Esta tesis aporta contribuciones relevantes orientadas al fomento e implantación la producción agrivoltaicas en los invernaderos mediterráneos

El objetivo general de esta Tesis es contribuir al desarrollo de la energía solar fotovoltaica y de la tecnificación de la agricultura intensiva de invernadero. En este Tesis, se realizan aportaciones significativas al estudio y modelación del diseño, gestión y optimización de las instalaciones fotovoltaicas autónomas para su ubicación en cubiertas del invernadero, permitiendo una producción agrivoltaica que hace compatible la producción hortícola con la producción de energía fotovoltaica. Con ello, se pretende mejorar la rentabilidad de la explotación, la sostenibilidad de la producción al ayudar a la descarbonización de la agricultura y alinear la agricultura intensiva bajo invernadero almeriense con las políticas europeas actuales.

En la Universidad de Almería tuvo lugar el pasado día 18 de diciembre de 2023 la defensa de una Tesis Doctoral titulada 'Diseño, gestión y optimización de instalaciones fotovoltaicas autónomas aplicadas al riego en invernaderos mediterráneos' realizada por el hoy Doctor Cristóbal J. Torrente Rodríguez I.T.A, Project Management de IND INGENIEROS y Delegado de Andalucía de Tunghsu España (fabricante de módulos fotovoltaicos internacional), de origen almeriense. Bajo la Dirección del Catedrático Juan Reca Cardeña y del Doctor Juan Martínez López, ambos profesores de la Universidad de Almería y del Catedrático Rafael López Luque, profesor de la Universidad de Córdoba.

El doctorando comienza su tesis enunciando como cita “Las ideas de hoy son los hechos del mañana”, lo que da a entender la importancia del desarrollo de la investigación en el futuro de toda la sociedad.

Esta tesis está compuesta por dos artículos publicados por la editorial Elsevier en las revistas de alto impacto científico de mayor nivel Renew Energy y Applied Energy situadas según el índice de calidad del Journal Citation Reports (JCR) situados en el cuartil Q1. Y una comunicación realizada en el 1° Congreso de Jóvenes Investigadores en Ciencias Agroalimentarias celebrado en la Universidad de Almería organizado por el CIAIMBITAL.

En esta tesis se destaca la importancia de la actividad de producción de frutas y hortalizas bajo abrigo realizados en la provincia de Almería, junto con el potencial de la agricultura de invernadero en Almería para el desarrollo de las instalaciones fotovoltaicas. Además, se constata la gran oportunidad que supone la Agrivoltaica aplicada en Invernaderos para el desarrollo y consolidación del sector agroalimentario y, a su vez, para la impulsión de la industria de transformación y auxiliar, junto con los beneficios que aportará al desarrollo de la sociedad almeriense.

Como fruto del primer trabajo de investigación de esta tesis se ha desarrollado una metodología que optimiza el sistema de riego fotovoltaico independiente por bombeo directo para el riego de cultivos hortícolas en invernaderos mediterráneos. Destaca que el margen de mejora de aprovechamiento de la energía como el rendimiento económico de estas instalaciones, debe pasar por el aprovechamiento de la energía en exceso producida en satisfacer otras demandas energéticas de la explotación. Así como la interconexión de los sistemas fotovoltaicos a la red siguiendo el modelo de Balance Neto (Gráfico 1).

Gráfico 1. Esquema de un sistema de riego directo fotovoltaico autónomo. Agrivoltaico. Fuente: Elaboración propia.

El segundo trabajo de investigación de esta tesis se centró en el estudio de la ubicación de colectores fotovoltaicos sobre el invernadero tipo almeriense Raspa y Amagado, con la cubierta orientada Norte-Sur. Se plantearon tres estrategias en relación a la potencia pico instalada y al porcentaje de cubierta de invernadero ocupada por los colectores fotovoltaicos.

La primera estrategia tenía como objetivo el abastecimiento del invernadero actual no tecnificado. Por otro lado, la segunda estrategia se centró en el abastecimiento del invernadero tecnificado y producir un exceso de energía para compensar. Por último, la tercera estrategia tenía como objetivo que la agrivoltaica en invernadero convierta al agricultor en un productor de energía eléctrica (Gráfico 2).

Para la materialización del estudio se realizaron simulaciones fotorrealísticas mediante técnicas CAD 3D de cada una de las estrategias. Con estas simulaciones se demuestra la viabilidad de las instalaciones agrivoltaicas para el invernadero objeto de estudio, en términos de superficie sombreada proyectada sobre la superficie interior del invernadero en relación a la energía producida y su rendimiento (Gráfico 3).

Como resultado de las simulaciones llevadas a cabo mediante este modelo propio en un invernadero de tipo Venlo agrivoltaico ubicado en Almería, se pudo determinar que la distribución de la radiación y de la evapotranspiración de referencia en el interior del invernadero no es uniforme sobre el dosel vegetal. Esto afecta a la uniformidad de las necesidades de fertirrigación de los cultivos, el porcentaje de superficie y disposición ocupada por los colectores fotovoltaicos en la cubierta. Planteándose así nuevas vías de investigación como la consideración del efecto de las instalaciones agrivoltaicas en invernaderos sobre el clima y la evaluación del rendimiento del cultivo, teniendo en cuenta todos los factores de producción como el estrés hídrico, lumínico, térmico, etc.

Gráfico 5. Mapas de Distribución de Radiación Diaria (KWh/m²día) en el interior del invernadero para un mes representativo de cada estación del año. Fuente: Elaboración propia.

Finalmente, debido a que las técnicas CAD 3D de simulación fotorrealista no han permitido caracterizar de forma precisa la distribución de radiación en el interior del invernadero, se ha creído conveniente acometer el desarrollo de un modelo de simulación propio capaz de analizar dicha distribución de radiación en cualquier invernadero de geometría plana y con cualquier tipo de distribución de placas fotovoltaicas en la cubierta. El modelo desarrollado permite analizar la uniformidad con la que se distribuye la radiación, lo cual es fundamental para un manejo eficiente del cultivo. Además, el modelo desarrollado analiza el efecto de la distribución de radiación sobre la evapotranspiración de referencia que está relacionada con el consumo de agua de la planta. El modelo propuesto en esta tesis ha demostrado ser una herramienta eficaz para el diseño y manejo de invernaderos agrivoltaicos.

Con la creación de una metodología, definición de parámetros y desarrollo de estrategias de configuración de las instalaciones fotovoltaicas se ha contribuido al desarrollo de la implantación de la tecnología de producción de energía solar fotovoltaica en el sistema intensivo de cultivo en invernaderos, respondiendo a la necesidad de aumentar la rentabilidad mejorando los ingresos o reduciendo los costes energéticos de las explotaciones tanto los derivados del riego como el resto de la demanda energética y haciendo más sostenible el sistema productivo. La producción agrivoltaica en invernaderos aprovechando la cubierta para la instalación de superficies de captación solar fotovoltaica es una oportunidad para la mejora futura de la rentabilidad y sostenibilidad de las explotaciones de invernadero. Esta tesis aporta contribuciones relevantes orientadas al fomento e implantación la producción agrivoltaicas en los invernaderos mediterráneos.