Agrophotovoltaik bezeichnet die gleichzeitige Nutzung einer Fläche zur Erzeugung landwirtschaftlicher Produkte und zur Stromproduktion. Es handelt sich dabei um eine junge Technologie, die seit einigen Jahren in Deutschland systematisch erforscht wird und bereits vielversprechende Resultate zeigt. In Zukunft könnte sie dabei helfen, den Nahrungs- und Energiebedarf der Menschheit auf nachhaltige Weise zu decken. Alles Wissenswerte zur Agrophotovoltaik erfahren Sie bei Türkiye Elektrik!
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Ackerbau und Solarstromerzeugung auf einer Fläche
Aufgrund der ständig wachsenden Weltbevölkerung und des steigenden Wohlstands, der unter anderem mit einer vielseitigeren Ernährung und höherem Fleischkonsum einhergeht, wird heute ein immer größerer Teil der Erde landwirtschaftlich genutzt. Gleichzeitig schädigt die Erzeugung von Strom aus fossilen Energieträgern unsere Umwelt und das Klima. Zunehmend wird Strom daher aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen-, Wind- und Wasserkraft gewonnen. Besonders die Erzeugung von Solarstrom setzt jedoch große Flächen für die Errichtung von Solarparks voraus. Sie steht damit in direkter Konkurrenz zur ebenfalls flächenintensiven Landwirtschaft.
Ein Ansatz, diesen Interessenkonflikt zu lösen, ist die Agrophotovoltaik (APV), bei der dieselbe Fläche gleichzeitig landwirtschaftlich und zur Solarstromerzeugung genutzt wird. Die Effizienz landwirtschaftlicher Flächen soll so erhöht und zugleich umwelt- und klimaverträglicher Solarstrom gewonnen werden.
Auf die Möglichkeit dieser Art der Doppelnutzung wies das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) schon im Jahr 1981 hin. Nachdem erste APV-Anlagen in verschiedenen Ländern in Betrieb gingen, gründete sich 2015 der Forschungsverband APV-RESOLA (Agrophotovoltaik-Ressourceneffiziente Landnutzung), um die Möglichkeiten und Auswirkung der APV zu erforschen. 2016 wurde eine erste Versuchsanlage auf dem Gelände der Demeter-Hofgemeinschaft Heggelsbach am Bodensee eröffnet, die bereits im folgenden Jahr positive Resultate vermelden konnte: Die Landnutzungsrate, also die zusammengefasste landwirtschaftliche und photovoltaische Produktion, lag 60 Prozent über der einer Vergleichsfläche. Im Hitzesommer 2018 verdoppelte sich die Nutzungsrate sogar fast auf insgesamt 186 Prozent1.
Auswirkungen auf das Mikroklima
Die der Agrophotovoltaik zugrundeliegende Idee ist einfach: Der Konkurrenz von Landwirtschaft und Energieerzeugung soll entgegengewirkt werden, indem auf fruchtbaren Böden neben Nahrungsmitteln auch Solarstrom produziert wird. Die Hoffnung der Ingenieure ist, dass sich durch eine durchdachte Planung der Anlage die Nutzung der einfallenden Sonnenstrahlen für Landwirtschaft und Photovoltaik optimieren lässt. Die zusätzliche, dezentral erfolgende Stromproduktion soll Landwirte sowie kleine und mittelständische Unternehmen stärken und damit gleichzeitig auch dem ländlichen Raum eine echte Perspektive für die Zukunft geben.
Für eine sinnvolle Doppelnutzung landwirtschaftlicher Flächen ist eine technische Anpassung der Photovoltaikanlage notwendig. So wurden auf dem Hof Heggelsbach die einzelnen PV-Module in rund sechs Metern Höhe auf Gestellen montiert, sodass reguläre landwirtschaftliche Maschinen unter ihnen problemlos hindurchfahren können. Das Wachstum der Pflanzen sowie allgemeine Daten zu Temperatur, Bodenfeuchte und Mikroklima der Versuchsfläche und einer benachbarten Vergleichsfläche werden ständig gemessen und verglichen. Während der Untersuchungen stellte sich heraus, dass zwar lichtliebende Pflanzenarten unter der teilweisen Verschattung durch die PV-Anlage leiden, gleichzeitig aber andere Arten von der Verschattung sogar profitieren können. Zu letzterer Kategorie zählen zum Beispiel Kartoffeln oder auch Salat.
Neben einer teilweisen Verschattung des Bodens wirken die Photovoltaikmodule auch auf dessen Wasserhaushalt ein. So war der Boden im besonders heißen und trockenen Sommer 2018 unter der PV-Anlage kühler und feuchter. Das ermöglichte eine deutliche Ertragssteigerung im Vergleich zur nicht verschatteten Vergleichsfläche. Die Forscher der APV-RESOLA hoffen daher, dass die Agrophotovoltaik besonders in trockenen Regionen der Welt eingesetzt werden kann, um Ernteerträge zu erhöhen. Da viele der ärmsten Regionen der Welt in trockenen Klimazonen liegen, könnte die APV das Leben der Menschen dort direkt verbessern. Denn zusätzlich zu einer ertragreicheren und vielseitigeren Ernte auf verschatteten und daher kühleren und feuchteren Böden könnte der hergestellte Solarstrom direkt zur Versorgung der Bevölkerung sowie auch zur Aufbereitung von Trinkwasser genutzt werden.
Herausforderungen und Potenziale der Agrophotovoltaik
In Deutschland liegen die Vorteile der Agrophotovoltaik in erster Linie in der dezentralen und unabhängigen Stromproduktion durch landwirtschaftliche Betriebe. Diese können den erzeugten Strom selbst verbrauchen, um Fahrzeuge und Maschinen zu betreiben, und Überschüsse lokal vermarkten oder ins Stromnetz einspeisen. Der ländliche Raum wird so aufgewertet. Gleichzeitig sinken durch eine steigende Solarstromproduktion die Strompreise. Die PV-Anlagen selbst müssen zudem nicht zusätzlich umzäunt oder von wildwachsenden Pflanzen befreit werden.
Nachteilig ist hingegen eine kleine Ertragsminderung. Eine agrophotovoltaisch genutzte Fläche büßt im Vergleich zu einer rein landwirtschaftlich genutzten Fläche etwa fünf bis zehn Prozent Nutzfläche ein, während die Photovoltaikmodule etwa 30 Prozent weniger Strom produzieren als in einer reinen PV-Anlage, da größere Abstände zwischen den Modulreihen erforderlich sind. Dies wird jedoch ausgeglichen durch Photovoltaikmodule, die auch an ihrer Rückseite über Solarzellen verfügen. Diese sogenannten bifazialen PV-Module können somit auch das von der Erde reflektierte Licht zur Stromproduktion nutzen. Der Gesamtertrag liegt ohnehin deutlich über dem einer rein landwirtschaftlich oder rein photovoltaisch genutzten Fläche.
Mittlerweile existieren agrophotovoltaische Anlagen in Italien, Frankreich, Chile und Japan. Die größte derartig genutzte Anlage liegt jedoch in China, am Rand der Wüste Gobi: Dort werden auf einer vormals für die Landwirtschaft nicht nutzbaren Fläche Beeren angebaut. Das benötigte Wasser wird mithilfe der APV-Anlage bereitgestellt, die eine Leistung von rund 700 Megawatt erzielt2. Die Anlage gehört damit zu den leistungsstärksten Solarparks der Welt.
In Deutschland sind rund 0,9 Prozent der gesamten Ackerfläche für die Agrophotovoltaik nutzbar. Wäre die APV hier voll ausgebaut, ließe sich damit eine Leistung von etwa 53 Gigawatt Strom erzielen. Vor allem die relativ hohe Akzeptanz für diese Art der Ökostromerzeugung in der Bevölkerung lässt hoffen, dass eine derartige Nutzung in naher Zukunft möglich sein wird. Doch auch heute stellt Solarstrom schon rund acht Prozent der in Deutschland produzierten Strommenge.
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