Ziel: effiziente Flächennutzung

Auf dem Boden landwirtschaftliche oder gärtnerische Kulturen anbauen und eine Ebene darüber grünen Strom erzeugen. Dies ist der Grundgedanke hinter der Agriphotovoltaik (APV), die aktuell an verschiedenen Standorten erprobt wird. So unter anderem in einer Forschungsanlage in Morschenich direkt am Rand des voraussichtlich 2030 auslaufenden Braunkohlentagebaus Hambach. Hier arbeiten das Forschungszentrum Jülich und das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme daran, fruchtbaren Ackerboden möglichst effizient mit standortangepassten Systemen zu nutzen.

Nicht ohne Grund – der Wettbewerb um die begrenzte Ressource Boden wird immer schärfer. Jeden Tag gingen 2020 in Deutschland rund 54 Hektar durch Straßen- oder Siedlungsbau verloren (Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz). Gleichzeitig erfordert der Klimaschutz die Erzeugung von deutlich mehr Strom aus erneuerbaren Energien. Dafür wird vor allem für Freiflächen-PV-Anlagen viel Platz benötigt. APV soll dazu beitragen, den Wettbewerb um Flächen zu entzerren.

Verschiedene Systeme in der Erprobung

Dr. Matthias Meier-Grüll vom Forschungszentrum Jülich betreut die Anlage am Tagebaurand. „Wir erproben zurzeit zwei verschiedene Systeme: Ein System mit fixen Modulen, die nach Süden ausgerichtet sind, und ein Tracking-System, bei dem die drehbar gelagerten Module dem Sonnenstand folgen.

Die „fixe“ Anlage überdeckt etwa 40 Prozent der Grundfläche mit Modulen. Das ermöglicht fast so hohe Stromerträge pro Flächeneinheit wie bei einer Freiflächenanlage. Das System kann beispielsweise für den Anbau von Heidelbeeren oder anderen Obstkulturen genutzt werden. Mit Schutznetzen oder transparenten Kunststoffplatten zwischen den Modulreihen werden die Kulturen ohne großen Mehraufwand vor Hagel beziehungsweise Frost geschützt.

Die Stärke des Tracking-Systems besteht darin, den Energieertrag zu optimieren. Gleichzeitig ermöglicht es ein höheres Lichtangebot für Pflanzen in Phasen, in denen viel Energie für ihre Ertragsbildung benötigt wird. Dann werden die Module quasi aus der Sonne gedreht, damit die Pflanzen mehr Licht erhalten. Zugleich erlaubt das Tracking-System mit einer Höhe von knapp 6 Metern eine ackerbauliche Nutzung, zum Beispiel mit Getreide oder Kartoffeln. Mähdrescher und Kartoffelroder benötigen diese Durchfahrthöhe.

Eine weitere Variante der APV für die landwirtschaftliche Nutzung sind senkrecht angebrachte Module, die lange Wände bilden und deren Zwischenräume genutzt werden. Diese finden sich in anderen Forschungsanlagen.

Für die senkrechte Modulanordnung, aber auch für die Morschenicher Systeme, sind neue Modultypen im Einsatz. „Wir nutzen sogenannte bifaziale Module, die sowohl die von oben als auch die auf der Unterseite auftreffende Sonnenstrahlung verwerten können. Das erhöht den Energieertrag“, so der Jülicher Wissenschaftler. Außerdem wollen die Projektpartner das von den Modulen ablaufende Regenwasser auffangen. Damit sollen die wie unter einem Regenschirm stehenden Pflanzen mittels Tröpfchenbewässerung versorgt werden.

Auswirkungen auf die Pflanzen

Die Anlage des Forschungszentrums Jülich ist 2021 errichtet worden. Die Veröffentlichung von ersten Ergebnissen steht noch aus. Dennoch fasst Meier-Grüll seine ersten Eindrücke und die Ergebnisse aus weiteren Projekten, an denen das Forschungszentrum Jülich beteiligt ist, so zusammen: „In Abhängigkeit vom System, der Jahreswitterung und der angebauten Kulturart sind die Effekte auf das Pflanzenwachstum unterschiedlich groß“. Grundsätzlich gelangt in APV-Anlagen weniger Strahlung auf die Pflanzen, was deren Photosyntheseleistung verringert. In normalen Jahren wirkt sich das vor allem auf lichtbedürftige Pflanzen wie Weizen, Mais oder Obstkulturen aus. In der Versuchsanlage Heggelbach des Fraunhofer Instituts sind in niederschlagsreichen Jahren bei Kartoffeln und verschiedenen Getreidearten Ertragsverluste von rund 20 Prozent ermittelt worden.

In sonnigen Jahren ist selbst bei vorübergehender Beschattung durch die Module genügend Strahlung für die Ertragsbildung vorhanden. Weil sonnige oft auch trockene Jahre sind, wird das pflanzenverfügbare Wasser in Systemen mit ackerbaulicher Nutzung ohne Bewässerung eher zum ertragsbegrenzenden Faktor. Die Beschattung sorgt für Kühlung an heißen Tagen, die Konstruktion für geringere Windgeschwindigkeiten und weniger Verdunstung am Boden. Beides trägt dazu bei, dass den Pflanzen mehr Wasser zur Verfügung steht. In den Versuchsanlagen konnten positive Ertragseffekte bei Kartoffeln, Blattgemüse und Leguminosen ermittelt werden. Bei Kartoffeln war es im Dürrejahr 2018 in Versuchen der Uni Hohenheim mit dem Fraunhofer Institut ein Plus von 11 Prozent.

Konsequenzen für Stromerzeugung

APV-Anlagen erzeugen pro Quadratmeter Anlagenfläche weniger Strom als Freiflächenanlagen. Der Minderertrag hängt vom System ab. Dazu kommen höhere Kosten, zum Beispiel für die Unterkonstruktion, Reinigung oder Reparaturen, sodass die Stromgestehungskosten mit durchschnittlich 8,15 Cent/KWh etwa 50 Prozent über denen einer üblichen Freiflächenanlage liegen (Quelle: Fraunhofer Institut, 2022). Demgegenüber stehen Zusatznutzen wie zum Beispiel der einfachere Hagel- und Frostschutz, der in Obstanlagen ohne APV-Nutzung erhebliche Kosten verursacht.

Weiterer Forschungsbedarf vor Praxisreife

Werden bei einer APV-Anlage mit Weizenanbau die Erträge addiert, macht 1 plus 1 nicht 2, sondern 1,6 (Quelle: Uni Hohenheim, Fraunhofer Institut). Die Auswahl geeigneter Pflanzen, die Weiterentwicklung der Anlagentechnik und der Klimawandel können diesen Wert aber noch verbessern. Um die zukünftige Forschung zudem möglichst praxisgerecht auszurichten, sind in Morschenich nicht nur Wissenschaftler beteiligt. „Wir suchen immer wieder den Kontakt zu Landwirten und Gärtnern. Sie haben die Erfahrung in der Bewirtschaftung und bringen viele Ideen ein. Ein großer Mehrwert, um unsere Forschung in die Praxis umzusetzen.“, sagt Meier-Grüll. Er geht davon aus, dass der Anbau von Obst, Gemüse, Kräutern und Gewürzen unter den Modulen zukunftsträchtiger sein wird als der von klassischen Ackerkulturen. Weizen oder Kartoffeln erzielen weniger Wertschöpfung pro Fläche und benötigen eine teurere, weil höhere Anlagenkonstruktion. Auch wenn sicherlich noch Lehrgeld gezahlt werden muss, glaubt Meier-Grüll fest an die Zukunft der APV: „Die Flächeneffizienz spricht für diesen Ansatz. Der Klimawandel wird mehr Extremwetterereignisse und längere Trockenphasen mit sich bringen. Hier können weiterentwickelte Anlagen ihre Stärken ausspielen.“