Solarenergie: Einmal säen, zweimal ernten

Sie spenden Schatten, schützen den Boden und erzeugen Strom: PV-Anlagen auf Feldern sollen künftig viel Strom liefern. Bleibt eine Sorge: die um den Ertrag.

19. Mai 2023 um 12:30 Uhr / Ein Bericht von Werner Pluta

Agri-PV-Anlage in Süddeutschand: Ein Prozent der Ackerflächen mit Solarmodulen könnten neun Prozent des Strombedarfs decken. Bild: Fraunhofer ISE

Zwei Ernten im Jahr sind in unseren Breiten eher nicht möglich, dafür sollen Landwirte künftig auf andere Art doppelt ernten: Sie sollen Strom generieren und ins Netz speisen. Den Platz haben sie. Vielfach stehen auf Äckern, Wiesen und Weiden schon jetzt Windräder. Nun sollen Solarmodule folgen, Agri-Photovoltaik (Agri-PV) nennt sich das.

Das Konzept ist einfach: Auf den großen Flächen werden PV-Module aufgestellt, um dort neben Getreide, Obst oder Gemüse auch Strom zu erzeugen. Eines der noch wenigen Kraftwerke in Deutschland steht auf einem Feld im Norden von Rheinland-Pfalz.

In Gelsdorf bei Bad Neuenahr-Ahrweiler haben das Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und Baywa Re, ein Entwickler und Dienstleister im Bereich erneuerbare Energien aus München, eine Testanlage errichtet. Bis Anfang 2025 wollen die Projektpartner die Vor- und Nachteile der Kombination aus Obstanbau und Stromerzeugung aus Sonnenlicht ausloten.

Solarmodule stehen zwischen Apfelbäumen

Auf der Wiese werden Reihen von Apfelbäumen von Photovoltaik-Modulen überragt – natürlich andere als die, die auf Dächern montiert werden. Die Solarzellen sind so angeordnet, dass sie den Apfelbäumen nicht das ganze Sonnenlicht wegzunehmen, das die Pflanzen als Energiequelle brauchen, um Photosynthese zu betreiben.

Es gibt verschiedene Varianten von PV-Modulen, die je nach Anwendung eingesetzt werden. Da sind zunächst die bodennahen, die bis zu zwei Meter hoch sind. Zwischen ihnen können beispielsweise Schafe grasen. Sind die Module höher als zwei Meter, werden sie aufgeständert. Dann können sich Menschen, Tiere oder auch Landmaschinen darunter bewegen.

Die Module können senkrecht, schräg oder waagerecht angeordnet sein, sie können fest installiert werden oder so, dass die dem Stand der Sonne nachgeführt werden. Beide Varianten testet das Fraunhofer ISE in Gelsdorf.

Die Solarmodule schützen die Bäume

Dort bilden die Solarmodule ein Dach über den Apfelbäumen. Damit übernehmen sie neben der Stromerzeugung eine weitere Funktion: Sie schützen die Pflanzen vor Hagel und Starkregen. Normalerweise spannen die Agrarbetriebe dafür Schutznetze über ihre Plantagen. Ein weiterer Vorteil: Die Module schützen die Pflanzen vor zu starker Sonneneinstrahlung und den Boden vor Austrocknung – beides gewinnt im Zuge der fortschreitenden Klimaerwärmung ebenso wie der Schutz vor Extremwetter an Bedeutung.

"Wir stellen bei unseren Forschungsanlagen bisher eine homogenisierende Wirkung fest", erläutert Oliver Hörnle im E-Mail-Interview mit Golem.de. Hörnle ist am Fraunhofer ISE Projektleiter für die Modellregion Agri-Photovoltaik Baden-Württemberg. "Bei extrem heißen Perioden ist es unter der Anlage kühler. In kalten Perioden ist es tendenziell wärmer. Strahlungsfröste können für den bedeckten Bereich gänzlich vermieden werden."

Bei fast jeder Form der Landwirtschaft kann Agri-PV eingesetzt werden: auf Viehweiden und Wiesen ebenso wie auf Feldern für Getreide, Ölpflanzen, Gemüse und Kräuter. Felder sind praktisch wegen der großen Flächen. Solarmodule können aber ebenso in Obstplantagen wie in Gelsdorf installiert werden, oder in Weinbergen.

"Grundsätzlich ist jede Kultur denkbar, es geht im konkreten Anwendungsfall immer um die Lösung vorliegender Probleme", sagt Hörnle. "Am besten eigenen sich Sonderkulturen, die ohnehin geschützt werden müssen, und Schattenpflanzen.".

Am wenigsten geeignet sind seinen Angaben nach sogenannte C4 Pflanzen. Das sind Pflanzen, die eine besondere Form der Photosynthese betreiben, zu denen etwa Mais gehört. Allerdings könnte bei Maisanbau in Regionen mit wenig Wasser Agri-PV Vorteile bieten.

Das klingt doch gut: Agrarbetriebe liefern künftig neben ihren Produkten auch noch sauberen Strom. Ganz so einfach ist es aber nicht.

Weniger Ernte durch die Solarmodule?

Eine Studie der Universität Hohenheim, die im vergangenen Herbst in der Fachzeitschrift Renewable and Sustainable Energy Reviews veröffentlicht wurde, kommt zu dem Schluss, dass Agri-PV einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten könnte: Wenn nur ein Prozent der Ackerflächen hierzulande mit Solarmodulen ausgestattet würde, könnten damit neun Prozent des Strombedarfs gedeckt werden. Ein Prozent der Fläche würde bedeutet, dass jeder zehnte Agrarbetrieb mitmachen müsste.

Doch Solarmodule über der Anbaufläche aufzustellen, hat Nachteile: Auch wenn die Zellen längst nicht so dicht angeordnet sind, konkurrieren sie mit den Pflanzen um das Sonnenlicht. Sprich: Sie nehmen den Pflanzen auch Licht weg.

Je nach angebauter Pflanzenart und Wetterbedingungen könne der Ertrag geringer ausfallen, sagt Fraunhofer-Forscher Hörnle: "Bisher gemessene Ertragseinbußen lagen bei weniger als 20 Prozent."

Eine Agri-PV-Anlage kann den Ertrag steigern

Pauschal lasse sich das aber nicht sagen: "Die gleiche Anlage kann in einem sonnigen und trockenen Jahr auch zu einem Mehrertrag führen", sagt Hörnle. So habe etwa 2018 auf einem Kartoffelfeld unter einer Agri-PV-Anlage der Ertrag um knapp 20 Prozent über dem der Referenzfläche gelegen. "Bei Schattenpflanzen wie Beeren kann der Mehrertrag deutlich größer werden."

Aber nicht nur auf dem Boden kann der Ertrag geringer sein. Agri-PV-Module lassen 40 bis 50 Prozent mehr Licht durch als herkömmliche Solaranlagen. Entsprechend sinkt auch die Stromausbeute um etwa die Hälfte.

Zudem ist der Strom aus den Agri-PV-Anlagen teuer als bei Freiflächenanlagen. Das liegt unter anderem daran, dass aufgeständerte Anlagen wegen des hohen Materialaufwandes deutlich teurer sind als bodennahe oder Freiflächenanlagen. Die Stromgestehungskosten bei einer Dauergrünlandanlage liegen laut der Studie Agri-Photovoltaik: Chance für Landwirtschaft und Energiewende des Fraunhofer ISE bei etwa 6 Eurocent pro Kilowattstunde und damit nur geringfügig über denen einer Freiflächenanlage. Bei aufgeständerten Anlagen, wie sie im Acker- oder im Gartenbau eingesetzt werden, liegen sie hingegen im Schnitt bei über 8 Eurocent.

Das Fraunhofer ISE empfiehlt deshalb, den Strom gleich selbst zu verbrauchen: "Strom aus einem Agri-PV-Kraftwerk ist meistens dann am lukrativsten, wenn er für den Eigenverbrauch genutzt wird und so den externen Strombezug unmittelbar verringert", heißt es in dem Leitfaden. Bei gewerblichen Strompreisen von 14 bis 16 Eurocent pro Kilowattstunde, ergebe sich ein deutliches Einsparpotenzial.

Ein Kühlhaus ist ein Energiespeicher

Verbraucher gibt es in einem landwirtschaftlichen Betrieb genug. Bewässerungsanlagen etwa, die meist auch zu den Zeiten aktiv sind, wenn die PV-Anlage Strom liefert. Andere Abnehmer wie ein Kühlhaus oder der Akku eines entsprechend ausgestatteten Elektroautos lassen sich auch als Speicher nutzen.

Wegen der höheren Kosten ist eine Förderung von Agri-PV notwendig. Mit einer Novelle des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG 2023) ist es möglich, eine finanzielle Förderung für solche Anlagen zu bekommen, wenn durch sie die landwirtschaftliche Nutzung der Fläche nicht zu stark eingeschränkt wird. Für aufgeständerte Anlagen, die eine aufwendige Unterkonstruktion benötigen, kann es ab einer bestimmten Leistung eine eigene Prämie geben.

Das soll das Wachstum von Agri-PV ankurbeln. Deren Möglichkeiten sind noch längst nicht ausgeschöpft.

Agri-PV könnte einen alten Konflikt entschärfen

Das technische Potenzial der Agri-PV beziffert das Fraunhofer ISE auf 1.700 Gigawatt Peak (GWp). Derzeit ist das Wachstumspotenzial auf dem Gebiet noch sehr groß: Weltweit waren 2020 etwa 14 GWp installiert. Acht Jahre davor waren es nur 5 Megawatt Peak.

Die meisten Agri-PV-Anlagen gibt es in China. Um das von der Regierung ausgegebene Ziel, bis zum Jahr 2060 kohlendioxidneutral zu sein, zu erreichen, werden die Kapazitäten an Wind- und Solarstrom stark ausgebaut.

Dazu gehört auch Agri-PV: Etwa 12 der 14 installierten GWp entfallen auf China. Dort steht auch – wie könnte es anders sein? – die größte Anlage: Unter etwa 700 MWp-Solarmodulen werden Beeren angebaut. Wie bereits erwähnt, können Beeren besonders von dem Schatten profitieren, den die Solarmodule spenden.

Agri-PV ist eine Erfindung des Fraunhofer ISE

Pionier auf dem Gebiet ist das Fraunhofer ISE: Dessen Gründer Adolf Goetzberger beschrieb zusammen mit Armin Zastrow bereits 1981 in dem Aufsatz Kartoffeln unter dem Kollektor in der Fachzeitschrift Sonnenenergie das Konzept einer doppelten Nutzung von landwirtschaftlichen Flächen. Allerdings gibt es hier noch recht wenige solcher Anlagen. Die größte Anlage in Deutschland soll in Ostrau in Sachsen entstehen. Baubeginn ist 2025. Dort wird ein Zehntel der Leistung der Anlage in der Gobi installiert.

Dabei ist es unerlässlich, dass mehr solcher Anlagen installiert werden: Aktuell sind in Deutschland etwa 60 GWp an Fotovoltaikleistung installiert. Um die Klimaziele zu schaffen, werden bis 2045 nach Schätzungen des Fraunhofer ISE 300 bis 450 GWp benötigt.

Etwa Dreiviertel der PV-Anlagen befinden sich heute auf Dächern. Es werden auch noch mehr, in Hamburg müssen ab diesem Jahr 2023 Neubauten mit einem Solardach ausgestattet werden. Doch der Ausbau ist kleinteilig und mühselig. Praktischer sind da große Solaranlagen auf Freiflächen wie etwa Wiesen. Diese werden gerade in große Zahl gebaut.

Hier zeichnet sich allerdings ein Interessenkonflikt ab: Landwirtschaft gegen Energieerzeugung. Denn nicht nur sauberer Strom wird dringend benötigt. "Die EU ist inzwischen sehr stark von Agrareinfuhren abhängig", warnte Richard Fuchs vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie. "Etwa ein Fünftel der pflanzlichen Produkte, die wir in Europa konsumieren, werden importiert."

Europa soll weniger Agrarprodukte importieren

"Europa muss seine Abhängigkeit von Agrarimporten reduzieren, sonst ist eine Rückkehr leerer Supermarktregale in Europa nicht ausgeschlossen", sagte Fuchs. In der Schweiz etwa ist der Bau von PV-Freiflächenanlagen nicht erlaubt, weil es dort ohnehin nur wenige landwirtschaftlich nutzbare Flächen gibt. Agri-PV könnte Abhilfe schaffen, sagt Hörnle von Fraunhofer ISE: Die doppelte Flächennutzung entschärfe die Nutzungskonflikte.

Für eine weitere Verbreitung von Agri-PV bedarf es neben einer finanziellen Förderung jedoch auch deutlich vereinfachte Genehmigungsverfahren, um solche Anlage bauen zu können. Aktuell, so kritisierte ein Anfang des Jahres veröffentlichtes Positionspapier der Universität Hohenheim gelten Agri-PV Anlagen nicht als privilegierte Bauvorhaben. Das wiederum mache Genehmigungsverfahren aufwendiger und länger, was wiederum den Ausbau der Anlagen verzögere.

Die Studie fordert deshalb eine Privilegierung, wie sie für alle anderen erneuerbaren Energien gilt, um schließlich nicht nur einen klimaneutralen, sondern einen klimapositiven Apfel zu ermöglichen, der "durch die Elektrifizierung der Hofstelle einen positiven Beitrag zum Klimaschutz leistet", wie das Fraunhofer ISE über das Projekt in Gelsdorf schreibt. "Agri-PV ermöglicht, Investitionen aus der Energiewirtschaft in die Landwirtschaft zu leiten und hilft bei der Dekarbonisierung des Nahrungsmittelversorgungssystems."

Wie die Kohlendioxidbilanz der Äpfel aus dem dualen Obstbau ist, "wird das Forschungsprojekt zu Tage bringen."