Agri-PV: Photovoltaik und Landwirtschaft kombinieren

Die Agri-Photovoltaik, oder Agri-PV, beschreibt ein Konzept zur Doppelnutzung einer Fläche. Sie wird gleichzeitig für die Stromerzeugung und für die landwirtschaftliche Produktion eingesetzt. Damit löst die Agri-PV den Flächenkonflikt zwischen Landwirtschaft und erneuerbaren Energien. Auch die Bezeichnungen Agrophotovoltaik, Agro-PV, Agrivoltaik und Agrar-PV beziehen sich auf diesen Ansatz.

Wie die Doppelnutzung der Fläche funktioniert? Bei der Agri-PV sind die Module so montiert, dass nahezu die gesamte Fläche zugänglich bleibt. Hier können Landwirt:innen weiterhin Pflanzen anbauen oder Tiere weiden lassen. Besonders gut lässt sich die Doppelnutzung durch in der Höhe montierte PV-Module vereinen. Sie halten die Bodenfläche fast vollständig frei, sodass die Bewirtschaftung mit Traktoren möglich ist.

Erneuerbare Energien stehen in Sachen Fläche traditionell in Konkurrenz zur Landwirtschaft. So geht der Anbau von Biomasse für die Erzeugung von Biogas zulasten der verfügbaren Fläche für die Lebensmittelproduktion. Ganz ähnlich verhält es sich mit der Photovoltaik. Beim herkömmlichen Aufbau einer Freiflächenanlage geht die Fläche für den Anbau verloren.

Dabei hat die Photovoltaik eine deutlich höhere Flächeneffizienz als der Anbau von Biomasse, denn die Sonnenergie liefert viel mehr Energieertrag pro Quadratmeter. Mit der Agri-PV ist nun sogar die gleichzeitige Nutzung der wertvollen Flächen für Lebensmittel- und Stromproduktion möglich. Das Potenzial der Technologie haben viele Länder erkannt, sodass die installierte Leistung in den letzten Jahren stark gestiegen ist. Agri-PV-Anlagen liefern nun weltweit mehr als 14 Gigawatt Strom, wobei es im Jahr 2012 erst fünf Megawatt waren. Vor allem Japan, China, Frankreich und die USA zählen bisher zu den Förderern der Agri-PV.

Ackerwirtschaft, Obstanbau oder Fischzucht: Die Agri-PV macht die Stromerzeugung mit vielen landwirtschaftlichen Nutzungsarten vereinbar. Meist hat die PV sogar Vorteile für die Landwirtschaft. Höhere Erträge und zuverlässigere Ernten sind möglich. Wie das in der Praxis aussehen kann, zeigen unsere Anwendungsbeispiele.

1. Agri-PV im Obstanbau

Hoch aufgeständerte PV-Anlagen eignen sich besonders für die Anwendung auf Obstanbauflächen. Die PV-Module sind an Konstruktionen mit großer Spannweite über den Bäumen angebracht. Damit bleibt die Fläche ohne Einbußen für den Anbau nutzbar. Noch besser: die Agri-PV liefert sogar einen Mehrwert für den Anbau. Dieser leidet nämlich unter den Folgen des Klimawandels. Hohe Temperaturen, ein geändertes Aufkommen des Niederschlags und extreme Wetterphänomene wie Hagel oder Stürme bedrohen den Ertrag. Landwirt:innen nutzen Netze und Folien, um beispielsweise die Apfelernte vor Schäden zu schützen. Diese Schutzfunktion kann auch die Agri-PV leisten. Hoch aufgeständerte PV-Module schirmen die Obstbäume nach oben ab und ersetzen die bisherigen Schutzvorrichtungen. Gleichzeitig liefert die PV-Anlage Energie, die direkt für die Bewirtschaftung der Obstbäume zur Verfügung steht.

3. Gemüseanbau mit Agri-PV

Ein weiteres Anwendungsbeispiel stellt die Kombination der Agri-PV mit dem Kartoffelanbau dar. Hier kommen hoch aufgeständerte PV-Module zum Einsatz, die an freitragenden Konstruktionen angebracht sind. Sie orientieren sich an den Reihen der Kartoffelpflanzen. Solch ein Aufbau stellt sicher, dass die Kartoffeln für Pflege und Ernte problemlos zugänglich sind. Landwirt:innen können mit den bestehenden Geräten weiterarbeiten. Eine Versuchsanlage am Bodensee steigert die Effizienz der genutzten Fläche um bis zu 86 Prozent. Die Erträge aus der gleichzeitigen Produktion von Gemüse und Strom übersteigen die Ergebnisse isolierter Konzepte also deutlich. Auf den Gemüseanbau bezogen, bewirkt die Agri-PV einen Hitzeschutz für Dürreperioden. Damit stabilisiert sie die Erträge.

Die Anwendungsbeispiele befinden sich in Deutschland teilweise noch in der Erprobung und Optimierung. Abgesehen davon gibt es jedoch bereits einige Anlagen, die in den produktiven Einsatz übergegangen sind. Weltweit gibt es viele weitere Agri-PV-Anwendungen mit unterschiedlichen Schwerpunkten. Dazu zählen die Fischzucht oder die Schaffung stabiler Anbaubedingungen in Gegenden, die von extremer Trockenheit bedroht sind. In Schwellen- und Entwicklungsländern kann die Agri-PV damit einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Lebensumstände der Bevölkerung leisten.

Für die Umsetzung der Agri-PV stehen verschiedene technische Möglichkeiten zur Auswahl. Das muss auch so sein, schließlich unterscheiden sich die landwirtschaftlichen Anwendungen deutlich in Hinblick auf Maschinenpark, Bewässerung, Platzbedarf und Zugänglichkeit der Flächen.

Die Höhe der Agri-PV-Systeme ist ein grundsätzliches Unterscheidungsmerkmal. Bodennahe Systeme sind günstiger in der Umsetzung, kosten aber mehr Fläche. Dagegen halten hoch aufgeständerte Anlagen das Maximum an Fläche für Maschinen zugänglich. Sie sind dafür aber auch kostenintensiver. In der Höhe montierte Agri-PV eignet sich vor allem für den Acker- und Gartenbau. Bodennahe Anlagen kommen dagegen in der Grünlandbewirtschaftung zum Einsatz. Dort lassen sie sich optimal mit Blühstreifen kombinieren. Trotz der höheren Kosten für aufgeständerte Anlagen sind diese durch die höhere Flächeneffizienz attraktiv. Diese Anlagen bieten den Pflanzen auch eine größere Schutzwirkung vor der Witterung.

Neben der unbeweglichen Montage können Betreiber:innen eine weitere Möglichkeit der Anbringung wählen. Agri-PV mit Tracker-System (oder Nachführsystem) verfügen über bewegliche PV-Module. Tracker-Systeme haben zwei wesentliche Vorteile gegenüber fest aufgeständerten Anlagen: Erstens folgen sie in ihrer Ausrichtung dem Tagesverlauf der Sonne, sodass sie stets in einem optimalen Winkel zur Strahlung stehen. Damit lässt sich der Stromertrag vor allem morgens und abends deutlich verbessern. Höhere Kosten gegenüber fixen Systemen kompensieren Tracker-Systeme durch den gesteigerten Stromertrag, wobei das Plus ca. 25 Prozent beträgt. Zweitens können die Module dank Nachführsystem in eine waagerechte Position schwenken, sodass sie zusätzliche Bodenfläche für die Bearbeitung mit landwirtschaftlichen Maschinen freigeben. So können Landwirt:innen die Wiese mähen oder Getreide ernten, wo normalerweise PV-Module Strom erzeugen.

Neben offen Konstruktionen gibt es auch sogenannte geschlossene Bauweisen der Agri-PV. Damit sind beispielsweise Gewächshäuser gemeint, bei denen die PV-Module die Dachfläche bilden. Solche Anlagen machen riesige Dachflächen für die Stromproduktion nutzbar. Geschlossene Aufbauten eignen sich zusätzlich für Aquakulturen. Das Fraunhofer Institut arbeitet derzeit an einem Forschungsprojekt, das die nachhaltige Garnelenzucht in Thailand dank Agri-PV untersuchen soll. Dabei befinden sich unter einem Solar-Tunneldach die Wasserbecken für die Aufzucht der Tiere. Die PV-Module im Dach sollen den Wasserverbrauch reduzieren und gleichzeitig Strom erzeugen.

Agri-PV eignet sich für den Einsatz in nahezu allen Bereichen der Nahrungsmittelproduktion. Je nach Ausgestaltung können Flächen, die zu Tierzucht, Ackerbau oder Aquakultur dienen, eine PV-Anlage erhalten. Das Prinzip besteht immer darin, eine Doppelnutzung der Fläche für die ursprüngliche Produktion und die Stromerzeugung herbeizuführen. Expert:innen müssen jeweils die geeignete technische Umsetzung der Agri-PV identifizieren. Sie lassen sich dabei vom optimalen Gesamtertrag aus Landwirtschaft und Strom leiten.

Agri-PV kann dabei sogar mehr sein als die bloße Summe aus landwirtschaftlichem Ertrag und zusätzlicher Stromproduktion. Denn entgegen kritischen Stimmen ist die Agri-PV geeignet, die landwirtschaftliche Nutzung sogar zu verbessern. Wissenschaftler:innen sehen es als gesichert an, dass die Agri-PV in niederschlagsarmen Jahren die Produktion stabilisiert. Das ist auf die geringere Verdunstung durch die schattenspendenden PV-Module zurückzuführen. In Jahren mit ausreichenden Regenfällen reduziert die Agri-PV die Erntemengen dagegen. Da die Wasserknappheit zunimmt, gilt die wassersparende Wirkung der Agri-PV insgesamt als Vorteil. Vor allem in sehr trockenen Regionen ist die Agri-PV damit attraktiv.

Wichtig ist dabei die korrekte Kombination aus Agri-PV und Feldfrüchten. Während Obst und Gemüse von der Beschattung profitieren, leidet der Ertrag bei Getreide oder Knollenfrüchten tendenziell. Mais oder Soja sind weniger gut für die Kombination mit Agri-PV-Anlagen geeignet, da die geringere Sonneneinstrahlung die Erntemenge deutlich reduziert.

Die Ernte ist jedoch nicht nur von der Sonneneinstrahlung abhängig. Verdunstet das Wasser durch Wind, kann es zu Trockenheit oder erhöhtem Bewässerungsaufwand kommen. Hagel und Frost bedrohen außerdem die Ernte. Die Agri-PV entschärft diese Gefahren. Sie sorgt damit für stabilere Erträge, obwohl die extremen Wetterereignisse zunehmen. Richtig angewendet, kann die Agri-PV also die Erträge sogar steigern und dabei zusätzliche Einnahmen durch den Stromverkauf erzielen.

Von den theoretisch möglichen 1.700 Gigawatt Leistung ist die Agri-PV in Deutschland aktuell noch weit entfernt. Zum Vergleich: Aufdachanlagen, Freiflächenanlagen und die Agri-PV zusammen kommen auf über 77 Gigawatt installierte Leistung (Stand: Oktober 2023). Die Agri-PV macht davon bisher den geringsten Anteil aus.

Dass sich das ändern soll, spiegelt sich im Solarpaket der Bundesregierung im Rahmen der Novelle des EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) aus 2023 wider. Um die herausfordernden Ziele beim Ausbau der Photovoltaik zu unterstützen, setzt die Regierung vermehrt auf die Agri-PV. Sie wird neben den Dachanlagen zu einem wichtigen PV-Segment. Dabei möchte die Politik die Flächenkonkurrenz mit der Landwirtschaft vermeiden.

Die Agri-PV soll daher bis 2030 auf bis zu 80 Gigawatt ausgebaut werden. Als Unterstützung der Agri-PV sollen eigene Förderprogramme und die einfachere Nutzbarkeit von Flächen dienen. Die Bundesregierung möchte besonders Agri-PV-Anlagen fördern, die sich mit der Artenvielfalt und einer schonenden Nutzung für die Landwirtschaft vereinen lassen. Hoch aufgeständerte Anlagen mit mindestens 2,10 Meter lichter Höhe oder die vertikale Montage sind besonders förderwürdig. Auch die schonende Bewirtschaftung der Fläche durch reduzierte Düngung und Blühstreifen zählt zu den Kriterien.

Neben der primären Funktion zur Nutzung regenerativer Energien trägt die Agri-PV zudem auf andere Arten zum Schutz unserer Umwelt und der Bekämpfung der Folgen des Klimawandels bei. Das sind die weiteren Vorteile der Agri-PV:

• Weniger Wasserverbrauch durch geringere Verdunstung
• Artenvielfalt bei Pflanzen und Tieren durch schonende Nutzung der Fläche
• Schutz vor Bodenerosion
• Erschließung einer stabilen Einnahmequelle für Landwirt:innen

Laut einer Studie der Universität Hohenheim könnte ein Prozent der Ackerfläche Deutschlands per Agri-PV neun Prozent des gesamten Strombedarfs decken. Diese Zahl macht deutlich, welchen Stellenwert die Agri-PV für die Energiewende einnehmen kann.

Viel Potenzial, bisher wenig Anwendungen: Damit die Agri-PV zu einer echten Säule der Energiewende wird, muss sich in der Praxis noch einiges tun. Bei der Umsetzung der Anlagen gibt es derzeit noch viele Hürden.

Es beginnt bereits mit den notwendigen Flächen. Die zuständigen Gemeinden müssen Äcker und Wiesen im Flächennutzungsplan korrekt ausweisen, damit sie für die Agri-PV nutzbar werden. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Grundstücke ihre landwirtschaftliche Widmung behalten. Die notwendigen Genehmigungsverfahren sind oft zeitraubend und aufwendig. Außerdem müssen die Projektteams in der Planungsphase zusammen mit der Baubehörde bereits genaue Überlegungen zur Bewirtschaftung der Fläche aufstellen. Kleinere Anlagen werden in Zukunft jedoch erleichterte Genehmigungsverfahren durchlaufen, um die Umsetzungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Daneben arbeiten die Expert:innen weiter daran, das Zusammenspiel von Landwirtschaft und Photovoltaik zu optimieren. Art der Bewirtschaftung, Maschinenpark, Geländebeschaffenheit: Das alles muss in Betracht gezogen werden, um eine effiziente Agri-PV zu entwerfen. Schließlich sollen die finanziellen Gesamterträge durch die Hinzunahme der Stromproduktion deutlich steigen, auch wenn die Ernte leicht zurückgeht. Dabei sind oft individuelle Lösungen gefragt, die es nicht von der Stange zu kaufen gibt. Kostenintensive Sonderkonstruktionen senken wiederum die wirtschaftliche Attraktivität der Agri-PV-Anlagen. Mit einer höheren Einspeisevergütung und weiteren Förderungen kann der Staat wirkungsvolle Anreize setzen, damit der Ausbau zügig voranschreitet.

Lohnt sich die Agri-PV? Der Frage muss wohl jeder landwirtschaftliche Betrieb selbst nachgehen. Die erfolgreichen Praxisstudien zeigen, dass das Konzept funktioniert und Potenzial für die weitere Optimierung birgt. Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit hängen jedoch stark von der bisherigen Nutzung der Fläche ab. Nur mit genauer Planung lässt sich eine gesicherte Prognose abgeben. Der Ausblick ist jedoch durch die zusätzliche Einnahmequelle aus der Produktion des gefragten Grünstroms insgesamt sehr gut. Mit der Novelle des EEG soll der Ausbau der Agri-PV Fahrt zusätzlich Fahrt aufnehmen. Erleichterte Genehmigungsverfahren und zugängliche Förderangebote werden die Umsetzung erleichtern.