Hydrogen and Photovoltaic Electrification on Farm (HyPErFarm)

Der wachsende Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien in der Europäischen Union ist maßgeblich auf Windenergie, Solarenergie und Biokraftstoffe zurückzuführen. Dabei ist die Konkurrenzfähigkeit der Solarenergie in den letzten Jahren gestiegen. Experten gehen sogar davon aus, dass diese bis 2050 die größte Energiequelle der Welt darstellen wird.

Am häufigsten findet man Solarmodule auf privaten und geschäftlichen Gebäuden installiert, mehr und mehr jedoch auch auf Freiflächen. Letztere Form der Flächennutzung wird häufig kritisiert, da diese mit der Nahrungsmittelproduktion konkurriert. Eine gute Lösung dafür erscheint die kombinierte Produktion von Nahrungsmitteln und Energie auf derselben Fläche, wie dies Agriphotovoltaikanlagen (APV) ermöglichen. Durch die Art ihrer Konstruktion ist sowohl eine Bewirtschaftung mit landwirtschaftlichen Maschinen als auch eine Stromgewinnung durch Solarmodule möglich.

Da Pflanzen nur einen Bruchteil der Sonneneinstrahlung zur Produktion von Energie nutzen, ergibt sich unter dem Strich eine Produktivitätssteigerung pro Flächeneinheit. Der erzeugte Strom könnte zur Produktion von Wasserstoff genutzt werden, welcher wiederum als Treibstoff für Maschinen dienen kann. Die Landwirtschaft könnte somit einen wichtigen Beitrag zur dezentralen Energieversorgung beitragen.

Untersucht wird vor allem der Einfluss verschiedener Solarmodule auf die pflanzliche Produktion, gleichzeitig sollen die verschiedenen Nutzungsrichtungen der gewonnenen Energie aufgezeigt werden. Dabei geht es sowohl um die technische Machbarkeit als auch um eine ökologische und ökonomische Bewertung.

Die zu entwickelnden Konzepte werden anschließend in drei Pilotversuchen in drei europäischen Ländern demonstriert, bei der die Pflanzen- und Energieerzeugung umfassend bewertet wird. Die Systeme werden anschließend auf nationaler und europäischer Ebene sowie zwischen den Regionen hinsichtlich sozialer, ökologischer und rechtlicher Aspekte verglichen.

Die Europäische Kommission fördert das Projekt im Rahmen des EU-Förderprogramms für Forschung und Innovation 'Horizont 2020', mehrere EU-Staaten sind am Projekt beteiligt. In Deutschland wird das Projekt vom Fraunhofer ISE koordiniert. Die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) ist mit dem Biomasse-Institut (BIT) als eine von zwei Hochschulen für angewandte Wissenschaften im Projekt involviert und untersucht den Einfluss der Agriphotovoltaik auf die pflanzliche Produktion sowie deren Auswirkungen auf Ökonomie und Ökologie. Das im Oktober 2020 gestartete Projekt hat eine Gesamtlaufzeit von 4 Jahren

Prof. Dr. Bernhard Bauer, Leiter des BIT und Professor an der 'Fakultät Landwirtschaft, Ernährung und Lebensmittel' erforschte mit seinem Team dabei die Auswirkungen der Beschattung und der veränderten Wasserverteilung auf den Ertrag, die Qualität und die Pflanzengesundheit von vier landwirtschaftlichen Kulturen. Dazu wurden Daten beim Anbau erhoben und mit einer Referenzfläche ohne Solarmodule verglichen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Forschungen lag in der Untersuchung des Potenzials für die Kohlenstoffspeicherung im Boden. Diese erfolgte auf Flächen, die aufgrund der Photovoltaik-Stelzen nicht bewirtschaftet werden konnten und auf denen gezielt mehrjährige Pflanzen angebaut wurden.

Im Bereich des Pflanzenbaus wurde die Auswirkung der Beschattung und der inhomogenen Wasserverteilung unter der Agriphotovoltaikanlage (APV) im Vergleich zu Flächen ohne APV auf den Ertrag und die Qualität des Ernteguts anhand von vier Kulturen untersucht. Das Gerüst, auf dem die Photovoltaikmodule montiert waren, beeinflusste zum einen die flächige Bewirtschaftung. Deshalb wurden die Anpassungsschritte der Bewirtschaftung auf der technische Ebene untersucht. Zum anderen boten die Gerüsttrukturen der APV-Anlagen die Möglichkeit, kleinräumig Streifen mit Blüh- oder Dauerkulturen als Habitate für Insekten und Nützlinge in die Anbausysteme zu integrieren oder in den Streifen Kohlenstoff zu sequestrieren. Der Fokus in dem Forschungsprojekt lag auf der Quantifizierung der Kohlenstoffspeicherung durch die unterschiedliche Nutzung dieser Streifen.

In einem 2. Schritt wurde am Biomasse-Institut (BIT) die ökonomisch-ökologische Bewertung von Agriphotovoltaikanlagen (APV) mittels 'Life Cycle Costing (LCC)' und 'Life Cycle Assessment (LCA)' vorgenommen. Dabei stand folgende Fragestellung im Fokus: “Wie verändert sich der CO₂-Fußabdruck landwirtschaftlicher Kulturen durch den Anbau unter bzw. mit APV?”

Dazu wurden folgende erste Arbeitsschritte durchgeführt:

• Kosten der Errichtung der Anlage inkl. Stromanschluss
• Rentabilität der landwirtschaftliche Produktion verschiedener Kulturen
• Kosten für die Wartung der Anlage
• Kosten für (theoretischen) Rückbau der Anlage
• Festlegung von „Abschneidekriterien”

Im Anschluss wurde ein Anforderungskatalog bezüglich der Daten für das LCC und LCA erstellt, in den auch die Informationen der relevanten Projektpartner eingeflossen sind. Nach entsprechender Rückkoppelung durch die Partner wurde ggf. eine Anpassung des Anforderungskataloges vorgenommen. Dann erfolgte die Datensammlung und -strukturierung sowie die Erstellung der LCC- und LCA-Modellschemata. Nach Fertigstellung der LCC- und LCA-Modelle.

Prof. Dr. Ulrich Bodmer von der FKAE widmete sich der ökonomischen und ökologischen Bewertung der Agriphotovoltaikanlagen (APV). Der Schwerpunkt lag hierbei auf einer Kosten-Nutzen-Analyse der APV und berücksichtigte u. a. Ertragseinbußen, Mehrertrag durch Stromerzeugung sowie die positive Umweltwirkung. Geprüft wurde dabei auch, ob mögliche positive Auswirkungen auf die Umwelt (z. B. die Kohlenstoff-Sequestrierung) in die Förderung bestehender Umweltprogramme integriert werden können.