Approaches to Plan and Deploy Sustainable Agrivoltaic Systems

Agrivoltaics (APV) has emerged as a strategic solution to mitigate land-use conflicts between agricultural production and renewable energy generation. However, its widespread deployment is currently hindered by technical uncertainties regarding compatibility with modern farming practices, complex agronomic-energy trade-offs, and a lack of standardized planning tools. This doctoral thesis aims to define a comprehensive operational framework to support the design, performance assessment, and spatial planning of sustainable APV systems. The research is structured into three interconnected studies addressing critical barriers to implementation. First, the compatibility between APV infrastructure and agricultural mechanization is analysed. By evaluating design parameters such as row spacing, clearance height, and structural layout, the study demonstrates that without specific co-design strategies, the Field Efficiency (FE) of the agricultural machines can decrease by up to 45% and resulting in significant losses of arable land due to uncultivated buffer zones. Second, an integrated simulation framework coupling radiation modelling with the GECROS generic crop model is developed to evaluate APV system performances among different typologies. Applied to a case study of processing tomatoes across five Italian locations, the research utilizes Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) to compare various configurations (fixed, vertical, single and dual-axis tracking). The results highlight that while single-axis trackers often provide the highest energy yield, specific elevated or wide-spaced configurations are superior for maintaining flexibility on agricultural operations. Finally, the study assesses the territorial suitability for APV deployment in Italy using a Fuzzy-MCDM approach (Fuzzy-AHP and Fuzzy-TOPSIS). By integrating regulatory, physical, and agronomic constraints, the spatial analysis reveals that despite excluding significant areas due to environmental restrictions, the availability of "Very High Suitability" land classes is abundant. Meeting the 2030 regional burden-sharing targets would require occupying less than 1% of the suitable agricultural surface, indicating that barriers to diffusion are primarily regulatory rather than physical. Collectively, this research provides policymakers, planners, and farmers with robust methodologies to optimize APV systems, ensuring they are technically feasible, economically viable, and synergetic with agricultural activities.

L'agrivoltaico (APV) è emerso come una soluzione strategica per mitigare i conflitti sull'uso del suolo tra la produzione agricola e la generazione di energia rinnovabile. Tuttavia, la sua diffusione su larga scala è attualmente ostacolata da incertezze tecniche riguardanti la compatibilità con le moderne pratiche agricole, da complessi compromessi agronomico-energetici e dalla mancanza di strumenti di pianificazione territoriale standardizzati. Questa tesi di dottorato si propone di definire un quadro operativo completo per supportare la progettazione, la valutazione delle performance e la pianificazione territoriale di sistemi APV sostenibili. La ricerca si articola in tre studi interconnessi che affrontano problematiche significative all'implementazione di tali particolari sistemi agricoli. In primo luogo, viene analizzata la compatibilità tra l'infrastruttura agrivoltaica e la meccanizzazione agricola. Valutando parametri di progettazione quali la distanza tra le file, l'altezza dei moduli dal suolo e la disposizione delle strutture, lo studio dimostra che, in assenza di strategie specifiche di co-design, l'Efficienza d'uso delle macchine agricole può diminuire fino al 45% rispetto ad operazioni svolte in campi liberi da ostacoli, comportando rilevanti perdite di superficie agricola utilizzata (SAU) a causa delle zone in cui la coltivazione è ostacolata dalle strutture agrivoltaiche. In secondo luogo, è stato sviluppato un quadro di simulazione integrato che accoppia modelli di calcolo dell'irradianza con il modello colturale generico "GECROS", al fine di valutare le prestazioni economiche, energetiche e produttive, di diverse tipologie di sistemi APV. Applicata a diversi scenari di coltivazione del pomodoro da industria, in cinque località italiane, la ricerca utilizza l'Analisi Decisionale Multicriterio (MCDA) per confrontare varie configurazioni (fisse, verticali, a inseguimento solare monoassiale e biassiale) di sistemi APV. I risultati evidenziano che, sebbene la tipologia ad inseguimento solare monoassiale fornisca per molti degli scenari studiati la massima resa energetica, specifiche configurazioni a inseguimento solare monoassiale elevate (conosciuti anche come avanzati) o con configurazione con assi fotovoltaici ben distanziati, risultano superiori nel mantenere un buon compromesso tra le due produzioni integrate. Infine, lo studio valuta l'idoneità territoriale per lo sviluppo dell'agrivoltaico in Italia utilizzando un approccio Fuzzy-MCDM (Fuzzy-AHP e Fuzzy-TOPSIS). Integrando vincoli normativi, fisici e agronomici, l'analisi spaziale rivela che, pur escludendo aree di rilevante ampiezza a causa di restrizioni normative e tecniche, la disponibilità di classi di terreno ad "Altissima Idoneità" risulta abbondante lungo il territorio italiano. Il raggiungimento degli obiettivi regionali di burden-sharing per il 2030 richiederebbe l'occupazione di meno dell'1% della superficie agricola idonea, indicando che gli ostacoli alla diffusione dei sistemi APV sono prevalentemente di natura normativa piuttosto che dovuti ad una mancanza di aree classificabili come idonee. Nel complesso, questa ricerca fornisce alla politica, ai pianificatori e agli agricoltori metodologie solide per favorire una diffusione sostenibile di sistemi agrivoltaici efficienti idonei al mantenimento della continuità dell'attività agricola e pastorale, assicurandone anche la fattibilità tecnica e la sostenibilità paesaggistica.