Prinzip, Anwendungen und Nutzen der Agrophotovoltaik für die Landwirtschaft

• Agrophotovoltaik (APV) ist ein Anbausystem zur Produktion von landwirtschaftlichen Gütern unterhalb oder inmitten von PV-Freiflächenanlagen, das die Erträge aus Photovoltaik und Photosynthese, also die gleichzeitige Ernte von Solarstrom und Lebensmitteln, insgesamt optimiert.
• Dass landwirtschaftliche Flächen gleichzeitig der Nahrungsmittelproduktion und der Stromerzeugung durch Solarenergie dienen, steigert die Flächeneffizienz und fördert in der Bevölkerung die Akzeptanz der Anlagen und der Energiewende im Allgemeinen.
• Agri-PV hilft auch, Ackerkulturen vor Dürreschäden und Witterungseinflüssen wie Hagelschäden oder Starkregen zu schützen. Zudem verringert sich durch die Teilbeschattung die Verdunstungsrate und teure Hagelschutznetze oder Folientunnel werden überflüssig. In netzfernen Gebieten kann Agri-PV überdies Strom für die Gewinnung und die Aufarbeitung von Wasser liefern.
• Die Agro-Photovoltaik-Technologie hat sich in den letzten Jahren dynamisch entwickelt und weltweit verbreitet. Die installierte Agri-PV-Leistung stieg weltweit von circa fünf Megawatt (MW) im Jahr 2012 auf rund 2,9 GW in 2020, wobei China mit circa 1,9 GW installierter Leistung den größten Anteil hält. Das technisch erschließbare Agrophotovoltaik-Potenzial in Deutschland wird auf 25 bis 50 GW_p geschätzt.
• Laut Fraunhofer-ISE (Oktober 2020) liegen die Stromgestehungskosten der Agro-Solaranlagen zwischen 7 und 12 Cent pro kWh und damit zwar noch über denen konventioneller Freiflächenanlagen, allerdings bereits unter denen von kleinen PV-Dachanlagen. Ursächlich sind u.a. die höheren Investitionskosten bedingt durch die Aufständerung der Module und einem standortspezifischen Anlagendesign.

Ackerflächen wurden bislang entweder für Photovoltaik oder Photosynthese, also Stromerzeugung oder Nahrungsmittelproduktion. Die sogenannte "Agrophotovoltaik", die 1981 von Prof. Dr. Adolf Goetzberger, Gründer des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, erdacht wurde, kombiniert beide Produktionsformen und mildert durch die ressourceneffiziente Doppelnutzung von landwirtschaftlichen Flächen die Flächenkonkurrenz und hilft Landwirten, neue Einkommensquellen zu erschließen.

Ein weitere Form der Agrophotovoltaik ist die senkrechte Aufstellung von bifazialen Modulen, solche Module können das Licht von beiden Seiten in elektrische Energie umwandeln, so dass von beiden Seite zusammen auch bei senkrechter Aufstellung gute bis sehr gute Energieerträge erreicht werden können. Bei solchen Anlagen wird die Bodenfläche nicht überbaut, sondern kann zwischen den senkrecht stehenden Modulreihen zu ca. 90 % weiter genutzt werden.

Auf einer Versuchsfläche der Demeter-Hofgemeinschaft Heggelbach in Baden-Württemberg hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE im Projekt "Agrophotovoltaik - Ressourceneffiziente Landnutzung" (APV-Resola) u.a. untersucht, in wie fern sich eine Agro-PV-Anlage für den landwirtschaftlichen Betrieb in finanzieller Hinsicht lohnt.

Hierzu wurden über einer Ackerfläche von einem Drittel Hektar 720 bi-faziale Solarmodule installiert, die Sonnenstrom auf der Vorder- und Rückseite gewinnen können. Als Testkulturen wurden Winterweizen, Kartoffeln, Sellerie und Kleegras angebaut. Durch einen größeren Reihenabstand zwischen den bifazialen Glas-Glas-Solarmodulen in fünf Meter Höhe und die Ausrichtung nach Südwesten wurde sichergestellt, dass die Nutzpflanzen gleichmäßig Sonnenstrahlung erhalten.

Die Ergebnisse der ersten Ernten auf den Versuchsflächen haben unterschiedlich hohe Mindererträge (Kleegras - 5,3 %, Kartoffeln, Weizen und Sellerie rund - 18 bis - 19 %) ergeben. Demgegenüber konnten mit der installierten Leistung von 194 Kilowatt und 1.266 Kilowattstunden Strom pro installiertem Kilowatt Leistung 62 Vier-Personen- Haushalte versorgt werden.

Besonders lukrativ war der Eigenverbrauch, da die Stromernte vom Acker in ihrem täglichen Verlauf gut zu den Lastverläufen auf dem Hof passt. So wurde etwa 40 Prozent des erzeugten Solarstroms in der Hofgemeinschaft direkt für das Betanken des Elektrofahrzeugs sowie die Verarbeitung der Produkte genutzt.

Dass das Konzept "Agri-Photovoltaik" funktioniert, zeigen die 2021 abgeschlossenen Versuche der Universität Hohenheim und des Fraunhofer ISE. Auf einer Versuchsfläche am Bodensee untersuchten die Forschenden die Auswirkungen einer Agri-PV-Anlage auf die Kulturen Kartoffel, Sellerie, Kleegras und Weizen.

• Das Ergebnis: eine durchschnittliche Landnutzung von 160 %. Statt je 100 % Weizen und 100 % Solarstrom auf zwei getrennten Feldern, ermöglicht Agri-PV in unserer Klimazone auf der gleichen Fläche eine Produktion von etwa 80 % Weizen und 80 % Solarstrom.
• In warmen und trockenen Jahren begünstigte der Schatten der PV-Anlagen sogar den Pflanzenwuchs. 2018 stieg der Weizenertrag auf dem Versuchsfeld um 3 %, der Ertrag von Kartoffeln sogar um 11 %.

Die Fraunhofer ISE-Forscher folgern daraus, dass aus agrarwissenschaftlicher Sicht die Agrophotovoltaik nach einem vielversprechenden Lösungsansatz aussieht, um die Landnutzungseffizienz um bis zu 60 % zu erhöhen und den Mix erneuerbarer Energien zu erweitern, die zukünftig aus der Landwirtschaft bereitgestellt werden. Allerdings, schränken die Expertinnen ein, seien noch mehrere Praxisjahre und Untersuchungen mit anderen Kulturen sinnvoll, um eindeutige Aussagen treffen zu können.

So sollen zukünftig die unterschiedlichen Agrophotovoltaik-Anwendungen u.a. in Kombination mit Obst-, Beeren-, Wein- und Hopfenbau sowie mit Energiespeicher, organischer Photovoltaik-Folie und solarer Wasseraufbereitung und -verteilung untersucht werden.

Die Agrophotovoltaik (APV) gewinnt zunehmend auch in Entwicklungs- und Schwellenländern an Bedeutung. Aufgrund der häufig höheren Solareinstrahlung kann die Photovoltaik einen noch höheren Ertrag erbringen und die Verschattung durch die Module ermöglicht es, Kulturpflanzen anzubauen, die von einer weniger starken Sonneneinstrahlung profitieren.

Das Potenzial der Agrophotovoltaik für aride und semi-aride Regionen wird als sehr groß eingeschätzt, da dort große Teile der Bevölkerung von der Landwirtschaft leben, die von Trockenheit, Wüstenbildung und Wassermangel infolge des Klimawandels besonders stark betroffen sind. Durch die partielle Verschattung von Ackerflächen senken Agrophotovoltaik-Anlagen nachweislich den Bedarf an der wertvollen Ressource Wasser und bieten Nutztieren Schatten. Auch Fruchtarten, die normalerweise aufgrund des trockenheißen Klimas und der starken Sonneneinstrahlung nicht wachsen würden, können in einem Agrophotovoltaik-System kultiviert werden.

Der Strom selbst kann dann für den Betrieb von Wasserpumpen oder –entsalzungsanlagen oder im Veredelungsprozess wie Reinigung, Verpackung oder Kühlung eingesetzt werden, um die landwirtschaftlichen Produkte noch haltbarer und besser vermarktbar zu machen. In netzfernen Regionen bedeuten bereits wenige Solarmodule zudem eine erhebliche Verbesserung der Lebensqualität, Zugang zu Informationen, Bildung und einer besseren medizinischer Versorgung. So haben im subsaharischen Afrika etwa 92 Prozent der Landbevölkerung keinen Zugang zu Strom. Durch die Agro-PV ergeben sich für die Landwirte eine ganze Reihe neuer Einkommensquellen, gleichzeitig sinkt die Abhängigkeit der Landbevölkerung von fossilen Energieträgern, wie Diesel für Generatoren.

Aber auch in humiden Zonen wie in Asien bietet der Einsatz von Agro- bzw. Aqua-Photovoltaik Vorteile. So konnte im vietnamesischen Mekong Delta, wo sich ein Landnutzungskonflikt zwischen Aquakulturen und erneuerbaren Energien abzeichnete, im Projekt SHRIMPS ("Solar-Aquaculture Habitats as Resource-Efficient and Integrated Multilayer Production Systems") nachgewiesen werden, dass der Einsatz von Photovoltaik auf Shrimpsfarmen (Aqua-Photovoltaik) den Ausbau erneuerbarer Energien und so Maßnahmen gegen den Klimawandel ermöglichen, während gleichzeitig die Shrimps-Produktion bei verbessertem Schutz der Wasserressourcen sowie Verringerung von Landnutzung und CO₂-Emissionen ausgebaut wird.

Weitere Vorteile der Aqua-Photovoltaik für die Betreiber der Aqua-Farm sind der Schutz gegen Raubtiere, verbesserte Arbeitsbedingungen durch die Verschattung und eine stabile und niedrigere Wassertemperatur, die das Shrimpswachstum begünstigt. Angesichts der weltweit hohen Wachstumsraten von Aquakulturen und Photovoltaik habe das Konzept auch für eine ganze Reihe weiterer Entwicklungs- und Schwellenländer große Relevanz.