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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. Das technisch erschließbare Agrophotovoltaik-Potenzial in Deutschland wird auf 25 bis 50 GWp geschätzt.

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Was versteht man unter dem Begriff Agrophotovoltaik bzw. Agro-PV?

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.

Eine Agrophotovoltaik-Anlage (APV) ist in der Regel eine Freiflächenanlagen, die mit einer landwirtschaftlichen Produktion funktional kombiniert wird. Häufig werden dazu die Solarmodule auf Gestellen in Höhen von 4 bis 5m über dem Boden bzw. der Anbaufläche schräg aufgeständert, sodass unter der Anlage eine maschinelle Bearbeitung der Ackerfläche (Pflügen, Saat, Ernte etc.) möglich ist. Zu den teilverschattet angepflanzten Pflanzensorten zählen u.a. Kartoffeln, Hopfen oder Salat. Aber auch Gerste, Raps oder Kohl lassen sich so anbauen.

Agrophotovoltaik-Anlage im hessischen Bürstadt im März 2018 (Foto: energie-experten.org)
Agrophotovoltaik-Anlage im hessischen Bürstadt im März 2018 (Foto: energie-experten.org)

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.

Lohnt sich die Kombination Ackerbau und Photovoltaik?

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.

Durch die Doppelnutzung der landwirtschaftlichen Fläche kann die Agrosolarstrom-Produktion die Landnutzungseffizienz um 60 Prozent steigern. (Grafik: Fraunhofer ISE)
Durch die Doppelnutzung der landwirtschaftlichen Fläche kann die Agrosolarstrom-Produktion die Landnutzungseffizienz um 60 Prozent steigern. (Grafik: Fraunhofer ISE)

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.

Hier sehen Sie eine grafische Darstellung der Nutzungs- und Vermarktungsmöglichkeiten von agrophotovoltaisch erzeugtem Solarstrom
Neben der anteiligen Deckung des Eigenverbrauchs des landwirtschaftlichen Betriebs (1), kann der produzierte Agrostrom zur Direktvermarktung an naheliegende Wohnsiedlungen (2) und zur Einspeisung ins Strom- und Gasnetz Versorgung (3) genutzt werden. (Grafik: Fraunhofer ISE)

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.

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Internationale Anwendungen von Agro- und Aquaphotovoltaik

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.

In Chile wurden in drei Pilotanlagen des Fraunhofer ISE die Kombination von Photovoltaik und Gemüseanbau getestet. (Foto: Fraunhofer Chile)
In Chile wurden in drei Pilotanlagen des Fraunhofer ISE die Kombination von Photovoltaik und Gemüseanbau getestet. (Foto: Fraunhofer Chile)

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.

Solartracker-System von Arctech Solar auf einer Fischfarm (Foto: Arctech Solar)
Solartracker-System von Arctech Solar auf einer Fischfarm (Foto: Arctech Solar)

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.

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"Agrophotovoltaik: Prinzip, Anwendungen & Nutzen" wurde am 29.07.2018 das letzte Mal aktualisiert.