mini|Obstanbau unter einer Agri-PV-Anlage bei Kressbronn am Bodensee Agri-Photovoltaik (Abk.: Agri-PV) ist eine Technologie, die darauf abzielt, landwirtschaftliche Flächen sowohl für die Pflanzenproduktion durch Photosynthese als auch für die Gewinnung elektrischer Energie durch Photovoltaik zu nutzen. Im Jahr 2021 wurde in Deutschland die DIN SPEC 91434 veröffentlicht, die die Kriterien und Anforderungen für Agri-PV-Anlagen festlegt. Dadurch sind die technischen Risiken für alle Projektbeteiligten, insbesondere landwirtschaftliche Betriebe, Betreiber und Genehmigungsbehörden minimiert worden.DIN SPEC 91434:2021-05, Agri-Photovoltaik-Anlagen-Anforderungen an die landwirtschaftliche Hauptnutzung. 2021, .
Die Technologie ist weltweit unter verschiedenen Namen bekannt: agro-fotovoltaico in Italien, „Solar-Sharing“ in Japan, sowie der englische Begriff agrivoltaics, welcher erstmals 2011 in einer Publikation verwendet wurde und sich seitdem international durchgesetzt hat. Die weltweit erste Konferenz zu Agri-Photovoltaik lief unter dem Namen „AgriVoltaics2020“.History | AgriVoltaics Conference (agrivoltaics-conference.org)
Geschichte Idee Die Idee der Agri-Photovoltaik wurde erstmals 1981 von Adolf Goetzberger, dem Gründer des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE), und seinem Kollegen Armin Zastrow dokumentiert. In ihrem Artikel „Kartoffeln unter dem Kollektor“ in der Zeitschrift Sonnenenergie diskutierten sie die Nutzungskonkurrenz zwischen Solarstromproduktion und Pflanzenanbau auf Ackerlandflächen und erörterten das Potenzial einer dualen Nutzung.A. Goetzberger, A. Zastrow: On the Coexistence of Solar-Energy Conversion and Plant Cultivation. In: International Journal of Solar Energy. 1982, Band 1, Nummer 1, S. 55–69 .
Diese Idee sieht vor, landwirtschaftliche Flächen nicht nur für die Nahrungsmittelproduktion zu nutzen, sondern auch für die Energieerzeugung durch die Installation von Photovoltaikmodulen. Diese Dualnutzung bietet mehrere Vorteile, darunter die Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität, die Bereitstellung erneuerbarer Energie und die Schaffung neuer Einnahmequellen für Landwirte. Die von Goetzberger und Zastrow entwickelten Kriterien und Bedingungen aus den frühen 1980er Jahren dienen auch heute noch als Referenz bei der Definition von Agri-PV-Systemen.
Entwicklung Erste Prototypen dieser Technologie entwickelte 2004 der Wissenschaftler Akira Nagashima in Japan.Movellan, Junko (10. Oktober 2013). "Japan Next-Generation Farmers Cultivate Crops and Solar Energy". renewableenergyworld.com.
In Deutschland wurde das Agri-PV-Konzept durch das Fraunhofer ISE 2014 wieder aufgegriffen, sodass sich die Technologie in den letzten Jahren kontinuierlich weiterentwickelt hat. Heute findet sie in fast allen Regionen der Welt Anwendung und steigt auf eine installierte Leistung von mehr als 14 GW im Jahr 2021.Fraunhofer ISE (2022): Agri-Photovoltaik: Chance für Landwirtschaft und Energiewende : Ein Leitfaden für Deutschland | Stand April 2022, (PDF). Möglich wurde dies auch durch staatliche Förderprogramme in Japan (seit 2013), China (ca. 2014), Frankreich (seit 2017), den USA (seit 2018) und Korea, die bis 2030 10 GW installierte Leistung planen.Farming meets solar power in Africa - Part 1 (Webinar 6/30) (isep.or.jp)
Technik Offene Systeme In Deutschland werden offene Systeme durch die DIN SPEC 91434 grundsätzlich in hochaufgeständerte und bodennahe Systeme aufgeteilt, da es weltweit keine einheitliche Definition für Agri-PV gibt.
Hochaufgeständerte Agri-PV mini|Hochaufgeständerte Agri-PV bei Heggelbach Als hochaufgeständerte Anlagen gelten in Deutschland also jene, bei denen die Solarmodule eine Höhe von mindestens 2,1 m über dem Boden haben. Eine Bewirtschaftung findet deshalb in der Regel unter den PV-Modulen statt. In Österreich liegt diese Mindesthöhe bei 2 m.RIS - EAG-Investitionszuschüsseverordnung-Strom § 6 - Bundesrecht konsolidiert, Fassung vom 12.04.2022 (2022): abgerufen am 15. März 2023. Die erste Agri-PV-Forschungsanlage in Deutschland bei Heggelbach nördlich des Bodensees ist eine hochaufgeständerte Anlage mit einer Durchfahrtshöhe von 5 m. So können auch große Landmaschinen wie Mähdrescher weiterhin eingesetzt werden.
Bodennahe Agri-PV Hierbei findet die Bewirtschaftung in der Regel zwischen den PV-Modulreihen, welche geneigt oder aber vertikal aufgeständert installiert werden können, statt. Handelt es sich dann um bifaciale PV-Module, kann von beiden Seiten Strom erzeugt werden. Idealerweise sind diese nach Osten bzw. Westen ausgerichtet, wodurch die Hauptstromproduktion vor allem morgens und nachmittags/abends stattfindet. So können bis zu 15 % höhere Erträge pro installiertem kW im Vergleich zu herkömmlichen PV-Freiflächenanlagen erzeugt werden.NEXT2SUN - Agri-PV und Solarzaun für die Energiewende (2023): Next2Sun | Photovoltaik-Innovation für bis zu ca. 20 % höheren Stromertrag, Next2Sun, , abgerufen am 15. März 2023. Eine Abwandlung des Konzepts stellt der 2019 eingeführte bifaciale Solarzaun dar. Dabei werden PV-Module bodennah vertikal aufgeständert, wobei der Abstand zum Boden mit einem Gitter geschlossen wird. Der Solarzaun kann beispielsweise in der Tierhaltung als Begrenzung für Ausläufe oder Weiden genutzt werden.NEXT2SUN - Agri-PV und Solarzaun für die Energiewende (2022): Der Solarzaun - die wirtschaftliche PV-Anlagen Innovation von Next2Sun, Next2Sun, , abgerufen am 15. März 2023.
Geschlossene Systeme Geschlossene Agri-PV Anlagen sind speziell konzipierte Gewächshäuser, in denen Photovoltaikmodule in die Dach- oder Fassadenstrukturen integriert sind. Diese Module erzeugen Solarstrom, während sie gleichzeitig Schatten und Schutz für die darunter wachsenden Pflanzen bieten.
PV-Gewächshäuser PV-Gewächshäuser bieten geschützte Umgebungen für Pflanzen, wodurch diese vor Schädlingen und Krankheiten bewahrt werden. Dies führt zu höheren Qualitätsstandards und Erträgen, insbesondere in Regionen mit ungünstigen klimatischen Bedingungen wie Dürre. Darüber hinaus fördern diese Anlagen nachhaltige Landwirtschaft, da sie den Bedarf an Pestiziden und den Wasserverbrauch reduzieren können. Sie tragen auch zur Verringerung von Treibhausgasemissionen bei und unterstützen die Umstellung auf erneuerbare Energien.Ires (o. D.): Home, SusMedHouse, , abgerufen am 15. März 2023.
Der Genehmigungsprozess kann bei PV-Gewächshäusern vereinfacht werden, da es sich laut dem Baugesetzbuch um ein Gebäude handelt und somit nicht als bauliche Anlagen bewertet werden muss, wie es bei offenen Agri-PV-Anlagen der Fall ist.Stephan Schindele (2021): Feldfrüchte und Strom von Agrarflächen: Was ist Agri-Photovoltaik und was kann sie leisten? In: Gaia (Heidelberg), oekom verlag, Bd. 30, Nr. 2, S. 87–95, .
PV-Module Üblicherweise werden weltweit vor allem waferbasierte Silizium-Solarzellen für Agri-PV-Anlagen eingesetzt. Im Fall der Agri-PV kann durch eine transparente rückseitige Abdeckung (zum Beispiel aus Glas) das Licht aus den Zellzwischenräumen teilweise durchgelassen werden und erreicht somit die darunterliegenden Pflanzen.
Alternativ zu den semitransparenten Modulen können auch Dünnschichtmodule eingesetzt werden. Diese können auf flexiblen Substraten realisiert werden, wobei ihr Flächengewicht deutlich niedriger ist.
Auch bifaciale PV-Module sind in vielen Fällen geeignet. Dabei handelt es sich um doppelseitige Module, deren Solarzellen auf beiden Seiten Strom produzieren können. So können sie mehr Energie erzeugen als klassische PV-Module. Gerade bei hochaufgeständerten Agri-PV-Anlagen empfangen die Modulrückseiten typischerweise mehr Licht als bei herkömmlichen PV-Freiflächenanlagen. Diese Module werden gerne für vertikale Agri-PV-Anlagen genutzt.
Eine andere Variation sind die PV-Röhrenmodule, die von der Firma TubeSolar hergestellt werden. Durch die spezielle dünnschichtige Fertigung in Röhrenform sollen Licht und Wasser gleichmäßiger durchgelassen werden. Außerdem reinigen sich die PV-Module dank der runden Oberfläche selbst.
Auch Module der organischen Photovoltaik können auf flexiblen Untergründen eingebunden werden, so zum Beispiel auf Folientunneln. Deren Wirkungsgrad sowie Haltbarkeit ist derzeit allerdings noch gering.
Mittlerweile gibt es außerdem erste kommerzielle Anbieter für PV-Module der konzentrierten Photovoltaik. Bei dieser speziellen Herangehensweise wird das Licht durch Linsen oder Spiegel auf kleinen fotoaktiven Flächen gebündelt, wodurch höhere Energieerträge generiert werden können.Insolight – Dynamic Agrivoltaic Solution (o. D.): , abgerufen am 15. März 2023.
Unterkonstruktion mini|Bodennahe Agri-Photovoltaik ohne Verankerung im Boden Die Unterkonstruktion einer Agri-PV-Anlage gilt neben der Landwirtschaft als Hauptkomponente eines Agri-PV-Systems und ist in ihrem Aufbau am komplexesten. Die gesamte Konstruktion sollte um die Pflanzen und ihr Wohlergehen herum entwickelt werden. Die konventionellen Praktiken und Techniken, die für die Unterkonstruktion bei PV-Freiflächenanlagen verwendet werden, müssen für die Agri-PV also abgeändert werden. Dies führt letztendlich zu höheren Anschaffungskosten für das gesamte System im Vergleich zu PV-Freiflächenanlagen. Die Unterkonstruktion ist meist aufwändiger und höher, um es landwirtschaftlichen Maschinen zu ermöglichen, weiter in dem System zu wirtschaften.Maximillian Trommsdorff (2016): An economic analysis of agrophotovoltaics: Opportunities, risks and strategies towards a more efficient land use. In: RePEc: Research Papers in Economics. (PDF).
Das Design der Unterkonstruktion sollte auf die Steigerung des Gesamtertrags und das Wohlbefindens der Pflanzen ausgerichtet sein. Somit müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, wie z. B. die Art der verwendeten Fundamente und ihre Auswirkungen auf den Boden, den Abstand zwischen den Reihen, die Art der gewählten Module und ihre Anordnung sowie die Integration von Bewässerungs- und/oder Wassermanagementsystemen. Neuartige bodennahe Agri-PV Systeme kommen mittlerweile ganz ohne eine Verankerung im Boden aus. Dies kann vor allem bei sensiblen Böden ein Vorteil sein, da die empfindliche Bodenzone nicht durchstoßen wird. Die Stabilität erhalten diese PV-Anlagen dadurch, dass die PV-Module unter Windlasten auslenken.
Nachführung Der einfachste Ansatz von Agri-PV-Anlagen ist es, diese festaufgeständert zu installieren. Dabei besteht die Möglichkeit, die jeweilige Installation zu optimieren, indem man die Dichte der PV-Module oder die Neigung der PV-Module verändert.
Allerdings gibt es auch nachgeführte Anlagen, wobei es sich um Tracking-Systeme handelt, womit PV-Module gesteuert werden können. So kann die optimale Position für die Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktion und der Stromproduktion gewährleistet werden.
Dazu gibt es bereits viele verschiedene Ausführungen, wie zum Beispiel das Agri-PV-Nachführsystem mit einem Seilsystem vorgeschlagen von Günter Czaloun im Jahre 2004. Der erste Prototyp wurde 2007 in Österreich gebaut.A rope rack for PV modules (2021): pv Europe, , abgerufen am 15. März 2023.
Außerdem gibt es bereits mehrere Anlagen mit zweiachsigem Nachführsystem in Italien und China installiert von der Firma REM TEC.Edera.Digital (o. D.): REM Tec - La soluzione per il fotovoltaico legata all’agricoltura, , abgerufen am 15. März 2023. Auch gibt es ein Gewächshaus mit PV-Modulen, die auf beweglichen Rollläden installiert sind. Die PV-Module können hierbei dem Lauf der Sonne entlang einer Ost-West-Achse folgen.Renewable energy: photovoltaic greenhouses | Solutions | Artigianfer (2020): Artigianfer, , abgerufen am 15. März 2023.