PV auf Acker: Ertrag in kWh statt Ernte

Für einen Ackerbauern ist sein Ernteertrag die wichtigste Kennziffer: Wie vielFrucht bringt mein Feld dank meiner ganzjährigen Arbeit? Als Solarbauerändert sich daran nichts: Auch bei Photovoltaik auf Ackerflächen bleibt derErtrag, der hier Solarertrag heißt, wichtigste Kennziffer: Wieviel Solarstromerzeugen die Solarmodule meiner Freiflächenanlage? Wir klären in diesemArtikel über alles Wissenswerte rund um den Ertrag von Acker-Photovoltaikauf.

Acker-Photovoltaik – was ist das?

Wenn ein Landwirt auf einer freien Fläche (sogenannte Freifläche), zum Beispiel einem Acker oder einem Stück Grünland, eine große Solarstrom-Anlage (Photovoltaik-Anlage, PV-Anlage, PVA) installiert, um die auftreffende Sonnenstrahlung in nutzbaren Strom umzuwandeln, dann geht es, salopp geschrieben, um „Acker-Photovoltaik“.

Eine solche Photovoltaik-Anlage besteht aus vielen Solarmodulen, die in der Regel in langen, parallelen Reihen auf der Freifläche aufgebaut werden. Die Module ständert man auf einem speziellen Gestell aus Metall auf: Je nachdem, was der Landwirt mit der Fläche unter den Modulen außerdem vorhat, fällt die Aufständerung unterschiedlich hoch aus:

  • Soll sich dort ohne gezieltes Zutun eine sogenannte Grasnarbe (zusammenhängender Bewuchs des Bodens aus Gräsern und Kräutern) bilden, die Schafen, Ziegen, Geflügel oder Bienen als Weidefläche dient? Dann darf die Aufständerung entsprechend niedrig ausfallen.
  • Anders ist es, wenn die Fläche unter den Modulen, gemäht oder gar landwirtschaftlich bewirtschaftet werden soll. Dann müssen die Module so hoch aufgeständert werden, dass der Landwirt mit den nötigen Landmaschinen darunter problemlos arbeiten kann.

Die Aufständerung selbst wird im Boden verankert, entweder mittels Erdständern, die in den Boden gerammt werden, oder Erdschrauben. Das heißt: Es findet keine Bodenversiegelung statt! Vielmehr lassen die mit Abstand aufgestellten Module – die sich somit nicht gegenseitig verschatten – ausreichend Regen und Licht auf den Boden.


Was ist Agri-PV?

Nutzt der Landwirt die Fläche unter der Photovoltaik auf Ackerflächen landwirtschaftlich, betreibt er sogenannte Agri-Photovoltaik (kurz: Agri-PV – alles Wissenswerte dazu lesen Sie in unserem Blogbeitrag „Agri-Photovoltaik (Agri-PV, APV) – das müssen Sie wissen!“ hier auf dem Blog von landverpachten.de).

Gut zu wissen: Diese Doppelnutzung der Fläche hat einen doppelten Nutzen für den Landwirt: Er erzielt einen Solarertrag und einen Ernteertrag. Und laut wissenschaftlichen Studien erhöht die Photovoltaik auf Ackerflächen nachweislich die Bio-Diversität am Standort, also die dort herrschende Artenvielfalt. Mit Acker-PV trägt man demnach zum Erhalt der Arten bei. Ausführlich stellen wir Ihnen die Forschungsergebnisse zur Biodiversität bei Agri-PV in unserem Blogbeitrag vor.

Was ist der Solarertrag?​

Bevor wir gleich erklären, was der Solarertrag ist, schauen wir uns die Definition des Ernteertrags einmal näher an. Sie werden sehen: Für einen Landwirt ist der Schritt zum Energiewirt nicht groß. Handelt es sich um einen Ackerbauern, der Solarbauer werden will, ist der Schritt sogar noch kleiner als bei einem Viehbauern: Denn der Ackerbauer lebt wie der Solarbauer von der Fläche: Beider Erträge sind sonnenabhängig!

Ernteertrag – einfach erklärt (Definition, Begriffserklärung)

Als Ertrag wird in der Landwirtschaft die Menge der Agrarprodukte bezeichnet, die mit der Agrarproduktion erzeugt wird. Je nachdem, was der Ackerbauer auf seiner Fläche anbaut, entspricht der Ernteertrag

  • bei Ackerfrüchten, Grünland und Wein der eingebrachten Ernte (bei Getreide wird er auf 14 Prozent Feuchtigkeit umgerechnet)
  • und bei Gemüse und Obst der sogenannten marktfähigen Ware.

Der Ernte- oder Bodenertrag ist messbar: Üblich sind in der Praxis die Mengeneinheiten Stück, Kilogramm (kg, 1 Kilogramm = 1.000 Gramm), Zentner (Ztr; 1 Zentner = 50 Kilogramm) oder Tonnen (t, 1 Tonne = 1.000 Kilogramm).

Was ist der Flächenertrag? (Definition, Begriffserklärung)

Die Produktivität ist eine weitere wichtige Kennziffer rund um den Ernteertrag: Sie gibt Auskunft zu dem Verhältnis des Ernteertrages zur Agrarfläche (auch Flächenertrag genannt). Die Produktivität beziehungsweise der Flächenertrag wird in der Regel auf das Flächenmaß Hektar (ha, 1 Hektar = 10.000 Quadratmeter (m 2 )) bezogen. Deshalb ist auch der Begriff Hektarertrag gängig.

Solarertrag – einfach erklärt (Definition, Begriffserklärung)

Der Solarertrag informiert darüber, wie viel Energie eine Solaranlage erzeugt. Er wird für beide Energieformen, Solarwärme (thermische Energie) und Solarstrom (elektrische Energie) verwendet. Will man sich spezifischer ausdrücken, sind deshalb die Begriffe Solarwärmeertrag und Solarstromertrag üblich. Als Einheit werden Kilowattstunden benutzt, wobei man diese mit „th“ für Thermie (Wärme) und „p“ für Peak (Strom) kennzeichnet, um die beiden Energieprodukte zu unterscheiden.

Wovon ist der Solarertrag abhängig?

Der Solarertrag ist zum einen davon abhängig, welche Qualität die Erzeugungsanlage mit ihren

  • Solarthermie-Kollektoren
  • sowie Solarmodulen bei Photovoltaik auf Ackerflächen und anderen Freiflächen


hat und wie die Kollektoren und Module gen Sonne ausgerichtet sind.

Zudem anderen hängt der Solarertrag von der Menge der auf die technische Anlage auftreffenden Sonnenstrahlung ab. Es gilt: Je mehr die Sonne auf die Erzeugungsanlagen strahlt, desto höher fällt der Solarertrag aus.

Was nichts anderes heißt, als dass umso mehr Solarwärme und Solarstrom erzeugt werden, je mehr die Sonne scheint und je besser die Solartechnik ist.

Es ist üblich, die Menge der Sonnenstrahlung als Globalstrahlung in der Energieeinheit Kilowattstunden (kWh) zu beziffern: Bezogen auf eine Fläche von einem Quadratmeter und den

Zeitraum von einem Jahr. Für Deutschland variieren die Werte der Globalstrahlung laut dem Deutschen Wetterdienst regional

  • zwischen 951 (im Norden)
  • und 1.261 (im Süden) Kilowattstunden.

Wie viel Sonnenenergie wandeln Solarthermie und Photovoltaik auf Ackerflächen in Wärme und Strom um?

Bei Solarthermie-Anlagen können Sie davon ausgehen, dass der Wärmeertrag, der auch Kollektorertrag genannt und in kWh pro m 2 angegeben wird, etwa gut die Hälfte der einfallenden Globalstrahlung (im Mittel: 1.055 kWh/m 2 ; siehe oben) in nutzbare Wärme umwandelt. Das lässt sich aus der Tatsache ablesen, dass die Norm DIN 4757 vorschreibt, dass ein Solarthermie-Kollektor wenigstens 525 kWh/m 2 Wärmeertrag jährlich liefern muss.

Der Wirkungsgrad von Photovoltaik auf Ackerflächen liegt unter dem von Solarthermie. Derzeit im Einsatz befindliche Module kommen auf einen Wirkungsgrad zwischen 10 und 20 Prozent, wobei die Forschungslabore weltweit mit Hochdruck an Modulen mit besserem Wirkungsgrad arbeiten. Die Leistungsspanne ergibt sich aus den Solarzellen, die in den Modulen verbaut werden. Sogenannte monokristalline Solarmodule erzielen einen Stromertrag zwischen 14 und 19 Prozent. Polykristalline Module kommen auf 12 bis 14 Prozent und Dünnschichtmodule auf 6 bis 11 Prozent Solarstromertrag.

Wissen müssen Sie, dass die sogenannte Nennleistung als wichtige Kenngröße für den Solarertrag eines Moduls gilt. Sie wird in der Einheit Watt (W) beziffert. Derzeit verbreitete Photovoltaik auf Ackerflächen hat je Modul eine Nennleistung, die Werte zwischen 200 und 400 Watt erreicht – gemessen unter standardisierten Testbedingungen.

Leistungsstarke Photovoltaik-Module, die einen hohen Stromertrag erzielen, besitzen Eigenschaften wie gutes Schwachlichtverhalten und positive Leistungstoleranz. Diese Eigenschaften bedeuten, dass das Modul seine angegebene Nennleistung beziehungsweise den damit indirekt „versprochenen“ Stromertrag auf jeden Fall einfährt. Es bedeutet auch, dass Sie in Sachen Wirkungsgrad (und somit Stromertrag) bei solchen Modulen unter bewölktem Himmel (= weniger Sonneneinstrahlung) nur mit leichten Einbußen von wenigen Prozentpunkten rechnen können.

Das Solaranlagen-portal.de schreibt, dass ein Kilowatt Peak (kW P ) Photovoltaik auf Ackerflächen etwa 100 Prozent des Solarertrags eines Quadratmeters Modulfläche erzielt. Dahinter steckt folgende Rechnung: Wenn hierzulande jährlich im Schnitt 1.055 kWh Solarenergie auf einen Quadratmeter träfen, brauche man für einen Stromertrag, der dem Durchschnittswert der Globalstrahlung gleichkomme, Solarmodule mit 1.000 Watt Nennleistung (1 kWp). Demnach könne man mit 1 kW P Photovoltaik auf Ackerflächen einen Jahresstromertrag von mehr als 950 kWh erreichen, vorausgesetzt, die Module seien bestens gen Sonne ausgerichtet und leistungsstark. Und damit sind wir schon bei der nächsten Frage:

Wie lässt sich der Solarertrag bei Photovoltaik auf Ackerflächen steigern?​

1. Der Solarertrag wächst mit der Anlagengröße

Je größer die Photovoltaik auf Ackerflächen ist, desto mehr Strom kann sie erzeugen. Das steht fest. Deshalb kommt es auf die Größe der Freifläche an, die Sie als Standort für die Solarmodule auswählen. Nur mal so zur Orientierung: Der größte Solarpark Deutschlands soll auf rund 500 ha zusammenhängender Flächen derzeit in der Nähe von Leipzig errichtet werden und mit 1,1 Millionen Modulen auf eine Gesamtleistung von 650 Megawatt (MW) kommen.

2. Der Solarertrag wächst mit der richtigen Ausrichtung gen Sonne

Den höchsten Solarertrag verspricht die richtige Ausrichtung der Photovoltaik auf Ackerflächen Richtung Sonne. Weil die Sonne aus unserer Sicht, resultierend aus der geographischen Lage auf dem Erdball, im Süden am stärksten strahlt, bringt es maximale Erträge, wenn die Module in Richtung Süden ausgerichtet werden.

Beim Ausrichten der Photovoltaik auf Ackerflächen kommt es demnach auf den richtigen sogenannten Azimutwinkel, kurz Azimut, an. Er sagt aus, wie stark die Ausrichtung der Anlage von der optimalen Ausrichtung gen Süden, also Null Grad (0 °) Azimutwinkel ist. Demnach hießen eine komplette Ausrichtung nach Osten: Azimut von plus 90 ° und nach Westen: Azimut minus 90 °.

Dazu sollten Sie wissen, dass eine Photovoltaik auf Ackerflächen, die mit plus/minus 45 Grad Abweichung zur Südausrichtung, also nach Südwest, Südost ausgerichtet aufgebaut wird, immer noch 95 Prozent des maximal möglichen Ertrags einfährt.

Wichtig ist dabei auch, die Lage der Freifläche zu beachten. Eine nach Süden ausgerichtete Hanglage ist ebenso geeignet wie eine ebene Fläche. Denn die Neigung der Module ist händelbar:

3. Der Solarertrag wächst mit der Modulneigung

Treffen die Strahlen der Sonne senkrecht, also in einem Winkel von 90 ° auf die Solarmodule der Photovoltaik auf Ackerflächen, ist ein Maximalertrag erzielbar. Doch die Sonne verändert ihren Stand am Himmel – und zwar

  • sowohl im Tagesverlauf
  • als auch im Jahresverlauf.

Damit die fest auf ihren Gestellen montierten Module dennoch Höchsterträge einfahren, montiert man sie in der Regel mit einem Aufstellwinkel (Neigungswinkel, Neigung), der über ganze Jahr die höchsten Erträge verspricht: Für Photovoltaik auf Ackerflächen in Deutschland ist dies eine Neigung zwischen 30 ° und 35 °.

Wobei Abweichungen vom Ideal meist nur geringe Ertragseinbußen bringen. Photovoltaik auf Ackerflächen gen Süden und mit einer Neigung von 10 beziehungsweise 60 ° fahren immer noch über 90 Prozent des Maximalertrags am Standort ein. Ähnliches gilt für Anlagen mit Ausrichtung gen Südosten und Südwesten.

Sie können sich an folgender Faustregel orientieren: Je weiter die Ausrichtung der Photovoltaikanlage auf der Ackerfläche von Süden abweicht, desto mehr bringen weniger geneigte Module. Ost-West Anlagen sind so in der Lage, bei Neigungswinkeln zwischen 0 und 20 ° hohe Solarerträge von bis zu 90 Prozent des Maximalertrags zu erwirtschaften.

Aber: Richten Sie die Photovoltaik auf Ackerflächen nach Nordosten, Nordwesten oder Norden aus, müssen Sie mit spürbaren Ertragseinbußen rechnen. Anlagen mit einer Neigung über 30 ° erzielen beispielsweise nur noch die Hälfte des Ertrags von einer 30-Grad-Südanlage.

Bezieht man die Neigung der Module einer Photovoltaik auf Ackerflächen auf den variierenden Sonnenstand im Jahresverlauf, ergibt sich, dass eine Anlage mit steilerer Neigung in den deutschen Wintermonaten mit tiefem Sonnenstand bessere Erträge erwirtschaftet, während bei dem in Deutschland im Sommer höheren Sonnenstand flache Neigungen vorteilhaft sind.

Wenn es darum geht, den richtigen Neigungswinkel für die Photovoltaik auf Ackerflächen zu wählen, dann sollte auch die im Winter auftreffende und aufliegende Schneelast bedacht werden. Bundesweit gesehen ist Schneelast insbesondere bei Photovoltaikanlagen auf Äckern in den Alpenregionen kritisch zu bewerten. Wobei der Klimawandel inzwischen auch hierzulande für extreme Wetterereignisse sorgt, so dass Schnee auch anderswo zum Problem für Photovoltaik- Anlagen werden kann, wenn sie entsprechend flach geneigt sind.

4. Der Solarertrag wächst mit einer Nachführung

Selbst dann, wenn eine mit 30 ° nach Süden optimal ausgerichtete Photovoltaikanlage sehr hohe Erträge einfährt, wechselt der Solarertrag mit dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen. Die Ausrichtung der fest montierten Solarmodule der Photovoltaik auf Ackerflächen lässt sich mit technischem Aufwand, der sich selbstverständlich auch im Preis niederschlägt, noch erhöhen. Die entsprechende Technologie heißt: Nachführung. Das bedeutet, dass die Module nicht mehr fest, sondern flexibel montiert werden, so dass sie sich dem Stand der Sonne nachführen lassen.

Dabei unterscheidet man in

  • einachsige Nachführsysteme, die die Module vertikal bewegen,
  • und zweiachsige Nachführsysteme, die die Module vertikal und horizontal bewegen.

Je nachdem, welches Nachführsystem zum Einsatz kommt, ist eine Solarertragssteigerung von mehr als einem Drittel (bis zu 35 Prozent) machbar.

Dafür müssen Sie für Photovoltaik auf Ackerflächen mit Nachführung tiefer in die Tasche greifen – und auch die Fläche muss größer sein. Daher sind sie noch eher selten zu sehen. Es gilt: Am effektivsten arbeiten solche nachgeführten Photovoltaikanlagen auf südlichen Flächen mit wenig Bewölkung und einem geringen Anteil an diffuser Strahlung.

5. Der Solarertrag wächst mit der Pflege und Wartung der Module

Schmutz auf den Modulen, zum Beispiel Vogelexkremente, Staub, Sand, Laub und mehr, mindert den Solarertrag, weil die Solarzellen weniger Sonnenstrahlung empfangen. Es gilt: Sind die Module mehr als 12 ° geneigt, greift der Selbstreinigungseffekt. Abfließender Regen oder Schnee spült den Schmutz von den Modulen. Bei einer Neigung unter 12 ° ist zu erwägen, ob die Module extra gereinigt
werden.

6. Der Solarertrag sinkt mit der Verschattung

Schatten auf den Modulen verursacht Ertragseinbußen. Daher ist es schon bei der Planung der Photovoltaik auf Ackerflächen wichtig, auf mögliche Schattenwerfer zu achten. Das können Berge, Gebäude oder Bäume sein.

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