Leitartikel

Agri-Photovaltaik in Deutschland

Einleitung

Der prognostizierte Anstieg der Weltbevölkerung um 1,2 Milliarden innerhalb der nächsten 15 Jahre ist mit einer steigenden Nachfrage nach Fleisch, Eiern sowie Milchprodukten, für deren Anbau über 70 % des globalen Süßwasservorrats verbraucht werden (2), und einem hohen Anstieg des Strombedarfs verbunden (3). Zudem ist der Anstieg der Erdtemperatur ist ein zunehmendes Problem, welches den Klimawandel antreibt.

Könnte der technologische Fortschritt in der Photovoltaik zur Problemlösung beitragen?

Die Kombination der beiden wichtigen Bedürfnisse des Menschen, Energie und Nahrung, könnte die entscheidende Lösung für die Probleme sein. Das Konzept der gemeinsamen Erzeugung von Lebensmitteln und Energie auf derselben Fläche wird als Agri-Photovoltaik (4) bezeichnet. Agri-Photovoltaik ist ein Verfahren, in dem mithilfe einer Photovoltaikanlage Strom erzeugt wird, während auf derselben Fläche auch Lebensmittel angebaut werden. Das Konzept der Agri-Photovoltaik, das auch als APV bezeichnet wird, wurde 1981 von dem deutschen Physiker Adolf Goetzberger entwickelt (5). APV wird auch als Agrophotovoltaik bezeichnet.
Die folgende Abbildung zeigt den Unterschied der Flächennutzungseffizienz eines Kartoffelanbaus mit und ohne Integration einer PV-Anlage auf derselben Fläche.

Abbildung 1: Durch die kombinierte Flächennutzung liegt die Effizienz der Flächennutzung mit APV auf dem Testgelände in Heggelbach bei bis zu 186 % (eigene Übersetzung nach (9)).

Das Wachstum von Pflanzen hängt von vielen Faktoren, wie der Menge des Sonnenlichts, der Bodenqualität, der Wassermenge usw. ab. Die für das Pflanzenwachstum benötigte Menge an Sonnenlicht stellt allerdings den wichtigsten Faktor dar. Einige Studien zeigen, dass die Verringerung der Sonneneinstrahlung ein Hauptfaktor für Ertragseinbußen ist. Schattentolerante Pflanzen hingegen sind in der Lage, ihren Lichtsättigungspunkt bei einer geringeren Gesamtsonneneinstrahlung zu erreichen, so dass sie im Schatten sogar bessere Erträge erzielen (6).

Lichtsättigungspunkt

Für die Photosynthese benötigen Pflanzen zum einen Licht. Die Fähigkeit, einfallendes Licht zu nutzen, unterscheidet sich von Pflanze zu Pflanze. Je nach Pflanzenart stagniert die Photosyntheserate ab einer bestimmten Lichtintensität. Der Lichtsättigungspunkt ist daher ein wichtiges Kriterium zur Bestimmung der Eignung von Pflanzen für APV, denn ab diesem Punkt sind die Pflanzen nicht mehr in der Lage, zusätzliches Licht in Photosyntheseleistung umzuwandeln und können sogar geschädigt werden. Je niedriger der Lichtsättigungspunkt einer Pflanze ist, desto besser ist sie für den Anbau in einem APV System geeignet (7).

Abbildung 2: Schematische Darstellung: Photosyntheserate in Abhängigkeit von der Lichtintensität bei Sonnen- und Schattenpflanzen (eigene Übersetzung nach (7)).

Arten von APV-Systemen

Die APV wird in drei Typen unterschieden, die im Folgenden dargestellt werden.

1. Hoch aufgeständerte APV

Eine der Option zur Integration von PV-Systemen und Landwirtschaft stellt die Nutzung von derselben Fläche dar. Die PV-Paneele werden hierbei oberhalb der genutzten Ackerfläche aufgeständert, wo Reihen von stabilen (Stahl-)Stützen in variablem Abstand aufgestellt werden.

Abbildung 3: Hochgelegene APV-Anlage (17).

Der Abstand zwischen den Reihen wird so gewählt, dass sich die Anlage in die umgebende landwirtschaftliche Praxis einfügt und möglichst wenig beeinträchtigt wird. Die Errichtung der Anlage kann über verschiedene Fundamente erfolgen. Ein Beispiel bilden Schraub- oder Rammfundamente, die so tief im Boden verankert werden, dass für die Gesamtkonstruktion auch bei wechselnden Windlasten ausreichende Stabilität gewährleistet werden kann (8).

Abbildung 4: Hoch aufgeständerte APV-Anlage (8).

Die Höhe des Bauwerks und der Reihenabstände hängen insbesondere von der gewählten Pflanzkultur und damit einhergehenden landwirtschaftlichen Maschinen ab, die später auf dem Land eingesetzt werden sollen. Bei dieser Art der Anlage wird entsprechend ein großer Reihenabstand und eine hohe Höhe gewählt, um eine ungehinderte Zufahrt für große Landmaschinen zur Ernte zu gewährleisten. Theoretisch ist die bewegliche Höhe frei wählbar, sie entspricht aber in der Regel mindestens vier Meter. Auch der Reihenabstand ist variabel und hängt davon ab, wie breit die Maschinen zur Feldbearbeitung und Ernte sind. Die PV-Anlagen sind in der Regel nach Südosten, Süden oder Südwesten ausgerichtet. Die Art der bewirtschafteten Kulturen ist bei dieser Art der Anwendung frei wählbar, da eine Beschattung der Module durch die Kulturen aufgrund der Höhenlage ausgeschlossen ist (8). Der größte Nachteil dieser Art von APV besteht darin, dass die Kosten für den Bau der Montagestruktur im Vergleich zu herkömmlichen PV-Systemen vergleichsweise hoch sind.

2. Vertikale APV

Vertikale APV ist ebenfalls eine Art von Agri-Photovoltaik, bei der Solarmodule in vertikaler Ausrichtung installiert werden und in der bifaziale Solarmodule über- und nebeneinander montiert werden, wobei sich die Unterkante der unteren Modulreihe zwanzig bis achtzig Zentimeter über dem Boden befindet. Die einzelnen Reihen können bis zu drei Meter hoch sein.

Abbildung 5: Vertikales APV System (13).

Eine noch höhere Montage bietet eine zu große Angriffsfläche für Seitenwinde und ist aus statischen Gründen nicht realisierbar, da die Fundamente überproportional stark sein müssten. Ein wirtschaftlicher Betrieb wäre somit aufgrund der steigenden Installationskosten nicht tragbar. Daher werden meist zwei Module übereinander installiert, da bei drei oder mehr Modulen die Windlast deutlich ansteigt. Zudem müssten die Reihenabstände sehr groß sein, um eine Selbstverschattung der Module zu verhindern. Dies würde zu einer geringeren Flächenleistung führen. Bei diesem Anlagentyp werden daher bifaziale Module verwendet, um den maximalen Strom über beide Seiten der Paneele zu erzeugen. Diese Module haben in der Regel einen sog. Bifazialitätsfaktor von 80 – 85 %. Das bedeutet, dass die Rückseite dieser Module 80 – 85 % der Leistung der Vorderseite erzeugen kann (8).

Abbildung 6: Vertikales APV-System (8).

Der Hauptvorteil von vertikalen APV-Systemen besteht darin, dass die Spitzen-Energieerzeugung in den Morgen- und Abendstunden erfolgt, wenn die Strompreise höher sind. Im Vergleich dazu erreichen herkömmliche PV-Systeme ihr Maximum in der Mittagszeit, wenn die Sonne im Zenit steht.

3. APV mit großen Reihenabständen

Bei der dritten Option des APV-Systems werden die Module so installiert, dass der Reihenabstand für die landwirtschaftliche Nutzung maximal gehalten wird. Diese Art der Konstruktion wurde in Althegnenberg in Nordbayern entwickelt und bisher nur dort installiert. Bei diesem Projekt wurdendie PV-Paneele auf einer einachsigen Tracker-Montagestruktur installiert und der Reihenabstand mit14 m deutlich größer gehalten als bei herkömmlichen PV-Anlagen mit fester Neigung. Dies ist auch für die maschinelle Bewirtschaftung der dazwischen liegenden landwirtschaftlichen Flächen hilfreich. Außerdem ist die Aufständerung höher als bei herkömmlichen nachgeführten PV-Systemen,um die Abschattung der Module durch die Pflanzen zu minimieren (8).

Im Normalbetrieb wird eine Tracking-Funktion genutzt, um den Stromertrag zu optimieren, während das Wachstum der dazwischenliegenden Pflanzen so wenig wie möglich beeinflusst wird. Für den landwirtschaftlichen Anbau können die Module um mehr als 60 Grad gedreht werden. In dieser nahezu vertikalen Ausrichtung hat der Landwirt mehr Platz, um die Zwischenflächen ungestört zu bepflanzen, zu pflegen und zu ernten.

Abbildung 7: APV-Anlage mit hohen Reihenabständen (8).

Dieses Systemdesign eignet sich daher für den Einsatz bei vielen traditionellen Nutzpflanzen. Allerdings ist auch bei dieser Art von System die Auswahl an geeigneten Kulturen, die zwischen den Modulreihen angebaut werden können, begrenzt. Höher installierte PVAnlagen sind möglich, aber nur bis zu einem bestimmten Grenzwert.

Eine solche Erhöhung der Solarmodule treibt die Materialkosten jedoch in die Höhe und stellt damit die Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlage in Frage. Der Hauptvorteil dieses APV-Typs besteht darin, dass die Kosten der PV-Anlage fast gleich hoch sind wie die Kosten herkömmlicher PV-Anlagen (8).

Abbildung 8: APV-System mit hohem Reihenabstand (14).

APV Potenzial in Deutschland

Die APV hat von allen integrierten PV-Systemen das größte Potenzial. Insgesamt werden nur etwa 4 % der Ackerfläche benötigt, um den derzeitigen Gesamtstrombedarf (Endenergie) in Deutschland zu decken (etwa 500 GWp installierte Leistung).

Abbildung 9: Flächenverteilung in Deutschland (eigene Übersetzung nach (9)).

Nach einer ersten Abschätzung des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Fraunhofer ISE) hat APV allein in Deutschland ein technisches Potenzial von rund 1700 GWp, das vor allem auf schattentoleranten Pflanzen beruht. Würden nur zehn Prozent dieser 1700 GWp genutzt, würde sich die derzeitige PV-Leistung in Deutschland mehr als verdreifachen. Aus energetischer Sicht ist die Doppelnutzung von Ackerflächen für den Anbau und der Energieerzeugung wesentlich effizienter als der reine Energiepflanzenanbau, wie beispielsweise Raps für Biodiesel, der derzeit 14 % der landwirtschaftlichen Nutzfläche in Deutschland ausmacht (9).

Abbildung 10: Weltweit installierte Kapazität von APV-Systemen ((eigene Übersetzung nach (15)).

Aktueller Forschungstand

Da die Kartoffel als schattentolerante Pflanze gilt, wurde diese mit dem Ziel die Auswirkungen von vier verschiedenen Beschattungsgraden (0 %, 12 %, 26 %, 50 %; ohne PV-Anlage) auf das Wachstum, den Knollenertrag und die Qualitätsparameter von der Universität Hohenheim untersucht. Die Feldversuche wurden über drei Jahre von 2015 bis 2017 unter der gegebenen Gesamtbestrahlungsstärke in Südwestdeutschland durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Ertrag mit einer reduzierten Sonneneinstrahlung von bis zu 26 % auskommt (6) und geben damit für den Kartoffelanbau in Kombination mit einer PV-Anlage eine äußerst gute Prognose.