Landwirtschaft und Natur

Agrophotovoltaik Bereits seit 2016 wird dieser Ansatz in einem Projekt genauer durch ein Forscherteam unter die Lupe genommen

Anbau und Solarenergie optimal kombinieren

Archivartikel

Der Ansatz klingt einleuchtend: Warum sollte man in Zeiten knapper Ackerflächen und einem wachsenden Energiebedarf nicht beides miteinander kombinieren – also Solaranlagen auf landwirtschaftlichen Flächen installieren und beides ernten, Strom und Lebensmittel?

Seit 2016 wird dieser Ansatz im Projekt APV-RESOLA wissenschaftlich überprüft. Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE), der Universität Hohenheim und weiteren Institutionen hat auf Flächen der Biobetriebsgemeinschaft Heggelbach nahe dem Bodensee eine sogenannte Agrophotovoltaik-Anlage errichtet.

Solarmodule in fünf Metern Höhe

Damit auf der 0,3 Hektar großen Fläche alle Maschinen zur Bewirtschaftung problemlos eingesetzt werden können, wurden die Solarmodule auf Stahlstelzen in fünf Metern Höhe montiert. Im Vergleich zu Freiflächenanlagen, die ausschließlich zur Stromerzeugung dienen, sind die Abstände der Solarmodule deutlich größer.

Dafür wurden spezielle Solarzellen verwendet, die eine zusätzliche Stromerzeugung auf der Rückseite ermöglichen und dadurch die Stromausbeute verbessern.

Das Forschungsteam untersucht dabei unter anderem, wie verschiedene Kulturpflanzen auf die Beschattung reagieren, wie sich das Mikroklima unter den Solarmodulen verändert und welche Strommengen zu welchen Kosten erzeugt werden können.

Nach dreijährigem Betrieb der Anlage zeigt sich, dass der Ansatz aufgeht und sich landwirtschaftliche Flächen mit Solaranlagen sehr effektiv nutzen lassen.

So stieg die so genannte Landnutzungseffizienz auf der untersuchten Fläche je nach Jahr und angebauter Kultur auf 160 bis 190 Prozent im Vergleich zur ausschließlichen Nutzung für den Ackerbau beziehungsweise zur Stromerzeugung.

Als besonders effizient erwies sich das Konzept im extrem trockenen und heißen Jahr 2018. Der Grund: Durch die hohe Einstrahlungsintensität wurde ein sehr hoher Stromertrag erzielt. Gleichzeitig profitierten die angebauten Kulturen von der Beschattung durch die Solarmodule, da sich Boden und Pflanzen weniger stark aufheizten als auf den nicht beschatteten Referenzflächen.

Am stärksten profitierte davon Sellerie mit einem Ertragszuwachs von zwölf Prozent. Bei Kartoffeln verzeichneten die Fachleute ein Plus von elf Prozent, bei Weizen von drei Prozent. Lediglich bei Kleegras wurde ein Minderertrag von acht Prozent festgestellt. Offenbar überwiegt bei dieser Kultur der Nachteil durch die um 30 Prozent verringerte Sonneneinstrahlung im Schatten der Module.

In feuchteren Jahren mit weniger Einstrahlung, wie etwa 2017, gingen die Erträge unter der Anlage dagegen deutlich zurück, bei Weizen und Kartoffeln fast um ein Fünftel. Doch laut Axel Weselek, der die Versuche als wissenschaftlicher Mitarbeiter mit betreut hat, hängt die Entwicklung einer Kultur unter den Solarmodulen von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Deshalb sind zurzeit noch keine eindeutigen Aussagen möglich, welche Kultur am besten mit der Beschattung zurechtkommt.

Hinzu kommt aus seiner Sicht noch ein weiter Punkt: „Letztlich ist die Stromerzeugung für die Wirtschaftlichkeit der Anlage viel entscheidender als die Erträge aus der landwirtschaftlichen Erzeugung“, sagt Weselek. Die Hofgemeinschaft Heggelbach nutzte zum Beispiel etwa 70 Prozent der Energie selbst, vor allem zum Laden elektrischer Fahrzeuge und für die Melk- und Kühlanlagen.

Unter den günstigen Bedingungen 2018 erzielte die 1,94 Kilowatt-Anlage 249.857 Kilowattstunden (kWh). Das entspricht einem sehr hohen spezifischen Ertrag von über 1280 kWh pro installierter Kilowatteinheit. Damit ist die Agrophotovoltaik-Anlage in Bezug auf die Stromgestehungskosten schon heute wettbewerbsfähig mit kleineren Solar-Dachanlagen, aber teurer als reine Freiflächenanlagen.

Ideal für aride Gebiete

Die Vorzüge des Systems kommen umso mehr zum Tragen, je heißer und trockener das Klima einer Region ist. Versuche des Fraunhofer-Instituts in Indien ergaben zum Beispiel, dass die Erträge von Tomaten und Baumwolle im Schatten der Solarmodule um rund 40 Prozent stiegen.

Hier gehen die beteiligten Fachleute davon aus, dass sich die Landnutzungseffizienz nahezu verdoppelt.

In Deutschland gibt es bisher nur Ergebnisse für den Standort Bodensee. Axel Weselek geht davon aus, dass die Effizienz des Systems unter mittel- und norddeutschen Verhältnissen tendenziell geringer ausfällt. „Allerdings spricht die Entwicklung durch den Klimawandel mit zunehmend trockenen und heißen Sommern auch für die Anwendung in nördlicheren Gebieten Deutschlands“, meint der Wissenschaftler.

Bei der praktischen Anwendung der Agrophotovoltaik gibt es allerdings noch einige Herausforderungen. So gehen etwa durch die benötigten Pfeiler und die nicht zu bearbeitenden Zwischenräume bis zu acht Prozent der Ackerfläche verloren. Zudem sind die Stahlträger Hindernisse beim Einsatz von Maschinen, was die Bearbeitung und Ernte der Flächen aufwendiger macht, besonders beim Pflügen und Hacken. Deshalb sollte der Abstand der Pfeiler an den Arbeitsbreiten der verfügbaren Maschinen eines Betriebs angepasst sein.

Eine Hürde für die Verbreitung des Systems in der Praxis ist zudem die schwierige Definition der doppelt genutzten Flächen. „Der Gesetzgeber kennt keine Doppelnutzung landwirtschaftlicher Flächen“, erklärt Weselek. „Deshalb wird hier zurzeit keine Flächenprämie gezahlt und auch keine Förderung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz gewährt, was die Wirtschaftlichkeit natürlich einschränkt.“ In Ländern wie China, Japan und Südkorea werde die Agrophotovoltaik dagegen zunehmend gefördert und ist zum Teil auch bereits gesetzlich geregelt, was der Verbreitung und Weiterentwicklung der Technik zugutekomme.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, inwieweit die Gesellschaft großflächig angelegte Solardächer auf landwirtschaftlichen Nutzflächen akzeptiert. Vor allem in touristisch geprägten Regionen könnten solche Anlagen aus ästhetischen Gründen auf Widerstand stoßen.

Für Axel Weselek überwiegen jedoch ganz klar die Vorteile des Zwei-Nutzungssystems: „Man wird sicherlich Kompromisse beim Umfang solcher Anlagen finden müssen. Aber vor dem Hintergrund der Klimakrise und einem steigenden Flächen- und Energiebedarf führt eigentlich kein Weg vorbei an intelligenten Konzepten wie der Agrophotovoltaik.“ pm