Exploring solar on-farm energy production combined with a fleet of electrical vehicles and precision agriculture for reduced GHG-emissions

På veien mot et lavutslipp-samfunn må det norske jordbruket bidra til å redusere klimagassutslippene knyttet til produksjonen av mat og fôr. Det er to tiltak som kan betraktes som «lavthengende frukter»: Reduksjon i utslippene fra traktorkjøring og reduksjon i utslippene som skyldes dårlig utnytting av tilført nitrogengjødsel. SolarFarm-prosjektet adresserte disse to ved å utvikle et konsept av innovative, tekniske løsninger og metoder som kan benyttes på de fleste norske gårdsbruk. Konseptet benytter tilgjengelig takareal på gårdsbygninger til å fange solenergi som skal brukes til å drive en flåte med elektriske farkoster for mer automatisert og målrettet management. En beregningsmodell for simulering av energisystemer ble designet for tre typiske norske gårder som produserte henholdsvis melk, korn og svinekjøtt/korn kombinert. Modellkjøringer viste at elektrifisering av traktorer og installasjon av solcelleanlegg var teknisk mulig, men også at implementering av dette ville endre energi- og energilagringsbehovet på ulike måter for disse tre. Lading av batterielektriske traktorer hadde stor innvirkning på toppeffektbehovet per time, og mulighet for hurtiglading var en forutsetning for at traktorarbeidet kunne utføres innenfor de tidsvinduene som var påkrevd. Med et forventet fremskritt i utviklingen av hydrogen-drevet brenselcelletraktorer og produksjon av hydrogen med elektrolysører på gården, fremstod kortsiktig (batteri) og langsiktig (hydrogen) energilagring som et godt valg for å utnytte energiproduksjonssystemet optimalt. Med dagens batteriteknologi vil vekten av elektriske traktorer med samme effekt og arbeidskapasitet som store dieseltraktorer bli for høy. En så derfor på om en flåte av små og lettere batterielektriske traktorer kunne erstatte den store og fant en velfungerende løsning for et kollektiv av bemannede og ubemannede kjøretøy som sammen dekte arbeidsbredden til en stor dieseltraktor. Disse kjøretøyenes lading kunne gjøres helt autonomt med prosjektets nyutviklede robotladestasjon som benytter et visuelt veiledningssystem for å koble til og fra en standard elektrisk plugg i kjøretøyer som nærmer seg det dedikerte parkeringsområdet. Målrettet tildeling av nitrogengjødsel krever stedsspesifikk og oppdatert informasjon om plantestatus underveis i sesongen, en robust anbefalingsmodell for gjødsling og presis tildelingsteknologi. En serie nitrogenresponsforsøk i hvete og bygg ble gjennomført for å bidra til videre utvikling av et slikt konsept. Ved definerte utviklingstrinn hos kornplantene ble det tatt ut biomasseprøver og gjort spektralmålinger fra droner. En drone-basert prediksjonsmodell for nitrogenstatus i plantene og en agronomisk gjødselanbefalingsmodell ble deretter kalibrert og testet under praktiske forhold. Her ble plantestatus konvertert til en styringsfil for variabel nitrogentildeling med en høy romlig oppløsning på 1 m2. For å kunne tildele gjødsel med en slik oppløsning, ble det utviklet en sprederprotoype for presis tildeling av flytende mineralgjødsel. Hele konseptet ble testet under praksislike forhold, og en oppnådde noe større og jevnere kornavling enn under konvensjonell gjødslingspraksis. Gjennomsnittlig proteininnholdet i avlinga økte også. For de overordnede vurderingene av konseptet ble seksten eksempler av ulike korn- og melkegårder analysert i studien, som representerer flertallet av norske landbrukssystemer når det gjelder dyrket areal. Basert på dagens begrensede effekt og kapasitet hos elektriske batteritraktorer, ble det konkludert med at en liten batterielektrisk traktor kan erstatte kun en marginal del av det dieseldrevne traktorarbeidet, mens en hel flåte kan utføre alle feltoperasjoner på en korngård unntatt tresking. En livssyklusanalyse av produksjonen av hvete viste at klimagassutslippene ble redusert dersom en flåte av små batterielektrisk traktorer overtok det dieseldrevne arbeidet. Samtidig viste analysen at en slik endring ville øke miljøbelastningen vurdert etter andre kategorier så om eutrofiering, økotoksisitet og press på mineralressurser. En teknoøkonomisk analyse på aggregert nivå bekreftet at elektrifisering av traktorarbeidet kan være et bidrag til å redusere klimagassutslippene fra norsk jordbruk, men at framtidig teknologisk utvikling vil bestemme om potensialet kan tas ut.

At the institutional level, IFE and NIBIO gained valuable experience and knowledge on (i) simulating optimal systems for on-farm renewable energy production and production forecasting, (ii) realizing a fleet of manned and unmanned electric farm vehicles working cooperatively as an alternative to today's use of large diesel tractors, (iii) a remote sensing based site-specific variable-rate nitrogen fertilization approach at very high accuracies to improve nitrogen use efficiency, (iv) identifying pitfalls and bottlenecks of such concepts by assessing energy aspects, sustainability, environmental, economic and policy-related potentials. At the farm level, farmers gain relevant information on economic, environmental, agronomic and technical aspects of investing in new technologies for solar energy production, non-fossil driven farm vehicles, and precision fertilization. Farm advisors benefit from the same information when providing farmers good and updated information and advices for improved farm management. At a regional level, the project provides examples, data and analyses highly required by politicians, to adjust their resource use and incentive programs, designed to stimulate farmers/industry actors towards a “green shift”. Further, regional energy providers may utilize the same information in their development and marketing strategies. Smaller, farm-related industry companies (e.g. smaller farm machinery producers and the increasing number of UAV-based service providers) may utilize ideas, technical solutions (prototypes) and software developed during the project, as starting points to develop new, marketable products. At the national scale, agricultural authorities, partly in dialogue with the farmers trade union, may utilize information from the project in policy making decisions. The results from this project may be a vital part of the knowledge platform needed to fulfil the vision of a fossil free Norwegian agriculture in 2030. Large farming industry actors (e.g. those being part of Norsk Landbrukssamvirke) may benefit from the results in their continuous work on adjusting their long-term plans and strategies not only to handle a moving marked, but also to modifications in the legislative framework, partly driven by an increasing focus on the on-going global climate change. It is not possible to quantify which impact the current project will have on the national GHG-emissions, since this relies on drivers beyond the control of this project. To what extend the solutions will be taken into use, depends to a large extend on economic aspects, such as price/availability, incentive programs, taxation, etc. Internationally, it is expected that the international, peer reviewed publications will receive attention in the research community and among product developers in large companies, which follow the research literature closely, especially that related to evolving technological solutions in the interface between agriculture and technology.

There are two areas which may be considered as 'low-hanging fruits' in terms of greenhouse gas mitigation options for food and feed production: reducing the emissions from tractor work on the farm, and reducing the emissions related to low nitrogen use efficiency. In this project, we address these two areas by developing a concept of innovative technical solutions and methodologies applicable at farm level, the SolarFarm. The SolarFarm concept is about utilizing available roof area on farm buildings for solar energy capture, and to use this energy along with state-of-the-art precision agriculture technologies to produce food and feed in a more sustainable manner. To shorten the time span from concept to implementation, SolarFarm comprises a set of approaches, ranging from relatively simple solutions, e.g. for farmers with low motivation for investing in advanced technology, to more comprehensive solutions, e.g. for farmers/early adopters devoted to technology, who want to utilize the full potential. In more detail, the concept involves energy carriers and storage capacity, tailored for the annual and highly dynamic pattern in renewable energy production and demand. It also opens for a system change in farm machinery composition, moving from one or two large and heavy diesel tractors to a few and partly unmanned electrical tractors. The concept integrates the idea of demand-based nitrogen fertilization, in which unmanned aerial vehicles for data acquisition play a central role, along with a system for steering and communication. Moreover, the concept represents a base-case for renewable energy use in a farm setting, enabling assessments of energy aspects, sustainability, environmental impact, cost-efficiency and consequences for policy-makers. This 4-year project is an inter-disciplinary cooperation between NIBIO, IFE, two international experts, and a stakeholder group, which cover the entire knowledge-chain of the proposed research topics.