Agri-PV gegen Dürre: Minderung negativer Folgen

Laut dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ) verschärfen sich mit zunehmender globaler Erwärmung sowohl sommerliche Niedrigwassersituationen als auch landwirtschaftliche Dürren. Beides reduziere demnach die Pflanzenproduktion. Agri-PV besitzt das Potential, Ernteerträge bei Trockenheit zu steigern. Das ist das Ergebnis einer aktuellen Untersuchung der Universität Hohenheim. Wir liefern Ihnen hier wichtige Fakten zu Trockenheit und Dürre in Deutschland, gehen auf deren negative Folgen für die Landwirtschaft ein und zeigen, wie Agri-PV den Ernteertrag bei Trockenheit und Dürre nicht nur retten, sondern sogar erhöhen kann.

Dürren in Deutschland: häufiger und länger

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sagt, dass Dürren auch in Deutschland immer häufiger und länger dauern würden – insbesondere in den Regionen im Nordosten des Bundesgebiets, aber auch in anderen Landesteilen. Es beruft sich dabei auf den Weltklimarat IPCC. Die Folgen seien demnach ausgetrocknete Flüsse, Waldbrände und Ertragsausfälle für Landwirte. Das Ministerium fordert, dass Deutschland lernen müsse, mit diesen Folgen des Klimawandels zu leben – und Anpassungsmaßnahmen für länger anhaltende Trockenperioden dringend nötig seien.

Was ist eine Dürre?

Eine Dürre lässt sich unterschiedlich klassifizieren. Die Wissenschaft kennt vier Dürren, schreibt die Deutsche Welle in ihrer Onlineausgabe:

  • meteorologische Dürre: Sie entsteht, wenn das Wetter für längere Zeit trocken ist und weniger Niederschläge (Regen oder Schnee) als gewöhnlich fallen.
  • hydrologische Dürre: Sie entsteht, wenn infolgedessen die Pegelstände von Bächen, Flüssen und Stauseen sowie des Grundwasser sinken.
  • landwirtschaftliche Dürre: Davon spricht man, wenn das fehlende Wasser im Boden das Wachstum von Pflanzen und damit die Ernten beeinträchtigt.
  • sozio-ökonomische Dürre: Sie tritt auf, wenn der Wassermangel anhält und sich auch auf Angebot und Nachfrage von Waren auswirkt (Stichworte: Transportprobleme, Probleme bei Energieerzeugung).

Landwirtschaft: Was tun bei anhaltender Trockenheit und Dürre?

Der Deutsche Landwirtschaftsverlags (DLV) fragte im Jahr 2019 – 2018 setzte eine Dürreperiode in Deutschland ein, die sich in den Folgejahren in verschiedenen Landesteilen fortsetzte, darunter Brandenburg, Berlin, Sachsen-Anhalt, Niedersachsen und Franken – Landwirte, welche Maßnahmen sie gegen die bereits realen und noch drohenden Dürreschäden unternommen hätten. Genannt wurden:

  • Bodenbearbeitung minimieren: 54 Prozent
  • trockenheitsverträgliche Arten/Sorten wählen: 49 Prozent
  • Einsatz von Zwischen- und Deckfrüchten: 40 Prozent
  • Mais ausdehnen: 19 Prozent
  • künstliche Bewässerung: 18 Prozent
  • Sortenstaffelung: 12 Prozent
  • Sonstiges: 11 Prozent
  • keine Maßnahmen geplant: 15 Prozent

Das heißt, dass 85 Prozent der befragten Landwirte, also deutlich mehr als vier Fünftel, bereits eine oder mehrere der oben genannten Maßnahmen ergriffen, um Dürreschäden abzuwenden.

Agri-PV – eine Maßnahme, um Dürreschäden abzuschwächen

Die Universität Hohenheim untersuchte, wie sich erneuerbare Energien und landwirtschaftliche Produktion in einer trockenen Welt miteinander vereinbaren lassen. Die Ergebnisse präsentierten die Wissenschaftler Andreas H. Schweiger und Lisa Pataczek im April 2023 auf dem Portal New Phytologist Foundation.

Schweiger und Pataczek erklären,

  • dass Wasserknappheit ein Risiko für die Ernährungssicherheit und andere pflanzenbezogene Ökosystemleistungen bedeute.
  • dass das Erzeugen erneuerbarer Energien eine nachhaltige Strategie sei, um fossile Brennstoffe zu ersetzen und damit den Klimawandel abzuschwächen. Sie weisen jedoch zugleich daraufhin, dass die erneuerbare Energieerzeugung, zum Beispiel die Solarstromerzeugung (Photovoltaik, PV) auf Freiflächen, direkt mit der Landwirtschaft in Konkurrenz um die Flächen stünde. So seien hierzulande bis zum Jahr 2018 mehr als 50 Prozent der konventionellen PV-Freiflächenanlagen auf früheren Ackerflächen installiert worden.

Agri-PV löst Flächenkonkurrenz auf: Landwirtschaft und Solarstromerzeugung auf einer Fläche

Agri-PV gelte Schweiger und Pataczek zufolge als vielversprechende Technologie, um den Bedarf an Nahrungsmitteln und Energie in Einklang zu bringen, denn damit kombiniere man die landwirtschaftliche Produktion mit dem Erzeugen von erneuerbarer elektrischer Energie (Strom) auf der gleichen Fläche. Die beiden Wissenschaftler bemängeln, dass es an einem allgemeinen Verständnis des Potenzials der Agri-Photovoltaik fehle, die Ernteerträge unter sich ändernden klimatischen Bedingungen zu steigern.

Diesen Mangel wollen sie mit ihrer Studie beheben, indem sie einen Überblick über die Auswirkungen der Agri-Photovoltaik auf das Mikroklima, das Pflanzenwachstum und die Ernteerträge gäben. Darüber hinaus würden sie das globale Potenzial der Agri-PV zur Abschwächung der Auswirkungen von Trockenheit auf Nutzpflanzen quantifizieren und einen konzeptionellen Rahmen für die Bewertung der Wechselwirkungen zwischen Solarenergie und landwirtschaftlicher Produktion unter sich ändernden klimatischen Bedingungen aufzeigen.

Die Ergebnisse der Studie kurz zusammengefasst

Verglichen mit den maximal möglichen Erträgen unter unbeschatteten, gut bewässerten Bedingungen mindere die Beschattung seitens der Photovoltaik die landwirtschaftlichen Erträge prinzipiell, schreiben Schweiger und Pataczek.

Aber: Zugleich könne die Agri-PV die von der Trockenheit verursachten interannuellen Ertragsschwankungen senken, was die Widerstandsfähigkeit (Resilienz) der landwirtschaftlichen Produktion steigere.

Das Potenzial der Agri-PV, negative Dürrefolgen abzuschwächen, sei den Vermutungen der beiden Studienautoren zufolge in den für Dürre anfälligen Regionen vielversprechend, insbesondere dort, wo Dürre und Bevölkerungswachstum zugleich aufträten.

Denn die Landnutzungseffizienz von Agri-PV hänge direkt mit dem Grad der Beschattung der Pflanzen zusammen. Dieser kovariiere demnach mit dem Dürreabschwächungspotenzial – hänge aber auch von politischen Entscheidungen über die Gewichtung von Energieerzeugung und Ernährungssicherheit ab. Ob die Ernährung gewährleistet werden könne, das wiederum sei von den wirtschaftlichen, gesellschaftlichen und ökologischen Aspekten abhängig, die mit der Einführung der Agri-PV einhergehen würden.

Für Agri-PV spreche, dass sie

  1. als ergiebigste Quelle erneuerbarer Energie gelte und
  2. zudem immer erschwinglicher werde.

Beides seien Faktoren, die den weltweiten Ausbau der Agri-PV begünstigen würden.

Wie beschattet Agri-PV die angebauten Pflanzen?

Bei Agri-PV werden die Solarmodule nebeneinander aufgereiht:

  • Oder die Module werden reihenweise senkrecht oder waagerecht in Bodennähe montiert, so dass sich die Fläche zwischen den Reihen bewirtschaften lässt.

Schweiger und Pataczek verweisen an dieser Stelle auf mehrere Studien, die in den letzten Jahren veröffentlicht worden seien und das Potenzial der Agri-PV betonen würden,

  • sowohl Landressourcen zu schonen
  • als auch die Landnutzungseffizienz (LUE) um bis zu 70 Prozent zu steigern.

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Wie wirkt die Beschattung auf die Pflanzen?

Es sei inzwischen wissenschaftlich belegt, erklären Schreiber und Pataczek, dass PV das Pflanzenwachstum und damit den Ertrag wegen der Abschattung negativ beeinflusse. Zugleich gebe es demnach Belege dafür, dass sich diese negative Wirkung bei Trockenheit und Dürre umkehre: Dann fördere die Beschattung das Pflanzenwachstum, weil die Evapotranspiration, also die Summe aus Transpiration und Evaporation (Verdunstung von Wasser) sinke. Wozu die Wissenschaftler auch anmerken, dass die Details dieser Effekte noch nicht ausreichend erklärt werden könnten, es bestehe ihnen zufolge dringender Forschungsbedarf.

Wenn Pflanzen im Schatten von PV-Modulen stünden, seien sie demnach weniger produktiv als unbeschattete Pflanzen – vorausgesetzt, es sei genug Wasser da. Der Grund: Die photosynthetische Aktivität sinke. Aber: Werde das Wasser knapp, würden die Pflanzen dagegen von einem geringeren Verdunstungsbedarf und somit von einem geringeren Transpirationswasserverlust unter den Modulreihen profitieren. Das führe wiederum dazu, dass der Ertrag im Schatten stabiler ausfalle als in unbeschatteten Bereichen, wenn die zwischenjährlichen Schwankungen der Niederschläge zunähmen und somit auch die Verfügbarkeit von Wasser schwanke.

  • Lichtverfügbarkeit unter Agri-PV-Anlagen

Licht gilt als die Hauptenergiequelle für die Solarstromerzeugung. Gleiches trifft auf das Wachstum von Pflanzen zu: Licht ist die wichtigste Energiequelle zur photosynthetischen Kohlenstoffbindung. Um bei Agri-PV beiden Bedarfen gerecht zu werden, sei laut Schreiber und Pataczek ein Kompromiss unvermeidlich:

Fakt sei, dass unter den Modulen weniger Licht zur Verfügung stünde. Wie viel weniger Licht jeweils verfügbar sei, das hänge von der Lichtdurchlässigkeit der Module ab. Diese variiere zwischen 13 und 30 Prozent je nach Systemdesign (einfache oder doppelte „Dichte“ sowie nachgeführte und statische Module, Höhe der Module über dem Boden, Transparenzrate).

Verschattete Pflanzen ändern die Kohlenstoffverteilung: Sie steigern das Wachstum ihres oberirdischen, photosynthetisch aktiven Gewebes. Als Beispiele für diese Reaktion führen die Wissenschaftler der Uni Hohenheim Kulturpflanzen wie

  • Kopf- und Schnittsalat (Lactuca sativa acephala, L.),
  • Paprika (Capsicum annuum, L.),
  • Knollensellerie (Apium graveolens subsp. rapaceum),
  • Winterweizen (Triticum aestivum, L.)
  • und eine Gras-Klee-Mischung

an.

Schreiber und Pataczek weisen darauf hin, dass dieses Kompensieren insbesondere für Kulturen wie Salat bedeutsam sei, deren oberirdisches Blattmaterial wirtschaftlich interessant sei. Hierzu merken die beiden Studienautoren an, dass Blätter von Salat und Apfelbäumen unter Agri-PV nachweislich dünner wurden, wenn sie sich um der höheren Strahlungsabsorptionseffizienz willen flächig vergrößert hätten. Die Wachstumsveränderungen von Blattgemüse würde demnach die Erntequalität desselben beeinflussen und neue Herausforderungen bei Ernte, Verpackung und Vermarktung nach sich ziehen.

Gleichwohl hier noch großer Forschungsbedarf bestünde, schreiben Schreiber und Pataczek, dass in Regionen mit hoher Bestrahlungsstärke, einschließlich hoher Raten schädlicher UV-Strahlung, die Beschattung mit Agri-PV sowohl der Photoinhibition als auch irreparablen Schäden des photosynthetischen Apparats vorbeuge und somit die photosynthetische Kohlenstoffgewinnung als Grundlage für die Pflanzenproduktivität stabilisiere.

Darüber hinaus habe man bei Gurken – angebaut in einem sogenannten Hochdrahtsystem – beobachten können, dass sich das Lichtspektrum unter Agri-PV verändere. Damit würden sich auch die Anteile direkter, diffuser und reflektierter photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR) verändern, die den Pflanzen unter den Modulen zur Verfügung stünden: Das Verhältnis von diffuser zu direkter Strahlung nehme zu. Zugleich erhöhe diffuses Licht die Photosynthese von Blättern im Schatten anderer Blätter, was die Photosynthese der gesamten Pflanze erhöhe. Das bedeute, dass Pflanzen von einem höheren Anteil an diffuser Strahlung unter Agri-PV profitieren oder benachteiligt werden könnten.

Zudem führe die Verschattung dazu, dass sich Stängel und Blattstiele verlängern. Sie verändere zudem die Blattausrichtung, verstärke das aufwärts gerichtete Wachstum und mindere die Verzweigung, was zusammengenommen die Dichte der Blattkronen senke. Somit gelange mehr Licht zu den unteren Blättern. Anders ausgedrückt: Der höhere Anteil an diffuser Strahlung begünstigt die Produktivität der gesamten Pflanze und kompensiert so Ertragsminderungen, die wegen der Beschattung der Agri-PV auftreten würden.

  • Lufttemperatur unter Agri-PV

Schreiber und Pataczek erwähnen, dass einige Studien einen signifikanten Rückgang der Lufttemperatur unter Agri-PV beobachteten, während andere keinen Unterschied in der täglichen oder mittleren Lufttemperatur unter den Solarmodulen in 0,5 und 2 Metern (m) Höhe über dem Boden festgestellt hätten.

Eine niedrigere Lufttemperatur unter Agri-PV wirke sich demnach in trockenen und heißen Jahren positiv aus und führe zu einer erhöhten Blattphotosynthese und einer verringerten Blattseneszenz unter der Beschattung, was folglich das Ertragspotenzial steigere. Es sei jedoch auch belegt worden, dass sich die Oberflächentemperatur der Baumkronen stärker gesenkt habe als die Lufttemperatur, was zu einem geringeren Verdunstungsbedarf geführt hätte, der wiederum das Pflanzenwachstum und damit den Ertrag steigere.

  • Wasserverfügbarkeit im Boden und Verdunstungsbedarf unter Agri-PV

Wasser sei essentiell für Pflanzen. Sie verlören laut Schreiber und Pataczek Wasser, wenn sie Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnähmen, um zu wachsen. Damit kein sogenannter Trockenstress aufkomme, wenn weniger Wasser im Boden zur Verfügung stünde und der Wasserbedarf steige, schlössen Pflanzen ihre Spaltöffnungen, so dass sich die Verdunstung verringere. Doch das Schließen der Spaltöffnungen beeinträchtige direkt die photosynthetische Kohlenstoffaufnahme, da CO2 über die Spaltöffnungen aufgenommen werde.

Was ist Trockenstress?

In Trockenstress geraten Pflanzen, wenn

  • zu wenig Wasser im Boden ist
  • und/oder die atmosphärische Wassernachfrage hoch ist.

Die Wirkung der Agri-PV auf die Wasserverhältnisse zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre könne das Wachstum in Jahren mit genug Niederschlägen (hoher Bodenwasserverfügbarkeit), aber geringem atmosphärischen Wasserbedarf, senken. In Jahren mit geringen Niederschlägen dagegen hätte sie positive Auswirkungen, da die Verdunstung und damit der Wasserverlust der Pflanzen sinke.

Wirtschaftliche Aspekte von Agri-PV

Schattentolerante Pflanzen als „Agri“ plus PV

  • könnten den wirtschaftlichen Wert von landwirtschaftlichen Betrieben um 30 Prozent steigern.
  • und die Nettoeinnahmen aus der Kombi könnten im Vergleich zu einem reinen Landwirtschaftsszenario um 300 bis 5.000 Prozent steigen, schreiben Schreiber und Pataczek.
  • Zudem diversifiziere Agri-PV die Einkommensströme.
  • und senke die Volatilität der Einnahmen und Nettoeinnahmen schlimmstenfalls um 48 bis 53 Prozent für Kulturen wie Erdbeeren, die anfällig für Klima- oder Marktschwankungen seien.

Einer Studie zufolge, auf die sich Schreiber und Pataczek  berufen, sinke der landwirtschaftliche Deckungsbeitrag von Anbauflächen unter Agrarmodulen im Getreideanbau um 40,3 Prozent und im Gemüseanbau um 73,9 Prozent. Diese Rückgänge seien demnach vor allem auf Abschattungseffekte auf die Ernteerträge, höhere Maschinen- und Arbeitskosten und die entgangenen landwirtschaftlichen Deckungsbeiträge durch Flächenverluste wegen der Montagekonstruktion für die PV-Anlage zurückzuführen.

Deshalb sei Agri-PV für landwirtschaftliche Betriebe rentabler, die geringwertige Kulturen wie Getreide anbauen würden.

Zudem könnte das Verringern des landwirtschaftlichen Deckungsbeitrags für Landwirte ein Anreiz sein, die landwirtschaftliche Produktion unter Agri-PV aufzugeben. Dem könnten rechtlich verbindliche Standards entgegenwirken. Für schattentolerante, mehrjährige Nutzpflanzen wie Obst oder Beeren, die ein höheres wirtschaftliches Einkommen ermöglichten, seien solche Standards möglicherweise weniger wichtig. Darüber hinaus werde argumentiert, dass die Agri-PV extra Einkommens- und Beschäftigungsmöglichkeiten in ländlichen Gebieten biete, die aktuell von Überalterung und Abwanderung betroffen seien.

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Fazit

Agri-PV habe ein hohes Potenzial, negative Auswirkungen des Klimawandels, insbesondere von Trockenheit auf die Ernteerträge, abzuschwächen. Sie erhöhe die Widerstandsfähigkeit der landwirtschaftlichen Produktion und die Ernährungssicherheit unter zunehmend variierenden Umweltbedingungen. Ihr Abschwächungspotenzial sei je nach den klimatischen Bedingungen räumlich und zeitlich unterschiedlich und hänge von den Kulturen ab, die in solchen dualen Landnutzungssystemen angebaut würden. Das Potenzial zur Abschwächung von Trockenheit werde zudem vom fürs Pflanzenwachstum verfügbaren Licht und Wasser und von pflanzenspezifischen Merkmalen beeinflusst, die die Licht- und Wassernutzungseffizienz sowie den Stress widerspiegeln würden.

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