Mithilfe von Agri-Photovoltaik können Energie und Nahrungsmittel auf derselben Fläche produziert werden. Ein neues Projekt soll diese noch relativ junge Technologie aus der Nische holen.

Anfang Juli 2022 startete das Projekt „SynAgri-PV: Synergetische Integration der Photovoltaik in die Landwirtschaft als Beitrag zu einer erfolgreichen Energiewende – Vernetzung und Begleitung des Markthochlaufs der Agri-PV in Deutschland“. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierte Projekt wird mit 1,7 Mio. Euro gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren. Unter Koordination des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE sowie des Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) arbeiten neun Partner aus Forschung, Praxis und Industrie gemeinsam an der Entwicklung eines Leitbildes für den Einsatz von Agri-PV in Deutschland.  Ziel ist es, zentrale wissenschaftliche, juristische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Rahmenbedingungen und Voraussetzungen für den Markthochlauf in Deutschland zu evaluieren, zu beschreiben und zu beschleunigen.

Um das Ziel der Treibhausgasneutralität bis 2045 zu erreichen, ist ein zügiger und massiver Ausbau Erneuerbarer Energien in Deutschland erforderlich. Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung in der Mobilität und Industrie ist mit einem Bruttostromverbrauch von rund 1.100 Terrawattstunden (TWh) pro Jahr zu rechnen. Aktuell liegt dieser Wert bei etwa 530 TWh. Neben dem Ausbau der Windenergie können diese Zielgrößen nur durch einen signifikanten Ausbau im Bereich der Photovoltaik erreicht werden. Hier wird von einem notwendigen Zubau auf das Sechs- bis Achtfache der heute installierten Leistung ausgegangen, auf rund 400-445 GW bis in das Jahr 2045. Weil ein bedeutender Teil dieses Zubaus von 12 – 20 Gigawatt (GW) pro Jahr auf der Freifläche erwartet wird, zeichnet sich vielerorts ein erheblicher Flächenbedarf ab. Dadurch steigt der Druck auf die ohnehin knappe Ressource Land, die auch für die Produktion von Nahrungsmitteln, Energiepflanzen, als Bauland oder andere Landnutzungen benötigt wird.

Landwirtschaftliche Nutzung und Energieerzeugung kombinieren

Eine vielversprechende Lösung und gleichzeitig eine Chance sowohl für die Landwirtschaft als auch die Energiewende bietet die Agri-Photovoltaik (Agri-PV). Agri-PV beschreibt die kombinierte Produktion von erneuerbarer Energie und Nahrungsmitteln auf derselben Fläche und stellt somit eine vergleichsweise neue Form der Landnutzung dar. Die Module von Agri-PV-Anlagen sind im Vergleich zu den herkömmlichen Freiland-Photovoltaikanlagen meist hoch aufgeständert und ermöglichen so die Unterfahrt von Landmaschinen. Damit ist es möglich, die PV-Leistung stark auszubauen, und dabei Flächen für die landwirtschaftliche Nutzung zu erhalten. Über eine teilweise Verschattung durch die PV-Module bietet diese doppelte Landnutzung das Potenzial, neben der Energieerzeugung auch Kulturpflanzen vor intensiver Sonnenstrahlung zu schützen und damit negative Folgen des Klimawandels auf die Landwirtschaft abzumildern. Durch die Verschattung werden zudem auch die Verdunstung von Wasser und das Austrocknen der Böden reduziert.

Schwenkbare Module, sogenannte PV-Tracker, ermöglichen mehr Lichteinfall, den die Pflanzen für ihr Wachstum benötigen und sind damit auch leistungsfähiger als die statischen Freiland-Photovoltaikanlagen. Die PV-Module können zudem eine Schutzfunktion für Pflanzen gegenüber Extremwetterereignissen wie Hagel oder Frühjahrsfrost übernehmen. Inzwischen sind auch Anlagen mit integrierter Bewässerung marktreif. Über Blühstreifen auf den nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen können zudem positive Effekte auf die Biodiversität erzielt werden.

Aktuell sind erste Anlagen in Deutschland insbesondere bei Sonderkulturen im Einsatz, etwa beim Anbau von Obst, wo ein Schutz vor Wettereinflüssen wünschenswert ist. „Damit sind Agri-PV-Systeme für die Landwirtschaft zunehmend attraktiv, weil hiermit eine Möglichkeit gegeben ist, die heimische Landwirtschaft auch gegenüber dem internationalen Markt wettbewerbsfähig zu halten und den Landwirtinnen und Landwirten zusätzliches Einkommen zu ermöglichen“, erklärt Max Trommsdorff, Projektleiter am Fraunhofer ISE. „Gleichzeitig können wir den Ausbau der Erneuerbaren Energien vorantreiben, den Druck auf die knappe Fläche Land reduzieren und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wetterextremen und Klimawandel in verschiedenen Anbausystemen erhöhen.“

Markthochlauf: Hürden überwinden

Trotz dieser Ausgangslage konnten bisher in Deutschland nur sehr wenige, kleine Projekte realisiert werden. Gründe hierfür liegen insbesondere in den bestehenden rechtlichen Rahmenbedingungen, darunter unzureichende Anreizsysteme und vergleichsweise aufwendige Genehmigungsprozesse. Zudem treten zunehmend Sorgen auf, etwa was die Akzeptanz der jeweils ansässigen Bevölkerung und die Landschaftsattraktivität angeht.

Im Rahmen des Vorhabens soll der technische, rechtliche, wirtschaftliche und gesellschaftliche Stand der Agri-PV für den Standort Deutschland evaluiert werden. Ziel ist, evidenzbasiert und unter Einbezug möglichst aller relevanten Akteure ein gesellschaftliches Leitbild für den Ausbau der Agri-PV in Deutschland zu entwickeln, Handlungsbedarf zu dessen Umsetzung zu benennen, Lösungsansätze zu skizzieren und weiteren Forschungsfelder zu identifizieren. Dazu werden laufende Pilotanlagen begleitet und vernetzt, Beteiligungsformate geschaffen sowie die gewonnenen Erkenntnisse ausgewertet, aufbereitet und der breiten Öffentlichkeit und Politik zugänglich gemacht. Über möglichst alle relevanten Bereiche aus Praxis, Technologie, Rechtssetzung und Wissenschaft, zum Beispiel Akzeptanzforschung und Agronomie, werden Kontakte hergestellt sowie eine Plattform für den Wissens- und Erfahrungsaustausch im Bereich der doppelten Landnutzung etabliert.

„Durch den integrierten Ansatz aus Nahrungs- und Futtermittelproduktion sowie Energiegewinnung können Agri-PV-Systeme mehrere Synergien ermöglichen – nicht nur für den Landwirtschafts- und Energiesektor, sondern auch in Bezug auf das Wassermanagement, den Landschafts- und Naturschutz sowie soziale Innovationsprozesse“, erklärt Prof. Klaus Müller, Projektleiter am ZALF. Zur optimalen Nutzung der Potenziale für die Energiewende und zur Prävention von Fehlentscheidungen in der Anwendung von Agri-PV sollen im Projekt neben der Vernetzung insbesondere die Begleitung von Praxisbeispielen Perspektive im Vordergrund stehen.

Quelle

Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung 2022

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© Fraunhofer ISE | Agri-Photovoltaics

04.08.2022
Agri-Photovoltaics: Bringing young technology out of the niche

With the help of agri-photovoltaics, energy and food can be produced on the same area. A new project aims to bring this still relatively young technology out of its niche.

At the beginning of July 2022, the project “SynAgri-PV: Synergetic integration of photovoltaics in agriculture as a contribution to a successful energy transition – networking and support for the market ramp-up of agri-PV in Germany” was launched. Funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), the project will receive 1.7 million euros in funding and run for three years. Coordinated by the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE and the Leibniz Center for Agricultural Landscape Research (ZALF), nine partners from research, practice and industry are working together to develop a model for the use of Agri-PV in Germany.  The aim is to evaluate, describe and accelerate key scientific, legal, economic and social conditions and prerequisites for the market ramp-up in Germany.

In order to achieve the goal of greenhouse gas neutrality by 2045, a rapid and massive expansion of renewable energies in Germany is required. Due to the increasing electrification in mobility and industry, a gross electricity consumption of about 1,100 terawatt hours (TWh) per year can be expected. Currently, this figure is around 530 TWh. In addition to the expansion of wind energy, these target figures can only be achieved through a significant expansion in the area of photovoltaics. Here, it is assumed that an increase of six to eight times the currently installed capacity will be necessary, to around 400-445 GW by the year 2045. Because a significant part of this increase of 12-20 gigawatts (GW) per year is expected to be on open land, a considerable demand for land is emerging in many places. This increases pressure on the already scarce resource of land, which is also needed for food production, energy crops, as building land or other land uses.

Combining agricultural use and energy production

Agri-Photovoltaics (Agri-PV) offers a promising solution and at the same time an opportunity for both agriculture and the energy transition. Agri-PV describes the combined production of renewable energy and food on the same land and thus represents a comparatively new form of land use. Compared to conventional ground-mounted photovoltaic systems, the modules of Agri-PV systems are usually elevated, allowing agricultural machinery to drive underneath. This makes it possible to greatly expand PV output while preserving land for agricultural use. Via partial shading by the PV modules, this dual land use offers the potential to protect crops from intense solar radiation in addition to energy production, thereby mitigating negative impacts of climate change on agriculture. Shading also reduces water evaporation and soil drying.

Pivoting modules, known as PV trackers, allow more light penetration that plants need to grow, which also makes them more efficient than static ground-mounted photovoltaic systems. The PV modules can also provide a protective function for plants against extreme weather events such as hail or spring frost. Meanwhile, systems with integrated irrigation are also ready for the market. Flower strips on non-agricultural land can also have a positive effect on biodiversity.

The first systems are currently being used in Germany, particularly for special crops such as fruit, where protection from the weather is desirable. “This makes agri-PV systems increasingly attractive for agriculture, because it provides a way to keep domestic agriculture competitive with the international market and to provide farmers with additional income,” explains Max Trommsdorff, project manager at Fraunhofer ISE. “At the same time, we can drive the expansion of renewable energy, reduce pressure on scarce land, and increase resilience to weather extremes and climate change in different cropping systems.”

Market ramp-up: Overcoming hurdles

Despite this starting position, only very few, small-scale projects have been realized in Germany so far. The reasons for this lie in particular in the existing legal framework, including inadequate incentive systems and comparatively complex approval processes. In addition, there are increasing concerns about the acceptance of the local population and the attractiveness of the landscape.

The project will evaluate the technical, legal, economic and social status of Agri-PV in Germany. The aim is to develop an evidence-based social model for the expansion of agri-PV in Germany, including as many relevant stakeholders as possible, to identify the need for action to implement this model, to outline possible solutions and to identify further fields of research. To this end, ongoing pilot plants will be supported and networked, participation formats created, and the findings evaluated, processed, and made available to the general public and politicians. Contacts will be established across as many relevant areas as possible from practice, technology, legislation and science, for example acceptance research and agronomy, and a platform for the exchange of knowledge and experience in the field of dual land use will be established.

“Through the integrated approach of food and feed production as well as energy generation, agri-PV systems can enable several synergies – not only for the agricultural and energy sectors, but also in terms of water management, landscape and nature conservation, and social innovation processes,” explains Prof. Klaus Müller, project manager at ZALF. For the optimal use of the potentials for the energy turnaround and for the prevention of wrong decisions in the application of Agri-PV, the project will focus not only on networking, but especially on the monitoring of practical examples Perspective.

Source

Leibniz Center for Agricultural Landscape Research 2022