Agrivoltaik: Die Zukunft der nachhaltigen Landnutzung

Angesichts des wachsenden Drucks, das Energiesystem zu dekarbonisieren und gleichzeitig Ackerland und biologische Vielfalt zu erhalten, wird die Agrivoltaik schnell zu einem wichtigen Weg für eine nachhaltige Entwicklung.

Eine Lösung für zwei Krisen
Agrivoltaik, also die gemeinsame Nutzung von Photovoltaikanlagen und landwirtschaftlichen Aktivitäten, löst zwei grundlegende Herausforderungen: die Nachfrage nach sauberer Energie und die Erhaltung fruchtbarer landwirtschaftlicher Flächen. Da Photovoltaikanlagen auf dem Boden oft wegen der Inanspruchnahme landwirtschaftlicher Flächen kritisiert werden, bietet Agrivoltaik eine vorteilhafte Alternative.

Wie der Bericht hervorhebt, kann Agrivoltaik die Widerstandsfähigkeit der Landwirtschaft gegenüber dem Klimawandel stärken, indem sie Pflanzen vor extremen Wetterbedingungen schützt, was zu einer verbesserten Wasserspeicherung und sogar zur Schaffung von Biotopen führen kann, die die Artenvielfalt fördern. Diese doppelte Funktion macht agrivoltaische Systeme besonders relevant in einer Zeit, in der sich klimatische Phänomene verschärfen und die Weltbevölkerung weiter wächst.

Globale Trends und technologische Vielfalt
Der Bericht verweist auf das enorme Potenzial agrivoltaischer Anwendungen, von kompakten oberirdischen Systemen in Japan, die für den Gartenbau angepasst sind, bis hin zu großflächigen Zwischenraumsystemen in den USA, die auf Weidewirtschaft und Bestäuber ausgerichtet sind. Bis 2021 stieg die Agrar-Photovoltaik weltweit von nur 5 MW_p im Jahr 2012 auf 14 GW_p, dank der aktiven Unterstützung durch Regierungen in Ländern wie Frankreich, Deutschland, Italien und China.

Die verschiedenen Konfigurationen der Agrar-Photovoltaik unterscheiden sich erheblich. Überirdische Systeme, Zwischenraumsysteme und die Integration in Gewächshäuser bieten einzigartige Vorteile und konstruktive Herausforderungen. Und da die landwirtschaftlichen Praktiken weltweit sehr unterschiedlich sind, gibt es keinen universellen Ansatz. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Pflanzenarten und die Systemkonstruktion sorgfältig auf das Klima abzustimmen.

Modellierungs- und Simulationswerkzeuge
Um die Effizienz der Agrar-Photovoltaik zu maximieren, müssen die landwirtschaftlichen und photovoltaischen Leistungen vor der Installation modelliert und simuliert werden. Dies ist für die optimale Auslegung und den optimalen Betrieb des Systems unerlässlich.

Zur Simulation der Wechselwirkungen zwischen Photovoltaikmodulen und landwirtschaftlichen Aktivitäten können verschiedene Modellierungsansätze kombiniert werden, von der Simulation der Sonneneinstrahlung und der Verschattungsanalyse bis hin zu Modellen der Pflanzenproduktivität und der Bodenhydrologie. Die Modellierung wird jedoch komplexer, wenn Parameter wie Geografie, Pflanzenart und lokales Klima berücksichtigt werden. Daher sind dringend integrierte Instrumente erforderlich, die diese Variablen flexibel kombinieren können.

Leistungsrahmen und Leistungsindikatoren
Zur Unterstützung einer konsistenten Bewertung schlägt der Bericht einen umfassenden Rahmen für die Bewertung der Leistung von Agri-Photovoltaik-Systemen vor. Im Mittelpunkt stehen dabei mehrere Leistungsindikatoren, darunter:

• Landäquivalentverhältnis: Misst die kombinierte Produktivität von Landwirtschaft und Energieerzeugung im Vergleich zu ihrer individuellen Leistung auf separaten Flächen.
• Spezifischer Ertrag (kWh/kW): Gibt die elektrische Produktivität pro installierter Leistung der Photovoltaikanlage an.
• Wasserproduktivität (WP): Bewertet die Effizienz der Wassernutzung beim Anbau von Pflanzen unter Photovoltaikmodulen.

Diese Parameter sind grundlegende Benchmarking-Instrumente, mit denen nicht nur die doppelte Leistung der Agrivoltaik, sondern auch ihre Kompromisse und Synergien bewertet werden können.

Betriebliche Herausforderungen und Überwachung
Agrivoltaik-Systeme erfordern strenge Überwachungsprotokolle aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit ihrer verschiedenen Komponenten. So kann beispielsweise die Verschattung durch Photovoltaikmodule das Pflanzenwachstum beeinträchtigen, während landwirtschaftliche Aktivitäten den Verschleiß der Photovoltaik-Infrastruktur erhöhen können. Überwachungssysteme müssen daher gleichzeitig den landwirtschaftlichen Ertrag, die elektrische Leistung, variable Mikroklimafaktoren und den Wartungsbedarf des Systems überwachen.

Zu den betrieblichen Herausforderungen gehören auch die höhere Komplexität und die Risiken bei Wartung und Betrieb, Sicherheitsfragen bei Systemen, die mit der Tierhaltung integriert sind, sowie logistische Schwierigkeiten bei der Koordination zwischen Landwirten und Betreibern von Energiesystemen. Der Bericht befürwortet adaptive Überwachungsrahmen und regelmäßige Datenanalysen, um Leistungshindernisse zu vermeiden.

Den Weg in die Zukunft ebnen
Die Agrivoltaik ist noch eine junge Branche und steht vor vielen Herausforderungen, wie dem Bedarf an integrierten Modellierungsinstrumenten und Unsicherheiten in Bezug auf Betrieb und Wartung sowie die langfristige Leistungsfähigkeit. Wie der Bericht jedoch deutlich zeigt, sind die Chancen enorm. Die doppelte Nutzung könnte eine transformative Rolle bei der Erreichung der Klimaziele, der Erhaltung der Ökosysteme und der Förderung der landwirtschaftlichen Produktivität in einer sich erwärmenden Welt spielen.

Zukünftige Forschung und Politik sollten sich auf die Präzisierung der Definitionen von Agrivoltaik, die Entwicklung leistungsbasierter Anreize und die Finanzierung interdisziplinärer Studien konzentrieren, um Wissenslücken zu schließen. Durch die Konzentration auf Design, Überwachung und Zusammenarbeit kann die Agrar-Photovoltaik von experimentellen Pilotprojekten zu Mainstream-Lösungen im Energie- und Agrarsektor werden.

Angesichts des wachsenden Drucks auf die Landnutzung bietet die Agrar-Photovoltaik ein vielversprechendes Modell, bei dem Solarmodule nicht nur Energie gewinnen, sondern auch zur Bewirtschaftung der Fläche beitragen, auf der sie stehen.