Herausforderung

Das Ziel der Energiestrategie 2050 in Bezug auf den Ausbau erneuerbarer Energien ist ambitiös. Da die Photovoltaik einen bedeutenden Beitrag dazu leisten muss, sollte nebst Dach- und Fassadenflächen auch das Potenzial der Nutzung landwirtschaftlicher Flächen zur Energieproduktion untersucht werden. Land ist jedoch ein rares Gut, weshalb die doppelte Nutzung landwirtschaftlicher Flächen zur Energieproduktion und für den Anbau von Kulturen oder die Tierhaltung, auch Agro-Photovoltaik oder Agri-Photovoltaik genannt, zunehmend an gesellschaftspolitischem Interesse gewinnt. Die Kombination von Ackerbau und Stromerzeugung erfordert umfassendes Know-how in technischen sowie agrarwirtschaftlichen Fragen, um ein ideales Design für den jeweiligen Standort und die spezifische Nutzung mit den unterschiedlichen Anforderungen zu finden.

Ziele

Agro-Photovoltaik (Agro-PV) verfolgt das Ziel die Solarentwicklung und Landwirtschaft zum gegenseitigen Nutzen zu kombinieren und die Nahrungsmittel- und Energiesicherheit nicht als Konkurrenz zu betrachten. Dabei soll mit einem geschickten Anlagendesign für die Landwirtschaft sogar ein Zusatznutzen erzielt werden. Untersuchungen im benachbarten Ausland und den USA zeigen bereits, dass sich zum Beispiel unter trockenen Bedingungen Photovoltaik-Module auf der Ackerfläche positiv auf den Ertrag der Unterkulturen auswirken und gleichzeitig der Wasserverbrauch gesenkt wird. Ausserdem sind die Pflanzen durch die Module vor starkem Regen und Hagel geschützt.

Die Untersuchungen an der ZHAW sollen einerseits Aufschluss über die Auswirkungen von Agro-Photovoltaik auf den agrarwirtschaftlichen Ertrag aufzeigen, sowie den potenziellen Mehrnutzen gegenüber Photovoltaik-Freiflächenanlagen oder herkömmlichen Agrarflächen ohne Photovoltaik-Überdachung verdeutlichen. Dieser Teil wird durch die Forschungsgruppe Hortikultur unter der Leitung von Mareike Jäger untersucht.

Andererseits sollen die Untersuchungen aufzeigen, welchen Einfluss die landwirtschaftliche Produktion und das landwirtschaftliche Umfeld auf die Stromproduktion haben. Es soll u.a. untersucht werden, wie sich negative Einflüsse auf die Agro-PV-Anlage durch eine geeignete Auslegung der Agro-PV-Anlagen minimieren lassen. Aufgrund der speziellen Technik in den eingesetzten Photovoltaik-Modulen (siehe unten) ergeben sich auch Optimierungsmöglichkeiten in Bezug auf die zeitliche Steuerung der Lichtdurchlässigkeit.

Technologie der THEIA-Solarmodule

Bei der Agro-PV-Versuchsanlage werden Photovoltaik-Module des Schweizer Unternehmens Insolight verwendet. Die Besonderheit dieser Module liegt in ihrem Aufbau, wobei sich über den PV-Zellen eine mit kleinen Linsen bestückte Glasplatte befindet, die das Sonnenlicht gebündelt auf die einzelnen PV-Zellen leitet. Somit muss nur ein kleiner Teil der Modulfläche mit Halbleitermaterial beschichtet werden, wodurch Material eingespart wird und diffuses Licht auf die unter den Modulen liegende Agrarfläche gelangt. Die bewegliche, mit Linsen bestückte Platte wird im Tagesverlauf mittels optischer Mikro-Tracking-Technologie dem Sonnenstand nachgeführt, damit das Sonnenlicht immer exakt auf die PV-Zellen trifft.

Auch die Lichtdurchlässigkeit der Module kann dynamisch angepasst werden. Es sind grundsätzlich zwei unterschiedliche Standard-Betriebsmodi einstellbar, wobei der «E-mode» der optimierten Energieproduktion dient und die beweglichen Linsen so eingestellt werden, dass möglichst viel Licht direkt auf die PV-Zellen trifft. Beim zweiten Modus, der maximalen Lichttransmission («MLT-mode»), gelangen 70 % des Sonnenlichts zur Agrarfläche und können damit zur Photosynthese verwendet werden. Die Einstellung der Lichtdurchlässigkeit kann aber mittels Algorithmus oder Online-Eingabe jederzeit individuell vorgenommen und beispielsweise an bestimmte Uhrzeiten, Temperarturen oder Einstrahlungen gekoppelt werden. In Abbildung 1 ist der Aufbau der PV-Module sowie die Funktionsweise der Betriebsmodi genauer beschrieben.

Versuchsanlage

Die Agro-Photovoltaik-Versuchsanlage auf dem Campus Grüental in Wädenswil entstand in Zusammenarbeit der Forschungsgruppen Erneuerbare Energien und Hortikultur. Um die agrarwirtschaftlichen Auswirkungen zu untersuchen, wird sowohl unter den Modulen als auch auf einer Kontrollfläche daneben landwirtschaftliche Produkte (z.B. Nüsslisalat) angebaut, dessen Wachstum verfolgt und zwischen den beiden Anbauweisen verglichen wird.

Auf technischer Seite wird die Stromproduktion der PV-Module als auch der Stromverbrauch der Anlage (Stellmotoren für Mikro-Tracking) gemessen und ausgewertet. Der erzeugte PV-Strom wird dabei zu 100 % ins Netz eingespeist. Auswertungen der technischen Resultate werden, sobald diese vorhanden sind, auf dieser Seite nachgeführt. Die agrarwirtschaftlichen Auswertungen können auf der Webseite der Forschungsgruppe Hortikultur eingesehen werden.