Agrarsolaranlagen – Agri-Photovoltaik für grünen Strom, Forschungsprojekt InSPIRE, das PV-Pontenzial ist riesig.

 
Solarenergie hat das Potenzial, einen erheblichen Teil des weltweiten Bedarfs an nicht-erneuerbarer Elektrizität auszugleichen, kann jedoch große Flächen beanspruchen, wenn sie in diesem Umfang eingesetzt wird. Es wird zunehmend befürchtet, dass große Anlagen für erneuerbare Energien andere Landnutzungen verdrängen werden.

Wo sollten künftige Solarenergieanlagen platziert werden, um die höchste Energieproduktion zu erzielen und die begrenzten Landressourcen optimal zu nutzen?

InSPIRE ist das größte, am längsten laufende und umfassendste Forschungsprojekt der Welt im Bereich der Agrarsolaranlagen. InSPIRE hat die Planung von Agrarsolaranlagen oder laufende Forschungsarbeiten an 28 Standorten in 11 US-Bundesstaaten, Puerto Rico und dem District of Columbia unterstützt. Bei einigen dieser Standorte handelt es sich um direkte Forschung, bei anderen um Forschungsdesign und -überlegungen, und bei wieder anderen um laufende Beratung und Betreuung von Partnern.

In der dritten Forschungsrunde von 2022 bis 2024 konzentriert sich InSPIRE auf die Erweiterung der Forschungsgemeinschaft im Bereich der Agrarkraftwerke und die Schaffung grundlegender Ressourcen zur Unterstützung der Gemeinschaft auf nationaler und internationaler Ebene. Zu diesen Bemühungen gehört eine Partnerschaft mit dem AgriSolar Clearinghouse, um Landbesitzer und Landwirte zu unterstützen, die an der Einführung der Agri-Photovoltaik interessiert sind.

Das Potenzial für die Erzeugung von Solarstrom wurde auf der Grundlage der Klassifizierung der lokalen Bodenbedeckung ermittelt, wobei Ackerland im Median das größte Solarpotenzial von etwa 28 W/m2 aufweist. Das Potenzial für landwirtschaftliche Photovoltaiksysteme mit doppeltem Verwendungszweck könnte den Wettbewerb um Land oder andere räumliche Beschränkungen für die Entwicklung von Solarenergie abmildern und so eine bedeutende Chance für die zukünftige Nachhaltigkeit der Energieversorgung schaffen. Der weltweite Energiebedarf könnte durch die Solarproduktion ausgeglichen werden, wenn auch nur weniger als 1 % der Anbauflächen in ein agrivoltaisches System umgewandelt würden.

Die wachsende Verbindung zwischen Photovoltaik und Landwirtschaft.

Es gibt immer mehr Anzeichen dafür, dass die Photovoltaik und die Landwirtschaft unter dem Dach der Agro-Photovoltaik miteinander verknüpft werden können. Solarenergie braucht Platz und die Landwirtschaft braucht nachhaltige Erträge. Deshalb wird die Verbindung zwischen beiden Branchen immer enger. Die weltweit installierte Kapazität der Agro-Photovoltaik, d. h. der gemeinsamen Nutzung derselben Fläche für die Solarenergie und die Landwirtschaft, ist von etwa 5 MW im Jahr 2012 auf etwa 2’900 MW im Jahr 2020 rapide angestiegen - und das Potenzial ist enorm.

Die drei Landflächen mit dem größten Potenzial für die Photovoltaik sind laut Nature-Forschung Ackerland, Grasland und Feuchtgebiete, und Solarmodule sind am produktivsten bei starker Sonneneinstrahlung, leichten Winden, gemäßigten Temperaturen und niedriger Luftfeuchtigkeit. Dies sind die gleichen Bedingungen, die für landwirtschaftliche Kulturen am besten geeignet sind, und die Vegetation nutzt das verfügbare Wasser nachweislich am effizientesten unter mesischen Bedingungen, wo der Verdunstungsbedarf der Atmosphäre durch das Niederschlagsangebot ausgeglichen wird.

Der weltweite Energiebedarf ließe sich durch die Solarproduktion ausgleichen, wenn auch nur 1 % der Anbauflächen in ein landwirtschaftliches Photovoltaiksystem umgewandelt würde.

Während die meisten Solarpaneele etwa 3 Fuß über dem Boden stehen, müssen Solarpaneele auf landwirtschaftlichen Flächen in größerer Höhe installiert werden, damit ausreichend Sonnenlicht die darunter liegende Vegetation erreicht und die landwirtschaftlichen Geräte leicht navigieren können.

Durch den Einsatz von Sonnenschutzlamellen, die so konzipiert und programmiert sind, dass sie den idealen Bedingungen für die Pflanzen entsprechen, kann die Agro-Photovoltaik dazu beitragen, das verfügbare Sonnenlicht oder den Schatten zu steuern und so die Qualität und Quantität der Ernte zu steigern. Forscher haben erfolgreich Aloe Vera, Tomaten, Biogasmais, Weidegras und Kopfsalat in agrivoltaischen Experimenten angebaut. Einige Salatsorten liefern im Schatten größere Erträge als bei voller Sonneneinstrahlung. Andere Sorten liefern unter freiem Himmel und unter PV-Paneelen im Wesentlichen den gleichen Ertrag. Halbtransparente PV-Paneele eröffnen zusätzliche Möglichkeiten für Kolokation und Gewächshausproduktion.

Für ein erfolgreiches Agri-Photovoltaik-Projekt müssen zwei oder mehr Gruppen, die oft sehr unterschiedliche Prioritäten haben - der Landwirt oder Landverwalter und der Solarentwickler - eine Lösung finden, die für beide funktioniert. Wichtig ist auch die Akzeptanz der lokalen Gemeinschaft. Solarprojekte auf landwirtschaftlichen Flächen bringen die Herausforderung mit sich, ein Gleichgewicht zwischen der Nahrungsmittelsicherheit und der zunehmenden Produktion erneuerbarer Energien zu finden.

Worauf es bei der Agrivoltaik ankommt.

Die Umgebungsbedingungen eines Standorts müssen sowohl für die Solarstromerzeugung als auch für die gewünschten Kulturen oder Bodenbedeckungen geeignet sein. Die Wahl der Solartechnologie, das Layout des Standorts und andere Infrastrukturen können sich auf alles auswirken, von der Menge des Lichts, das die Solarmodule erreicht, bis hin zu der Frage, ob ein Traktor bei Bedarf unter den Modulen durchfahren kann. Die Infrastruktur wird für die nächsten 25 Jahre im Boden verbleiben, daher muss sie für die geplante Nutzung geeignet sein. Wichtig ist die Auswahl der Pflanzen und Anbaumethoden, das Saatgut- und das Pflanzendesign.

Agrivoltaikprojekte sollten Pflanzen oder Bodendecker auswählen, die unter den Paneelen in ihrem lokalen Klima gedeihen und auf den lokalen Märkten rentabel sind. Sie sollten so konzipiert sein, dass sie die konkurrierenden Bedürfnisse von Solareigentümern, Solarbetreibern und Landwirten oder Landbesitzern berücksichtigen, um effiziente landwirtschaftliche Aktivitäten zu ermöglichen. Für den Erfolg eines jeden Projekts ist die Kommunikation und das Verständnis zwischen den Gruppen entscheidend.

Das PV-Potenzial hängt im Wesentlichen von der einfallenden Sonnenstrahlung ab, die stark vom geografischen Standort abhängt. Es ist jedoch auch bekannt, dass der Wirkungsgrad des Systems von der Temperatur der Solarzellen abhängt, und die Temperatur der Solarzellen ist eine Funktion des örtlichen Mikroklimas. Jeder potenzielle Standort hat ein entsprechendes Mikroklima; daher muss der Einfluss der lokalen Klimatologie auf den PV-Wandlungswirkungsgrad berücksichtigt werden. Die thermischen Prozesse, die ein Solarmodul mit seiner Umgebung verbinden, werden durch vier primäre Umweltvariablen moduliert: Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und relative Luftfeuchtigkeit.

Der Hersteller von erneuerbaren Energien Boralex und das Unternehmen Sun'Agri, ein Pionier der Landwirtschaftssolaranlagen, wollen gemeinsam die Landwirtschaftssolaranlagen in Frankreich und Europa ausbauen, indem sie neue Solarkraftwerke entwickeln, die die landwirtschaftlichen Betriebe vor den immer schwierigeren Wetterbedingungen schützen. Angesichts der diesjährigen starken Fröste im Frühjahr, die die französischen Ernten beeinträchtigt haben, ist es wichtiger denn je, den Landwirten neue Lösungen wie die Agrivoltaik anzubieten, damit sie ihre Methoden an das sich verändernde Klima anpassen können.