Agrar (Agro)-Photovoltaik in der Schweiz, optimale Synergie zwischen Pflanzenbau und Energiegewinnung.

Ausgangslage

Energiestrategie 2050

Die schweizerische Energiestrategie sieht vor, bis 2050 kohlenstoffneutral zu werden. Die einzige Lösung, um dieses Ziel zu erreichen, ist die Nutzung der Solarenergie in großem Maßstab. Um vollständig auf Solarenergie umzusteigen, muss die Schweiz den Anteil der produzierten Solarenergie um 1,5 GW pro Jahr erhöhen, um bis 2050 die erforderlichen 30 GW zu erreichen, d. h. vier- bis fünfmal mehr als heute.

Agrovoltaik - die Zukunft der Landwirtschaft?

Agrivoltaik, Agrovoltaik, Agriphotovoltaik oder Agri-PV sind Oberbegriffe für Freiflächen, bei denen Photovoltaik und Landwirtschaft dieselbe Fläche gemeinsam nutzen können. Es geht also um die Nutzung eines Stücks Land für zwei Zwecke: den Anbau landwirtschaftlicher Produkte und die Erzeugung von Sonnenenergie. Dies ist bei den heutigen knappen Landressourcen immer mehr ein grosses Thema. Traditionelle Landwirtschaft und intelligente Formen der Stromerzeugung schließen sich nicht aus. Mit der Agro-Photovoltaik können Landwirte sowohl von den Einnahmen aus Lebensmitteln als auch aus Strom profitieren. Durch diese Doppelnutzung wird die Flächenkonkurrenz zwischen Lebensmittelindustrie und Stromerzeugung vermieden.

Agrovoltaik wurde ursprünglich von Adolf Goetzberger und Armin Zastrow im Jahr 1981 erdacht. Adolf Goetzberger und Armin Zastrow waren die ersten, die 1981 das Konzept der Doppelnutzung von Ackerflächen für die Solarenergieerzeugung und den Pflanzenanbau zur Verbesserung der Gesamtproduktion vorschlugen. Ihre Popularität und die Versuche einer breiten Umsetzung begannen aber erst in den 2010er Jahren. Die Gegner von Agrophotovoltaik argumentieren, dass der Schatten, den die Solarpaneele auf einige Kulturen werfen, deren Erträge verringern könnte. Eine in Nature veröffentlichte Studie über die Auswirkungen der Agrovoltaik belegt jedoch, dass die Nutzung von nur einem Prozent der weltweiten Ackerfläche für die Erzeugung von Solarenergie den weltweiten Energiebedarf decken könnte.

Das Potenzial für Agrophotovoltaik ist auch in der EU ist immens: Würde man Agrovoltaik auf nur 1 % der europäischen Ackerfläche einsetzen, so würde die technische Kapazität über 700 GW betragen.

Agrovoltaik bietet eine innovative, effiziente und kostengünstige Lösung zur gleichzeitigen Förderung einer nachhaltigen Landwirtschaft und des Übergangs zu sauberer Energie. Die große Vielfalt an Lösungen ermöglicht bahnbrechende Anwendungen, welche die Synergien zwischen Solar- und Landwirtschaft nutzen. Direkt über den Feldfrüchten installiert, spendet die Solaranlage Schatten, schützt die Pflanzen vor Hagel oder Frost, ermöglicht stabile Ernteerträge und erhöht den elektrischen Ertrag der PV-Paneele. Solaranlagen können auf landwirtschaftlichen Hallen oder Gewächshäusern installiert werden und können die Entwicklung einer modernen Infrastruktur unterstützen, welche die Wettbewerbsfähigkeit des Agrarsektors verbessert.

Das weltweite Potenzial von Agrovoltaik oder Agri-PV in den verschiedensten Anwendungsbereichen ist schier unerschöpflich. Die Technologie kann zum größtmöglichen Nutzen für die Landwirte eingesetzt werden. Dabei gibt es auf der Photovoltaik-Seite verschiedene Lösungsansätze wie Zwischenraum-PV-Anlagen, Überkopf-PV-Anlagen oder reine Flächen-PV-Anlagen. Bei den Zwischenraum-PV-Anlagen wachsen die Pflanzen zwischen den in großen Abständen angeordneten, ebenerdigen Modulreihen und schaffen so Platz für die Durchfahrt von Maschinen. Bei Überkopf-PV-Anlagen werden die Pflanzen unter aufgeständerten Solarmodulen angebaut. Und bei reinen Flächen-PV-Anlagen wird die Fläche nicht landwirtschaftlich bewirtschaftet, wie beispielsweise in Moorgebieten.

Standort und landwirtschaftliche Nutzung.

Agrovoltaik oder Agri-PV erfüllt zwei wichtige Aufgaben gleichzeitig: erstens die Erhaltung seiner ursprünglichen landwirtschaftlichen Nutzung und zweitens die Erzeugung von sauberem Strom. Weil die Landwirtschaft so komplex ist, braucht es eine Agri-PV-Lösung, die an den spezifischen Standort angepasst ist.

Eine Standardisierung ist nur auf der technischen Seite möglich. Auf Seite der Landwirtschaft ist es jeweils ein individuelles Projekt, welches das technisch-ökologische und technisch-ökonomische Potenzial der Flächen optimiert. In dicht besiedelten Ländern wie Deutschland, Österreich und der Schweiz wird der Wettbewerb um Flächen zwischen der Energiewirtschaft und der Landwirtschaft immer härter. Deshalb braucht es die sinnvolle und vorteilhafte gleichzeitige Nutzung der verfügbaren Flächen, sowohl für die Energieerzeugung als auch für die Landwirtschaft. Dadurch wird die Flächeneffizienz enorm gesteigert. Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Installation von PV-Modulen dank der Beschattung und des Windschutzes positiv auf die landwirtschaftlichen Erträge auswirkt. So entsteht eine echte Win-Win-Situation, die sowohl zusätzliche Energie erzeugt als auch dem Betrieb zugute kommt und sogar Erträge steigern kann.

Das Potenzial für agrivoltaische Strukturen, die sowohl dem Anbau als auch der Stromerzeugung dienen, ist beträchtlich. In der Schweiz kämen fast 4'600 Hektaren in Frage, was einer Leistung von 5 Gigawatt-Peak entspricht - also dem Verbrauch von 800'000 bis 1'200'000 Haushalten. Es geht darum, neue Lösungen für großflächige Photovoltaikanlagen zu finden, die keine zusätzlichen Auswirkungen auf den Boden haben und den Kohlenstoff-Fußabdruck der Kulturen verringern.

Nachhaltige Lebensmittel und Solarenergie.

Der weltweite Nahrungsmittelbedarf wird bis 2050 um 50 % steigen, während ein Drittel der Anbauflächen von Degradation bedroht ist. Es war noch nie so wichtig wie heute, fruchtbare Böden und gesundes Ackerland für künftige Generationen zu erhalten. Agri-PV bietet die Lösung, um nachhaltige Lebensmittel und Solarenergie auf demselben Land und zur selben Zeit zu produzieren. Dabei sind der Erhalt der natürlichen Umwelt und die Sicherung des Bodens für die Nahrungsmittelproduktion besonders wichtig. Mit Agrophotovoltaik erzielen Sie so maximalen Nutzen aus Ihrer Agri-PV-Anlage und gleichzeitig eine nachhaltige landwirtschaftliche Produktion, egal, ob Sie niedrig wachsende Feldfrüchte oder Obst anbauen.

Agrar- und Ernährungssysteme stehen im Mittelpunkt der Debatte über nachhaltige Entwicklung. Lebensmittelsysteme stehen ganz oben auf der internationalen Agenda, wie der für September 2021 geplante Gipfel der Vereinten Nationen für Lebensmittelsysteme zeigte. Die Umstellung auf nachhaltige Konsummuster, Förderung einer naturverträglichen Produktion und Stärkung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Anfälligkeiten, Schocks und Stress sind weltweit grosse Themen. Nachhaltige Lebensmittelsysteme gehören auch zu den Schlüsselelementen des europäischen Green Deal und insbesondere der Farm to Fork-Strategie der Europäischen Union. Die Farm to Fork-Strategie zielt darauf ab, den Übergang zu nachhaltigen, widerstandsfähigen und integrativen Lebensmittelsystemen in der Europäischen Union zu fördern. Wissenschaftler und Praktiker sind sich weitgehend einig, dass die Umgestaltung der Lebensmittelsysteme zu den wirksamsten Mitteln gehört, um Fortschritte bei der Nachhaltigkeit zu erzielen. Dazu gehören auch Themen rund um den Energieverbrauch – und neu auch rund um die Energieproduktion.

Die Verwirklichung der Nachhaltigkeit der Agrar- und Ernährungssysteme ist eine der dringlichsten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Die Bewältigung dieser Herausforderung erfordert die Nutzung von Wissen und Fachkenntnissen aus verschiedenen Disziplinen und intellektuellen Traditionen, um die Herausforderungen und kritischen Bedrohungen für die Nachhaltigkeit des Lebensmittelsystems umzusetzen.

Natur und Technologie.

Viele von uns wünschen sich mehr erneuerbare Energien. Doch wo gibt es Platz für so viele Photovoltaik-Paneele? Da die Zahl der Solaranlagen zunimmt, befinden sie sich in der Regel an den Rändern der Städte, und das ist historisch gesehen der Ort, an dem wir bereits unsere Lebensmittel anbauen. Und in der Schweiz sind die Flächen naturgemäss begrenzt. Agrophotovoltaik (APV) bietet ein ungenutztes Potenzial.

Die innovative Technologie der Agrophotovoltaik (APV) kombiniert die photovoltaische Stromerzeugung und die landwirtschaftliche Produktion auf demselben Land. Die Koexistenz von Sonnenkollektoren und Feldfrüchten impliziert ein System der gemeinsamen Nutzung der Sonneneinstrahlung zwischen diesen beiden Produktionszweigen. Es eröffnet neue Horizonte, indem es Trockengebiete kultivierbar macht und gleichzeitig saubere Energie für die lokale Bevölkerung erzeugt. Agrophotovoltaik steht im Zentrum der globalen Energiewende, des steigenden weltweiten Energiebedarfs, der negativen Auswirkungen der globalen Erwärmung und der globalen Wasserknappheit und bietet Landwirten eine vielversprechende Investition und neue Möglichkeiten für ökologisch nachhaltige Lebensgrundlagen. Als Investition in erneuerbare Energien erfüllt sie die Forderung nach Nachhaltigkeit, indem sie die Klimabelastung verringert, aber auch erhebliche sozioökonomische Vorteile mit sich bringt. Vieles hängt jedoch von der Regierungspolitik, den Umweltbedingungen, dem technischen Fortschritt und den in den Solaranlagen verwendeten Materialien ab.

Schweizer Landwirtschafts-Sektor.

Die Schweizer Landwirtschaft besteht aus etwas weniger als 50′000 Familienbetrieben mit insgesamt 149′500 Beschäftigten. Die Betriebsleiter sind überwiegend männlich, nur rund 6 % der Betriebe werden offiziell von Frauen geführt. Die Betriebe sind im internationalen Vergleich klein, nur einer von fünf bewirtschaftet mehr als 30 ha Land. Die wichtigsten Produktionszweige sind Milch, Fleisch und Ackerbau, wobei die regionalen Unterschiede aufgrund der Gebirgslage in einem großen Teil des Landes sehr groß sind. Der größte Teil der Schweizer Agrarproduktion fließt in den heimischen Markt.

Obwohl die Schweizer Landwirte gut mit Technologien und Maschinen ausgestattet sind, zeigen sie in Bezug auf die Digitalisierung nur ein begrenztes Interesse. Digitale Werkzeuge sind kaum in das Programm der landwirtschaftlichen Schulen integriert. Dies, obwohl die Steuerung der Schweizer Landwirtschaft einen dramatischen Wandel erfahren hat. Denn seit die Schweizer Bürger 1996 für eine grundlegende Umgestaltung der eidgenössischen Agrarpolitik gestimmt haben, die auf dem Konzept der Multifunktionalität basiert und ökologische Standards und Subventionen mit einer teilweisen Deregulierung der Agrarmärkte kombiniert. Die Entwicklung digitaler Werkzeuge zur Erfassung, Weitergabe und Speicherung von Daten hat die Entwicklung des Agrarumweltmonitorings ermöglicht. Während die Bundesbehörden anfangs nur wenig in die Digitalisierung des Agrarumweltmonitorings investierten, erkannten die Kantone sehr deutlich den Nutzen, den sie daraus ziehen würden.

Digitalisierung des Agrarsektors

Landwirtschaftliche Produktion und Managementtechniken.

Die Digitalisierung des Agrarsektors konzentrierte sich hauptsächlich auf die landwirtschaftliche Produktion oder die Managementtechniken. Agrophotovoltaik reiht sich als Technologie in die Bestrebungen der Digitalisierung der Landwirtschaft ein und dies zum hohen Nutzen der landwirtschaftlichen Betriebe selbst.

In den letzten Jahren hat die Forschung zur Entwicklung digitaler Technologien in der Landwirtschaft einen rasanten Aufschwung erlebt. Die Idee, dass die Landwirtschaft an der Schwelle zu einer neuen Revolution steht, hat sich durchgesetzt.

Vorteile von Agrovoltaik

Synergien.

Agrovoltaik nutzt die Synergie zwischen Pflanzenbau und Energiegewinnung optimal aus. Je nach Anwendung ergeben sich eine Reihe von technisch-ökologischen Vorteilen wie Schutz der Pflanzen vor Hagel, übermäßiger Sonneneinstrahlung sowie vor übermäßiger Verdunstung von Wasser aus den Pflanzen und dem Boden, Verringerung der Bodenerosion durch Wind, Stabilisierung des Pflanzenanbaus durch Mikroklimata und weitere mehr.

Agri-PV-Anlagen können auch die Wirtschaftlichkeit von landwirtschaftlichen Kulturen verbessern. Im Rahmen der Strategie für die landwirtschaftliche Nutzung der Flächen sollte eine Deckungsbeitragsanalyse für die beteiligten Kulturen durchgeführt werden. Die Gewinnmargen für die landwirtschaftlichen Produkte müssen positiv sein. Im Idealfall werden die Gewinnmargen sogar verbessert. Agri-PV-Anlagen sollen auch für die landwirtschaftliche Produktion einen Mehrwert schaffen und einen finanziellen Ertrag erwirtschaften.

Wasserverfügbarkeit und Bodenerosion.

Auch mit einem Agri-PV-System bekommen die Pflanzen unter einer Freiflächen-PV-Anlage genügend Wasser. Die Wasserverfügbarkeit wird jedoch, soweit sie durch das Agri-PV-System überhaupt beeinflusst wird, an die Wachstumsbedingungen der jeweiligen Kultur angepasst. Mit entsprechenden Anpassungen kann eine gleichmäßige Verteilung des Regenwassers für die Pflanzen unter der Agri-PV-Anlage erwirkt werden. In einigen Fällen und je nach Boden- oder Geländeart kann die Wasserverfügbarkeit durch zusätzliche technische Einrichtungen optimiert werden, denn auch unter einer Agri-PV-Anlage wird es immer Bereiche geben, die nicht von Solarkollektoren bedeckt sind. Oft sind Kulturen mit einer PV-Anlage bezüglich Wasserverfügbarkeit sogar noch einfacher zu optimieren als ohne und Bodenerosion kann mit einer PV-Anlage oft besser verhindert werden. Für Regenwasser können Auffangbecken oder Versickerungsanlagen eingesetzt werden. Systeme zur Verteilung von Regenwasser können auch die Bildung von Eiszapfen im Winter verhindern. Mit PV-Anlagen kann die Bodenerosion durch den Windschutz der bodennahen Modulreihen sogar reduziert werden.

Ein weiterer Grund, warum Landwirte auf Solaranlagen umsteigen, ist der garantierte finanzielle Gewinn. PV-Anlagen können mit der traditionellen Landwirtschaft zusammenarbeiten und Einkommen bringen, auch wenn die natürlichen Bedingungen mit den Bedürfnissen der Kultur nicht vereinbar sind. Agrophotovoltaik ist in jedem Fall ein neuer Weg, die Solartechnologie zusammen mit der traditionellen Landwirtschaft zu nutzen. Die solare Landwirtschaft hat gute Aussichten, der Gesellschaft und der Wirtschaft mehr als je zuvor zu nutzen.

Forschung

Lichtsättigungspunkt.

Bei der Diskussion über die Konkurrenz zwischen Solarenergieerzeugung und Pflanzenbau wird oft ein wesentlicher Punkt vergessen – der Lichtsättigungspunkt.

Beim Lichtsättigungspunkt geht es um die maximale Anzahl von Photonen, die von einer Pflanzenart absorbiert werden kann. Da mehr Photonen über diesem Lichtsättigungspunkt die Photosyntheserate der Pflanzen nicht erhöhen, können PV-Systeme und Landwirtschaft sehr gut kombiniert werden, um das überschüssige Licht zu nutzen. Eine Studie des französischen Wissenschaftlers Christophe Dupraz und seines Teams zeigt, dass agrovoltaische Systeme die globale Bodenproduktivität von 35 auf 73 Prozent erhöhen!

Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme untersuchten dasselbe Thema, um herauszufinden, wie Sonnenstrahlung und Nahrungspflanzen genutzt werden können. Die Untersuchung fand in der Nähe des Bodensees statt, der an die Schweiz, Deutschland und Österreich grenzt. Im Rahmen des Pilotprojekts wurden ein Jahr lang 720 bifaziale Solarmodule verwendet, die etwa ein Drittel eines Hektars bedeckten. Die Paneele wurden so hoch angebracht, dass die Pflanzen fast die gleiche Menge an Sonnenlicht abbekommen, wie wenn sie auf natürliche Weise wachsen würden. Die Forscher fanden heraus, dass die Produktivität des Bodens um 60 Prozent gesteigert werden konnte. Die Projektergebnisse aus dem ersten Jahr sind als ein voller Erfolg zu werten. Agrophotovoltaiksysteme sind praxistauglich und kosten so viel wie eine kleine Solardachanlage. Die Ernteerträge sind ausreichend hoch und können gewinnbringend auf dem Markt verkauft werden. Landwirtschaft und Photovoltaik sind problemlos vereinbar. Agrovoltaik reduziert die Flächenkonkurrenz, arbeitet effizient und verschafft den Landwirten ein zusätzliches Einkommen.

Forscher stellten fest, dass das System der Agrivoltaik die Effizienz der Energieerzeugung erhöht. Solarmodule sind von Natur aus temperaturempfindlich, wenn sie sich erwärmen und ihr Wirkungsgrad sinkt. Durch den Anbau von Pflanzen unter den PV-Paneelen konnten die Forscher die Temperatur der Paneele senken und so ihren Wirkungsgrad erhöhen. Die sich überhitzenden Solarmodule werden tatsächlich dadurch gekühlt, dass die darunter angebauten Pflanzen durch ihren natürlichen Prozess der Transpiration Wasser abgeben. Die Photovoltaik-Paneele für die Landwirtschaft waren tagsüber im Vergleich zu den herkömmlichen Paneelen um etwa 9 °C kühler, was eine bessere Leistung ermöglichte.

Die gemeinsame Nutzung von Photovoltaik und Landwirtschaft könnte in vielen Bereichen zu einem Gewinn führen, indem die Ernteerträge gesteigert, Wasserverluste verringert und die Effizienz von Photovoltaikanlagen verbessert werden.

Anwendungen

Bifaciale Module.

Ideal für Agrovoltaik mit bifacialen Modulen sind zum Beispiel niedrig wachsende Kulturen wie Weizen, Leguminosen oder Grünland zwischen den bodennahen Modulreihen. So bleibt genügend Platz für Landmaschinen und die bifacialen Module, die auf einer Achse installiert werden können, folgen der Sonne von morgens bis abends und erzielen so den ganzen Tag über einen maximalen Solarertrag.

Overhead-Photovoltaik.

Der Anbau von Dauerkulturen oder Sonderkulturen wie Obst kann optimal mit Overhead-Photovoltaik genutzt werden. Mit dem Einsatz von Overhead-Photovoltaik kann gleichzeitig der Einsatz von kurzlebigen Pflanzenschutzmitteln reduziert werden. Die speziell entwickelten transparenten Solarmodule sind ideal für Beeren wie Himbeeren, Johannisbeeren, Heidelbeeren, Erdbeeren und Brombeeren. Die Unterkonstruktion kann auch so gestaltet werden, dass ein Anbau im Boden möglich ist, zum Beispiel für mehrjährige Himbeeren. Beim Anbau in einem Substrat spielt die Fruchtfolge im Hinblick auf die Bodenerschöpfung eine Rolle. Das Gleiche gilt für mehrjährige Kulturen wie Spalierobst oder Weintrauben, zumal diese Kulturen über 15 Jahre stehen und dann möglicherweise neu gepflanzt oder veredelt werden.

Erste Projekte in der Schweiz

Startup Insolight.

Das in Renens ansässige Schweizer Startup Insolight entwickelt PV-Solarmodule der nächsten Generation. Diese Solarmodule stehen für eine revolutionäre Kombination aus Lichtdurchlässigkeit und hoher elektrischer Effizienz. Die lichtdurchlässigen Solarmodule können dazu beitragen, die Ernteerträge zu steigern, indem sie die Lichtmenge, welche die Pflanzen erreicht, anpassen, während sie das restliche Sonnenlicht zur Stromerzeugung nutzen. Zum einen fokussieren diese Module das Licht auf hocheffiziente Solarzellen. Wenn das optische System ausgerichtet ist, kann es so viel Energie erzeugen. Zum andern ist es aber es ist auch möglich, es nicht auszurichten, um das Licht "entweichen" zu lassen um das Pflanzenwachstum zu fördern.

Die Solarmodule regulieren die Lichtmenge für die Pflanzen. Sie ermöglichen damit die Optimierung der Photosynthese der Pflanzen im Laufe der Jahreszeiten und tragen dazu bei, die negativen Auswirkungen der heißen Sommertemperaturen auf den Ertrag und die Qualität der landwirtschaftlichen Erzeugnisse zu verringern, während der Rest des Lichts in Form von Strom zurückgewonnen wird.

Im Rahmen eines neuen, vom Bundesamt für Energie (BAFU) unterstützten Pilotprojekts haben Insolight und seine Partner Romande Energie und Agroscope diese Solarpaneele über Erdbeer- und Himbeerkulturen im Versuchszentrum von Agroscope in Conthey (Kanton Wallis) als Ersatz für die schützenden Polytunnel installiert.

Das Projektteam will zeigen, dass es möglich ist, die landwirtschaftliche Produktion und die Stromerzeugung auf demselben Gelände effizient zu kombinieren, indem man eine landwirtschaftliche und eine photovoltaische Struktur mit doppeltem Zweck verwendet. Ab Juli 2021 wird das System vier Jahre lang auf einer Fläche von 165 Quadratmetern getestet, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, die die Planung künftiger großflächiger Einsätze ermöglichen. Die Ergebnisse werden auch von grundlegender Bedeutung sein, um die Kosteneffizienz dieses Systems zu bewerten und seine finanziellen Aussichten zu klären. Im Spätsommer 2021 wurden die ersten Himbeeren aus dem Projekt geerntet und damit ein vierjähriges Programm zur Analyse und Optimierung von landwirtschaftlichen und elektrischen Erträgen eingeleitet. Diese Ergebnisse könnten den Weg für großflächige, noch nie dagewesene Solaranlagen ebnen, die eine neue Lösung ohne zusätzlichen Flächenverbrauch bieten.

Die Pilotanlage wurde entwickelt, um den Schutz der Pflanzen vor Witterungseinflüssen zu ersetzen und zu verbessern und gleichzeitig Energie zu erzeugen. Sie ermöglicht es Agroscope, die Auswirkungen der Lichtverhältnisse auf die Entwicklung der Pflanzen zu untersuchen. Ziel ist es, anhand dieser agronomischen Daten den Steuerungsalgorithmus der Photovoltaikmodule, der Bewässerung und der Nährstoffzufuhr je nach Pflanzenart, Entwicklungsstadium und Sonneneinstrahlung anzupassen. Gleichzeitig wird Romande Energie die Solarstromproduktion der Anlage während der vierjährigen Projektlaufzeit bewerten. Auch die Infrastruktur wird entsprechend den Bedürfnissen der landwirtschaftlichen Nutzung weiter optimiert werden. Diese Forschungen sollen es ermöglichen, Solarenergie zu erzeugen und gleichzeitig die Menge und Qualität der unter den Solarmodulen geernteten Früchte zu erhalten oder sogar zu steigern.

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