Vertikale Agri-Photovoltaik im Ackerbau: Voruntersuchungen zu agrarwissenschaftlichen Einschätzungen und Auswirkungen auf die Biodiversität im Vergleich zu hoch aufgeständerten Systemen (VAckerBio)
Projektdurchführung
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Photovoltaische Module und Kraftwerke Gruppe Agri-PhotovoltaikHeidenhofstr. 2
79110 Freiburg
Zielsetzung
Die Bundesregierung hat im Mai 2021 ein Klimaschutzgesetz mit dem Ziel der Treibhausgasneutralität bis 2045 beschlossen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein verstärkter Ausbau der erneuerbaren Energien notwendig. Dies kann jedoch zu Konflikten mit landwirtschaftlichen Nutzflächen führen. Neben dem Anbau von Energiepflanzen gewinnt der Ausbau von PV-Freiflächenanlagen an Bedeutung. Dies kann zu sozialen und ökologischen Problemen sowie zu steigenden Pachtpreisen für die Landwirtschaft führen. Um den Druck auf landwirtschaftliche Flächen zu verringern, bietet die Kombination von Nahrungsmittel- und Energieproduktion auf derselben Fläche, bekannt als Agri-PV, eine Lösung. Agri-PV kann sich positiv auf die landwirtschaftlichen Erträge auswirken, insbesondere in trockenen und heißen Jahren. Allerdings müssen Agri-PV-Systeme höhere technische Anforderungen erfüllen als herkömmliche PV-Freiflächenanlagen, um den pflanzenbaulichen Anforderungen gerecht zu werden und mögliche Synergien zwischen Energieerzeugung und Landwirtschaft zu nutzen. Insbesondere die Lichtverfügbarkeit spielt bei Agri-PV-Systemen eine zentrale Rolle.
Bisherige Prototypen von hoch aufgeständerten Agri-PV-Systemen im Ackerbau standen vor einigen Herausforderungen. Beispielsweise konnten die Tropfkanten an den Modulrändern negative Auswirkungen auf den Boden und die Kulturpflanzen haben, indem sie nach starken Regenfällen zu Rinnsalen und Bodenerosion führten. Durch den Einsatz von vertikalen Agri-PV-Systemen können diese Probleme reduziert werden, da die PV-Module die Anbaufläche nicht vollständig bedecken, sondern vertikal angeordnet sind. Dadurch ist eine Bewirtschaftung zwischen den Reihen möglich.
Ziel dieses Projektes ist es, die Auswirkungen von vertikalen, bodennahen Agri-PV-Systemen auf Ackerflächen zu untersuchen. Der neuartige Ansatz der vertikalen Agri-PV soll als zuverlässige erneuerbare Energiequelle dienen und gleichzeitig als multifunktionales Anwendungssystem in der Landwirtschaft erprobt und wissenschaftlich begleitet werden. Dabei sollen neben den pflanzenbaulichen Aspekten im Zusammenhang mit einem veränderten Mikroklima auch die Auswirkungen auf die Biodiversität berücksichtigt werden. Potenziale und Optimierungsbedarf sollen identifiziert und analysiert werden. Die Ergebnisse sollen in die Weiterentwicklung geeigneter Agri-PV-Systeme im Ackerbau einfließen und zum Ausbau der umweltfreundlichen und flächeneffizienten Solarenergie beitragen.
Arbeitsschritte
In Arbeitspaket 1 wurde der Einfluss vertikaler, bodennaher Agri-PV auf die Pflanzenentwicklung und das Mikroklima untersucht.
Das Teilarbeitspaket 1.1 fokussierte sich auf die Planung und Umsetzung eines Monitoring Konzeptes zur Erfassung relevanter Parameter des Mikroklimas. Die erhobenen Daten sollen genutzt werden, um beobachtete Veränderungen in phänologischer Entwicklung, Ertrag oder Qualität anhand des Mikroklimas nachzuvollziehen. Zudem sollen die Daten zukünftig mit Daten anderer vertikaler oder horizontaler Agri-PV Anlagen verglichen werden. Auf Basis der aktuellen Forschung zu den mikroklimatischen Veränderungen in einem Agri-PV-System wurden zunächst die zu erfassenden Parameter gesammelt. Anschließend wurden diese mit dem landwirtschaftlichen Versuchskonzept abgeglichen und die Zusammensetzung der Sensorik sowie deren Position bestimmt. Insgesamt wurde auf eine Kompatibilität mit den aktuellen Modellierungsansätzen geachtet, um eine Validierung dieser zu ermöglichen.
Das Teilarbeitspaket 1.2 fokussiert sich auf die Analyse der Auswirkung des Mikroklimas innerhalb der Agri-PV-Anlage auf die Pflanzenentwicklung. Hierfür wurde die Heterogenität innerhalb einer Kultur sowie im Vergleich zu einem Referenzfeld analysiert. Für die wissenschaftliche Untersuchung dieser Fragestellung wurde ein Versuchsdesign für die Agri-PV-Anlage sowie die Referenzfläche entwickelt. Um die Heterogenität innerhalb der Agri-PV-Anlage zu erfassen, wurden die Ertrags- und Wachstumsparameter während der Hauptwuchsperiode alle zwei Wochen an fünf Positionen zwischen den Modulreihen gemessen, wobei die mittlere Position mittig zwischen der Fahrspur liegt.
Das zweite Arbeitspaket umfasste erste Untersuchungen von Nutzungskonzepten für die unbewirtschafteten Streifen unter den Modulreihen zur Förderung der Biodiversität. Teilarbeitspaket 2.1 untersucht experimentelle Nutzungskonzepte zur Förderung der Biodiversität. Die Auswirkung der heterogeneren Agrarstruktur durch die Untermodulnutzungstreifen auf die Laufkäferbiodiversität im Vergleich zur Referenzfläche wurde mit Hilfe von Barberfallen ermittelt. Hierfür wurden drei Fallen Pro Kulturstreifen aufgestellt und die gefangene Biomasse analysiert. In Teilarbeitspaket 2.2 lag der Fokus auf möglichen Synergieeffekten für die landwirtschaftliche Nutzung.
Ergebnisse
Das Projekt verfolgte primär zwei Ziele: die Erforschung des Einflusses bodennaher Agri-PV-Systeme auf Pflanzen und Mikroklima sowie die Entwicklung von Biodiversitätsförderkonzepten für nicht landwirtschaftlich genutzte Flächen unter den Modulreihen. Dabei lag der Fokus auf der Ertragsentwicklung von Pflanzen im Agri-PV-System unter veränderten Mikroklimabedingungen sowie potenziellen positiven Effekten auf die Biodiversität durch die Schaffung von Nützlingshabitaten.
Die Projektziele wurden im Großen und Ganzen erreicht, obwohl die Konzeptionierung und Installation des Monitorings sowie die Anlage der Blühstreifen aufgrund des trockenen Frühjahrs 2023 Verzögerungen erfuhren. In der Vegetationsperiode 2022/23 wurden drei Getreidearten angebaut und zwei Untermodulnutzungskonzepte umgesetzt, wodurch gesetzliche Vorgaben sogar übererfüllt wurden.
Ein umfassendes Monitoringkonzept mit 42 Sensoren wurde entwickelt, um mikroklimatische Bedingungen zu erfassen. Agrarwissenschaftliche Untersuchungen zeigten eine mögliche Auswirkung des Agri-PV-Systems auf die Pflanzenentwicklung, die jedoch weiter validiert werden muss. Es scheint, dass Pflanzen durch gesteigertes Wachstum auf geringere Lichtverfügbarkeit reagieren, wobei der östliche Streifen der PV-Module den größten Effekt aufwies. Eine vorübergehende Entwicklungsverzögerung beim Hafer innerhalb der Agri-PV-Anlage wurde beobachtet, die jedoch bis zur Ernte ausgeglichen war. Generell lag die Haferreferenz im mittleren Bereich der auf der Agri-PV-Anlage gemessenen Werte.
Die Biodiversitätsuntersuchungen ergaben vergleichbare Ergebnisse der Agri-PV-Anlage zur Referenzfläche im Haferanbau. Die Förderung der Biodiversität durch höhere Heterogenität in der Agri-PV-Anlage und gezielte Anlage von Blühstreifen bedarf weiterer Analyse.
Öffentlichkeitsarbeit
Eine große Rolle bei der Präsentation des Projektes spielten die Ökofeldtage 2023, wo das Projekt an Ständen der Partner und bei einem gemeinsamen Workshop vorgestellt und diskutiert wurde. Hierbei wurde das Projekt in einer Gesamtprojektvorstellung von Lisa-Marie Bieber (ISE) sowie verschiedenen Einzelvorträgen vorgestellt. Diese umfassten „VAckerBio – Vertikale Agri-PV aus landwirtschaftlicher Sicht“ von Elena Magenau (UHOH), „funktionelle Biodiversität in vertikalen Agri-PV-Systemen“ von Kathleen Lemanski (JKI) sowie „Vertikale bifaziale Agri-PV auf Ackerflächen“ von Simon Lahr (Next2Sun). Weiterhin fand beim #DBUdigital Online-Salon eine weitere Projektpräsentation unter dem Titel „Flächenkonkurrenz durch Photovoltaik-Anlagen – Aktuelle Entwicklungen und Lösungskonzepte“ statt. Im Landkreis Esslingen wurde am 26.09.2023 bei einem Info-Abend eine Präsentation von Andreas Kiesel mit dem Titel „Ackerbau in vertikalen Agri-PV-Anlagen – erste Erkenntnisse aus VAckerBio“ gehalten und Interessierten das Projekt vorgestellt.
Eine Publikation der Projektergebnisse, insbesondere der Ergebnisse zu Mikroklima, Pflanzenentwicklung und Biodiversität, in Kombination mit weiterführenden Ergebnissen aus VAckerBio 2 ist vorgesehen.
Fazit
Insgesamt konnte das Projekt durch die Erarbeitung von Vorgaben für die landwirtschaftliche Bearbeitung und Versuchsprotokollen einen wichtigen Grundstein für das aktuelle Folgeprojekt VAckerBio 2 legen. Das in diesem Projekt erstellte Monitoringkonzept dient als Basis für weiterführende Untersuchungen, sowie der Implementierung von Sensorik in der vertikalen Agri-PV-Anlage in Donaueschingen-Aasen. In Bezug auf Ertragsvariabilität und deren Einflussfaktoren, den Unkraut- und Krankheitsdruck, die Etablierung der Blühstreifen sowie die Auswirkungen auf die Biodiversität konnten erste wichtige Erfahrungen gesammelt werden. Außerdem konnte die zu betrachtende Fruchtfolge festgelegt werden und somit die Grundlage für die fortlaufende Validierung in den kommenden Jahren festgelegt werden.
Weiterhin konnte aufgezeigt werden, wo die Vorteile, aber auch die Grenzen von Versuchen in Demonstrationsprojekten liegen, und dass für eine exakte wissenschaftliche Auswertung der landwirtschaftlichen Versuche ein Versuchsdesign mit integrierter Referenz notwendig ist.