Eine aktuelle Feldstudie der Universität Hohenheim zeigt bei Agri-Photovoltaik hohe Anpassungsfähigkeit von Nutzpflanzen. Die getesteten Sorten kommen mit der teilweisen Verschattung durch Solarmodule besser zurecht als bisher angenommen. Die Erkenntnisse könnten künftig dabei helfen, Solaranlagen auf Agrarflächen besser zu planen und gezielt Pflanzensorten auszuwählen, die sich für den Anbau unter Photovoltaikmodulen eignen.
Photovoltaik auf landwirtschaftlich genutzten Flächen steht häufig vor einem grundlegenden Zielkonflikt: Einerseits sollen Solarmodule möglichst viel klimafreundlichen Strom erzeugen, andererseits benötigen die darunter oder dazwischen angebauten Pflanzen ausreichend Sonnenlicht. Neue Forschungsergebnisse zeigen nun, dass dieser Konflikt weniger ausgeprägt sein könnte als vielfach vermutet.
Wissenschaftler der Universität Hohenheim haben gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich untersucht, wie verschiedene in Deutschland verbreitete Nutzpflanzen auf eine teilweise Beschattung reagieren. Im Mittelpunkt standen Gerste, Mais, Kohl, Kartoffeln und Ackerbohnen. Das Ergebnis: Die Pflanzen können ihren Stoffwechsel offenbar an die veränderten Lichtbedingungen anpassen und benötigen unter den untersuchten Bedingungen weniger Licht für ihre Photosynthese.
Bei Agri-Photovoltaik werden landwirtschaftliche Nutzung und Solarstromerzeugung auf derselben Fläche miteinander kombiniert. Je nach Anlagenkonzept befinden sich die Photovoltaikmodule beispielsweise oberhalb der Kulturen oder in Reihen zwischen den bewirtschafteten Flächen.
Die Module erzeugen Strom, werfen jedoch gleichzeitig Schatten. Genau dieser Effekt führt immer wieder zu der Frage, wie stark sich Agri-PV auf das Pflanzenwachstum und letztlich auf die landwirtschaftlichen Erträge auswirkt.
Die Forscher der Universität Hohenheim untersuchten deshalb nicht nur einzelne Pflanzen unter Laborbedingungen. Für die Studie wurden an fünf Standorten in Deutschland Versuchsflächen eingerichtet. Dort wuchsen die unterschiedlichen Kulturen teilweise unter Photovoltaikmodulen. Parallel dazu dienten vollständig der Sonne ausgesetzte Flächen als Referenz.
Mit mobilen Messsystemen untersuchte das Forschungsteam anschließend direkt an den Blättern, wie die Pflanzen physiologisch auf die unterschiedlichen Lichtverhältnisse reagierten.
Besonders interessant sind die Veränderungen bei zwei Messgrößen: der Dunkelatmung und dem sogenannten Lichtkompensationspunkt.
Vereinfacht gesagt beschreibt der Lichtkompensationspunkt die Lichtintensität, bei der sich die durch Photosynthese aufgenommene und die durch Atmung abgegebene Menge an Kohlendioxid ausgleichen. Sinkt dieser Punkt, kann eine Pflanze bereits bei geringerer Lichtintensität Kohlenstoff aufnehmen.
Genau diese Anpassung beobachteten die Wissenschaftler bei sämtlichen untersuchten Nutzpflanzen. Gleichzeitig ging die Dunkelatmung zurück. Damit verloren die Pflanzen weniger CO₂ durch ihre Atmung und kamen zugleich mit weniger Licht für die Kohlenstofffixierung aus.
Das ist für die Agri-Photovoltaik von Bedeutung, weil sich damit die Annahme relativiert, dass weniger direktes Sonnenlicht automatisch eine starke Einschränkung für die darunter angebauten Kulturen darstellen muss.
Bemerkenswert ist vor allem, dass dieser Effekt nicht auf klassische Schattenpflanzen beschränkt war. Gerste, Mais, Kartoffeln, Kohl und Ackerbohnen gehören schließlich zu Kulturen, die üblicherweise unter offenen Feldbedingungen angebaut werden.
Andreas Schweiger, Leiter des beteiligten Fachgebiets an der Universität Hohenheim, bewertet die Ergebnisse deshalb als bemerkenswert:
„Sie verfügen also über eine deutlich größere Anpassungsfähigkeit, als wir bisher angenommen haben.“
Nach Angaben der Wissenschaftler zeigte sich die Anpassung zudem unter unterschiedlichen Bedingungen. Standort, Boden, Bewirtschaftungsweise und konkrete Schattensituation änderten nichts an der grundsätzlichen Beobachtung, dass die Pflanzen ihre Stoffwechselaktivität an eine moderate Beschattung anpassen konnten.
Damit liefert die Untersuchung wichtige Grundlagen für die weitere Entwicklung von Agri-PV-Konzepten.
Aus den Ergebnissen ergeben sich praktische Möglichkeiten. Die gemessenen physiologischen Eigenschaften könnten beispielsweise dazu verwendet werden, Nutzpflanzen und Sorten gezielter danach auszuwählen, wie gut sie mit einer teilweisen Verschattung umgehen können.
Damit ließen sich Pflanzenwahl und Anlagenkonzept stärker aufeinander abstimmen. Bei der Planung einer Agri-Photovoltaik-Anlage wäre dann nicht allein entscheidend, wie viel Fläche die Module beanspruchen oder welche Stromerträge erwartet werden. Auch die physiologischen Eigenschaften der vorgesehenen Kulturen könnten stärker berücksichtigt werden.
Langfristig gehen die Möglichkeiten noch weiter. Die Forschungsergebnisse könnten auch für die Pflanzenzüchtung interessant sein. Werden Sorten identifiziert, die besonders effizient auf wechselnde Lichtbedingungen reagieren, könnten diese gezielt für Agri-PV- und Agroforstsysteme weiterentwickelt werden.
Damit würde sich die Landwirtschaft teilweise an die neuen Doppelnutzungssysteme anpassen, anstatt ausschließlich die Solaranlagen an bestehende Anbauformen anzupassen.
Weniger Sonneneinstrahlung muss für landwirtschaftliche Kulturen nicht ausschließlich ein Nachteil sein. Gerade mit Blick auf den Klimawandel bekommt dieser Aspekt zunehmende Bedeutung.
Photovoltaikmodule können das Mikroklima auf einer landwirtschaftlichen Fläche verändern. Die teilweise Verschattung kann dazu beitragen, hohe Temperaturen abzumildern. Gleichzeitig können niedrigere Bodentemperaturen dazu führen, dass Feuchtigkeit länger im Boden erhalten bleibt. Dadurch lässt sich unter bestimmten Bedingungen der Hitze- und Trockenstress für die Pflanzen reduzieren.
Das könnte insbesondere während längerer Hitze- und Dürreperioden relevant werden. Dann steht dem Nachteil einer geringeren Sonneneinstrahlung ein möglicher Vorteil gegenüber: Die Pflanzen sind weniger extremen Temperaturen und einer geringeren Austrocknung des Bodens ausgesetzt.
Schweiger geht deshalb davon aus, dass Hitze und Trockenheit im Zuge des Klimawandels das Pflanzenwachstum teilweise stärker begrenzen könnten als die Verschattung durch Agri-PV- oder Agroforstsysteme.
Die Ergebnisse sollten dennoch nicht als Beleg dafür verstanden werden, dass Photovoltaikmodule auf landwirtschaftlichen Flächen grundsätzlich zu höheren Erträgen führen.
Die Wissenschaftler weisen ausdrücklich auf diese Einschränkung hin. Zwar konnten sich die untersuchten Pflanzen physiologisch an die Beschattung anpassen, bei den tatsächlichen Ernteerträgen ergab sich jedoch kein einheitliches Bild. Die Resultate unterschieden sich sowohl zwischen den verschiedenen Kulturen als auch zwischen den untersuchten Standorten.
Für die wirtschaftliche Planung eines Agri-PV-Projekts bleibt deshalb eine individuelle Betrachtung notwendig. Pflanzenart, Standort, Boden, Niederschläge, Modulaufstellung und Grad der Verschattung können das Ergebnis beeinflussen.
Die Studie liefert damit vor allem neue Erkenntnisse darüber, wie Nutzpflanzen mit reduzierter Sonneneinstrahlung umgehen. Sie beweist dagegen nicht, dass jede Kultur unter jeder Agri-PV-Anlage ohne Ertragseinbußen angebaut werden kann.
Für die weitere Entwicklung der Agri-Photovoltaik sind die Ergebnisse dennoch vielversprechend. Bisher konzentriert sich die Optimierung entsprechender Projekte häufig stark auf die technische Seite: Modulhöhe, Reihenabstände, Ausrichtung und Nachführsysteme sollen dafür sorgen, dass Landwirtschaft und Stromproduktion möglichst gut miteinander harmonieren.
Künftig könnte die Pflanzenwahl eine ebenso wichtige Stellschraube werden.
Wenn sich zuverlässig bestimmen lässt, welche Kulturen oder Sorten besonders gut mit zeitweiser Verschattung zurechtkommen, könnten landwirtschaftliche Betriebe ihre Anbauplanung gezielt auf Agri-PV-Flächen abstimmen. Gleichzeitig könnten Projektentwickler die Konstruktion einer Anlage stärker an die Bedürfnisse der vorgesehenen Kulturen anpassen.
Damit würde die Doppelnutzung landwirtschaftlicher Flächen flexibler. Statt die landwirtschaftliche Nutzung lediglich an die technischen Anforderungen der Photovoltaikanlage anzupassen, könnten beide Bereiche künftig stärker gemeinsam geplant werden. Die Auswahl geeigneter Kulturen, die Positionierung der Module und die jeweiligen Standortbedingungen würden dabei von Beginn an in einen sinnvollen Zusammenhang gebracht.
Die Untersuchung aus Hohenheim liefert ein weiteres Argument dafür, Agri-Photovoltaik nicht ausschließlich als Konkurrenz zwischen Landwirtschaft und Energieerzeugung zu betrachten. Unter geeigneten Bedingungen können beide Nutzungsformen auf derselben Fläche miteinander verbunden werden.
Besonders interessant ist dabei die Erkenntnis, dass Pflanzen keine statischen Systeme sind. Sie reagieren auf veränderte Umweltbedingungen und können ihre Photosynthese an eine moderate Beschattung anpassen.
Wie groß der wirtschaftliche Nutzen dieser Anpassungsfähigkeit tatsächlich ist, muss allerdings für unterschiedliche Kulturen, Standorte und Agri-PV-Systeme weiter untersucht werden.
Die nun veröffentlichten Ergebnisse schaffen dafür eine wichtige wissenschaftliche Grundlage. Die Studie wurde im Fachjournal European Journal of Agronomy veröffentlicht.
Für die Agri-Photovoltaik könnte daraus langfristig ein neuer Planungsansatz entstehen: Nicht nur die Solarmodule werden so positioniert, dass ausreichend Licht für die Landwirtschaft übrig bleibt. Gleichzeitig könnten gezielt Pflanzen und Sorten zum Einsatz kommen, die mit den besonderen Licht- und Klimabedingungen unter einer Agri-PV-Anlage besonders gut umgehen können.
