Performance trade-offs between fixed and rotating agrivoltaic systems under varying irrigation strategies: a simulation-based study in Benin

Food production and renewable energy are both expanding rapidly, yet they often compete for the same scarce resources of land and water. This challenge is particularly evident in Benin, where agriculture is limited by long dry spells, while the country is looking to increase solar energy capacity. Agrivoltaic systems (AVs), which integrate photovoltaic (PV) electricity generation with crop cultivation, have been proposed as one approach to meet these dual demands. This thesis evaluates the potential of AVs in Benin, with a focus on tomato farming, irrigation requirements, and electricity generation from 2020 to 2023. The study applies the Photovoltaic and Agricultural Simulation Environment (PASE), adapted as Hydro-PASE to model irrigation and rainwater collection. Six scenarios were analyzed: open field farming, fixed-tilt AVs, and horizontal single-axis tracking AVs, each under rainfed and irrigated conditions. A further experiment introduced a double-cropping schedule, dividing the year into two cultivation periods (January–May and July–November) with one-month breaks, using stored rainfall as a water source. The results highlight the distribution of rainfall as the dominant factor that influences tomato yields, while electricity generation proved relatively stable and mainly dependent on panel type. Fixed panels allowed more consistent crop growth, whereas rotating panels produced 15–20% more power but caused stronger shading and lower yields. Irrigation stabilized output, and rainwater harvesting cut external water demand by about half. Double cropping increased total annual yields, but increased reliance on blue water in the dry season, pointing to the need for larger storage or more efficient irrigation systems. In all scenarios, the Land Equivalent Ratio (LER) was greater than one, showing that the production of food and energy together was more land efficient than separate production. Among the options, fixed-tilt AVs with rainwater storage delivered the most balanced results, supporting stable yields, reducing external water dependence, and providing reliable electricity. These findings offer the first integrated evaluation of AVs in Benin and show how customized designs could improve both food security and renewable energy supply in small-holder tropical settings.

La produzione alimentare e l’energia rinnovabile stanno crescendo rapidamente, ma spesso competono per le stesse risorse limitate di terra e acqua. Questa sfida `e particolarmente evidente in Benin, dove l’agricoltura `e ostacolata da lunghi periodi di siccit`a, mentre il Paese punta ad aumentare la capacit`a di generazione solare. I sistemi agrivoltaici AV, che integrano la produzione di elettricit`a fotovoltaica PV con la coltivazione agricola, sono stati proposti come una possibile soluzione per rispondere a entrambe le esigenze. Questa tesi valuta il potenziale degli AV in Benin, con particolare attenzione alla coltivazione del pomodoro, al fabbisogno irriguo e alla produzione di elettricit`a nel periodo 2020-2023. Lo studio utilizza il modello Photovoltaic and Agricultural Simulation Environment PASE, adattato come Hydro PASE per includere l’irrigazione e la raccolta dell’acqua piovana. Sono stati analizzati sei scenari: agricoltura in campo aperto, AV con pannelli fissi inclinati e AV con inseguitore orizzontale ad asse singolo, ciascuno in condizioni sia pluviali che irrigue. `E stato inoltre introdotto un esperimento di doppia coltivazione, suddividendo l’anno in due cicli colturali gennaio-maggio e luglionovembre separati da un mese di pausa, utilizzando come fonte idrica le piogge immagazzinate. I risultati evidenziano che la distribuzione delle piogge `e il principale fattore che influenza le rese del pomodoro, mentre la produzione di elettricit`a `e risultata relativamente stabile e condizionata soprattutto dal tipo di pannello. I pannelli fissi hanno favorito una crescita pi`u costante delle colture, mentre i sistemi rotanti hanno prodotto circa il 15-20% in pi`u di energia, ma con un incremento dell’ombreggiamento e una riduzione delle rese agricole. L’irrigazione ha stabilizzato la produzione e, combinata con la raccolta dell’acqua piovana, ha ridotto di circa la met`a il fabbisogno di acqua esterna. La doppia coltivazione ha aumentato le rese annuali complessive, ma ha anche accresciuto la dipendenza dall’acqua blu durante la stagione secca, sottolineando la necessit`a di una maggiore capacit`a di stoccaggio o di sistemi irrigui pi`u efficienti. In tutti gli scenari, il Land Equivalent Ratio LER `e risultato superiore a 1, dimostrando che la produzione congiunta di cibo ed energia utilizza la terra in modo pi`u efficiente rispetto alla produzione separata. Tra le opzioni considerate, i sistemi AV con pannelli fissi inclinati e raccolta di acqua piovana hanno garantito i risultati pi`u equilibrati, sostenendo rese agricole stabili, minore dipendenza da acqua esterna e una produzione elettrica affidabile. Questi risultati offrono la prima valutazione integrata degli AV in Benin e mostrano come soluzioni progettate su misura possano migliorare sia la sicurezza alimentare che la disponibilit`a di energia rinnovabile nei contesti agricoli tropicali di piccola scala.