Agri-Photovoltaik: Unten Photosynthese, oben Photovoltaik

Gastautor Portrait

Max Trommsdorff

Teamleiter Agri-Photovoltaik Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Seit März 2020 leitet Max Trommsdorff das Team Agri-Photovoltaik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Nach seinem 2015 an der Universität Freiburg abgeschlossenen Masterstudium in Wirtschafts- und Politikwissenschaft arbeitete er am Fraunhofer ISE als Projektmanager im Bereich Agri-Photovoltaik mit einem Fokus auf ökonomischen Machbarkeitsstudien, internationalem Technologie-Transfer und rechtlichen/institutionellen Rahmenbedingungen. So entwickelte er agri-photovoltaische Projekte im Bereich Aquakultur in Vietnam und zum Gartenbau in Indien.

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09. Dezember 2020
Foto: Fraunhofer ISE

Die Landwirtschaft in Deutschland steht vor mehreren Herausforderungen: zum einen werden Ackerflächen rar, weil die stärkere Bebauung durch neue Siedlungen und Straßen ebenso Flächen benötigt wie die Energiewende. Eine Folge des Flächenverbrauchs sind steigende Pachtpreise für Ackerland, vor allem in Regionen, die aufgrund hoher Sonneneinstrahlung sowohl landwirtschaftlich als auch für Photovoltaik-Freiflächenanlagen attraktiv sind. Zum anderen stellt der Klimawandel die Landwirtschaft vor Probleme: Wasserknappheit, Wetterextreme und der Anstieg der Temperaturen fordern neue Maßnahmen, um Pflanzen und Böden zu schützen. Außerdem rückt die Landwirtschaft als einer der größten Emittenten von Treibhausgasen, insbesondere der klimawirksamen Gase Methan und Lachgas, immer stärker in den Fokus von Klimaschutzmaßnahmen.

Acker doppelt nutzen

Die Agri-Photovoltaik bietet dem Landwirt eine zusätzliche Einnahmequelle.

Grafik: Fraunhofer ISE

Eine mögliche Lösung des Landnutzungskonfliktes könnte die Agri-Photovoltaik (APV) sein: Die Kombination von landwirtschaftlicher Produktion mit einer Photovoltaik-Anlage. Sie erlaubt den für ein klimaneutrales Energiesystem notwendigen Ausbau der Solarstrom-Kapazität – bis zum Jahr 2050 muss diese in Deutschland um den Faktor acht bis zehn erhöht werden – ohne dass wertvoller Ackerboden versiegelt wird. Das geschätzte technische Potenzial in Deutschland liegt bei rund 1700 Gigawatt installierter Leistung.

Gleichzeitig kann eine durchdachte Integration der Photovoltaik Pflanzen und Böden vor negativen Umwelteinflüssen schützen und einen Beitrag zu Klimaschutz und Klimaanpassung liefern. Gezieltes Lichtmanagement optimiert die Erträge aus Photovoltaik und Photosynthese. Zudem wird die Wertschöpfung in der Region und damit die ländliche Entwicklung gefördert, da Agri-PV-Projekte prädestiniert sind für Landwirte, Gemeinden sowie klein- und mittelständische Unternehmen. Durch den Eigenverbrauch oder Verkauf des produzierten Stroms ergeben sich für die Landwirtschaft neuartige ökonomisch tragfähige Geschäftsmodelle.

Neu ist die Idee nicht: bereits 1981 wiesen Prof. Dr. Adolf Goetzberger, Gründer des Fraunhofer ISE, und sein Kollege Dr. Armin Zastrow in der Zeitschrift Sonnenenergie auf das Potenzial dieser Technologie hin (»Kartoffeln unter dem Kollektor«). Inzwischen sind weltweit 2,9 Gigawatt Agri-Photovoltaik-Anlagen installiert.

Pilotprojekt am Bodensee

Die Pilot-Anlage des Demeter-Hofs Heggelbach.

Foto: Fraunhofer ISE

Die Innovationsgruppe APV-RESOLA (»Agrophotovoltaik: Beitrag zur ressourceneffizienten Landnutzung«) hat das Konzept aus den 1980er Jahren im Jahr 2014 aufgegriffen und um weitere Fragestellungen ergänzt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte das Projekt im Rahmen des Programms »Forschung für nachhaltige Entwicklung«. Auf dem Demeter-Hof Heggelbach in der Nähe des Bodensees wurde eine Photovoltaik-Anlage mit 194 Kilowatt Leistung über einer Ackerfläche von einem Drittel Hektar errichtet. Damit die landwirtschaftliche Nutzung weiter uneingeschränkt möglich ist, wurden die Module in fünf Meter Höhe installiert, mit jeweils acht Metern Abstand zwischen den Modulreihen. Eine weitere Maßgabe war die Verankerung der Aufständerung durch betonlose Fundamente (Spinnanker), die nach dem Abbau der Anlage rückstandslos entfernt werden können. Zum Einsatz kamen sogenannte bifaziale Module, die auch auf der Rückseite Strom aus vom Boden reflektierter Solarstrahlung erzeugen.

Angebaut wurden die Kulturpflanzen Winterweizen, Kleegras, Sellerie und Kartoffeln, wobei auf einer 2,2 Hektar großen Referenzfläche direkt nebenan die gleichen Kulturen wuchsen.

Von 2016 bis 2019 untersuchten die Forscher unter Realbedingungen die Agri-Photovoltaik hinsichtlich wirtschaftlicher, technischer, gesellschaftlicher und ökologischer Aspekte. Neben dem Fraunhofer ISE waren die Universität Hohenheim, das Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse des Karlsruher Instituts für Technologie, die BayWa r.e. Solar Projects GmbH, der Regionalverband Bodensee-Oberschwaben, die Elektrizitätswerke Schönau und die Hofgemeinschaft Heggelbach beteiligt.

Synergie-Effekte

Gesteigerte Landnutzungseffizienz durch die Kombination zweier Nutzungsformen.

Foto: Fraunhofer ISE

Für die ausgewerteten Erntejahre 2017 und 2018 wurden Steigerungen der Landnutzungseffizienz zwischen 60 und 86 Prozent sowie eine verbesserte Anpassungsfähigkeit an Trockenperioden nachgewiesen. Im Hitzesommer 2018 wurden bei drei von vier Kulturen höhere Ernteerträge unter der Agri-PV-Anlage im Vergleich zur freien Anbaufläche erzielt. Neben Bestandsentwicklung, Ertrag und Ertragsqualität analysierten Wissenschaftler der Uni Hohenheim auch die mikroklimatischen Bedingungen. Die photosynthetisch aktive Sonneneinstrahlung unter der APV-Anlage war rund 30% niedriger als auf der Referenzfläche. Daneben beeinflusste die APV vor allem Niederschlagsverteilung und Bodentemperatur: : Die Bodentemperatur unter den Modulen lag im Frühjahr und Sommer unter jener der Referenzfläche. Im Sommer 2018 war die Bodenfeuchtigkeit im Weizenbestand unter der Pilotanlagehöher als bei der Referenzfläche. Im Winter sowie bei den anderen Kulturen geringer.

Über die gesteigerte Landnutzungseffizienz hinaus kann die Agri-PV bei geeignetem technischem Design zu einem Anstieg der landwirtschaftlichen Resilienz und Erträge führen. Obst- und Sonderkulturen, die zunehmend von Hagel-, Frost- und Dürreschäden betroffen sind, können von einer PV-Teilüberdachung profitieren. Weitere Synergiepotenziale bestehen u.a. durch die Möglichkeiten der Regenwassersammlung, die Nutzung der PV-Unterkonstruktion für Schutznetze oder -folien, die Optimierung der Lichtverfügbarkeit für Ackerkulturen (z.B. nachgeführte PV-Systeme) oder eine höhere PV-Effizienz durch bessere konvektive Kühlung der Module. Die Forschung zur Agri-Photovoltaik bleibt spannend!

Mehr Infos

https://agrophotovoltaik.de/

Blogpost des Fraunhofer ISE: https://blog.innovation4e.de/2017/11/21/ein-jahr-agrophotovoltaik-sonnenernte-auf-zwei-etagen/

Das Fraunhofer ISE publizierte im Oktober 2020 den ersten Leitfaden zur Agri-Photovoltaik für Deutschland: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/APV-Leitfaden.pdf

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