Neue Solarmodule aus Jaén: Agrivoltaik für Strom und Landwirtschaft

In Südspanien verändert eine neue Art von Solarmodulen leise die Regeln dafür, wer die Sonne nutzen kann.

Statt zwischen Lebensmitteln und Strom wählen zu müssen, lässt sich das Sonnenlicht nach Angaben von Forschenden aus Jaén teilen. Ihre Modulprototypen erzeugen nennenswerte Mengen Strom und lassen zugleich genügend Licht durch, damit Gemüse und Obstbäume am Leben bleiben und Erträge liefern.

Wie Solarparks mit landwirtschaftlichen Flächen in Konflikt gerieten

Die Energiewende in Europa trifft auf eine einfache, hartnäckige Tatsache: Fläche ist begrenzt. Die Europäische Union will bis 2030 mindestens 30 % ihrer Energie aus erneuerbaren Quellen beziehen und bis 2050 klimaneutral werden. Große Solaranlagen nehmen in diesem Vorhaben eine zentrale Rolle ein, begünstigt durch günstigere Module und die stark gestiegene Produktion in China.

Mit der Größe der Projekte wachsen jedoch auch die Konflikte vor Ort. Projektentwickler suchen ebene, sonnige Felder. Landwirte sehen auf denselben Flächen ihre Existenzgrundlage. Gemeinden wehren sich, wenn Solaranlagen Obstgärten oder Weiden ersetzen. In manchen Regionen ist der Gegensatz zwischen Solarstrom und Lebensmitteln zu einem beherrschenden Diskussionsthema geworden.

Diese Spannung erklärt mit, warum die Agrivoltaik an Bedeutung gewonnen hat. Anstatt landwirtschaftliche Betriebe zu verdrängen, werden bei agrivoltaischen Anlagen die Module erhöht angebracht oder mit größeren Abständen aufgestellt. So können sich Feldfrüchte, Nutztiere oder Bienenstöcke dieselbe Fläche teilen. Schattenverträgliche Pflanzen können von einem kühleren Mikroklima und geringerer Verdunstung profitieren. Schafe weiden unter den Anlagen und halten das Gras kurz, während Imker die Solarflächen als Nahrungsgebiete für ihre Bienen nutzen.

Die Agrivoltaik soll einen Konflikt um die Flächennutzung in eine doppelte Ernte verwandeln: Kilowattstunden von oben, Kalorien von unten.

Die eigentliche technische Schwierigkeit entsteht, wenn die Module unmittelbar über den Pflanzen angebracht werden. Herkömmliche lichtundurchlässige Module halten den Großteil des Sonnenlichts ab. Das kann das Wachstum verlangsamen, Pflanzen verformen oder die Erträge verringern. Zwar gibt es semitransparente Module, doch büßen sie üblicherweise zu viel elektrische Leistung ein, um Landwirte und Investoren zufriedenzustellen.

Der Ansatz aus Jaén für semitransparente Solarmodule

Eine Forschungsgruppe der Universität Jaén in Südspanien hat in einer kürzlich erschienenen Arbeit zur Agrivoltaik einen neuen Aufbau vorgeschlagen. Sie nennt das System RearCPVbif, eine Abkürzung für eine bifaziale Photovoltaikanlage mit rückseitigem Konzentrator. Der Name klingt sperrig, das Prinzip ist einfach: Licht für die Pflanzen durchlassen und gleichzeitig einen Teil jener Sonnenstrahlung zurückgewinnen, die sonst ungenutzt bliebe.

Was RearCPVbif unterscheidet

• Bifaziale Solarzellen erzeugen sowohl auf ihrer Vorder- als auch auf ihrer Rückseite Strom.
• Optische Konzentratoren an der Rückseite lenken reflektiertes und gestreutes Licht auf die Zellrückseiten.
• Eine hohe optische Transparenz stellt sicher, dass weiterhin ausreichend Licht zu den Pflanzen darunter gelangt.

Bei den meisten semitransparenten Photovoltaikmodulen, häufig STPV genannt, wird das aktive Material lediglich mit Abständen angeordnet oder in dünneren Schichten eingesetzt. Dadurch fällt mehr Licht hindurch, die Stromerzeugung sinkt aber. Das System aus Jaén setzt auf einen anderen Kompromiss: Es behält die Transparenz bei und gewinnt zusätzlichen Strom aus Licht, das hinter dem Modul reflektiert und gestreut wird.

Die Forschenden geben einen Transparenzfaktor von rund 60 % an. Dieser Wert gilt für viele gartenbauliche Kulturen üblicherweise als akzeptabel.

Die 60 % sind von Bedeutung: Agrarwissenschaftliche Studien legen nahe, dass viele Gemüsearten Schwierigkeiten bekommen, wenn die durchschnittliche Lichtdurchlässigkeit deutlich unter diese Schwelle fällt. Oberhalb davon können manche Arten eine nahezu normale Photosynthese aufrechterhalten, insbesondere bei gut geregelter Temperatur und Feuchtigkeit.

Zwei wichtige Lichtkennzahlen für Pflanzen und Strom

Um zu beurteilen, ob ein Solarmodul sicher über Nutzpflanzen angebracht werden kann, betrachten Fachleute aus Technik und Agrarwissenschaft heute zwei Werte statt allein der auf dem Typenschild angegebenen Watt-Spitzenleistung.

• Mittlere sichtbare Transmission (AVT): der Anteil des sichtbaren Lichts, der das Modul durchdringt.
• Mittlere photosynthetische Transmission (APT): der Anteil des Lichts in den für die Photosynthese tatsächlich genutzten Wellenlängen, der die Blätter erreicht.

Das Team aus Jaén bezog beide Kennzahlen ein. Für Nutzpflanzen ist die APT wichtiger als die gesamte Sonnenenergie. Besonders relevant ist für sie die sogenannte photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) mit Wellenlängen von ungefähr 400–700 Nanometern. Blockiert ein Modul zu viel aus diesem Bereich, gehen die Erträge zurück, selbst wenn reichlich Infrarot- oder Ultraviolettlicht hindurchkommt.

Frühere Untersuchungen zu Gewächshäusern und Schattiernetzen setzen die Untergrenze für ein ungestörtes Pflanzenwachstum je nach Art bei etwa 60 % Transmission im PAR-Bereich an. An diesem Richtwert wurde das RearCPVbif-System ausgerichtet.

Wo „transparente“ Solartechnik heute steht

Die Photovoltaikbranche verfolgt Transparenz grundsätzlich auf zwei Wegen.

• Nichtselektive semitransparente Module verwenden dünnere absorbierende Schichten oder mikroskopisch kleine Lücken im aktiven Material. Sie lassen über das gesamte Spektrum mehr Licht hindurch, erleiden aber meist erhebliche Einbußen beim elektrischen Wirkungsgrad.
• Wellenlängenselektive Module sollen vor allem ultraviolette und nahe Infrarotstrahlung absorbieren und sichtbares Licht durchlassen. Die Pflanzen erhalten einen großen Teil des benötigten Lichts, während das Modul jene Spektralbereiche nutzt, die das menschliche Auge nicht wahrnimmt.

Der Entwurf aus Jaén steht der zweiten Gruppe nahe, ergänzt sie aber um rückseitige optische Konzentratoren. Diese sollen verstreute Strahlen auffangen, die zunächst durch das Modul gelangen, am Boden oder an Pflanzen reflektiert werden und anschließend auf die Modulrückseite treffen. Bifaziale Zellen können dieses reflektierte Licht in zusätzlichen Strom umwandeln.

Das System nutzt nicht nur Photonen an der Vorderseite, sondern erhält eine zweite Chance: Es fängt Licht ein, das die landwirtschaftliche Fläche sonst einfach zurück in den Himmel reflektieren würde.

Gut kombinieren lässt sich dieser Ansatz auch mit hellen, reflektierenden Böden oder hellen Mulchmaterialien. Sie erhöhen die Lichtmenge, die der Rückseite der Zellen zur Verfügung steht.

Pflanzen kühl halten, während die Module arbeiten

Wärme ist eine weitere Herausforderung, wenn Solarmodule über Nutzpflanzen hängen. Ein heißes Glasdach kann warme Luft einschließen und einen unerwünschten Treibhauseffekt erzeugen. Hohe Modultemperaturen beeinträchtigen außerdem die elektrische Leistung und senken den Wirkungsgrad der Zellen.

In der Studie aus Jaén wurde das Temperaturverhalten beobachtet. Dabei blieben die Zelltemperaturen unter etwa 70 °C. Dieser Wert vermeidet die stärksten Leistungsverluste und verringert das Risiko, dass die Luftschicht unmittelbar unter den Modulen überhitzt. Für Landwirte kann die Temperaturkontrolle dazu beitragen, dass sich Pflanzen wie gewohnt entwickeln, statt unter Stress zu geraten.

• Kühlere Module liefern während sommerlicher Hitzewellen eine stabilere Leistung.
• Gemäßigtere Lufttemperaturen verringern bei empfindlichen Kulturen den Abwurf von Blüten und Schäden an Früchten.
• Nutztiere unter den Modulen sind im Vergleich zu blanken Metalldächern weniger extremer Hitze ausgesetzt.

Was das für Landwirte und Projektentwickler bedeuten könnte

Erreichen Systeme wie RearCPVbif die Marktreife, könnten Solarentwickler ländliche Flächen in sonnenreichen Regionen wie Andalusien, Kalifornien oder Süditalien anders betrachten. Statt Nutzpflanzen zu verdrängen, könnten sie langfristige Pachtverträge aushandeln, bei denen Landwirtschaft und Solaranlage nebeneinander betrieben werden.

Aus Sicht der Landwirte könnte eine semitransparente Überdachung einige Klimarisiken abmildern. Halbschatten kann den Hitzestress während zunehmend häufiger Hitzeperioden begrenzen. Die Module können die Windgeschwindigkeit am Boden senken und die Verdunstung verringern. Wo Wasser knapp oder teuer ist, lassen sich dadurch Erträge stabilisieren.

Statt Pacht für verlorene Felder zu zahlen, könnten Landwirte zwei Einkommen aus demselben Hektar erzielen: eines aus der Ernte und eines aus Strom.

Wie gut das in der Praxis funktioniert, hängt von einer sorgfältigen Auswahl der Kulturen und der Auslegung der Anlage ab. Blattgemüse, Beeren und bestimmte Kräuter können unter gefiltertem Licht gut gedeihen. Getreide und sonnenliebende Obstbäume brauchen möglicherweise größere Reihenabstände oder höher montierte Konstruktionen, damit die Erträge nicht leiden.

Fragen, die noch offen sind

Wie bei jedem vielversprechenden Laborkonzept bleiben mehrere Hürden, bevor agrivoltaische Module dieser Art über Tomatenreihen oder jungen Olivenbäumen zum gewohnten Anblick werden.

• Kosten der Optik: Rückseitige Konzentratoren und bifaziale Zellen machen die Anlage komplexer. Hersteller müssen zeigen, dass die zusätzlichen Kilowattstunden die höheren Materialkosten ausgleichen.
• Haltbarkeit: Die optischen Bauteile müssen auf bewirtschafteten Flächen über Jahrzehnte Staub, Feuchtigkeit, Hagel und Reinigung standhalten.
• Zugang für Wartung und Bewirtschaftung: Landwirte benötigen Platz für Traktoren, Erntemaschinen und Bewässerungsanlagen. Das beeinflusst die Anordnung der Module.
• Regulierung: Planungsregeln und Agrarförderungen in Europa und anderen Regionen gehen überwiegend noch davon aus, dass ein Feld entweder dem Pflanzenbau oder der Solarstromerzeugung dient, nicht beidem.

Wie sich das Potenzial der Agrivoltaik auf einem Betrieb beurteilen lässt

Für Grundstückseigentümer, die solche Anlagen künftig erwägen, können bereits einige grundlegende Prüfungen Orientierung bieten, noch bevor diese konkrete Technologie vollständig kommerzialisiert ist.

• Die durchschnittliche Sonneneinstrahlung und Temperatur während der Vegetationsperiode messen.
• Ermitteln, welche Kulturen des Betriebs Halbschatten oder kühlere Bedingungen unter der Überdachung vertragen.
• Verschiedene Moduldichten modellieren und dort, wo hohe Erträge besonders wichtig sind, mindestens 60 % photosynthetische Transmission anstreben.
• Wassereinsparungen durch geringere Verdunstung simulieren und mit möglichen Ertragsänderungen vergleichen.

Einfache Simulationen zeigen, dass an heißen, sonnenreichen Standorten eine moderate Verringerung des direkten Lichts mitunter durch geringeren Hitzestress und Wassereinsparungen ausgeglichen werden kann. Das gilt besonders für hochwertige gartenbauliche Kulturen. Zusammen mit verlässlichen Einnahmen aus Strom verändert dies die finanzielle Ausgangslage für ertragsschwache oder dürregefährdete Flächen.

Für Energieplaner erweitern agrivoltaische Entwürfe wie jener aus Jaén die Auswahl möglicher Solarstandorte. Parkplätze und Dächer bleiben weiterhin wichtig. Semitransparente, bifaziale Anlagen über Nutzpflanzen ermöglichen es jedoch, die Solarkapazität innerhalb bestehender Landwirtschaftsgebiete auszubauen, statt Betriebe nach außen oder auf weniger geeignete Flächen zu verdrängen. In Regionen, die sowohl durch den Klimawandel als auch durch Energieziele unter Druck stehen, könnte dieses Modell der gemeinsamen Sonnennutzung bei der Planung der nächsten Generation ländlicher Infrastruktur allmählich von Versuchen zu einer regulären Option werden.