Springe zum Hauptinhalt der Seite

Betrieb

Agrophotovoltaik: Stromerzeugung und Nutzpflanzenbau auf einem Acker

Agrophotovoltaik: Stromerzeugung und Nutzpflanzenbau auf einem Acker

Lebensmittel anbauen und auf derselben Fläche Strom erzeugen, das geht mit Agrophotovoltaik. Sie bietet die Chance, die Flächenkonkurrenz zwischen landwirtschaftlicher Nutzung und Energiegewinnung zu entschärfen.

Wohnungsbau, Ausweisung von Gewerbeflächen, der Ausbau von Infrastruktur und Freiflächen-Photovoltaikanlagen (PV-FFA), der Wegfall an Flächen für die Landwirtschaft ist enorm. Diese Flächen sind dann dauerhaft oder zumindest langjährig der landwirtschaftlichen Nutzung entzogen.

Status Quo der Energieerzeugung durch Photovoltaik auf landwirtschaftlichen Flächen ist bisher die PV-FFA. Sie können durch eine Einspeisevergütungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gefördert werden. Zwar sind in den letzten Jahren die Kosten für PV-FFA gesunken und Experten erwarten, dass sie sich in einigen Jahren auch ohne finanzielle Förderung tragen, doch trotzdem bleibt die Frage nach der „Entnahme“ landwirtschaftlicher Flächen auch im Hinblick auf die Ernährungssicherung. Eine Entschärfung dieses Nutzungskonfliktes könnte die Agrophotovoltaik (APV) oder auch Agrar-Photovoltaik bringen. Sie ermöglicht Energiegewinnung und Landwirtschaft auf der gleichen Fläche.

Agrophotovoltaik - Zusammengefasst

  • Doppelte Flächennutzung möglich: Nahrungs- und Futtermittelproduktion bei gleichzeitiger Energieproduktion.
  • Agrophotovoltaik eröffnet neue Bewirtschaftungsmöglichkeiten für die Landwirtschaft neben der klassischen Landnutzung.
  • Dezentrale Energiegewinnung, dadurch Wertschöpfung bei Landwirt, Gemeinde oder kleinen und mittelständigen Unternehmen. Ländlicher Raum wird aufgewertet.
  • Nicht jede Kultur ist für Anbau unter PV-Modulen geeignet. Es werden Langzeitstudien zu den Ertragsentwicklungen benötigt.
  • Sonderkulturen können durch die Solarmodule vor Witterungsextremen geschützt werden.
  • Zukünftig könnten Methoden geschaffen werden, mit Hilfe der Solarmodule Regenwasser aufzufangen, zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt in der landwirtschaftlichen Kultur zu nutzen.
  • APV-Anlagen erhalten aktuell weder eine EEG-Einspeisevergütung noch Agrarsubventionen für die landwirtschaftliche Fläche.

Modellprojekt Agrophotovoltaik- Ressourceneffiziente Landnutzung

Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energietechnik (ISE) haben sich sieben Partner zusammengeschlossen, um diese neue Art der Photovoltaik zu untersuchen. Der Forschungsverbund Agrophotovoltaik-Ressourceneffiziente Landnutzung (APV-RESOLA; siehe Kasten) initiierte ein Pilotprojekt auf dem Heggelbachhof am Bodensee, einem 165 Hektar großen Demeter-Betrieb in der Region Bodensee-Oberschwaben. Die Versuchsfläche umfasst 2,5 Hektar. Ein Drittel Hektar wurde mit PV-Modulen ausgerüstet, die auf mehrere Meter hohen Unterkonstruktionen installiert sind, damit darunter weiter eine landwirtschaftliche Nutzung möglich ist. Die restliche Versuchsfläche dient als Referenzfläche zum Vergleich der Erträge. Die installierte Anlage hat eine Leistung von 194,4 kWp und könnte 62 Haushalte mit 4 Personen und rund 4000 kWh Stromverbrauch versorgen. Die APV-Anlage auf dem Heggelbachhof soll den technische Eigenverbrauch durch den Betrieb unter Nutzung eines Energiespeichers decken, der restliche Strom wird in das Stromnetz eingespeist.

APV-Resola

Die Überlegungen hin zu einer doppelten Flächennutzung reichen zurück in die 1980er Jahre: Schon im Jahr 1981 erkannten Prof. Adolf Goetzberger, der Gründer des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, und Dr. Armin Zastrow die mögliche Flächenkonkurrenz zwischen Nahrungsmittel- und Energieerzeugung auf landwirtschaftlichen Flächen. Sie schlugen damals eine veränderte Ausrichtung der PV Module vor, um die Erträge der kombinierten Nutzung zu steigern. Dieser Gedanke wird heute in der Innovationsgruppe APV-RESOLA, Agrophotovoltaik-Ressourceneffiziente Landnutzung weiterentwickelt.

Das Projekt APV-RESOLA wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und FONA- Forschung für nachhaltige Entwicklung. Es ist ein gemeinsames Projekt von Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, BayWa r.e. Solar Projects GmbH, Elektrizitätswerke Schönau, Hofgemeinschaft Heggelbach, Karlsruher Institut für Technologie, Regionalverband Bodensee-Oberschwaben und der Universität Hohenheim.

Aufgeständerte PV-Module ermöglichen weiterhin Ackernutzung

Die halbtransparenten PV-Module sind in drei bis fünf Metern Höhe mit Abstand aufgeständert, damit die landwirtschaftlichen Kulturen auf der Fläche darunter genügend Sonnenlicht bekommen. Auf der Versuchsfläche wurden vier Kulturen untersucht: Kleegras, Sellerie, Kartoffeln und Winterweizen. Diese wurden wie lokal üblich nicht bewässert. In dem Projekt wurden unter anderem auch die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR), Luft- und Bodentemperatur, Luft- und Bodenfeuchte sowie die Niederschlagsmenge erfasst und der Wasserhaushalt untersucht. Bis Ende des Jahres 2020 sollen die Endergebnisse publiziert werden.

Erkenntnisse aus dem Modellprojekt Heggelbachhof:

  • Eine APV-Freiflächenanlage benötigt einen etwa 1,4-fach höheren Reihenabstand zwischen den PV-Modulen als eine PV-FFA, um die landwirtschaftliche Nutzung darunter zu ermöglichen. Im Vergleich zur PV-FFA hat eine APV-Anlage etwa 30 % weniger PV-Leistung pro Flächeneinheit.
  • Die Strahlungsverteilung hat einen großen Einfluss auf das Wachstum der Pflanzen. Für eine gleichmäßigere Strahlungsverteilung auf der Ackerfläche und eine höhere Erntequalität sollten die PV-Module nicht wie bei herkömmlichen PV-Freiflächenanlagen nach Süden ausgerichtet sein, sondern in Richtung Südwesten oder Südosten.
  • Nutzpflanzen eignen sich entsprechend ihres Lichtbedarfs unterschiedlich gut für den Anbau unter einer APV-Anlage. Weniger geeignet sind Pflanzen mit einem sehr hohen Lichtbedarf wie z. B. Mais, Weizen oder Obstkulturen. Sie reagieren schon bei geringer Beschattung mit einem Ertragsrückgang. Bei andere Kulturen wie Raps, Erbsen oder Spargel wirkt sich eine mäßige Beschattung kaum auf die Erträge aus. Bei einigen Ackerkulturen wie Kartoffeln, Hopfen oder Leguminosen wirkt sich Beschattung sogar positiv auf die quantitativen Erträge aus.
  • Es ergeben sich zusätzliche Einkommensquellen und Synergieeffekte für die Landwirtinnen und Landwirte, wenn der Solarstrom direkt vor Ort gespeichert und genutzt werden kann.

Senkrechte Aufstellung von PV-Modulen

Eine weitere Alternative der Agrophotovoltaik ist die senkrechte Aufstellung der PV-Module. Dabei werden Reihenzwischenräume von mindestens acht Metern veranschlagt, um etwa die Grünlandwirtschaft mit Mähweide und Futterbergung sowie Beweidung mit Rindern, Schafen oder Hühnern zu ermöglichen. Bei diesem Konzept bleiben bis zu 90 Prozent der Fläche für die landwirtschaftliche Nutzung erhalten. Der Wasserhaushalt ist nahezu unverändert, es erfolgt keine Veränderung der Niederschlagsverteilung. Im Bereich der gegen Verbiss geschützten Modulreihen können mit Blühstreifen, Totholz und Steinschüttungen Lebensräume für Insekten, Vögel und Reptilien geschaffen werden.

APV bei Sonderkulturen

Auch über Sonderkulturen wie Obst, Beeren oder Wein ist Agrophotovoltaik denkbar. In Babberich in den Niederlanden wurde die im Sommer 2020 die bisher größte europäische APV-Anlage mit einer Leistung von 2,7 MWp auf einem 3,2 ha großen Himbeerfeld fertiggestellt. Die Anlage erzeugt genug Strom um rund 1.250 Haushalte zu versorgen. Bei Sonder- und Dauerkulturen wird erwartet, dass die Überdachung durch die PV-Module dabei helfen kann, die Kulturen vor Starkregen, Hagel oder direkter Sonneneinstrahlung zu schützen. Damit könnte auf den Einsatz von Folienschutztunneln verzichtet werden, wodurch Arbeitszeit und Kosten gespart und Müll reduziert würde.

Bei weiteren Anlagen soll untersucht werden, wie sich das die APV-Module auf die Pflanzengesundheit und das Fruchtwachstum von Johannisbeeren, Heidelbeeren, Brombeeren und Erdbeeren auswirken.

Im Rahmen des EU-Programmes Horizon 2020 untersuchen Fraunhofer-Wissenschaftler mit Partnern in Algerien, wie sich die APV-Anlagen durch die geringere Verdunstung und die niedrigeren Temperaturen unter den Modulen auf den Wasserhaushalt auswirken. Besonders die Regenwassergewinnung mit PV-Modulen könnte zukünftig die Landwirtschaft revolutionieren.

Auch in Kombination mit Aquakultur-Anlagen ist Agrophotovoltaik denkbar. Fraunhofer-ISE-Studien erwarten, dass eine Aqua-PV die Landnutzungsrate im Vergleich zu einer reinen Freiflächen-Photovoltaikanlage annähernd verdoppelt. Derzeit sind zwei Forschungsanlagen in der Shrimps- und Pangasiusproduktion in Vietnam geplant.

Fazit

Agrophotovoltaik ist ein vielversprechender Lösungsansatz, um die Effizienz in der Landnutzung zu erhöhen. Sie kann grundsätzlich über allen Böden errichtet werden, auch auf fruchtbaren Ackerböden. Agrophotovoltaik ermöglicht die gleichzeitige Stromerzeugung und die Nahrungsmittelproduktion auf derselben Fläche. Die landwirtschaftliche Nutzfläche bleibt weitestgehend erhalten, der Schlag wird weiter pflanzenbaulich genutzt und muss nicht in Grünland umgewandelt werden, wie es bei der Freiflächenanlagen der Fall ist.

Mit der Gewinnung erneuerbarer Energien wird die Diskussion um Teller, Trog oder Tank entschärft. Es bleibt jedoch die Frage nach der Wirtschaftlichkeit, konkret ob und nach welcher Zeit sich eine Stromproduktion auf landwirtschaftlichen Flächen auch ohne Förderung amortisiert. Auch sind weitere Untersuchungen mit verschiedenen landwirtschaftlichen Kulturen in Forschungs- und Praxisanlagen notwendig, die die Langzeit-Effekte auf die Bestandsführung und den Ertrag untersuchen.

Anstrebenswert ist eine gesonderte Ausweisung im Flächennutzungsplan als Sondergebiet Agrophotovoltaik, sodass für die betroffenen Flächen weiterhin Agrarsubventionen bezogen werden können, sowie eine Förderung der Stromeinspeisung nach EEG.

Letzte Aktualisierung 29.09.2020

Seiten-Titel: Energieeffizienz in der Landwirtschaft

Seiten-Beschreibung:

Wie viel Kraftstoff ist erforderlich, um von A nach B zu kommen? Wieviel Energie wird aufgewandt, um den Stall für eine Stunde zu beleuchten oder zu erwärmen? Je effizienter der Energieeinsatz, desto weniger Energie wird verbraucht und muss damit auch erzeugt werden.

Seiten-Titel: Anpassung an den Klimawandel

Seiten-Beschreibung:

Die Landwirtschaft ist in besonderem Maße vom Klimawandel betroffen und ist daher besonders gefordert, Antworten zu finden, wie sich mit den Veränderungen am besten umgehen lässt.

Seiten-Titel: Risikomanagement in der Landwirtschaft

Seiten-Beschreibung:

Wie können sich landwirtschaftliche Betriebe besser auf produktions- und marktbedingte Risiken einstellen? Neben betrieblichen Maßnahmen diskutiert die Fachwelt vor allem Modelle staatlicher Unterstützung.