Agrivoltaik: Potenzial & Kosten der Doppelnutzung

Wenn 10 Prozent der landwirtschaftlichen Betriebe auf 1 Prozent der Ackerfläche Deutschlands Agrivoltaik betrieben, würden sie damit 9 Prozent des bundesweiten Strombedarfs decken.

Damit ließen sich rein rechnerisch drei Atomkraftwerke ersetzen, erklärt Jun.-Prof. Dr. Arndt Feuerbacher vom Fachgebiet ökonomisch-ökologische Politikmodellierung in Hohenheim gegenüber der Presse. Denn die damit produzierte jährliche Solarstrommenge von 51 Terawattstunden (TWh)
entspreche in etwa der dreifachen jährlichen Stromproduktion des Atomkraftwerks Isar 2 in Bayern. Der Wermutstropfen: Mit der aufwändigeren Installation von Agrivoltaik-Anlagen entstünden volkswirtschaftliche Mehrkosten von 1,2 Milliarden Euro gegenüber herkömmlichen Photovoltaik- Freiflächenanlagen.

Für die Agri-Photovoltaikanlagen sei sogar weniger als ein Prozent der deutschen Ackerfläche ausreichend, nämlich 0,7 Prozent – was rund 85.000 Hektar (ha) Ackerland entspreche. Diese Fläche sei bei Agrivoltaik für die Landwirtschaft jedoch nicht verloren, heißt es in der zugehörigen Pressemeldung der Universität Hohenheim: Denn bei der Agri-Photovoltaik würden Solarmodule auf hohe Gestelle (Aufständerung) montiert. Daneben und darunter könne weiterhin Landwirtschaft betrieben werden. So werde die Strom-Produktion auf einem Teil der Betriebsflächen zu einer wertvollen Zusatzeinnahme für landwirtschaftliche Betriebe. Doch der Solarstrom vom Acker habe seinen Preis: Damit sich die Anlagen rentierten, müsste er mit 8,3 Cent/Kilowattstunde (kWh) vergütet werden.

Noch sei die Agri-Photovoltaik eine junge Technologie, und die Stromentstehungskosten würden höher ausfallen als bei vergleichbaren Photovoltaik-Freiflächenanlagen. „Würden jedoch anstatt der Agri-Photovoltaik die üblichen Freiflächenanlagen gebaut, würde man der landwirtschaftlichen Produktion schätzungsweise 65.000 ha Ackerland entziehen, um dieselbe Menge an Strom zu produzieren“, erklärt Dr. Alexander Gocht vom Thünen-Institut, der einer der Verfasser der neuen Agrivoltaik-Studie ist.

Allerdings zeige die Studie auch, dass mit einer Förderung der Agri-Photovoltaik in diesem Umfang auch volkswirtschaftliche Mehrkosten von jährlich 1,2 Milliarden Euro entstehen würden. Diese würden aus den Kosten für die Aufständerung der Solarmodule sowie aus Ertragseinbußen und anderen Kosten bei der gemeinsamen Bewirtschaftung der Flächen ergeben.

Langfristig könnte die breite Einführung von Agri-Photovoltaik in Deutschland jährlich zwischen 169 und 189 TWh Solarstrom liefern. „Mit Agri-Photovoltaik wäre es rechnerisch möglich rund 30 Prozent des gesamten Strombedarfs in Deutschland zu decken“, schätzt Sebastian Neuenfeldt vom Thünen- Institut. „Dafür bräuchte man rund 300.000 ha Ackerfläche, oder etwa 3 Prozent der Anbaufläche, worauf dann sowohl Strom als auch landwirtschaftliche Erzeugnisse produziert werden könnten.“

Agrivoltaik löst Trilemma der Menschheit

Die Autoren der Studie „Abschätzung der Wirtschaftlichkeit und des Adoptionspotenzials der Agri- Photovoltaik in Deutschland mit einem Bottom-up-Ansatz auf Betriebsebene“, Arndt Feuerbacher, Tristan Herrmann, Sebastian Neuenfeldt, Moritz Laub und Alexander Gocht, weisen einleitend in ihrer hier veröffentlichten Untersuchung darauf hin, dass die Menschheit derzeit vor dem Trilemma stünde,

  • Ökosysteme zu erhalten,
  • Ernährungssicherheit zu erreichen
  • und den Klimawandel zu bekämpfen.

Der Wechsel von fossilen zu erneuerbaren Energien sei ihnen zufolge eine vielversprechende Strategie, um den Klimawandel einzudämmen. Wozu die Autoren aber auch anmerken, dass dieser Schritt negative Auswirkungen auf die biologische Vielfalt (Biodiversität), die Landschaftsästhetik und die Veränderung der Bodenbedeckung und -qualität mit sich bringen könne. Zugleich würden Flächen benötigt, um eine wachsende Weltbevölkerung zu ernähren – und zwar mit einer Landwirtschaft, die sich nicht mehr negativ auf die biologische Vielfalt auswirke.

Was ist Agrivoltaik?

Agrivoltaik (auch Agri-Photovoltaik, kurz: AV) sei demnach ein duales Flächennutzungssystem, das die Nutzung von Flächen

  1. für die Landwirtschaft und
  2. für die photovoltaische Stromerzeugung

kombiniere. AV bringe so eine hohe Flächennutzungseffizienz und umgehe damit viele der oben genannten Zielkonflikte, insbesondere die sogenannte Flächennutzungskonkurrenz.

Agrivoltaik: Relevanz in der Nahrungsmittel- und Energiekrise

Das mache die Agrivoltaik auch in der aktuellen globalen Nahrungsmittel- und Energiekrise, die mit dem völkerrechtswidrigen Krieg Russlands gegen die Ukraine ausgelöst worden sei, besonders relevant, schreiben die Studienautoren weiter. Bislang seien ihnen zufolge Agrivoltaik-Projekte vor allem in Japan, Südkorea und China installiert, und immer mehr Länderdarunter Frankreich und die USA, würden die Verbreitung von Agrivoltaik inzwischen politisch unterstützen. Darüber hinaus seien mehrere Agrivoltaik-Pilotsysteme in subtropischen und tropischen Regionen geplant, zum Beispiel in
Ostafrika, wo der erwartete sozioökonomische Nutzen von Agrivoltaik-Systemen wegen der erhöhten Sonnenstrahlung und des verbesserten Zugangs zu Elektrizität höher sei. Darüber hinaus würden die Regierungen ihre Bemühungen verstärken, die Einführung von Agrivoltaik mit politischen Reformen und Investitionen zu fördern, wie kürzlich in Italien, Spanien und Deutschland angekündigt worden sei.

Auswirkungen der Agrivoltaik auf die landwirtschaftlichen Erträge

Agrivoltaik-Systeme hätten laut der Studie unklare Auswirkungen auf die landwirtschaftlichen Erträge, die

  • von der Sorte,
  • den klimatischen Bedingungen
  • und der Verringerung der jährlichen Sonneneinstrahlung (ASR) im Verhältnis zum Pflanzenbedarf

abhängen würden. So würden mit den einen Kulturen in Agrivoltaik-Systemen geringere Erträge erzielt, während sich mit anderen, insbesondere schattenliebenden Pflanzen, höhere Erträge erzielen ließen. Denn für Letztere ergäben sich positive Nebeneffekte mit der Beschattung: geringerer Hitzestress für die Pflanzen und höhere Wassernutzungseffizienz. Die Beschattung des Agrivoltaik- Systems könnte daher auch in Jahren mit Trockenheit und extremer Hitze zu Ertragsstabilität führen, wie es auch während der europäischen Hitzewelle 2018 zu beobachten gewesen sei. „Ergebnisse von Agri-Photovoltaik-Forschungsanlagen zeigen, dass die Beschattung durch Agri-Photovoltaik-Systeme bei manchen Pflanzen in trockenen Jahren mit extremer Hitze sogar zu einer höheren Ertragsstabilität führen können“, erklärt dazu der Hohenheimer Wissenschaftler Tristan Herrmann gegenüber der Presse.

Da die Erträge verschiedener Kulturen unterschiedlich empfindlich auf Beschattung reagieren könnten, seien die agronomischen Kompromisse oder Synergien in Agrivoltaik-Systemen der Studie zufolge wahrscheinlich betriebsspezifisch (oder spezifisch für das jeweilige Anbausystem).

Die Betriebe würden sich jedoch nicht nur in Bezug auf die Fruchtfolgen, sondern auch bezüglich der

  • Merkmale ihres Produktionssystems (Systeme mit hohem oder niedrigem Input oder mit geringer oder hoher Mechanisierung),
  • ihrer Größe
  • und ihrer Rentabilität unterscheiden.

Dies spiele eine Rolle, weil sich die Einführung von Agrivoltaik nicht nur auf die Ernteerträge auswirke, sondern wegen der Anbaustruktur auch zu einer geringfügigen Verringerung der Anbaufläche und zu Veränderungen bei der Einsatzintensität von Kapital und Arbeit führe.

Darüber hinaus seien Größenvorteile (Economies of Scale, kurz: EOS) bereits aus der Photovoltaik (PV) bekannt, die der Studie zufolge wahrscheinlich auch eine Rolle bei der Einführung von Agrivoltaik spielen würden. Das Potenzial, EOS zu nutzen, hänge jedoch von der gesamten

Anbaufläche eines Betriebs und der Größe der Parzellen ab. Wenn andere relevante Determinanten wie ASR (Annual Solar Radiation, jährliche Solarstrahlung) und die Kosten der PV- Systemkomponenten konstant gehalten würden, könne das Potenzial für die Einführung von Agrivoltaik zusätzlich von Unterschieden in den Betriebsgrößen zwischen Regionen und Betriebstypen abhängen.

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Stand der Forschung zu Agrivoltaik

Man könnte meinen, es gebe inzwischen ausreichend Studien zu Agrivoltaik (wir berichteten hier auf dem Landverpachten-Blog bereits über diverse). Doch die Autoren der neuen Agrivoltaik-Studie merken zu Recht an, dass die Literatur zu Agrivoltaik sich bislang vor allem auf das Potenzial der Technologie auf der Ebene

  • einer einzelnen Kultur
  • oder eines einzelnen Betriebs

konzentrieren würde. Und selbst wenn das Potenzial von Agrivoltaik auf regionaler Ebene untersucht worden sei, sei dies geschehen, ohne dass die Variabilität der Produktionssysteme, die Rolle von EOS und die zugrunde liegende (regionale) Verteilung der landwirtschaftlichen Systeme berücksichtigt worden sei. Die Determinanten der Wirtschaftlichkeit und des Adoptionspotenzials von Agrivoltaik in größerem Maßstab stellten demnach immer noch eine Forschungslücke dar, die die aktuelle Studie schließe. Denn sie bewerte das Adoptionspotenzial der Agrivoltaik-Technologie auf nationaler Ebene unter Berücksichtigung der EOS, der Heterogenität der Betriebstypen und der Unterschiede in der regionalen AKR sowie Betriebsgröße.

Die Studie verfolge demnach drei Ziele:

  1. soll damit ermittelt werden, welche Betriebstypen und Regionen am ehesten zu den frühen Agrivoltaik-Anwendern gehören würden, also zu den eingangs erwähnten 10 Prozent der Betriebe mit der höchsten Kosteneffizienz, die diese Technologie anwenden.
  2. soll untersucht werden, wie das Niveau von ASR und EOS das Muster der Agrivoltaik- Einführung beeinflusse.
  3. soll untersucht werden, wie agronomische Effekte wie geringere Erträge, Flächenverluste und höhere Produktionskosten das Potenzial für die Einführung von Agrivoltaik in den verschiedenen Betriebstypen bestimmen und wie sie mit dem ASR-Niveau zusammenhängen würden.

Deutschland eignet sich als Fallstudie für Agrivoltaik: die Gründe

Deutschland eigne sich laut den Studienautoren als anschauliche Fallstudie, da die deutsche Regierung ehrgeizige Ziele verfolge, um den Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien (die sogenannte Energiewende) zu vollziehen.

Die 2021 gewählte Regierung habe demnach angekündigt, die derzeit installierte Photovoltaik- Kapazität von 53 Gigawatt Peak (GW P , Ende 2020) bis 2030 auf 200 GW P zu erhöhen. Die auf landwirtschaftlichen Flächen installierte Freiflächen-PV mache aktuell 12,7 Prozent der installierten Photovoltaik-Kapazität aus, was die verfügbare landwirtschaftliche Fläche um schätzungsweise 6.731 Hektar (ha) mindere.

Während der Anteil des "Landverbrauchs" seitens der Freiflächen-Photovoltaik an der gesamten landwirtschaftlichen Fläche immer noch vernachlässigbar sei, steige der Studie zufolge die Nachfrage nach landwirtschaftlichen Flächen für Photovoltaik-Investitionen angesichts der Verlangsamung der Photovoltaik-Installationen auf unproduktiven Flächen und Dächern stark an. Infolgedessen würden die Landwirte hierzulande steigende Pachtpreise fürs Landpachten befürchten.

Weitere 49.000 ha könnten demnach aus der Produktion genommen werden, wenn nur ein Drittel der angestrebten Photovoltaik-Kapazitätserweiterung mit Freiflächen-Photovoltaik realisiert werde. Ein solcher Anstieg des "Landverbrauchs", bewirkt von bebauten Flächen wie die Photovoltaik, würde dem Ziel Deutschlands zuwiderlaufen, die Neutralität der Landdegradation zu erreichen. Daher könne die Agrivoltaik eine wichtige Rolle bei der Abschwächung von Zielkonflikten zwischen Landwirtschaft und Stromerzeugung spielen, schreiben die Studienautoren weiter.

Um die oben genannten Ziele zu erreichen, wende die neue Agrivoltaik-Studie das „Framework to Estimate the Economic Benefits and Adoption Potential of Dual Land-Use Systems“ (FEADPLUS) an, das duale Landnutzungssysteme in ihre wichtigsten Kosten- und Nutzenkomponenten zerlege, um Synergien und Zielkonflikte zu identifizieren und die wirtschaftliche Tragfähigkeit sowie die agronomischen Auswirkungen der Implementierung eines Agrivoltaik-Systems auf Betriebsebene zu bewerten. FEADPLUS werde angewandt, um national repräsentative Daten auf Betriebsebene aus dem deutschen Informationsnetz landwirtschaftlicher Buchführungen (INLB) zu analysieren. Die Daten

  • zu den technologischen Parametern, die das Agrivoltaik-System beschreiben würden, stammten größtenteils aus einer kürzlich durchgeführten Studie über ein mehrreihiges Agrivoltaik-System,
  • während die Daten zum Ertragsrückgang infolge der Beschattung aus einer kürzlich durchgeführten Meta-Analyse stammten.
  • Die Daten zur regionalen ASR würden aus dem EU-Projekt PVGIS stammen.

Die wichtigsten Ergebnisse der neuen Agrivoltaik-Studie im Überblick

  • Die neue Agrivoltaik-Studie liefere ihren Verfassern zufolge die erste detaillierte Bewertung des Potenzials von Agrivoltaik – unter Berücksichtigung der betriebsspezifischen Wechselwirkungen unter Verwendung national repräsentativer Betriebsdaten für Deutschland.

  • Unter Berücksichtigung von EOS zeige die Studie, dass die meisten frühen Anwender (die obersten 10 Prozent des Perzentils der Betriebe mit den niedrigsten Einführungskosten) spezialisierte Ackerbaubetriebe oder Betriebe mit gemischtem Anbau und Viehhaltung seien, die ihren Sitz überwiegend entweder in Ost- oder Süddeutschland hätten. Die durchschnittliche Größe der installierten Agrivoltaik-Anlage bei Vorhandensein von EOS betrage 6,3 ha (3,3 MW P ). Der Break-Even-Preis der frühen Anwender mit EOS liege bei 8,3 Eurocent pro Kilowattstunde (kWh).

  • Diese Zahlenfolge sollten Sie sich merken: 10-9-1: Denn insgesamt könnten die 10 Prozent der kosteneffizientesten Agrivoltaik-Betriebe mit EOS etwa 9 Prozent des gesamten deutschen Strombedarfs decken und dabei etwa 1 Prozent der gesamten deutschen Anbaufläche nutzen.

  • Das Verwirklichen dieses Potenzials wäre mit erheblichen Kosten für die politische Unterstützung verbunden, da eine jährliche Gesamtsubvention von 1,18 Milliarden Euro oder eine jährliche Hektarsubvention von 13.852 Euro erforderlich sei.

  • In Ermangelung von EOS seien die kosteneffizientesten Agrivoltaik-Einsteiger spezialisierte Milch- oder andere Viehzuchtbetriebe, die überwiegend in Süddeutschland angesiedelt seien. In diesem Fall würden die frühen Agrivoltaik-Anwender nur 2,3 Prozent des deutschen Strombedarfs decken, allerdings zu höheren Stückkosten.

  • Unabhängig von der EOS werde mit der Studie gezeigt, dass die Ernteerträge unter dem Agrivoltaik-System um etwa 40 Prozent sänken, was häufig zu negativen landwirtschaftlichen Deckungsbeiträgen führe. Dies habe zentrale Implikationen für die Politik, da ein Verzicht auf die Landbewirtschaftung der eigentlichen politischen Begründung für die Förderung der Agrivoltaik widerspreche. Der Jun.-Prof. Dr. Feuerbacher sagt dazu gegenüber der Presse: „Für Landwirte kann unter Umständen ein Anreiz entstehen, die Bewirtschaftung der Flächen unterhalb von Agri-Photovoltaik-Anlagen aufzugeben, wenn der in der Landwirtschaft erzielte Deckungsbeitrag zu niedrig oder sogar negativ wird.“ Deswegen seien angemessene politische Konzepte erforderlich, denn: „Generell kann Agri- Photovoltaik einen wesentlichen Beitrag hin zu einem sauberen Energiesystem leisten und gleichzeitig den Verlust an landwirtschaftlicher Fläche minimieren.“

  • Die agronomischen Effekte spielten beim Festlegen des absoluten Adoptionspotenzials nur eine geringe Rolle. Sie seien jedoch für die Zusammensetzung der Betriebstypen von Bedeutung und zeigten, dass insbesondere diejenigen Betriebstypen gut geeignet seien, die niedrige landwirtschaftliche Deckungsbeiträge hätten.

  • Über diese empirischen Ergebnisse hinaus zeige die Studie weitere Forschungsfelder auf, insbesondere im Hinblick auf die Bewertung unterschiedlicher Agrivoltaik-Systemdesigns.
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