20.06.2013

Das AgriPV® Konzept zur doppelten Sonnenernte: landwirtschaftliche Produktion und Elektrizitätsgewinnung durch Photovoltaik

Die Kosten für Photovoltaik (PV)‐ Module und damit auch für entsprechende Anlagen haben sich in den letzten Jahren um über 70 % verbilligt. Die Stromerzeugung durch Photovoltaik ist damit in den meisten Fällen die günstigste Form der Stromerzeugung überhaupt. Durch neuartige, semi‐transparente Glas‐Glas‐Module ist es nun zusätzlich möglich, erstmals in großem Umfang und kostengünstig Stromproduktion und landwirtschaftliche Produktion zu verbinden. Beide Bereiche, die Produktion von Strom und von Nahrungsmitteln gehören zu den größten Problemen der Menschheit.

Durch diese, von uns AgriPV(R) genannte Kombination von Landwirtschaft (Agriculture) undPhotovoltaik (PV), ist in vielen Fällen eine Verdoppelung der Erträge auf landwirtschaftlichen Flächen möglich. Zudem eröffnet die durch die Photovoltaik mögliche gezielte Teilverschattung vonAnbauflächen deutliche Ertragssteigerungen sowie den Anbau von landwirtschaftlichen Produkten, der aufgrund der hohen Sonneneinstrahlung in heissen Regionen sonst nicht möglich wäre. Durch den Schutz vor Verdunstung wird zu dem der Wasserbedarf in vielen Fällen um mehr als die Hälfte reduziert. Auch ist es möglich, durch Erosion bereits stark geschädigte Böden mit neuen Bewirtschaftungsmethoden nach und nach wieder zu nutzen. Das Konzept ermöglicht erstmals in grossem Umfang die dezentrale Produktion von Energie und Nahrungsmitteln. Es ist daher auch geeignet, die gerade in Entwicklungsländern dramatisch zunehmende Landflucht einzudämmen.

Gewächshäuser mit integrierten PV Anlagen

Eine Vorstufe von AgriPV(R) stellen Gewächshäuser dar, die mit semi‐transparenten Modulen sowohl die Produktion von Elektrizität als auch von landwirtschaftlichen Produkten sowie Gartenbauermöglichen. Allerdings ist es erst durch neue Techniken zur Produktion von Glas‐Glas‐Modulen mit dünnen Gläsern heute möglich, in diesem Bereich wirtschaftlich attraktive Lösungen umzusetzen.Die Module der GridParity AG mit zwei Glasscheiben von nur 2 mm Stärke und ohne Rahmen wiegen nur ca. zwöNlf Kilo je Quadratmeter und lassen sich aufgrund der geringen Stärke von 4,4 mm (miteinlaminierten Solarzellen) leicht in vorhandene Konstruktionen einfügen. Die Solarzellen werden ingrösseren Abständen als bei herkömmlichen Modulen platziert. Weiterhin wird eine neuartige,besonders langlebige, UV‐ und feuchtigkeitsbeständige Laminierfolie verwendet. Diese Hightechfolie ermöglicht eine bisher unerreichte Lebensdauer der Module von bis zu 50 Jahren.

Landwirtschaftliche Nutzung unter PV‐Freiflächenanlagen

In der Vergangenheit gab es auch immer wieder Überlegungen, dem hohen Landverbrauch durch PV Freiflächenanlagen dadurch zu begegnen, dass unter diesen Anlagen Pflanzen angebaut werden. In der Realität scheiterte dieses Konzept daran, dass alle diese Anlagen ganz einseitig auf möglichsthohe Erträge ausgelegt waren. Alle Anlagen erzielten Einspeisevergütung nach dem EEG, das Finanzierungskonzept beruhte ausschliesslich auf einer Maximierung der Nettoerträge. Für andere Überlegungen gab es keinen Raum.

Die Anlage in Warmesried im Allgäu

Einer der ersten Belege, dass unter PV Freiflächenanlagen auch der Anbau von Nutzpflanzen möglichist, ergab sich eher zufällig bei der Anlage von Manfred Guggenmos im Allgäu. Dort wurde eine PVAnlage auf den zur Holztrocknung vorhandenen Gestellen eines früheren Sägewerks montiert. An denAnbau von Pflanzen war zunächst nicht gedacht. Erst als sich zeigte, dass selbst unter denherkömmlichen (nicht transparenten) Modulen ausgesäte Pflanzen‐ und Getreidesorten vorzüglich wuchsen, war dies ein Beleg dafür, dass eine landwirtschaftliche Nutzung prinzipiell sogar unterAgriPV(R) Kurzfassung 10.6.13 ˝ Dr. E. Merkle, GridParity AG Seite 2herkömmlichen Modulen möglich ist.

Untersuchungen des Fraunhofer Instituts

Während die heutige PV auf Freiflächen mit der Landwirtschaft konkurriert, versucht die AgriPV(R) diese Konkurrenz aufzulösen. Bei ersten Untersuchungen ergab sich, dass es eine Vielzahl von schattentoleranten Kulturpflanzen gibt. Bei vielen sind durch Beschattung sogar Ertrags‐ und Qualitätsgewinne möglich. Allerdings sind bei der Verwendung herkömmlicher Module unter typischen Freilandanlagen nur Teilzonen nutzbar.

AgriPV(R) der GridParity AG als fertiges Konzept

Die eher zufälligen Beispiele einer Verbindung von Landwirtschaft und Photovoltaik haben die prinzipiellen Möglichkeiten einer Verbindung von Stromerzeugung und Pflanzenproduktion aufgezeigt. Das Konzept der AgriPV(R) der GridParity AG geht allerdings systematisch vor und hat eine eigenständige Lösung entwickelt, die bereits auf der Messe Intersolar im Juni 2013 vorgestellt undangeboten wird. Das Konzept ermöglicht eine doppelte Nutzung der Sonnenenergie und dadurch erstmals, die beiden grössten Probleme der Menschen in unterentwickelten Gegenden der Erde einer Lösung zuzuführen: Produktion von Elektrizität und Nahrungsmitteln.

Die speziell entwickelten Solarmodule erzielen, abhängig von der gewählten Anordnung der Solarzellen eine Lichtdurchlässigkeit von 40‐70%. Entsprechend der Leistung der eingesetzten Solarzellen liegt der Stromertrag zwischen 160 und 200 Wp. Darunter lassen sich nahezu alle Pflanzen anbauen, die auch in der herkömmlichen Landwirtschaft sowie im Gartenbau in den entsprechenden Regionen wachsen. Da die Pflanzen durch die Teil‐Verschattung vor zu grosser Sonneneinstrahlung geschützt sind, erbringen diese in der Regel wesentlich höhere Erträge als wenn sie der vollen Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Möglich ist auch der Anbau von Pflanzen die aufgrund der hohen Sonneneinstrahlung in vielen Löndern nicht mehr wachsen. Die Photosynthese‐Leistung fast aller Pflanzen nimmt nämlich ab einer Temperatur von ca. 40° Celsius rapide ab. In einer AgriPV(R) Anlage lässt sich durch die Verschattung die Temperatur fast immer unterhalb dieses Grenzwertes halten.

AgriPV(R) System als Bausatz

Die GridParity AG hat das AgriPV(R) System als Bausatz entwickelt, der von verschiedenen Lizenzpartnern geliefert bzw. aufgrund der einfachen Konstruktion nach übermittelten Zeichnungenauch vor Ort angefertigt werden kann. Der Grundbausatz enthält neben den Modulen auch den Wechselrichter und das komplette Anschlussmaterial. Die Konstruktion hat eine lichte Höhe von 3‐4 m. Auf das Dach werden 12 Glas‐Glas Module in der Grösse von 1660 mm mal 1000 mm montiert. Die Neigung beträgt 5‐20°, die bevorzugte Ausrichtung ist Ost‐West. Durch die Zwischenräume der Module kann das Regenwasser in den Innenraum abfliessen. Es kann aber auch aufgefangen und in einer Zisterne gespeichert werden. Abhängig von der Leistung der Module wird für die einzelne Konstruktion eine Gesamtleistung von 1,8‐2 kWp erreicht.

Die Seiten der Konstruktion sind offen, so dass die Sonne sowohl durch die Module von oben als auch durch die Seiten die Pflanzen bescheint. Die Lichtmenge reicht aus, um das Wachstum der Pflanzen trotz der Teilverschattung fast uneingeschränkt zu ermöglichen. Im Regelfall werden mehrere Einheiten sowohl in Reihen als auch nebeneinander in variablen Abständen montiert. Dabei kann der Abstand sehr eng sein, so dass sich eine Art offenes Gewächshaus ergibt, oder auch sehr weit sein, so dass die mittlere Fläche einen grossen Anteil der direkten Sonneneinstrahlung zur Mittagszeit erhält.

Zu der Grundkonstruktion gibt es verschiedene Erweiterungen, zum Beispiel

• Batteriemodul für die kontinuierliche Bereitstellung und Speicherung der Elektrizität

• Erweiterungssatz zum Auffangen des Regenwassers und Ableitung in eine Zisterne,

• Erweiterungssatz mit Pumpeinrichtung für die Bewässerung oder Beregnung der Pflanzen mit Wasser aus der Zisterne oder mit Grundwasser.

AgriPV(R) in Entwicklungsländern: Energie und Entwicklungschancen

Obwohl Energie erstaunlicherweise im Gegensatz zu Nahrung, sauberem Wasser, Bildung usw. nicht zu den Menschenrechten gehört, so stellt diese doch, insbesondere in Form der Elektrizität, eine Voraussetzung für fast jegliche Entwicklung dar: in der Landwirtschaft, im Gesundheitswesen, in der Bildung sowie der Informationsübermittlung und Kommunikation. Es existiert eine klare statistische Korrelation zwischen pro‐Kopf Einkommen und dem Zugang zu Elektrizität. Auch die gesamtemenschliche Entwicklung gemessen zum Beispiel an Human Development Index (HDI) hängt damit zusammen.

Nach Berichten von UN‐Energy, sind trotz der über viele Jahrzehnte armen Ländern zur Verfügunggestellten Entwicklungshilfe, weiterhin rund 25 Prozent der Weltbevölkerung, ca. 1.6 Mrd. Menschen, ohne jeden Zugang zu Elektrizität. Insbesondere die Länder Afrikas sind von der Energiearmut massiv betroffen. So haben nur 8 % der ländlichen Bevölkerung in Afrika südlich der Sahara Zugang zu Elektrizität, im Gegensatz zu 51 % der urbanen Bevölkerung.

Der weltweit steigende Preis von Öl sowie anderen fossilen Energieträgern führt dazu, dass selbst vorhandene Kleinanlagen zur Stromerzeugung (zum Beispiel Dieselgeneratoren) aber auch Kraftwerke, nicht mehr in vollem Umfang betrieben werden können. In geringem Umfang wurde mit der solaren Energieversorgung in ländlichen Gebieten Afrikas schon vor ca. 30 Jahren begonnen. Die damals vereinzelt auf Krankenstationen und öffentlichen Gebäuden, wie zum Beispiel auf Schulen installierten Solarmodule, arbeiten überwiegend auch heute noch. Heute spricht alles für eine PV Anlage: Im Vergleich zu einem Dieselaggregat amortisiert sich diesedurch die Einsparung der Kosten für den Dieselkraftstoff in ca. fünf Jahren. Danach wird für die restliche Lebensdauer der Anlage von über 25 Jahren der Strom fast ohne Kosten produziert.

Über 28.800 Menschen sterben täglich durch Hunger und dadurch ausgelöste Krankheiten

Laut dem Welternährungsprogramm der Vereinten Nationen (WFP) leiden rund 870 Millionen Menschen weltweit an Hunger, etwa jeder achte. An den Folgen von Hunger und Unterernährung sterben mehr Menschen als an HIV/AIDS, Malaria und Tuberkulose zusammen, jedes Jahr etwa 8,8 Millionen Menschen. Dies entspricht einem Todesfall alle 3 Sekunden. Daraus ergibt sich die unglaubliche Zahl von 28.800 Toten jeden Tag. Häufig sind Kinder betroffen; jedes vierte Kind in Entwicklungsländern ist untergewichtig.

AgriPV(R) als Chance zur Aktivierung einer landwirtschaftlichen Produktion

Viele Studien zeigen, dass das Hungerproblem mit den industriellen landwirtschaftlichen Methodender Industrieländer (intensive Bodenbearbeitung, Schädlingsbekämpfung durch chemische Stoffe und intensiven Einsatz von Kunstdünger) nicht zu lösen ist. Die Probleme bestehen vor allem darin, dass die Menschen in vom Hunger betroffenen Regionen nicht die finanziellen Ressourcen haben, um Dünger und Mittel zur Schädlingsbekämpfung zu bezahlen. Hinzu kommt die Tatsache, dass landwirtschaftliche Flächen durch die Bodenerosion immer mehr zurückgehen. Weiterhin wird das Wasser für die künstliche Bewässerung immer knapper. Dies führt zu einer Beschleunigung der Versteppung und Wüstenbildung.

Die Dimension des Problems wird anhand von Zahlen deutlich: 1 Milliarde Menschen In 110 Ländern, darunter in Flächenstaaten wie China, Indien und den USA, sind direkt davon betroffen. Aber auch 13 Länder Europas sind mit diesen Problemen konfrontiert. Flächenmässig bedroht das Problem der Versteppung und Wüstenbildung aufgrund der Zunahme des Klimawandels ein Drittel der nutzbaren Landfläche der Erde.

AgriPV bietet die Möglichkeit, dieser Entwicklung Einhalt zu gebieten. Durch die Integration vonBewässerungssystemen können nach und nach selbst erodierte Böden wieder fruchtbar gemacht werden. Nachdem sich wieder brauchbarer Boden gebildet hat, können unter dem Dach der Anlage ‐ geschützt von Witterungseinflüssen wie zum Beispiel der hohen Sonneneinstrahlung ‐ Pflanzen im Rahmen einer intensiven Bewirtschaftung nach und nach angebaut werden. Die Auswahl geeigneter Pflanzen und passende Anbaumethoden ist Teil der begleitenden landwirtschaftlichen Forschung und Entwicklung des Projektes.

Quelle

Dr. E. Merkle, GridParity AG 2013