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Sonderformen der photovoltaischen Nutzung

Agrophotovoltaik (B)


Weiter mit der aktuellen Chronologie: Das Jahr 2016 verzeichnet eine weltweite Zunahme bei der Agrophotovoltaik. In China beispielsweise installiert die Firma Panda Green Energy Solarmodule auf Weinbergen in Turpan in der autonomen Region Xinjiang Uygur. Nachdem die ans Stromnetz angeschlossene 200 kW Agrophotovoltaik-Anlage erfolgreich geprüft wird, erhält das Unternehmen die Genehmigung, das System landesweit einzuführen. So wird schon im gleichen Jahr in der Provinz Jiangxi auf land- und forstwirtschaftlichen Kulturen eine 70 MW Agrivoltaikanlage installiert.

In Henan wird ab 2017 der bisher größte Dual-Use-Solarpark der Welt errichtet, mit zunächst 640 MW (andere Quellen: 700 MW), die erst auf 1 GW und in Zukunft sogar auf 3 GW erweitert werden sollen. Die Baofeng Gruppe, ein Unternehmen für Gamer-Webseiten, Video-Plattformen u.ä., hatte 2014 die Nutzungsrechte für 107 km2 unfruchtbares Land erworben und dort zunächst Luzerne zur Bodenverbesserung ausgesät. Die Fläche war so degradiert, daß sie landwirtschaftlich nicht mehr genutzt werden konnte.

Dank der APV-Technologie gedeihen unter den Solarpaneelen inzwischen wieder Büsche mit Goji-Beeren (Lycium barbarum), die zum Kochen und in der Naturheilkunde verwendet werden. Auch Gemüse und Rapssamen werden angepflanzt. Das Grundwasser wird mit dem Solarstrom der Anlage hochgepumpt und mittels der wassersparenden Tröpfchenbewässerung verteilt.

Das Projekt bringt nicht nur doppelten kommerziellen Nutzen durch die Vermarktung der Beeren. Es hat in einer vom Vordringen der Wüste bedrohten Region auch das lokale Ökosystem deutlich verbessert. Den Berichten zufolge verringert die APV-Anlage die Verdunstung der Landoberfläche um 30 – 40 % - und es gibt es nun mehr Wildtiere wie Spatzen, Fasane und Hasen.


Im Jahr 2016 wird in Südkorea vom Green Energy Institute Korea ein erstes 100 kW Agrophotovoltaik-Projekt in Chungbuk Ochang initiiert, das die Auswirkungen auf Reis, Kohl, Kartoffeln, Ginseng, Sojabohnen, Knoblauch und andere Gemüsesorten untersucht. Nur ein Jahr später beginnt sich die Firma Korea Leading Engineering System Inc. (KLES) in Daejeon mit der Agrophotovoltaik zu befassen. Das 2004 gegründete Unternehmen startete ursprünglich mit F&E-Arbeiten und bietet heute Gesamtlösungen für die Energie- und Umweltindustrie an.

Schon im Juni 2017 stellt die KLES in Hai-myeon, Goseong-gun, eine netzgekoppelte 100  kW Agrophotovoltaik-Demonstrationsanlage auf einem Reisfeld fertig. Der Ernteertrag im September liegt im Vergleich zum offenen Ackerland je nach Sorte bei 83 – 85 % (andere Quellen: über 95 %). In Zusammenarbeit mit der Gyeongsang University werden das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen untersucht. Die Studie ergibt, daß der Status des unter den Solarmodulen angebauten Reises dem des Reises ohne Solarmodule entspricht.

Auf der Grundlage der erfolgreichen Ergebnisse und mit einer Spende der Korea South-East Power Co., Ltd. (KOEN) im Jahr 2018 an die Korea Foundation for Cooperation of Large & Small Business, Rural Affairs, kann die KLES im Mai 2019 den Bau von insgesamt sechs 100  kW Demonstrationsanlagen für die APV-Stromerzeugung abschließen. Diese werden von eigens gegründeten Sozialen Kooperativen betrieben, und die Gewinne aus der PV-Stromerzeugung werden zur Verbesserung der Lebensbedingungen in den Dörfern verwendet.

Im gleichen Jahr 2019 wird die Korea Agrivoltaic Association gegründet, um die südkoreanische Agrophotovoltaik-Industrie zu fördern und zu entwickeln.


In Kroatien wird in diesem Jahr in dem Dorf Mecini in der Region Virovitica-Podravina von der Firma von Work-ing d.o.o. ein 500 kW Agrophotovoltaik-Pilotprojekt installiert, das von der landwirtschaftlichen Fakultät der Josip Juraj Strossmayer Universität in Osijek und der Hochschule für Agrartechnik in Slatina für Tests mit verschiedenen schattenbedürftigen Kulturen genutzt wird. Ein Teil des erzeugten Stroms wird für das Bewässerungssystem und den Betrieb von Landmaschinen verwendet.

Aquakultur-Projekt auf Réunion

Aquakultur-Projekt auf Réunion


Auch auf der Insel Réunion im Indischen Ozean, die noch immer zu Frankreich gehört, wird 2016 ein 7,5 MW Agrophotovoltaik-System in Betrieb genommen, das Gemüse, Kräuter, Vieh und Bienen versorgt – sowie ein 1,5 MW System, das eine Aquakultur mit Roten Tilapias und Stören mit Solarpaneelen und einem 9 MWh Batteriespeichersystem kombiniert, das auch das Inselnetz stabilisiert.

Über weitere Aquakultur-Projekte, die mit einer Solarenergie-Nutzung gekoppelt sind, werde ich an anderer Stelle ausführlich berichten (in Arbeit).


Das Beispiel einer erfolgreichen privaten Initiative bilden Travis und Chiara Bolton, die Eigentümer des 2014 gegründeten Familienunternehmen Bolton Bees & Honey in St. Paul, Minnesota, die im Jahr 2016 ein Programm in ihrer Gemeinde starten, bei dem sie Partnerschaften mit Betreibern von Solarfarmen eingehen, um die produktive Nutzung von Flächen unter und um bodenmontierte Solarpaneelen zu fördern. Schon bald darauf wird die Marke Solar Honey von Bienenstöcken produziert, die auf bestäuberfreundlichen Solaranlagen stehen.

Auch zeitlich paßt die Initiative, denn im gleichen Jahr legen führende Vertreter aus den Bereichen Landwirtschaft, Naturschutz und Energie in Minnesota den ersten landesweiten, freiwilligen Standard für bestäuberfreundliche Solaranlagen fest, was zur Verabschiedung eines entsprechenden Gesetzes führt, das Bauherren ermutigt, Standortrichtlinien zu befolgen und einheimische Gräser und Wildblumen einzubinden.

Um einen Industriestandard für Honig zu schaffen, der auf oder in der Nähe von Solaranlagen produziert wird, läßt Bolton Bees das Bundesmarkenzeichen Solar Honey registrieren (Seriennummer 87406579), das allen Honigerzeugern, Stromgenossenschaften, Lebensmittelunternehmen und Solarbetrieben zur Verfügung steht, die bereit sind, dem Produktionsstandard zuzustimmen.

Im April 2017 installiert Bolton Bees weitere 15 Bienenstöcke in dem bestäuberfreundlichen Gemeinschafts-Solargarten SolarWise der Firma Connexus Energy in Ramsey, Minnesotas größter Elektrizitätsgenossenschaft, die sich im Besitz ihrer Mitglieder befindet. Den Kontakt zwischen Bolton Bees und Connexus Energy stellt die gemeinnützige Organisation Fresh Energy her, die sich ebenfalls für das bestäuberfreundliche Solargesetz eingesetzt hatte. Der hier geerntete Honig wird den Namen SolarWise Honey tragen.


Anfang 2017 sind es vor allem neue Projekte in Japan, die in die Presse kommen. Neben einer 1 MW Anlage namens Mega Solar Sharing No. 1 in Shaoshi, Präfektur Chiba, wo Sojabohnen und Gerste angebaut werden, entstehen in den Städten Tome und Kami, Präfektur Miyagi, auf verlassenem Ackerland zwei APV-Pilotprojekte für Nicht-Feldkulturen wie Pilze.

APV-Anlage mit Pilzen

APV-Anlage mit Pilzen

Die beiden Pilzfarmen im Nordosten Japans haben eine Kapazität von 1,8 MW bzw. 2,2 MW und produzieren zusammen jährlich etwa 40 Tonnen Schwarze Pilze (Auricularia polytricha; auch: Wolkenohr-Pilze), eine Kulturpflanze, die normalerweise aus China importiert wird, sowie rund 4.000 MWh Solarstrom, die an einen lokalen Stromversorger verkauft werden.

Entwickelt werden die APV-Anlagen von dem Startup-Unternehmen für erneuerbare Energien Sustainergy Co. aus Tokio, das mit Hitachi Capital zusammenarbeitet, einem Leasingspezialisten, der die Paneele zur Verfügung stellt, und mit der Daiwa House Industry, welche die Paneele installiert und wartet.

Im Zuge der wissenschaftlichen Begleitung finden die Forscher heraus, daß die Beschattung durch die Paneele den Pilzen bei ungewöhnlich heißem Wetter tatsächlich hilft, und obwohl sie weniger Sonne abbekommen, sind die Erträge im Wesentlichen die gleichen wie bei Pflanzen auf einem offenen Feld. Bei normalem Wetter reduzieren sich die Erträge nur in geringem Maße.


In den USA beginnt ein Forschungsteam um Prof. Greg Barron-Gafford an der University of Arizona im Sommer 2017 mit dem Anbau von Pflanzen unter 2,7 m hoch installierten Solaranlagen in der Biosphere 2, um zu erproben, wie man in heißen, trockenen Regionen Wasser und Energie sparen kann. Die Biosphere 2 ist ein Gebäudekomplex in der Sonora-Wüste von Arizona, der 1991 mit dem Ziel erbaut wurde, ein von der Außenwelt unabhängiges, in der ursprünglichen Planung sich selbst erhaltendes Ökosystem zu schaffen.

Das Team hatte anderthalb Jahre zuvor die Umweltauswirkungen erneuerbarer Energien – insbesondere von Sonnenpaneelen – untersucht, indem sie die die Lufttemperatur über dem Blätterdach des Ökosystems in der Wüste im Vergleich zu den Temperaturen unter einer Solaranlage maßen. Dabei wurde festgestellt, daß die Solaranlage eine lokal wärmere Umgebung als normal schuf, besonders nachts, was als solarer Wärmeinsel-Effekt bezeichnet wurde.

Es wird vermutet, daß dieser Effekt durch die Veränderung des Ökosystems ausgelöst wird. In einer normalen Umgebung im Freien gibt es eine Mischung aus Erde und Pflanzen, durch die die Luft ungehindert zirkuliert kann. Dabei nehmen die Pflanzen Kohlenstoff für die Photosynthese auf, indem sie ihre Poren öffnen und Wasser aus ihren Blättern entweichen lassen – wodurch sie zu kleinen Verdunstungskühlern werden.

Werden bei der Installation einer Solarfarm jedoch alle Pflanzen entfernt, verschwindet dieses Kühlungspotential, und die Umgebung wird wärmer. Dies hat jedoch eine weitere negative Wirkung, denn wenn PV-Paneele zu warm werden, verlieren sie ihre Energieeffizienz und produzieren weniger Strom. Außerdem beschatten die Sonnenkollektoren die Pflanzen, wodurch die Verdunstung verringert wird und weniger Wasser für den Anbau benötigt wird.

Tatsächlich wachsen Tomaten, Paprika und Koriander auf den APV-Versuchsfeldern besser als in einem Kontrollgarten, der der vollen Sonne ausgesetzt ist, produzieren mehr Früchte und verbrauchen weniger Wasser. Die Versuchspflanzen tragen auch dazu bei, die Solaranlage tagsüber kühler zu halten, was deren Wirkungsgrad um 5 % erhöht. Ein Bericht über die Arbeiten erscheint im September 2019 (‚Agrivoltaics provide mutual benefits across the food–energy–water nexus in drylands‘).

Die Aussagen der Studie klingen für Landwirte, die in Trockengebieten arbeiten, sicherlich äußerst attraktiv: „Die geringere direkte Sonneneinstrahlung unter den PV-Paneelen führt zu kühleren Lufttemperaturen während des Tages und wärmeren Temperaturen in der Nacht, wodurch die Pflanzen unter den Solaranlagen mehr Feuchtigkeit speichern können als die Kontrollpflanzen, die unter freiem Himmel wachsen.“

Die Gesamtproduktion von Chiltepin-Früchten, einer Paprikaart, ist unter der Photovoltaikanlage im Vergleich zur Kontrollanlage dreimal so hoch, während die Wassernutzungseffizienz für die Jalapeño unter der Photovoltaikanlage um 157 % höher liegt, als außerhalb. Bei der Kirschtomate liegt die Wassernutzungseffizienz um 65 % höher und die Gesamtfruchtproduktion verdoppelt sich unter der Photovoltaikanlage.

Das eigentliche Ziel der Wissenschaftler ist, die Agrophotovoltaik in das ländliche Arizona und den Norden Mexikos zu bringen, wo es keine zuverlässige Wasser- und Stromversorgung gibt. Im Laufe der Jahre wird zudem ein nationales und internationales Programm entwickelt, das mit Forschern in Colorado und Oregon sowie in Afrika und dem Nahen Osten zusammenarbeitet, da die Annahme solcher synergetischen Wege dazu beitragen kann, auch dort widerstandsfähige Systeme für die Nahrungsmittelproduktion und die Energieerzeugung aufzubauen.


Im gleichen Jahr 2017 errichtet der US-Solarentwickler Green Lantern Solar in Zusammenarbeit mit der Initiative Bee the Change eine bestäuberfreundliche Solaranlage in New Haven, Vermont. Dies ist zwar keine direkte Agrophotovoltaik-Umsetzung, da es sich um Standard-Solarfarmen handelt, bei denen die Paneele quasi auf dem Boden sitzen. Die Initiatoren von Bee the Change, die im Vorjahr ihr erstes Feld installiert (bzw. ausgesät) hatten, glauben jedoch, daß der ungenutzte Platz auf den Solarfarmen, der meistens mit Steinen bedeckt oder mit Rasen bepflanzt ist, eine verpaßte Gelegenheit für die Landwirtschaft darstellt.

Bestäuberfreundliche Solaranlage

Bestäuberfreundliche
Solaranlage

Nicht nur Honigbienen sind wichtige Bestäuber – auch Kolibris, Schmetterlinge, Wildbienen, Motten und andere Insekten tragen den Pollen von Pflanze zu Pflanze, was der lebenswichtige Reproduktionsweg für viele der von uns konsumierten Früchte, Gemüse, Nüsse und Pflanzen ist. Man geht davon aus, daß mehr als 85 % der weltweit blühenden Pflanzen, darunter mehr als zwei Drittel der Nutzpflanzenarten, von Bestäubern abhängig sind. Bee the Change sorgt daher für eine abwechslungsreiche Bepflanzung in und um das Solarfeld, mit dem Ziel, eine Vielzahl von Bestäubern zu unterstützen.

Weitere Umsetzungen sind z.B. eine neue 900 kW Anlage des Kosmetikunternehmens Aveda, deren Fläche von rund 1,5 ha nicht mit Bodendeckern oder Kies bedeckt, sondern mit bestäuberfreundlichen Gewächsen bepflanzt wird, um dort Bienenstöcke aufzustellen; sowie eine 16 MW starke Solaranlage, die die Stadt Logansport im US-Bundesstaat Indiana als Ersatz für ihr altes Kohlekraftwerk errichtet. Hier tun sich die Verantwortlichen mit den Organisationen Fresh Energy und dem Bee and Butterfly Habitat Fund zusammen, um ein bestäuberfreundliches Feld zu schaffen.

2018 werden auf der Eagle Point-Solarfarm im US-Bundesstaat Oregon 48 Bienenstämme angesiedelt und das Grundstück mit bienenfreundlichen Pflanzen bestückt, was aus der Anlage die gegenwärtig größte Bienen-Solarfarm der Welt macht. Oregon wird ausgewählt, nachdem eine Umfrage unter den lokalen Imkern im Jahr 2016/2017 ergeben hatte, daß bereits rund ein Drittel der Bienenkolonien in dem Bundesstaat verloren gegangen waren.

Mitbeteiligt an dem Projekt ist ein Forscherteam der Oregon State University (OSU) um Prof. Chad W. Higgins, das laut einer im November 2018 veröffentlichten Studie festgestellt hatte, daß die von Schafen und Rindern bevorzugten Gräser im Schatten einer auf einer Weide auf dem OSU-Campus installierten Solaranlage gut gedeihen (‚Remarkable agrivoltaic influence on soil moisture, micrometeorology and water-use efficiency‘). Zudem sei die Wassermenge, die für die beschatteten Pflanzen benötigt wird, wesentlich geringer als auf dem freien Feld.

Higgins hatte schon 2013 bemerkt, daß Weiden unter kürzlich installierten Solaranlagen grüner sind als jene unter der prallen Sonne. Im Mai 2015 installiert er daher Mikroklima-Forschungsstationen, die die durchschnittliche Lufttemperatur, die relative Luftfeuchtigkeit, die Windgeschwindigkeit, die Windrichtung und die Bodenfeuchtigkeit aufzeichnen. Bereits im August belegen die Meßgeräte, daß die Flächen unter den Paneelen während des gesamten Dreimonatszeitraums eine höhere Bodenfeuchtigkeit aufwiesen.

Die Flächen unter dem PV-Array produzieren in der Spätsaison sogar fast die doppelte Menge an Pflanzenmaterial als die unbeschatteten Flächen (90 % mehr Biomasse), einschließlich einer Steigerung des Nährwerts der Pflanzen. Zudem erweisen sich die Flächen unter den Paneelen als deutlich wassersparender (328 % effizienter).

Inzwischen ist Higgins überzeugt, daß die großflächige Installation von Agrophotovoltaik-Systemen zudem die Tür für andere Technologien öffnet. Die überschüssige Energie, die von den Solaranlagen erzeugt wird, kann so zum Antrieb von Elektrotraktoren oder zur Erzeugung von Dünger auf einem Bauernhof verwendet werden, und auf den Plattformen der Solarzellen können Sensoren installiert werden, deren Informationen zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktivität beitragen.

Um diese Erkenntnisse der landwirtschaftlichen Gemeinschaft und potentiellen Geldgebern zu demonstrieren und damit eine frühzeitige Übernahme zu fördern, soll im Mai 2021  am North Willamette Research and Extension Center der OSU in Aurora der erste Spatenstich für ein 2 ha großes Agrophotovoltaik-Projekt erfolgen, auf dem die Produktion voraussichtlich 2022 beginnen wird.

Versuchstandort des NREL

Versuchstandort
des NREL

Die o.e. Green Lantern Solar und Bee the Change sind im Jahr 2020 wieder Partner bei einem zweiten Solarprojekt in New Haven, wo auf einem etwa 1,8 ha großen Gelände Dutzende von Pflanzenarten gepflanzt werden, die Bestäuberinsekten und andere nützliche Vogelarten anlocken sollen. Beträchtliche Unterstützung kommt von einer Initiative für bestäuberfreundliche Solaranlagen an der University of Vermont (UVM).

Das bislang bedeutendste Projekt in den USA wird im Juni 2020 fertiggestellt, als die GIANT Company an ihrem Firmensitz in Carlisle, Pennsylvania, ein 2,8 ha großes Solarzellen-Feld mit bestäuberfreundlichen Pflanzen in Betrieb nimmt. Hier sind das Unternehmen Ernst Conservation Seeds sowie die Organisation Planet Bee Foundation mitbeteiligt. Diese Umsetzung ist Teil eines großen landesweiten Solar-plus-Bestäuber-Projekts in 20 Bundesstaaten, das den Namen InSPIRE trägt (‚Innovative Site Preparation and Impact Reductions on the Environment‘) und dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) untersteht.

Das NREL hatte bereits 2018 drei Solaranlagen des italienischen Unternehmens Enel Green Power bzw. dessen Tochtergesellschaft Enel North America bepflanzt. Die Standorte  Stillwater (Nevada), Sheldon Springs (Vermont) und Aurora Solar (Minnesota) gehörten zu 15 im ganzen Land, die Teil eines Forschungsprojekts sind, das herausfinden will, welche Pflanzen und welche Arten wie und warum in diesen Umgebungen gedeihen.

Ein Drittel jeder der drei 0,4 ha großen Versuchsparzellen wird hier mit Präriepflanzen und Gräsern bepflanzt. Ein weiteres Drittel erhält bestäuberfreundliche Lebensräume, das verbleibende Drittel eine Mischung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen. Die Enel will die gewonnenen Erfahrungen nun auf Texas ausweiten, wo das Unternehmen 5 ha Agrarfläche gepachtet hat und unter einer  PV-Freiflächenanlage Biolandwirtschaft betreiben wird.


Ebenfalls im Juni 2020 wird über die Energieversorger Louisville Gas and Electric (LG&E) und Kentucky Utilities (KU) berichtet, die Solaranlagen in Kentucky aufbauen – wie z.B. die aktuell fertiggestellte 1 MW Solarfarm in Simpsonville, auf der nun Bestäuberhabitate entstehen werden, die einheimische Bienen, Honigbienen und Monarchfalter anziehen und unterstützen sollen.

Im E. W. Brown-Kraftwerk der KU in Mercer County, einem Kohle-, Erdgas- und Wasserkraftwerk, dem Mitte 2016 ein 10 MW Solarkraftwerk hinzugefügt wurde, wird wiederum eine Herde von 25 Shetlandschafen eingesetzt, um bei der Bewirtschaftung der Vegetation auf dem 20 ha großen Gelände zu helfen und so die Wartungskosten zu senken.

Dasselbe geschieht auch in Logansport im US-Bundesstaat Indiana, als das letzte Kohlekraftwerk der Logansport Municipal Utility (LMU) durch eine 16 MW Solaranlage ersetzt wird, die Anfang 2021 fertiggestellt werden soll. Anschließend ist geplant, unter den Solarpaneelen auf der 32 ha großen ehemaligen Ackerlandfläche eine spezielle Saatgutmischung auszubringen, die einen neuen Lebensraum für Bestäuber bietet. Der Entwickler Inovateus Solar arbeitet in dieser Phase mit Fresh Energy und dem Bee & Butterfly Habitat Fund zusammen – und Bürgermeister Chris Martin erklärt den 26. Juni zum ‚Vogel- und bestäuberfreundlichen Solartag‘.

Der ebenfalls beteiligten Purdue University zufolge gibt es vor Ort etwa 430 Bienenarten, 140 Schmetterlingsarten, Tausende von Mottenarten und viele Arten von blütenbesuchenden Fliegen, Wespen, Ameisen und Käfern, denen die neuen APV-Landschaften Nistplätze und Nahrungsquellen bieten können. Diese vielfältige Ansammlung von Bestäubern (nicht nur eine oder wenige Arten) und ihre hohe Zahl kann die Ernteerträge bestimmter Nutzpflanzen erheblich steigern.


Inzwischen haben viele US-Solarenergieunternehmen damit begonnen, Schafherden zu pachten, um die Bodenbedeckung rund um ihre niedrig aufgestellten Solarpaneele zu kontrollieren, was u.a. die Schafzucht in North Carolina wiederbelebt.

Immerhin sind Schafe die einzigen domestizierten Weidetiere, die gut mit Solarfarmen zusammenarbeiten, denn Kühe sind zu groß und Ziegen klettern gerne.


Im Jahr 2017 gibt der Solarentwickler Cypress Creek Renewables LLC die Errichtung der ersten Bestäuber-PV-Farm im US-Bundesstaat Maryland bekannt, inspiriert von der landesweiten Gesetzgebung zur Förderung bestäuberfreundlicher Solaranlagen. Hier werden verschiedene Arten einheimischer langstieliger und kurz wachsender Blumen gepflanzt, die Bestäuber, einschließlich Bienen und Vögel, unterstützen. Daneben werden Bienenstöcke aufgestellt.

Die in der Solaranlage Baker Point in Frederick erzeugte Energie wird übrigens für die Stromversorgung des Hauptsitzes des Magazins National Geographic und der Capital One Arena verwendet, beide in Washington, DC. Nach dem einjährigen Pilotprogramm kündigt die Firma im April 2018 an, daß zukünftig alle ihre Solarparks im Bundesstaat New York, wie z.B. im Hudson Valley, den Catskills und in den North Country Regionen, über reichlich Bestäuberhabitate verfügen werden.

Hierzu geht die Cypress Creek eine auf drei Jahre angelegte und mit 100.000 $ dotierte Partnerschaft mit Prof. Scott McArt an der Cornell University ein, die u.a. die Wiederherstellung und Erhaltung der vom Aussterben bedrohten Bienenarten in diesem Bundesstaat unterstützen wird.

Versuchsfeld der HTW Dresden

Versuchsfeld der
HTW Dresden


An der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTW Dresden) beginnt im Januar 2018 ein über drei Jahre laufendes Drittmittel-Forschungsprojekt mit dem Titel ‚Einfluß von Solaranlagen auf den Bodenwasserhaushalt und Agro-Photovoltaik‘. Als Ergebnis wird eine GIS-gestützte Entscheidungshilfe für die Planung von Photovoltaik-Freiflächenanlagen (PV-FFA) anvisiert (GIS = Geographische Informationssysteme). Hierzu wird auf dem Versuchsfeld der Fakultät Landbau/Umwelt/Chemie am Standort Pillnitz zeitgleich die im August des Vorjahres errichtete 80 m2 große APV-Anlage eingeweiht.

Die involvierten Wissenschaftler um Prof. Ulrike Feistel gehen davon aus, daß in den nächsten Jahren die Anzahl von PV-FFA großer Ausdehnung erheblich zunehmen wird, sowohl aufgrund der sinkenden Kosten für die Paneele, als auch wegen der von der Bundesregierung beschlossenen ‚Energiewende‘. Als ein großes Problem wird dabei der bisher kaum untersuchte Einfluß solcher riesigen Anlagen auf das Sickerverhalten, den Bodenwasserhaushalt und damit die Grundwasserneubildung betrachtet.

Das Projekt wird vom Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) gefördert und hat auch externe Kooperationspartner: die Lysimeterstation Brandis der Staatlichen Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft des Freistaates Sachsen, die SOLARWATT GmbH und das Ingenieurbüro Matthias Maus.

Das Ziel ist einerseits, die bereits laufenden Forschungen zum Bodenwasserhaushalt zu ergänzen und zu klassifizieren, und andererseits, die technische Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit einer geplanten 600 kW APV-Pilotanlage zu untersuchen, bei der das innovative Seil-Tragsystem der italienischen Beleuchtungs- und PV-Firma Leitner Energy GmbH aus Bruneck in Südtirol eingesetzt ist, welches die patentierte Technologie des o.e. Günther Czaloun umsetzt.

Das neue Projekt sieht eine Standard-Grundeinheiten mit den Abmessungen 34 x 17 m und einer Leistung von 50 kW vor, wobei die PV-Module auf einer aus Längs- und Querseilen bestehenden Tragstruktur angebracht sind, die von vier Stützen auf Beton- oder Tiefenfundamenten gehalten wird. Es ist vorgesehen, die Module einachsig der Sonne nachzuführen. Bislang läßt sich jedoch nichts darüber finden, daß diese Pläne auch realisiert worden sind.

Um zu belegen, daß Agrophotovoltaik-Anlagen den Boden vor dem Austrocknen schützen können, forschen die Bauingenieure der HTW Dresden auch 2021 immer noch – diesmal gemeinsam mit dem Energieversorger EnBW auf dem Solarpark Weesow-Wilmersdorf. Mit einer Fläche von 164 ha und einer m Endausbau geplanten installierten Leistung von 187 MW ist der Solarpark nördlich von Berlin das erste Photovoltaik-Großprojekt, das ohne Förderung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) umgesetzt wird und gleichzeitig das größte Deutschlands. Das Forschungsteam wird den Betrieb der Anlage über drei Jahre wissenschaftlich begleiten.


Kamisu Solar Sharing


Die japanische Firma Shimizu Co. beginnt im Februar 2018 mit dem 150 kW Agrophotovoltaik-Projekt Kamisu Solar Sharing in Kamisu City, Präfektur Ibaraki, wo die Solarzellenpaneele über Reisfeldern installiert werden, gefolgt von einem 50 kW Projekt namens Sousa-Iizuka Sola Share-3 im März und einem gleich leistungsstarken Projekt Chiba-city Okido Solar Sharing im August. Im Juli 2019 schließen sich das 20 MW Projekt Tsukuba Solar Sharing, und im September das 50 kW Projekt Chiba-city Okido Solar Sharing an.

Nachdem die japanische Regierung bis Mitte 2016 bereits 775 Projekte der solaren Doppelnutzung genehmigt hatte, verbessert das Ministerium für Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Fischerei (MAFF) im Mai 2018 die Verordnung über die gemeinsame Nutzung von Solarenergie, indem es den Zeitraum, in dem die vorübergehende Umwandlung von Ackerland zu Zwecken der Doppelnutzung erlaubt ist, von bisher drei auf nun zehn Jahre verlängert.

Während Ende 2017 schätzungsweise 1.000 Solar-Sharing-Projekte im Land installiert sind, die zumeist eine Kapazität von höchstens 50 kW haben, gibt es nach den Daten des japanischen Landwirtschaftsministeriums im Jahr 2018 bereits 1.992 Solar-Sharing-Farmen auf landwirtschaftlichen Flächen.

Im Mai 2020 veröffentlicht Takashi Sekiyama von der Kyoto University einen Artikel mit dem Titel ‚Changing the world and life – Solar Sharing‘, in welchem er die bisherigen Entwicklungen in Japan detailliert dokumentiert.


Als Reaktion auf den Rückgang der Populationen bestäubender Insekten wie Wildbienen und Monarchfalter untersucht ein Forschungsteam um Leroy ‚Lee‘ J. Walston, Heidi M. Hartmann und ihre Kollegen am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums in Illinois die Fähigkeiten bestäuberfreundlicher Solarenergieanlagen, Bestäuberpopulationen wiederherzustellen, die in der nationalen und globalen Agrarindustrie eine entscheidende Rolle spielen und deren Verlust sich verheerend auf die Pflanzenproduktion auswirken würde.

Bei der Untersuchung von mehr als 2.800 bestehenden und geplanten großflächigen Anlagen in den USA finden die Forscher heraus, daß die Umgebung von Solarmodulen ein idealer Standort für Pflanzen sein könnte, die Bestäuber anziehen. Und indem sie die Fähigkeit von Bestäubern zur Bestäubung angrenzender landwirtschaftlicher Felder erhöhen, könnten die Bestäuberhabitate an Solarstandorten die Ernteerträge der Landwirte steigern und Solaranlagen zu willkommenen Nachbarn landwirtschaftlicher Betriebe machen.

Die im Mai 2018 veröffentlichte und im Netz einsehbare Studie mit dem Titel ‚Examining the Potential for Agricultural Benefits of Pollinator Habitat at Utility-Scale Solar Facilities in the United States‘ weist darauf hin, daß sich über 3.500 km2 landwirtschaftlicher Flächen in der Nähe bestehender und geplanter großflächiger Solarfarmen für diese Art der landwirtschaftlichen Nutzen eignen. Die Publikation von Walston und Hartmann soll die erste Forschungsarbeit sein, die den landwirtschaftlichen Nutzen der Schaffung von Lebensräumen für Bestäuber in Solaranlagen quantitativ belegt.

Als Nächstes wird das Team mit Feldarbeiten beginnen, um die Art und Anzahl der einheimischen Bestäuber in der Umgebung der Großanlagen zu erfassen.

Als sehr positiv wird betrachtet, daß immer mehr Staaten die Notwendigkeit erkennen, dem Rückgang der Bestäuberpopulationen durch entsprechende Gesetze entgegenzuwirken, weshalb auch immer mehr Solaranlagen dazu übergehen, bestäuberfreundliche Gebiete zu schaffen. So verabschiedet beispielsweise der Bundesstaat Illinois Ende Mai ein Gesetz über bestäuberfreundliche Solarenergie (Pollinator-Friendly Solar Energy Bill) und schließt sich damit Bundesstaaten wie New York, Maryland und Minnesota an, die bereits ähnliche gesetzgeberische Schritte in Richtung einer ‚landschaftsverträglicheren Zukunft‘ gemacht haben.

Einem Bericht vom Juni 2021 zufolge unterstützen die Argonne-Forscher inzwischen die Entwicklung von agrophotovoltaischen Systemen mit dem Ziel der Wiederherstellung der regionalen einheimischen Vegetation auf den Arealen großer Solarfarmen. In einer Zusammenarbeit mit der University of Minnesota und dem NREL hatten sie untersucht, ob Solaranlagen negative Auswirkungen auf den Boden haben. Wie sich herausstellt, ist die Schaffung von Lebensraum für Bestäuber sogar von Vorteil, da die Wurzelsysteme der Vegetation den Boden stabilisieren und die Erosion verringern.

Als nächstes wird das Team ein dreijähriges Projekt starten, um festzustellen, ob auch Wildtiere wie Vögel und Fledermäuse von den an Solarstandorten geschaffenen Lebensräumen angezogen werden und diese nutzen.


Ende 2018 wird gemeldet, daß die 2004 gegründete Firma SUNfarming GmbH (SF), ein Projektierer von großen Solaranlagen aus Erkner bei Berlin, ihre erste Agrophotovoltaik-Anlage in der Karibik errichtet hat – auf den Bahamas. Das Projekt wird von der Deutschen Energieagentur (Dena) unterstützt und teilweise mit Mitteln aus dem Bundeswirtschaftsministerium finanziert.

Das Konzept von SUNfarming basiert auf einem hoch aufgeständerten Solarpark, bei dem die Räume zwischen den semintransparenten Modulreihen mit Gewächshausplatten überdacht werden. Auf diese Weise entsteht eine große, landwirtschaftlich nutzbare Fläche, die mit weiteren Platten umzäunt wird. Dadurch ist die Fläche gegen das Auswaschen bei starken Regenfällen, aber auch vor Wildtieren geschützt – während die oberen zwei Drittel der Umzäunung mit Netzen umspannt sind, um die landwirtschaftlichen Kulturen vor Vögeln zu schützen. Damit könnte das Konzept schon fast den Solar-Gewächshäusern zugeordnet werden.

SUNfarming-System Prototyp

SUNfarming-System
(Prototyp)

Das SF-Projekt wird zusammen mit Bioltech Systems aus dem oberpfälzischen Nittenau umgesetzt, das sich auf die Umrüstung von Nutzfahrzeugen mit Dieselmotoren auf Pflanzenöl spezialisiert hat, denn die gesamte Anlage ist außerdem ein Vorzeigeprojekt für erneuerbare Mobilität. Deshalb wird auch der Entwickler von Ökoenergieprojekten 700 Island Energy mit Sitz in Nassau ins Boot geholt, der die größte Biodieselanlage in der Karibik betreibt.

Außerdem ist das Gesamtsystem als Inselanlage umgesetzt. Dazu hat SF einen großen Stromspeicher und ein Energiemanagement installiert. Auf diese Weise liefert das System kontinuierlich Strom für ein Inselnetz an der Windsor High School in Albany, Nassau.

Hier wird zudem im Dezember 2018 ein Hybridzentrum für erneuerbare Energien eröffnet: Das Hybrid Center Bahamas bietet erneuerbaren Strom und erneuerbare Mobilität in Kombination mit der Produktion von Nahrungsmitteln, die alle an ein Schulungsprogramm für einheimische Photovoltaik- und Landwirtschaftsspezialisten gekoppelt sind.

Für das Projekt gewinnt SUNfarming den Intersolar Award 2017 in der Kategorie ‚Outstanding Solar Projects‘ – sowie den Energy Globe Award National Bahamas 2019. Immerhin übersteht das das Hybridzentrum im August/September 2019 unversehrt den Hurrikan Dorian, der mit seinen Windgeschwindigkeiten von knapp 300 km/h gigantische Schäden verursacht.

Eine leicht abgewandelte Konstruktion des SF Food & Energy Trainingscenters, das bereits an Universitäten in Argentinien, der Dominikanischen Republik und in der Türkei im Einsatz ist, wird im April 2021 in Marathias Beach im Süden der Insel Korfu eingeweiht, wo das Familienhotel Villa KaliMeera nun eine 12 kW SF Food & Energy Lounge besitzt, die den Hotelgästen in Zukunft auf 100 m2 als Schattenspender und Ruhezone mit Hängematten zwischen Obst- und Gemüsepflanzen dient. Ein wassersparendes Tröpfchenschlauchsystem bewässert Tomaten, Gurken und weitere lokale Pflanzen, deren Früchte den Hotelgästen als frischer Snack zum Selberpflücken zur Verfügung stehen.


Im November 2018 wird in Frankreich auf dem Gelände des Weinguts Domaine viticole de Nidolères in Tresserre, Department Pyrénées Orientales, der „weltweit erste Demonstrationsbetrieb für Agrivoltaik“ eingeweiht, der von dem französischen Photovoltaik-Unternehmen Sun’R initiiert und von dessen Spin-off  Sun’Agri realisiert wurde. Das Projekt umfaßt eine Fläche von 4,5 ha mit 28.600 Rebstöcken, auf der Photovoltaik-Paneele installiert sind, die auf Trackern in einer Höhe von mehr als 4 m angebracht sind, eine Höhe, die die Durchfahrt von landwirtschaftlichen Fahrzeugen ermöglicht.

Die Paneele werden automatisch durch Algorithmen und agronomische Modelle gesteuert, was eine Optimierung der Beleuchtung oder Beschattung der Pflanze in Echtzeit ermöglicht. Die Struktur trägt auch ein Bewässerungssystem (Lufttropfbewässerung) und schützt die Weinstöcke vor schlechtem Wetter. Die Arbeiten an der 4,5 m hoch aufgeständerten 2,1 MW Anlage werden von der Firma Bouygues Energies & Services durchgeführt, die nun auch fünf Jahre lang für deren Wartung verantwortlich ist.

Agrovoltaik-Anlage in La Pugère

Agrovoltaik-Anlage
in La Pugère

Das Sun’Agri-Programm wird in mehreren Phasen durchgeführt: Sun’Agri 1 (20092012) zeigt, daß die Erträge bei voller Paneeldichte etwa 40 % zurückgehen. Unter halbdichten Bedingungen, d.h. einer 30 %-igen Beschattung, erzielen einige Kulturen einen gleichwertigen oder sogar höheren landwirtschaftlichen Ertrag als die Kontrollkulturen auf offenem Land. Sun’Agri 2 (20132017) umfaßt dann die Entwicklung der Software- und Hardwarebasis und die Implementierung des ersten agrivoltaischen Modells auf Salat und Wein.

Im Zuge dieser Arbeiten entstehen in Piolenc eine 600 m2 große, 84 kW Versuchsanlage auf einem Weingut der Landwirtschaftskammer von Vaucluse, sowie eine 730 m2 große 61 kW Versuchsstation mit Apfelbäumchen in La Pugère.

Außerdem verfaßt Yassin Elamri an der École Doctorale Économie et Gestion (EDEG) in Montpellier eine Dissertation, die ein Wasserhaushaltsmodell für ein dynamisches agrivoltaisches System präsentiert (‚Bilan hydrique et développement de culture sous panneaux photovoltaïques dynamiques: de la modélisation à l’évaluation de solutions agrivoltaïques‘).

Die aktuelle Phase Sun’Agri 3 (20182022) ist die Demonstrationsphase, bei der die Agrophotovoltaik in großem Maßstab und unter realen Bedingungen eingesetzt wird. Angedacht sind bis zu 15 Demonstrationsanlagen, von denen die erste die o.e. ist. Anschließend ist eine Kommerzialisierungsphase geplant.

Die Ergebnisse der ersten zwei Jahre auf dem Weingut sprechen für sich: Neben dem Ziel des Pflanzenschutzes wird eine Verringerung des Wasserverbrauchs um etwa 20 % festgestellt. Die Vorteile des APV-Konzepts werden besonders während der Hitzewelle im Sommer 2019 deutlich, als ungeschützte Kontrollpflanzen verbrennen, während die geschützten Pflanzen gesund bleiben.

Die Technologie wird sich nun schnell weiterverbreiten: Im Rahmen der jüngsten beiden Ausschreibungen für innovative Photovoltaik-Solarprojekte im April und Dezember 2020 wählt die Commission de Régulation de l’Energie française 37 Projekte aus, die die Technologie von Sun’Agri nutzen. Außerdem schließen sich Sun’Agri und der Hersteller von erneuerbaren Energien Boralex im Juni 2021 zu einer auf zehn Jahre angelegten Partnerschaft zusammen, um die Agrophotovoltaik in Frankreich und Europa weiterzuentwickeln. Dies sei angesichts der heftigen Fröste im Frühjahr dieses Jahres, die die französischen Ernten stark beeinträchtigt haben, wichtiger denn je.

Außerdem erhält Sun’Agri die Zertifizierung ‚Efficient Solutions‘ der Stiftung Solar Impulse und gewinnt bei den SITEVI Innovation Awards 2019 die Goldmedaille.

Um gleich in Frankreich zu bleiben: Anfang 2020 entwickelt die Compagnie Nationale du Rhône, eine auf erneuerbare Energien spezialisierte Abteilung des französischen Öl- und Gasunternehmens Engie, in der Nähe von Lyon ein 150 kW Agrophotovoltaik-Projekt mit ‚mobilen Solarpaneelen‘. Ziel des Experiments ist es, zu belegen, daß das Management eines Mikroklimas, welches durch die  Solarpaneele über den Anbauflächen erzeugt wird, es ermöglicht, die Pflanzen zu schützen, ihre Produktivität zu steigern und den Wasserverbrauch zu reduzieren.

Über einen Zeitraum von drei Jahren wird die Hälfte eines 6.000 m2 großen landwirtschaftlichen Betriebs mit PV-Paneelen bedeckt, während die andere Hälfte konventionell bewirtschaftet wird. Das Projekt wird zum Teil von der Regionalregierung im Rahmen ihres Klimaanpassungsprogramms für Landwirte unterstützt, bei dem Kulturen wie Hopfen, Sorghum und Alfalfa, die besser an die sich ändernden klimatischen Bedingungen des Bodens angepaßt sind, durch neue landwirtschaftliche Techniken gefördert werden sollen.


Ab 2018 erforscht ein Team um Mark Uchanski an der Colorado State University (CSU) in Zusammenarbeit mit dem erst vier Jahre alten Solartechnik-Anbieter Sandbox Solar aus Fort Collins die Auswirkungen von kleinen Solaranlagen auf Pflanzen. Deren Wachstum wird unter drei verschiedenen Paneel-Typen bewertet, deren Transparenz zwischen 5 % und 40 % liegt. Dabei können die einzelnen Paneele gekippt werden, damit während der Aussaat und der Ernte Geräte durchs Feld fahren können. In einer flachen Position schützen die Paneele die Pflanzen vor Hagel.

Der Vorschlag für das Forschungsprojekt geht auf den Sandbox Solar-Gründer Ian Skor zurück, finanziert wird es vom Nationalen Institut für Ernährung und Landwirtschaft des US-Landwirtschaftsministeriums.

Nach drei Jahren gelangt man auch hier zu der Erkenntnis, daß die Paneele und die Anpflanzungen voneinander profitieren. Die besten Ergebnisse werden bei einer Transparenz von 40 % erzielt, was die perfekte Mischung aus Schatten und Licht zu sein scheint. Die CSU arbeitet zudem an der Entwicklung einer Technologie, mit der die Paneele automatisch flach gestellt werden, wenn ein Hagelereignis erwartet wird.

Skor, ein Anhänger der Permakultur, freut sich bereits auf die Ausweitung des Modells auf Sonderkulturen, einschließlich Hanf. Seiner Meinung nach wird sich ein derartig synergetisches System als ideal für kleine Anbauflächen erweisen.

Solinator Garden im Bau

Solinator Garden
(im Bau)


Bereits 2019 tun sich die Stadt Fort Collins in Colorado mit den Firmen Namasté Solar und Solaris Energy zusammen, um eine bestäuberfreundliche 1 MW Solaranlage zu errichten, die ein Schutzdach für Bienen, Vögel und andere Bestäuber bieten und mit einheimischen, trockenheitsresistenten Samenmischungen bepflanzt werden soll. Der Solinator Garden, der im November eröffnet wird, ist teils eine Stromproduktionsanlage, deren 2.700 Paneele auf einachsigen Trackern dem Lauf der Sonne folgen, und teils ein Programm zur Bereicherung des Ökosystems.

Namasté Solar, die den Solarpark entwickelt, konstruiert und gebaut hat, ist eine im Besitz von Mitarbeitern befindliche Genossenschaft in Boulder, die das Grundstück für das Projekt findet und den Pachtvertrag sowie den Stromabnahmevertrag mit der Stadt Fort Collins abschließt. Solaris Energy wird dann Ende 2018 Eigentümer und Betreiber, als es das Projekt von Namasté kauft. Das letztgenannte Unternehmen ist übrigens auch an dem Agrophotovoltaik-Projekt von Jack’s Solar Garden bereiligt (s.u.).

Auch Boulder County wird bald eine ähnliche, von der Gemeinde betriebene Anlage bekommen.


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