untuk pompa irigasi, gudang dingin, pemerah susu, pengeringan atau mesin listrik.

Ia tidak bisa menang:

• Hanya dengan listrik termurah. Pertanian surya normal di tanah tidak ada yang ingin bercocok tanam akan selalu lebih murah.
• Dengan tanaman yang lapar matahari di iklim dingin dan berawan, di mana setiap cahaya bernilai untuk hasil.
• Dimana mesin besar harus bekerja bebas, kecuali strukturnya tinggi dan lebar, yang mana itulah yang membuatnya mahal.
• Di mana subsidi atau peraturan membuatnya menjadi peternakan tenaga surya yang semu. Menggembalakan beberapa ekor domba di bawah panel-panel yang padat adalah hal yang berguna, namun bukanlah keuntungan dari berbagi lahan yang menjadi topik halaman ini.

Apa yang terbukti, masuk akal dan spekulatif

Diuji: bahwa tanah yang dibagikan dapat mencapai rasio tanah setara jauh di atas 1 (160% dan 186% diukur di Heggelbach); bahwa naungan memotong hasil panen tanaman yang lapar matahari pada tahun normal sekitar seperlima pada pengurangan cahaya 30%; bahwa naungan membantu beberapa tanaman dalam kondisi panas, kering; bahwa struktur tinggi meningkatkan biaya listrik.

Mudah dipercaya: bahwa agrovoltaik meningkatkan ketahanan tanaman terhadap panas dan kekeringan seiring dengan pemanasan iklim (didukung oleh percobaan dan modeling, seperti jagung yang ditanam dengan air hujan di Italia utara yang menghasilkan lebih banyak hasil di bawah panel (Amaducci et al., 2018)); bahwa panel dapat menggantikan jaring halilintar dan penutup plastik dalam budidaya buah; bahwa Jerman saja memiliki ruang untuk sekitar 1.700 GW agrovoltaik pada tanaman yang sesuai (Fraunhofer ISE, 2024).

Spekulasi: perkiraan global besar seperti “kurang dari 1% lahan pertanian dapat menutupi permintaan energi global” ((Inggris) Adeh et al., 2019), yang mengabaikan penyimpanan, grid dan tanaman; dampak jangka panjang pada tanah dan ekonomi pertanian selama 25 hingga 30 tahun; bagaimana tanaman menanggapi geometri panel yang sangat berbeda yang belum diuji di lapangan.

Pertanyaan penelitian terbuka

• Tanaman apa, di iklim mana, yang menyimpan setidaknya 80% dari hasil panennya di bawah naungan 20 hingga 40%, selama sepuluh musim, bukan satu atau dua?
• Bisakah panel pelacak yang berputar untuk memungkinkan cahaya melalui pada tahapan tanaman kritis mengalahkan panel tetap cukup untuk membenarkan biayanya?
• Bagaimana air hujan dari panel dapat dikumpulkan dan disebarkan sehingga membantu bukannya merusak?
• Berapa biaya yang dibutuhkan untuk mempertahankan struktur tinggi selama 30 tahun di peternakan, dan bagaimana hal ini mempengaruhi asuransi dan mesin?
• Bagaimana aturan menghitung pertanian “sebenarnya” di bawah panel tanpa mengundang peternakan surya dalam seragam?
• Siapa yang memiliki nilai: petani, pemilik lahan atau pengembang energi?

Apa yang diperlukan untuk membuat prototipe

Untuk ide agrovoltaik baru (struktur baru, strategi pelacakan baru, sistem tanaman baru), model kerja berarti panen dan panel yang nyata, diukur dengan plot referensi tanpa panel, setidaknya selama satu musim penuh.

Fase	Bekerja	Apa yang dibuktikan	Biaya kasar	Waktu
0. studi desain	Simulasi cahaya dan bayangan sepanjang tahun, model tanaman untuk tanaman yang dipilih, struktur dan perkiraan biaya	Desainnya cukup terang untuk memotong kertas	$10k to $30k	2 sampai 3 bulan
1. Uji plot kecil	Beberapa kilowatt panel di atas plot yang direplikasi dengan plot referensi terbuka; sensor cahaya (PAR), kelembaban tanah, hasil panen, listrik diukur	Hasil panen dan listrik diukur, rasio tanah setara pertama	$40k to $120k	1 musim tumbuh
2. uji lapangan multi-musim	50 sampai 200 kW di atas lapangan kerja dengan seorang petani, dua atau lebih musim, sampel yang dipimpin oleh ahli agronomi	Variasi tahunan, akses mesin, penerimaan petani	$250k to $600k	2 sampai 3 tahun
3. Pilot komersial	Izin, sambungan jaringan, sertifikasi struktural, asuransi tanaman	Proyek yang layak dibankrut	tergantung pada ukuran	1 sampai 2 tahun

Fase 0 hingga 2 membutuhkan biaya sekitar $300,000 to $750.000, sebagian besar untuk baja dan tahun-tahun agronomi. Ini adalah perkiraan kami, bukan kutipan.

Siapa yang kita butuhkan

• Agronomist atau crop physiologist untuk memilih tanaman, merancang plot yang diduplikasikan dan mengukur hasil panen dan kualitas.
• Perancang sistem PV yang akrab dengan bifacial dan sistem pelacakan dan modeling shade.
• Insinyur struktural untuk tinggi, panjang-berlapis struktur di bawah angin dan salju beban.
• Petani mitra dengan lapangan, mesin dan kesabaran untuk percobaan bertahun-tahun.
• Hidrologi untuk distribusi hujan, kelembaban tanah dan irigasi.
• Ekonomis pertanian dan pengacara penggunaan tanah untuk menguji kasus bisnis dan aturan.

Kau punya ide yang lebih baik?

Mungkin Anda memiliki struktur yang lebih murah, sistem tanaman yang menyukai naungan, atau cara yang lebih pintar untuk memindahkan panel sepanjang hari. Beberapa anggota dari Local Solar System Foundation mungkin memiliki kontak yang bisa mendengarkan ide energi yang kuat. Untuk disampaikan, sebuah ide memerlukan model yang bekerja dan nyata yang menghasilkan tenaga, diukur dengan alat, bukan diklaim. Ide-ide kertas juga disambut: jika fisika dan angkanya kuat, kami bisa menerbitkannya di sini di situs web. Menarik modal tanpa model yang bekerja sangat sulit, dan kita tidak bisa menjanjikan pendanaan, keuntungan atau pengenalan.

Untuk agrovoltaik, pengukuran termurah yang dianggap sebagai model kerja adalah satu musim tanam di lahan kecil di bawah panel di samping lahan terbuka yang sama, dengan sensor cahaya, panen ditimbang dan listrik diukur. Hal ini memberikan rasio tanah setara pertama kalinya. Kirimkannya melalui formula kontribusi, dan lihat bagaimana ide tersebut dibandingkan dengan ide lain pada idea radar. Pendekatan saudara: surya terapung menggunakan permukaan air bukannya ladang, dan atap PV-termal membuat atap melakukan dua pekerjaan.

Sumber

1. (Inggris) Fraunhofer ISE (2017). Memanen matahari untuk tenaga dan menghasilkan: agrofotovoltaik meningkatkan efisiensi penggunaan lahan lebih dari 60 persen. Laporan pers, hasil tahun pertama Heggelbach.
2. (Inggris) Fraunhofer ISE (2019). Agrofotovoltaik: hasil panen tinggi di musim panas panas 2018. Pers.
3. (Inggris) S. M. Trommsdorff, et al. (2024). (Inggris) Agroforestry: The Future of Agriculture and the Environment. A guideline for Germany](https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/en/documents/publications/studies/APV-Guideline.pdf), 3rd edition. Fraunhofer ISE.
4. (Inggris) A., A., S., et al. (2019). Agrofotovoltaik: aplikasi, tantangan, dan peluang. Sebuah tinjauan. Agronomi untuk Pembangunan Berkelanjutan 39, 35.
5. (Inggris) Dupont, J., Marrou, H., Talbot, G. et al. (2011). Menggabungkan panel fotovoltaik surya dan tanaman pangan untuk mengoptimalkan penggunaan lahan: menuju skema agrovoltaik baru. Renewable Energy 36(10), 2725-2732.
6. (Inggris) Barron-Gafford, G.A., Pavao-Zuckerman, M.A., Minor, R.L. et al. (2019). Agrovoltaik memberikan manfaat yang saling menguntungkan di seluruh hubungan pangan-energi-air di daerah kering. Nature Sustainability 2, 848-855.
7. (Inggris) Amaducci, S., Yin, X. and Colauzzi, M. (2018). Sistem agrovoltaik untuk mengoptimalkan penggunaan lahan untuk produksi energi listrik. Applied Energy 220, 545-561.
8. (Inggris) Adeh, E.H., Good, S.P., Calaf, M. and Higgins, C.W. (2019). Potensi tenaga surya PV terbesar di atas lahan pertanian. Laporan Ilmiah 9, 11442.
9. (Inggris) Horowitz, K., Ramasamy, V., Macknick, J. and Margolis, R. (2020). Kost modal untuk instalasi fotovoltaik dua-guna: 2020 benchmark untuk sistem PV yang dipasang di tanah dengan vegetasi, penggembalaan dan tanaman yang ramah penyerbuk. NREL/TP-6A20-77811.
10. Lazard (Juni 2026). Levelized Cost of Energy+, versi 19: utilitas surya $40 to $98 per MWh; komunitas dan C&I surya $88 to $197 per MWh.
11. Local Solar System Foundation (2026). The Fan Wall: open model, benchmark surya atap.