Mit den wachsenden Herausforderungen von Klimawandel, Energiewende und der großen Konkurrenz darum, wie Flächen genutzt werden können, werden solche Doppelnutzungen immer relevanter. Jülicher Forschende vom Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG-2) und vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5) testen die Technik seit 2022 im Feldversuch bei Morschenich-Alt nahe Jülich. Im Strukturwandel-Projekt BioökonomieREVIER arbeiten sie hier eng mit Landwirt:innen und Gartenbauer:innen der Region zusammen.
Gemeinsam mit der Region
„Agri-PV-Anlagen produzieren nicht nur grünen Strom. Sie schützen auch Pflanzen vor Sonne, Hitze und Austrocknung sowie vor Extremwetter mit Hagel oder Starkregen“, sagt Dr. Matthias Meier-Grüll vom IBG-2, Leiter des Innovationslabors AgriFEe (Agricultural Food Energy Campus) im Bioökonomie- REVIER. „Deshalb sind solche Anlagen bislang meist dort in der Welt im Einsatz, wo es viel Sonne und Trockenheit gibt – etwa beim Obstbau in Süditalien oder Frankreich“, so Meier-Grüll. „Mit den heißer werdenden Sommern und zunehmenden Extremwetterereignissen gewinnen die Agri-PV-Anlagen auch für unsere Region stark an Bedeutung. “ Bei Morschenich-Alt haben die Forschenden nun auf rund zwei Hektar vier Versuchsfelder mit verschiedenen Agri-PV-Anlagen errichtet – und noch mal drei weitere Kontrollfelder, auf denen sie jeweils dieselben Pflanzen ohne „PV-Dach“ anbauen. „Wir wollen im Feldversuch herausfinden, bei welchen Nutzpflanzen welche Arten von PV-Anlagen wirklich Sinn machen – und wie man die Flächen insgesamt möglichst effizient nutzen kann, damit sich die Doppelnutzung lohnt“, sagt Meier-Grüll, der bis vor drei Jahren am IEK-5 Solarzellen erforscht hat. „Wir tauschen uns dafür mit Landwirten und Forschenden aus aller Welt aus, die Agri-PV bereits einsetzen.“
„Wir lernen viel durch kritische Diskussionen mit Landwirten aus dem Rheinischen Revier und beraten sie zugleich mit unserem Forschungswissen“
MATTHIAS MEIER-GRÜLL
Doch im Strukturwandelprojekt geht es vor allem um die eigene Region: „Wir lernen viel durch kritische Diskussionen mit Landwirten aus dem Rheinischen Revier und beraten sie zugleich mit unserem Forschungswissen“, so der Energieforscher. „Viele sind aber noch skeptisch, ob sie die neuen Methoden einführen können – etwa wegen der hohen Investitionskosten. Für Nutzpflanzen wie Getreide und Kartoffeln braucht es sehr hohe, kostenintensive Systeme, zugleich wird es durch die nötigen Gerüste schnell zu eng für große Ackermaschinen. “ Sinnvoll seien „PV-Dächer“ aber für Sonderkulturen wie Beerenobst, Kräuter oder Salat, die anders gesät und geerntet werden und höhere Erträge für die Landwirte erzielen. „Hier sind bereits viele landwirtschaftliche Betriebe aus der Region interessiert. Wir helfen ihnen dabei, gut informiert und faktenbasiert neue Wege einzuschlagen.“ Am Ende gehe es auch gar nicht um riesige Felder voller PV-Gerüste, betont Meier-Grüll. „Mit zwei Prozent der Ackerflächen könnte die Agri-PV in Deutschland bereits einen gewaltigen Beitrag zur Energiewende leisten.“
Künftig will das IBG-2 auch zu vertikalen PV-Systemen forschen. „Diese könnten ähnlich wie Zäune aufgebaut und dann auch auf großen Getreide- oder Rübenfeldern problemlos genutzt werden.“ Das IBG-2 bringt seine Expertise auch in eine neue große Agri-PV-Testanlage ein, die RWE ab dem Sommer nahe dem Braunkohletagebau Garzweiler aufbauen will. „Dort werden wir auch weiter forschen“, so Meier-Grüll.
Den Weg freimachen
Das Interesse an Agri-PV in der Region ist groß: „Einige Kommunen, die Anlagen auf ihren Flächen aufbauen wollen, haben uns bereits angesprochen “, erzählt Prof. Ulrich Schurr vom IBG-2. Hier beraten die Forschenden aktiv: „Ob Kommunen, Landwirte, Energieversorgungsunternehmen, Investoren oder Bürgervereine: Zunächst muss ein gemeinsames Verständnis dafür entwickelt werden, wer welche Rolle spielt.“ Ein Beispiel: Will ein Landwirt seine Flächen selbst mit PV-Anlagen ausstatten und den Strom direkt nutzen, ihn ins Netz einspeisen oder für die direkte Energieversorgung eines nahen Wohngebiets zur Verfügung stellen? Oder will ein Landwirt oder ein Landbesitzer einem Unternehmen gegen Pacht einräumen, über dem Acker Agri-PV Anlagen aufzubauen? „Hier gibt es unzählige Szenarien“, sagt Schurr.
Für die Beratungen nutzt das IBG-2 auch die vielseitigen Erfahrungen beim Aufbau der eigenen Agri-PV-Forschungsanlage nahe Morschenich-Alt. „Natürlich geht es dabei viel um ein sinnvolles Zusammenspiel von Pflanzen und PV-Modulen, aber auch Baurecht ist ein großes Thema“, sagt Schurr. So gebe es klare Beschränkungen, was im Außenbereich gebaut werden darf. „Mit Landwirtschaft und PV-Anlagen stoßen zwei rechtliche Dinge zusammen, die regulatorisch bislang wenig miteinander zu tun hatten“, so Schurr. Das merkten auch die Jülicher, als es Monate brauchte, um eine Genehmigung für ihre Anlage zu bekommen. „Bislang fehlen klare, einheitliche Regelungen für Land, Bund und Europa. Das schreckt noch viele ab“, so der Pflanzenforscher. „Aber wir haben viel über die Genehmigungsprozesse gelernt, geben dieses Wissen weiter und erwarten, dass unser Jülicher Präzedenzfall die Verfahren in NRW künftig vereinfacht.“ Schurr hat auch an einem Papier für das Bundeswirtschaftsministerium mitgewirkt: „Erste gesetzliche Änderungen sind seither bereits auf Bundesebene eingeführt worden, aber wir müssen hier weiter dranbleiben.“
Die forschende Bäuerin
Seit sie zwölf ist, fährt Christin Müller mit dem Traktor über riesige Kartoffelacker. „Meine Eltern haben in Titz einen landwirtschaftlichen Betrieb, den ich später auch übernehmen will“, sagt die 24-Jährige, die in Stuttgart Agri-Business studiert. 2022 war sie im Agri-PV-Projekt als Masterstudentin im Team von Dr. Onno Muller am IBG-2 mit dabei. Dort hat sie beide Welten verbunden: „Zum einen konnte ich erforschen, wie die rheinische Ackerbohne im Schatten der PV-Anlagen über das Jahr hinweg klarkommt. Zum anderen bringe ich den Blick und viel Wissen aus der praktischen Landwirtschaft mit.“ Und ein gutes Netzwerk: „Ich kenne viele Bauern, die uns beim Ackerbohnenexperiment super beraten und vor Ort tatkräftig mithelfen – etwa bei der Schädlingsbekämpfung. Außerdem tausche ich mich mit vielen Bauern meiner Generation auf Augenhöhe aus“, erzählt sie. Gerade junge Landwirt:innen seien interessiert an innovativen Nutzungsideen für ihre Felder, weil viele Betriebe mit ihren Erträgen an ihre Grenzen stießen. Müller: „Angesichts steigender Energiepreise dürfte selbst erzeugter Solarstrom auf Feldern für Landwirte auch für den Eigenverbrauch immer wertvoller werden – etwa für die stromfressenden Bewässerungsanlagen. “ Geeignet sei Agri-PV vor allem für Betriebe, die Gemüse und Obst regelmäßig über Wochenmärkte oder Hofläden direkt vermarkten: „Unter der Anlage wachsen die Pflanzen unterschiedlich schnell – und werden nicht alle gleichzeitig reif!“ Doch zurück zum Ackerbohnen-Experiment: „Direkt unter den PV-Modulen bekommen die Böden wenig Regen, aber wegen der schräg einfallenden Sonne viel Licht ab. Gleich neben den Modulen wiederum fällt deren Schatten auf den Acker – und der Regen“, erklärt Müller. Was funktionierte besser? „Im Frühjahr wuchsen zunächst die Bohnen im sonnigen, trockenen Bereich schneller, im extrem heißen Sommer hatten dann die Pflanzen im feuchten Schatten klar die Nase vorn.“ Bislang erbrachten sie aber weniger Ertrag als die Bohnen auf dem komplett PV-freien Kontrollfeld. Wie man das etwa mit Bewässerungsanlagen noch verbessern kann, will das IBG-2 in Morschenich-Alt nun diesen Sommer herausfinden – und auch Früchte wie Heidel-, Erd- und Himbeeren testen.
Licht und Schatten
Damit Agri-PV-Anlagen Sinn machen, müssen Pflanzen und Photovoltaikmodule richtig kombiniert werden. Wie das in der Praxis geht, untersucht Dr. Andreas Gerber vom IEK-5 zusammen mit den Kolleg:innen vom IBG-2 in Morschenich-Alt. Die PV-Messtechnik dafür hat der Photovoltaikforscher mit seinem Team und einer Firma aufgebaut. „Dafür haben wir Ende 2021 eine Menge Kabel im matschigen Acker und in bis zu vier Meter Höhe verlegt“, erzählt Gerber. Nun erforscht er, zu welchen Leistungen die verschiedenen PV-Modultypen auf dem Acker fähig sind, die sich teils sogar automatisch mit der Sonne bewegen. „Außerdem prüfen wir, ob bei Wind und Wetter in bis zu vier Metern über dem Feld schneller technische Probleme auftreten“, so Gerber. „Die ganze Anlage – etwa unsere Messelektronik und die Robotik-Systeme des IBG-2 – wird dabei übrigens durch unseren eigenen grünen PV-Strom autark betrieben!“ Gleichzeitig programmiert das IEK-5 gemeinsam mit dem IBG-2 ein Softwaretool, das berechnen kann, wie viel Licht und Schatten zu welcher Tageszeit über den Jahresverlauf bei den Pflanzen ankommt. „Hierfür testen wir auch virtuell, wie groß die Lücken zwischen den PV-Modulen sein müssen“, so Gerber. „Außerdem können wir gerade für Getreide und andere Pflanzen, die viel Sonne brauchen, auch lichtdurchlässige PV-Module vorab ausprobieren. “Diese werden gerade am HI ERN/ IEK-11 in Erlangen-Nürnberg mit Helmholtz-Förderung entwickelt. Kombiniert werden soll das alles künftig noch mit Software, die vorhersagen kann, wie viel Ertrag einzelne Pflanzenarten dann jeweils bringen. „Für mich als Forscher ein Traum“, freut sich Gerber. Anwenden lässt sich die Software in der Region, aber auch weltweit – kann sie doch mit unterschiedlichen lokalen Wetterdaten gefüttert werden. Gerber: „In Afrika etwa gibt es ein ganz anderes Klima und viel mehr Sonneneinstrahlung als im Rheinischen Revier.“
Beteiligte Instiute
Die Roboter-Achterbahn
Vor der Agri-PV-Anlage bei Morschenich-Alt bleiben regelmäßig Menschen beeindruckt stehen. Seit dem vergangenen Herbst sind es sogar noch mehr: Denn über dem Acker sausen nun regelmäßig zwei Messsonden aus Metall hin und her. Sie fahren entlang einer insgesamt 1.200 Meter langen Stahlschiene, die unterhalb der PV-Gerüste angebracht ist – wie eine kleine Roboter-Achterbahn. „Die PV-Anlagen haben teils zwei Meter Höhenunterschied, die unsere Sonden über das Schienensystem überwinden müssen“, erläutert Robotik-Expertin Angelina Steier vom IBG-2. Aktuell noch in der Testphase, sollen die beiden vollautomatischen Akku-Sonden mit verschiedenen optischen Sensoren ab diesem Frühjahr die Pflanzenmessungen an der Agri-PV-Anlage übernehmen – und möglichst schnell viele Messdaten automatisiert erfassen. „Rund um die Uhr können wir so gleichzeitig den Zustand der Pflanzen unter der PV-Anlage und auf der Kontrollfläche ohne PV-Module untersuchen, ohne dass wir die Pflanzen dabei beschädigen“, erläutert die Elektroingenieurin. Wird der Akku einer Sonde langsam leer, fährt sie von selbst zu ihrer Ladestation, um sich superschnell mit gespeichertem Solarstrom wieder „aufzutanken“. Auf den ersten Blick eher unspektakulär wirken die zwei umherfahrenden Sensorplattformen – rund ein Meter lange Metallquader. „Sie sind aber vollgepackt mit spannenden Messgeräten“, so Steier. Entwickelt hat sie die beiden Sonden zusammen mit einem Spezialunternehmen – und bringt dafür zehn Jahre Erfahrung mit anderen Robotiksystemen aus Feldexperimenten des IBG-2 mit. „Wir nutzen einige leichte Messgeräte, die wir auch an unseren Drohnen einsetzen. Gleichzeitig versuchen wir, schwere Sensoren wie einen Zwölf-Kilo-Fluroreszenzmesser zu integrieren, die sonst nur von unseren riesigen Messrobotern getragen werden können. “ Die größte Schwierigkeit sei aber das Wetter: „Die Elektronik reagiert empfindlich auf Hitze, Staub und Nässe. Trotzdem muss alles funktionieren!“ Und die neugierigen Zaungäste? Die sind Steier immer willkommen: „Dieses große Interesse an Innovationen für die Region finde ich großartig.“
Jochem Gerden (26) Dürener Bio-Landwirt
„Auf unserem Dürener Biohof haben wir bereits zwei große Hallendächer voll mit Photovoltaik. Denn allein um unser Gemüse gekühlt zu lagern, brauchen wir viel Energie. Eigener Solarstrom ist bei uns also ein echter Kostensenker. Als ich Anfang 2021 vom Agri-PV-Projekt gehört habe, war mein Interesse sofort geweckt. Schnell kam ich mit den Jülicher Forschenden in Kontakt und habe in Morschenich-Alt das vergangene Jahr über beim Säen von Ackerbohnen oder Kapuzinerkresse geholfen. Wie andere Landwirte der Region habe ich das IBG-2 als Praktiker beraten: etwa dazu, wie man einen Acker unter so einer Anlage am besten pflügt und welche Großmaschinen man für welche Nutzpflanzen benötigt. Ich wusste sofort: Zuckerrüben unter Agri-PV-Anlagen anzubauen bringt nichts, weil der für die Ernte nötige riesige Rübenroder da gar nicht drunter passt. Weil ich oft vor Ort war und die Jülicher Forschenden mich bestens beraten haben, habe ich gleichzeitig viel über Agri-PV gelernt. Wir haben in unserem Familienbetrieb dann überlegt, ob wir selbst solche Anlagen aufbauen wollen – über manchen unserer Anbauflächen, aber auch über dem Außengehege unserer Hühner, wo sie die Tiere vor Habichten schützen würden. Letztlich war uns die Eigeninvestition in Agri-PV-Anlagen aber zu groß. Das Ganze soll sich ja nicht erst in 20 Jahren rechnen. Was den Bau aktuell so teuer macht, sind gar nicht die PV-Module, sondern der Stahl für die hohen Gerüste und die Speichersysteme für den Solarstrom. Im Sommer 2022 hat uns Matthias Meier vom IBG-2 dann gefragt, ob wir Teil eines neuen Forschungsversuchs werden wollen. Geplant ist, lichtdurchlässige PV-Module auf unsere Gewächshäuser und Folientunnel zu bauen, also auf einen Teil unserer 6.000 Quadratmeter mit Tomaten, Gurken und Erdbeeren. Das gehen wir gerade gemeinsam mit dem Forschungszentrum an. Für uns als Unternehmer ist das interessant, weil wir so vor Ort viel über diese Technik in der Praxis erfahren und dann gut einschätzen können, ob wir diese künftig im größeren Stil selbst aufbauen wollen. Dass auf unserem Hof dann regelmäßig Forschende herumlaufen, stört mich übrigens nicht: Ich habe meine Ausbildung selbst in einem Versuchsbetrieb nahe Pulheim gemacht. Forschung ist für mich also kein Neuland.“
Text: Hanno Schiffer für das Mitarbeitenden-Magazin "intern" des Forschungszentrums Jülich / Fotos: Sascha Kreklau & Ralf-Uwe Limbach, Forschungszentrum Jülich.
Ansprechpartner
- Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG)
- Pflanzenwissenschaften (IBG-2)
Raum 413
