Agro Photovoltaik - Pflanzenanbau unter Solarpanelen, höhere Erträge, weniger Wasserverbrauch.
Das ist eine brillante Idee. Auf dem neuen wissenschaftlichen (und buchstäblichen) Gebiet der Agri-Photovoltaik zeigen Forscher, wie Paneele die Erträge steigern und den Wasserverbrauch auf einem sich erwärmenden Planeten reduzieren können.
In Jack's Solar Garden in Boulder County, Colorado, hat der Besitzer Byron Kominek 4 seiner 24 Hektar mit Sonnenkollektoren bedeckt. Der Betrieb baut darunter eine Vielzahl von Pflanzen an - Karotten, Grünkohl, Tomaten, Knoblauch, Rüben, Radieschen, Salat und mehr. Außerdem erzeugt er genug Strom, um 300 Haushalte zu versorgen. "Wir haben uns dafür entschieden, weil wir herausfinden wollten, wie wir mehr Geld für Land verdienen können, von dem wir dachten, dass es mehr hergeben sollte", sagt Kominek.
Dächer sind so 2020. Wenn die Menschheit die schlimmsten Folgen des Klimawandels abwenden will, müssen die Menschen kreativ werden, wenn es darum geht, wo sie Sonnenkollektoren aufstellen. Jetzt denken Wissenschaftler darüber nach, wie man Kanäle mit ihnen bedecken kann, um die Verdunstung zu verringern und gleichzeitig Strom zu erzeugen. Flughäfen füllen ihre Freiflächen mit Sonnenfressern auf. Und viel offener als auf einem Bauernhof geht es kaum: Warum nicht eine Solaranlage auf einem Feld aufstellen und darunter Pflanzen anbauen? Das ist ein neues wissenschaftliches (und wortwörtliches) Gebiet, das als Agrivoltaik bekannt ist - Landwirtschaft plus Photovoltaik - und es ist nicht so kontraintuitiv, wie es vielleicht scheint.
Ja, Pflanzen brauchen Sonnenlicht, aber manche brauchen weniger als andere und werden durch zu viele Photonen tatsächlich gestresst. Eine Beschattung dieser Pflanzen bedeutet, dass sie weniger Wasser benötigen, das auf einem offenen Feld schnell verdunstet. Außerdem "schwitzen" die Pflanzen, was die Paneele über ihnen kühlt und ihre Effizienz steigert.
"Es ist eine seltene Win-Win-Win-Situation", sagt Greg Barron-Gafford, ein Erdsystemwissenschaftler an der Universität von Arizona, der sich mit der Agri-Photovoltaik beschäftigt. "Indem wir diese Pflanzen im Schatten von Solaranlagen anbauen, reduzieren wir die Menge des intensiven Sonnenlichts, das das Wasser abbrennt und die Pflanze belastet." Barron-Gafford gehört zu den Empfängern eines neuen 10-Millionen-Dollar-Zuschusses des USDA (National Institute of Food and Agriculture) zur Erforschung der Photovoltaik für verschiedene Regionen, Kulturen und Klimazonen.
Barron-Gafford hat Experimente durchgeführt, um verschiedene Variablen - wie Wachstum, Wasserverbrauch und Energieproduktion - zu quantifizieren und zu ermitteln, welche Pflanzen am meisten profitieren könnten. So hat er zum Beispiel Salsa-Zutaten - Koriander, Paprika und Tomaten - angebaut und festgestellt, dass sie unter Sonnenkollektoren genauso gut, wenn nicht sogar besser wachsen als im Freien. Außerdem verbrauchen sie nur die Hälfte des Wassers. ("Stellen Sie sich vor, Sie würden Ihre Wasserflasche im Schatten oder in der Sonne verschütten", sagt Barron-Gafford.) Er fand auch heraus, dass die Paneele die Lufttemperaturen deutlich senken, was den Landarbeitern bei der Pflege der Pflanzen zugute kommt. Seine Arbeit deutet darauf hin, dass die Paneele wie eine schützende Blase wirken könnten, um die Pflanzen vor der extremen Hitze im Zusammenhang mit dem Klimawandel zu schützen, die die Pflanzen überfordert und ihre Erträge mindert.
Starke Niederschläge, die die Pflanzen schädigen können, nehmen ebenfalls zu, da eine wärmere Atmosphäre mehr Feuchtigkeit speichert. "In Zeiten extremer Hitze oder extremer Niederschläge kann der Schutz der Pflanzen auf diese Weise sogar vorteilhaft sein", sagt Madhu Khanna, Wirtschaftswissenschaftler an der University of Illinois, Urbana-Champaign, der ebenfalls Mittel aus dem neuen USDA-Stipendium für Agrivoltaik erhielt. "Das ist also ein weiterer Faktor, den wir uns ansehen wollen.
Khanna wird untersuchen, wie die ideale Solaranlage für eine bestimmte Pflanze aussehen könnte, z. B. ob sie größere oder kleinere Abstände zwischen den Paneelen benötigt, um das Sonnenlicht durchzulassen. Auch die Höhe spielt eine Rolle: Mais und Weizen bräuchten höhere Paneele, während buschige Sojabohnen mit einer eher gedrungenen Variante gut zurechtkämen.
Dank dieser Lücken sind die Pflanzen, die unter Solarzellen angebaut werden, nicht in Dunkelheit getaucht. Aber im Allgemeinen ist das Licht diffuser, d. h. es wird von den Oberflächen reflektiert, bevor es auf die Pflanzen trifft. Dies entspricht der natürlichen Umgebung eines Waldes, in dem alle Pflanzen, mit Ausnahme der höchsten Bäume, im Schatten stehen und jeden Sonnenstrahl aufsaugen, der durchbricht.
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Barron-Gafford hat herausgefunden, dass eine waldähnliche Beschattung unter Sonnenkollektoren eine physiologische Reaktion der Pflanzen hervorruft. Um mehr Licht zu sammeln, wachsen ihre Blätter größer, als wenn sie auf einem offenen Feld gepflanzt wären. Er hat dies bei Basilikum beobachtet, was den Ertrag dieser Pflanze steigern würde. Barron-Gafford hat auch festgestellt, dass die Paprikapflanze Capsicum annuum, die in der freien Natur im Schatten von Bäumen wächst, in einem agrivoltaischen System dreimal so viele Früchte trägt. Auch Tomatenpflanzen tragen mehr Früchte. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Pflanzen durch die ständige Sonneneinstrahlung, an die sie evolutionär nicht angepasst sind, weniger gestresst sind.
Da aber jede Pflanze anders ist, müssen die Wissenschaftler jede einzelne testen, um zu sehen, wie sie auf Schatten reagiert. "Wir würden zum Beispiel nicht empfehlen, Sommerkürbisse direkt im tiefsten Schatten unter einem Panel anzupflanzen", sagt Mark Uchanski, ein Gartenbauwissenschaftler an der Colorado State University, der sich mit Agrivoltaik befasst und genau dieses Szenario getestet hat. "Ein besserer Standort wäre vielleicht weiter draußen am Rand, wo die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass die Sonne etwas stärker scheint, denn in diesem Fall haben wir einen Ertragsrückgang festgestellt.
Die Aufstellung der Paneele ist zwar mit einigen Vorlaufkosten verbunden, aber sie könnten den Landwirten tatsächlich etwas Geld einbringen, wie Kominek in dieser Geschichte aus dem Jahr 2020 gegenüber Grist erklärte, bevor seine Paneele angebracht wurden. Sie produzieren Energie für den Betrieb der Farm, und der Landwirt kann überschüssige Energie an ein Versorgungsunternehmen verkaufen. Und da einige Pflanzen - wie die Salsa-Zutaten in Barron-Gaffords Experimenten - weniger Wasser benötigen, können die Bewässerungskosten gesenkt werden. "Wenn wir es den Landwirten ermöglichen, ihre Produktion zu diversifizieren und mehr aus demselben Land herauszuholen, können sie davon profitieren", sagt Khanna. "Die Kombination von Pflanzen und Sonnenkollektoren ist für die Umwelt vorteilhafter als Sonnenkollektoren allein.
Diese Art von Anlage kühlt die Solarmodule außerdem auf zweierlei Weise: Wasser, das aus dem Boden verdunstet, steigt zu den Modulen auf, und die Pflanzen geben ihr eigenes Wasser ab. Das ist gut für die Effizienz der Paneele, denn sie arbeiten schlechter, wenn sie zu heiß werden. Sie erzeugen einen elektrischen Strom, wenn die Photonen der Sonne Elektronen aus den Atomen herausschlagen, aber wenn sie sich überhitzen, werden die Elektronen überreizt und erzeugen nicht mehr so viel Strom, wenn sie herausgeschlagen werden.