Masterarbeit - Evaluierung einer möglichen Steigerung der Klimaresilienz im Hopfenanbau durch die Etablierung einer Agri-Photovoltaikanlage am Beispiel einer Pilotanlage in der Hallertau.

Anthropogenic climate change and its consequences present a multitude of challenges to global agriculture, for now and in the future. Climatic changes are already evident in Hallertau, the world's largest contiguous hop-growing region. There has been an in-crease in extreme weather events such as hail, storms, heavy rain and periods of drought. This is making hop production in the Hallertau more volatile. There are increasing annual fluctuations in harvest volume and hop quality. For several years now, agrivoltaics has been an innovative approach to making crop production systems more resilient to the consequences of climate change. Agrivoltaics combine the production of agricultural goods and renewable energy on the same area of land.

The first commercial agrivoltaics system combined with hop cultivation was built in Hallertau in 2023. The agrivoltaics system is being used as a pilot plant for research purposes. As part of the ‘HoPVen’ research project, which is funded by the Federal Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, the opportunities and risks of using agri-photovoltaics in conventional hop cultivation are being evaluated. A key focus is investigating how agrivoltaics could increase the climate resilience of hop cultivation.

This scientific paper focuses on the key research topic of evaluating a potential in-crease in climate resilience. To this purpose, a two-year field trial was conducted at the pilot plant. The hops agrivoltaics is equipped with photovoltaic modules in two sizes, as well as reference areas without modules. The smaller modules generate an average reduction in solar radiation (RSR) of around 28%, while the larger ones generate an RSR of around 37%. The hop varieties Hallertauer Tradition and Herkules are cultivated on the trial area, which covers approximately two hectares. As part of the trial, soil moisture was monitored using sensors, including measurements of volumetric soil water content and suction tension. The yield and quality of the hops cultivated under the agrivoltaics system were determined through a trial harvest, followed by analysing the harvested crop for its alpha acid and hop oil content. Additionally, the in-festation of the hops with powdery mildew was assessed in both the crop and the har-vested material due to its dependence on light intensity.

The significance of the results of the experiment and their interpretation is limited. Due to non-influencable factors at the test site, it was not possible to randomise the test plots. Nevertheless, the results from the pilot plant enable us to identify trends regarding the impact of an agri-photovoltaic system on hop cultivation beneath it, a finding which is reinforced by its consistency over several years.

The following conclusions can be drawn from the two-year field trial:

Although there was 200 mm more precipitation during the growing seasons in 2024 than in 2025 at the trial site, a tendency towards longer-lasting soil moisture conserva-tion was observed in both years in the area affected by the agrivoltaics system. This was evident from higher soil water content and lower suction tensions in the shaded areas. In the 2025 growing season, which saw lower precipitation, the differences be-tween the variants were much more pronounced. Better infiltration was also observed in the area of the agrivoltaics system. However, in addition to the conserving effect, precipitation was distributed heterogeneously under the agrivoltaics system, as reflected in partial erosion events.

The hop stocks responded to the shading caused by the agri-photovoltaic system by reducing their yield while maintaining the same quality. For the Hallertauer Tradition variety a yield reduction of 17% at 28% RSR and 38% at 37% RSR was observed in 2024, compared to 9% and 27% respectively in 2025. The Herkules variety exhibited a slightly more sensitive response to reduced sunlight with yield reductions of 11% at 28% RSR and 38% at 37% RSR in 2024 and 19% at 28% RSR and 33% at 37% RSR in 2025. Under moderate shading, the minimum yield of 66% of the reference yield defined in DIN 91434 was achieved in all cases. Under intensive shading, this could not always be guaranteed. Overall, the ingredients of the hops were more stable in relation to shading than yield. Alpha acids only reacted to intensive shading with a moderate decrease in content. Hop oils also reacted to shading, but there was no clear trend in relation to the degree of shading. The yield and quality of hops cultivated under the agrivoltaics system appeared to depend on variety choice, annual weather conditions, and degree of shading.

Powdery mildew infestation was negatively affected by the reduction in light caused by the photovoltaic modules. The factors influencing higher levels of powdery mildew un-der the agrivoltaics system included the susceptibility of the hop variety, its stock strength, weather conditions at the site, and the degree of artificial shading.

Overall, there is clear potential to increase climate resilience, primarily through the wa-ter-conserving effect of the agrivoltaics system. However, the results from the pilot plant suggest that the system could be improved. Solutions to reduce shading of the hop plants and optimise rainwater distribution, particularly at the drip edges of the pho-tovoltaic modules, are recommended at this point. As a pilot project, agri-photovoltaics in hop cultivation could set a trend for a more climate-resilient and decarbonised hop cultivation.

Zusammenfassung:

Der anthropogene Klimawandel und dessen Folgen stellen die globale Agrarwirtschaft, heute und auch in Zukunft, vor zahlreiche Herausforderungen. Bereits heute sind in der Hallertau, dem größten zusammenhängenden Hopfenanbaugebiet der Welt, klimatische Veränderungen spürbar. Wetterextreme wie Hagel, Stürme, Starkregen sowie Hitze- und Dürreperioden nehmen zu. Dies führt zu einer Volatilität in der Hallertauer Hopfenproduktion. Jährliche Schwankungen der Erntemenge sowie der Qualität des Hopfens mehren sich. Ein innovativer Ansatz die Resilienz pflanzenbaulicher Systeme gegenüber den Folgen des Klimawandels zu steigern, ist seit einigen Jahren das System der Agri-Photovoltaik. Agri-Photovoltaik kombiniert die Produktion landwirtschaftlicher Güter und die Erzeugung erneuerbarer Energie auf derselben Fläche und verspricht dabei Symbioseeffekte zwischen beiden Systemen.

Im Jahr 2023 ist in der Hallertau die erste kommerzielle Agri-Photovoltaikanlage in Kombination mit Hopfenbau ans Netz gegangen. Sie dient derzeit als Pilotanlage für Forschungszwecke. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat geförderten Forschungsprojekts “HoPVen“ sollen die Chancen und Risiken der Agri-Photovoltaik im konventionellen Hopfenbau evaluiert werden. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Untersuchung einer möglichen Steigerung der Klimaresilienz im Hopfenbau.

In dieser wissenschaftlichen Arbeit wird das zentrale Forschungsthema, die Evaluierung einer möglichen Steigerung der Klimaresilienz, behandelt. Dazu wurde ein zweijähriger Feldversuch unter der Pilotanlage durchgeführt. Die Hopfen Agri-Photovoltaikanlage ist mit Photovoltaikmodulen in zwei verschiedenen Größen sowie mit Bereichen ohne Module als Referenzfläche ausgestattet. Die kleineren Module erzeugen eine durchschnittliche Reduktion des Sonnenlichts (RSR) von etwa 28 %, die größeren von etwa 37 %. Auf der circa zwei Hektar großen Versuchsfläche werden die Hopfensorten Hallertauer Tradition und Herkules kultiviert. Im Rahmen des zweijährigen Versuchs wurde ein sensorbasiertes Monitoring der Bodenfeuchte durchgeführt, welches Messungen des volumetrischen Bodenwassergehalts und der Saugspannung umfasste. Der Ertrag und die Qualität des unter der Agri-Photovoltaikanlage kultivierten Hopfens wurden durch eine Versuchsernte mit anschließender Analyse des Ernteguts auf den Gehalt der wertgebenden Inhaltsstoffe der Alphasäuren und der Hopfenöle ermittelt. Zudem wurde der Befall des Hopfens mit “Echtem Mehltau“, aufgrund dessen Abhängigkeit zur Lichtstärke, im Bestand sowie im Erntegut bonitiert.

Die Ergebnisse des Versuchs und deren Interpretation sind in ihrer Aussagekraft beschränkt. Aufgrund nicht beeinflussbarer Gegebenheiten am Versuchsstandort war eine Randomisierung der Versuchsglieder nicht möglich. Dennoch können aus den Ergebnissen der Pilotanlage Tendenzen, welche durch über ihre mehrjährige Wiederholbarkeit bestärkt werden, zu den Auswirkungen einer Agri-Photovoltaikanlage auf den darunter stattfindenden Hopfenbau abgeleitet werden.

Aus dem zweijährigen Feldversuch lassen sich folgende Erkenntnisse ableiten:

Obwohl die Niederschlagsmenge der Vegetationsphase im Jahr 2024 am Versuchsstandort um 200 mm höher war als im Jahr 2025, wurde in beiden Jahren eine Tendenz zu einer längeren Konservierung der Bodenfeuchte im Wirkungsbereich der Agri-Photovoltaikanlage ausgemacht. Dies zeigte sich durch höhere Bodenwassergehalte sowie geringere Saugspannungen in den beschatteten Bereichen. In der niederschlagsärmeren Vegetationsperiode 2025 waren die Unterschiede zwischen den Varianten deutlich stärker ausgeprägt. Zudem konnte eine bessere Infiltration im Bereich der Agri-Photovoltaikanlage festgestellt werden. Neben der konservierenden Wirkung zeigte sich jedoch auch eine heterogene Verteilung des Niederschlags unter der Agri-Photovoltaikanlage, was sich unter anderem in partiellen Erosionsereignissen widerspiegelte.

Die Hopfenbestände reagierten auf die Beschattung durch die Agri-Photovoltaikanlage mit einer Reduktion des Ertrags bei gleichbleibender Qualität. So konnte für die Sorte Hallertauer Tradition eine Ertragsreduktion von 17 % bei 28 % RSR und 38 % bei 37 % RSR für das Jahr 2024 sowie von 9 % bei 28 % RSR und 27 % bei 37 % RSR für das Jahr 2025 festgestellt werden. Die Sorte Herkules zeigte mit einer Ertragsreduktion von 11 % bei 28 % RSR und 38 % bei 37 % RSR im Jahr 2024 sowie 19 % bei 28 % RSR und 33 % bei 37 % RSR im Jahr 2025 eine insgesamt etwas sensiblere Reaktion auf die Reduktion des Sonnenlichts. Unter der moderaten Beschattung wurde in jedem Fall der nach DIN 91434 definierte Mindestertrag von 66 % des Referenzertrags erreicht. Bei der intensiven Beschattung konnte dies hingegen nicht immer gewährleistet werden. Der Gehalt an Inhaltsstoffen war insgesamt stabiler gegenüber der Beschattung als die Erträge. Alphasäuren reagierten lediglich bei intensiver Beschattung mit einem moderaten Rückgang des Gehalts. Hopfenöle zeigten ebenfalls eine Reaktion auf die Beschattung, jedoch ohne eindeutigen Trend in Bezug auf den Beschattungsgrad. Der Ertrag und die Qualität des unter der Agri-Photovoltaikanlage kultivierten Hopfens scheint von der Sortenwahl, der jährlichen Witterung und dem Grad der Beschattung abhängig zu sein.

Die Ausbreitung der Pilzerkrankung des echten Mehltaus wurde durch die Beschattung der Agri-Photovoltaikanlage begünstigt. Eine wichtige Rolle für die Ausbreitung der Infektion spielte dabei die Witterung, die Mehltautoleranz der jeweiligen Sorte sowie die Blattdichte des Bestandes.

Insgesamt ist ein Potenzial zur Steigerung der Klimaresilienz erkennbar, vor allem durch die wasserkonservierende Wirkung der Agri-Photovoltaikanlage. Dennoch ist ein Optimierungsbedarf des Systems zu erkennen. An dieser Stelle sind Lösungen für eine geringere Beschattung der Hopfenbestände und eine Optimierung der Regenwasserverteilung, insbesondere an den Abtropfkanten der Photovoltaikmodule, zu empfehlen. Als Pilotprojekt kann die Agri-Photovoltaik im Hopfenbau als richtungsweisend für einen klimaresilienteren Hopfenbau und in weiteren Schritten auch für die Decarbonisierung des Hopfenbaus gesehen werden.