Wie mit Forschung aus Jülich in Agri-PV-Systemen Landwirtschaft und erneuerbare Energien effizient kombiniert werden
Agri-Photovoltaik (Agri-PV) verbindet landwirtschaftliche Nutzung mit der Erzeugung von Solarstrom auf derselben Fläche. Photovoltaikmodule werden über Ackerflächen installiert und ermöglichen gleichzeitig den Anbau von Nahrungsmittelpflanzen oder nachwachsenden Rohstoffen. Diese intelligente Doppelnutzung reduziert Flächenkonkurrenzen und leistet einen wichtigen Beitrag zu Klimaschutz, Energiewende und dem Erhalt der Biodiversität.
Jülicher Wissenschaftler:innen vom Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG-2) forschen gemeinsam mit dem Institute of Energy Material and Devices (IMD-3) sowie dem Living Lab Energy Campus (LLEC) an verschiedenen Agri-PV Systemen sowohl auf dem Campus als auch außerhalb des Forschungszentrums. Ziel ist es, den Einfluss unterschiedlicher Solarmodultypen auf das Pflanzenwachstum besser zu verstehen und somit praxisnahe Entwicklung besser voranzutreiben.
Forschung zu Agri-PV im und um das Forschungszentrum Jülich
Derzeit betreibt das Forschungszentrum Jülich gemeinsam mit verschiedenen Partnern mehrere Forschungs- und Demonstrationsanlagen im Rheinischen Revier. Insgesamt kommen drei verschiedene Arten von Agri-PV-Konzepten zum Einsatz.
Solarmodule werden senkrecht auf dem Ständerwerk montiert, so dass zwischen den Modulreihen ausreichend Platz für Erntemaschinen bleibt.
Beim Tracking-System folgen PV-Module dem Sonnenstand. Diese Module können in Reihen angeordnet oder horizontal über den Pflanzungen montiert werden.
Bei aufgeständerten Anlagen werden PV-Module auf einer Pergola-ähnlichen Konstruktion angebracht. Die Anlagen sind so installiert, dass darunter Traktoren oder sogar Mähdrescher fahren können. Für den Anbau unter diesen Solaranlagen eignen sich Schattenpflanzen oder Pflanzen, die regenempfindlich sind.
Praxisprojekte mit Modellcharakter
Gestartet sind die Forschenden im Jahr 2019 mit der Strukturwandel-Initiative BioökonomieREVIER. In Bürgewald (Gemeinde Merzenich) wurde eine erste Agri-PV-Anlage errichtet – im heutigen Agri-Food-Energy Park. Dort werden Feldversuche in zwei unterschiedlichen Überdachungssystemen durchgeführt. Der enge Austausch mit Landwirtschaft, Politik und Zivilgesellschaft liefert wichtige Impulse für praxisnahe Weiterentwicklungen. Mit den Erfahrungen und Ergebnissen aus der Agri-PV-Forschung sind weitere Projekte im Rheinischen Revier entstanden.
Agri-PV fördert nicht nur das Pflanzenwachstum, sondern kann auch die Biodiversität auf landwirtschaftlichen Flächen stärken – etwa durch Blühstreifen oder Nistplätze an den Modulstrukturen. Gleichzeitig eröffnet sie Landwirt:innen neue Einkommensquellen durch die Vermarktung von Solarstrom, etwa als Betreiber, Verpächter oder Direktvermarkter.
Demgegenüber stehen höhere Investitionskosten: Agri-PV benötigt zum Teil lichtdurchlässige Spezialmodule oder aufwendigere Konstruktionen mit größeren Abständen. Diese Mehrkosten müssen durch landwirtschaftliche Erträge ausgeglichen werden, um die Wirtschaftlichkeit sicherzustellen. In einigen Studien konnte jedoch gezeigt werden, dass die Landnutzungseffizienz bei Agri-PV über einhundert Prozent liegen kann, das heißt die Anwendung der Agri-PV mehr Gesamtertrag aus Biomasse und Strom erwirtschaften kann als ein Acker oder eine Solaranlage allein.
Jülicher Forschungsergebnisse fließen in neue Regelwerke ein
Die Entwicklung von Agri-PV in Deutschland wird zunehmend durch klare Regeln unterstützt. Im Mai 2021 wurde erstmals eine DIN SPEC zur Agri-PV Technologie veröffentlicht, welche die technischen und landwirtschaftlichen Voraussetzungen für Agri-PV Systeme beschreibt. Sie definiert unter anderem Mindestanforderungen wie eine lichte Höhe von 2,1 m im Obstbau und den Erhalt von mindestens 66 % Ertrag im Vergleich zu Flächen ohne PV.
Diese Vor-Norm findet heute Eingang in zentrale Regelwerke: Das EEG koppelt Sondervergütungen an die Einhaltung dieser Standards, das Baugesetzbuch (§35) erlaubt Agri-PV-Anlagen bis 2,5 ha im Außenbereich ohne Bebauungsplan. Jülich bringt seine Forschungsergebnisse aktiv in Fachgremien ein – etwa über die Mitwirkung beim Verein für nachhaltige Agri-PV (VnAP) oder in der Begleitforschung des Bundeswirtschaftsministeriums. So trägt das Zentrum dazu bei, die Technologie praxisnah weiterzuentwickeln und marktfähig zu machen.
Dr. Matthias Meier-Grüll, Leiter des
Innovationslabors AgriFEe (Agricultural Food Energy Campus)
„Agri-PV-Anlagen produzieren nicht nur
grünen Strom. Sie schützen auch Pflanzen
vor Sonne, Hitze und Austrocknung sowie vor
Extremwetter mit Hagel oder Starkregen“, sagt
Dr. Matthias Meier-Grüll vom IBG-2, Leiter des
Innovationslabors AgriFEe (Agricultural Food Energy Campus) im Bioökonomie-REVIER. „Deshalb sind solche Anlagen bislang
meist dort in der Welt im Einsatz, wo es viel
Sonne und Trockenheit gibt – etwa beim
Obstbau in Süditalien oder Frankreich“, so
Meier-Grüll. „Mit den heißer werdenden
Sommern und zunehmenden Extremwetterereignissen
gewinnen die Agri-PV-Anlagen
auch für unsere Region stark an Bedeutung. „Wir wollen im Feldversuch
herausfinden, bei welchen Nutzpflanzen
welche Arten von PV-Anlagen wirklich Sinn
machen – und wie man die Flächen insgesamt
möglichst effizient nutzen kann, damit sich die
Doppelnutzung lohnt“, sagt Meier-Grüll. „Wir tauschen uns dafür mit Landwirten
und Forschenden aus aller Welt aus, die Agri-PV
bereits einsetzen.“
Schließlich geht es im Strukturwandelprojekt
vor allem um die eigene Region:
„Wir lernen viel durch kritische Diskussionen mit
Landwirten aus dem Rheinischen Revier und auch darüber hinaus und
beraten sie zugleich mit unserem Forschungswissen“,
so der Energieforscher Matthias Meier-Grüll. „Viele sind
aber noch skeptisch, ob sie die neuen Methoden
einführen können – etwa wegen der hohen
Investitionskosten.
Für Nutzpflanzen wie Getreide und Kartoffeln
braucht es Systeme mit großen Abständen für große Ackermaschinen. “
Sinnvoll seien „PV-Dächer“ aber für Sonderkulturen
wie Beerenobst, Kräuter oder Salat,
die anders gesät und geerntet werden und
höhere Erträge für die Landwirte erzielen.
„Hier sind bereits viele landwirtschaftliche
Betriebe aus der Region interessiert. Wir helfen
ihnen dabei, gut informiert und faktenbasiert neue Wege einzuschlagen.“
Am Ende gehe es auch gar
nicht um riesige Felder voller
PV-Gerüste, betont Meier.
„Mit zwei Prozent der Ackerflächen
könnte die Agri-PV in Deutschland bereits
einen gewaltigen Beitrag zur Energiewende
leisten.“
Prof. Ulrich Schurr, Institutsdirektor, zum Beratungsangebot
Das Interesse an Agri-PV in der Region ist groß:
„Einige Kommunen, die Anlagen auf ihren Flächen
aufbauen wollen, haben uns bereits angesprochen “,
erzählt Prof. Ulrich Schurr vom IBG-2. Hier beraten die
Forschenden aktiv: „Ob Kommunen, Landwirte,
Energieversorgungsunternehmen, Investoren oder
Bürgervereine: Zunächst muss ein gemeinsames
Verständnis dafür entwickelt werden, wer welche
Rolle spielt.“ Ein Beispiel: Will ein Landwirt seine
Flächen selbst mit PV-Anlagen ausstatten und den
Strom direkt nutzen, ihn ins Netz einspeisen oder
für die direkte Energieversorgung eines nahen
Wohngebiets zur Verfügung stellen? Oder will ein
Landwirt oder ein Landbesitzer einem Unternehmen
gegen Pacht einräumen, über dem Acker Agri-PV Anlagen
aufzubauen? „Hier gibt es unzählige
Szenarien“, sagt Schurr.
Für die Beratungen nutzt das IBG-2 auch die
vielseitigen Erfahrungen beim Aufbau der eigenen
Agri-PV-Forschungsanlage nahe Morschenich-Alt.
„Natürlich geht es dabei viel um ein sinnvolles
Zusammenspiel von Pflanzen und PV-Modulen, aber
auch Baurecht ist ein großes Thema“, sagt Schurr.
So gebe es klare Beschränkungen, was im Außenbereich
gebaut werden darf. „Mit Landwirtschaft
und PV-Anlagen stoßen zwei rechtliche Dinge
zusammen, die regulatorisch bislang wenig miteinander
zu tun hatten“, so Schurr. Das merkten auch
die Jülicher, als es Monate brauchte, um eine
Genehmigung für ihre Anlage zu bekommen.
„Bislang fehlen klare, einheitliche Regelungen für
Land, Bund und Europa. Das schreckt noch viele
ab“, so der Pflanzenforscher. „Aber wir haben viel
über die Genehmigungsprozesse gelernt, geben
dieses Wissen weiter und erwarten, dass unser
Jülicher Präzedenzfall die Verfahren in NRW künftig
vereinfacht.“ Schurr hat auch an einem Papier für
das Bundeswirtschaftsministerium mitgewirkt:
„Erste gesetzliche Änderungen sind seither bereits
auf Bundesebene eingeführt worden, aber wir
müssen hier weiter dranbleiben.“
Wie funktioniert Agri-PV und was sind die Vorteile? Die Infografik gibt eine Übersicht.Copyright: — Forschungszentrum Jülich / Seitenplan; redaktionelle Nutzung gestattet
Christin Müller, die forschende Bäuerin
Seit sie zwölf ist, fährt Christin Müller mit dem Traktor über riesige
Kartoffelacker. „Meine Eltern haben in Titz einen landwirtschaftlichen
Betrieb, den ich später auch übernehmen will“, sagt die 24-Jährige, die
in Stuttgart Agri-Business studiert. 2022 war sie im Agri-PV-Projekt
als Masterstudentin im Team von Dr. Onno Muller am IBG-2 mit
dabei. Dort hat sie beide Welten verbunden: „Zum einen konnte ich erforschen, wie die rheinische Ackerbohne im Schatten der PV-Anlagen über das Jahr hinweg
klarkommt. Zum anderen bringe ich den Blick und viel Wissen aus der praktischen
Landwirtschaft mit.“ Und ein gutes Netzwerk: „Ich kenne viele Bauern, die
uns beim Ackerbohnenexperiment super beraten und vor Ort tatkräftig mithelfen –
etwa bei der Schädlingsbekämpfung. Außerdem tausche ich mich mit vielen Bauern
meiner Generation auf Augenhöhe aus“, erzählt sie. Gerade junge Landwirt:innen seien
interessiert an innovativen Nutzungsideen für ihre Felder, weil viele Betriebe mit ihren
Erträgen an ihre Grenzen stießen. Müller: „Angesichts steigender Energiepreise dürfte
selbst erzeugter Solarstrom auf Feldern für Landwirte auch für den Eigenverbrauch
immer wertvoller werden – etwa für die stromfressenden Bewässerungsanlagen. “
Geeignet sei Agri-PV vor allem für Betriebe, die Gemüse und Obst regelmäßig über
Wochenmärkte oder Hofläden direkt vermarkten: „Unter der Anlage wachsen die
Pflanzen unterschiedlich schnell – und werden nicht alle gleichzeitig reif!“
Doch zurück zum Ackerbohnen-Experiment: „Direkt unter den PV-Modulen bekommen
die Böden wenig Regen, aber wegen der schräg einfallenden Sonne viel Licht ab. Gleich
neben den Modulen wiederum fällt deren Schatten auf den Acker – und der Regen“, erklärt
Müller. Was funktionierte besser? „Im Frühjahr wuchsen zunächst die Bohnen im sonnigen,
trockenen Bereich schneller, im extrem heißen Sommer hatten dann die Pflanzen im
feuchten Schatten klar die Nase vorn.“
Dr. Andreas Gerber, Photovoltaikforscher
Damit Agri-PV-Anlagen Sinn machen, müssen Pflanzen und Photovoltaikmodule richtig kombiniert werden.
Wie das in der Praxis geht, untersucht Dr. Andreas Gerber vom IMD-3 (vormals IEK-5) zusammen mit den Kolleg:innen vom
IBG-2 in Morschenich-Alt. Die PV-Messtechnik dafür hat der Photovoltaikforscher mit seinem Team und
einer Firma aufgebaut. „Dafür haben wir Ende 2021 eine Menge Kabel im matschigen Acker und in bis zu vier
Meter Höhe verlegt“, erzählt Gerber. Nun erforscht er, zu welchen Leistungen die verschiedenen PV-Modultypen
auf dem Acker fähig sind, die sich teils sogar automatisch mit der Sonne bewegen. „Außerdem prüfen
wir, ob bei Wind und Wetter in bis zu vier Metern über dem Feld schneller technische Probleme auftreten“,
so Gerber. „Die ganze Anlage – etwa unsere Messelektronik und die Robotik-Systeme des IBG-2 – wird dabei
übrigens durch unseren eigenen grünen PV-Strom autark betrieben!“ Gleichzeitig gibt es ein Softwaretool, das berechnen kann, wie viel Licht und Schatten zu welcher
Tageszeit über den Jahresverlauf bei den Pflanzen ankommt. „Hierfür testen wir auch virtuell,
wie groß die Lücken zwischen den PV-Modulen sein müssen“, so Gerber. „Außerdem
können wir gerade für Getreide und andere Pflanzen, die viel Sonne brauchen, auch
lichtdurchlässige PV-Module vorab ausprobieren. “Diese werden gerade am HI ERN in Erlangen-Nürnberg mit Helmholtz-Förderung entwickelt. Kombiniert
werden soll das alles künftig noch mit Software, die vorhersagen kann, wie viel
Ertrag einzelne Pflanzenarten dann jeweils bringen. „Für mich als Forscher ein
Traum“, freut sich Gerber. Anwenden lässt sich die Software in der Region, aber
auch weltweit – kann sie doch mit unterschiedlichen lokalen Wetterdaten
gefüttert werden. Gerber: „In Afrika etwa gibt es ein ganz anderes Klima und
viel mehr Sonneneinstrahlung als im Rheinischen Revier.“
Angelina Steier, Robotik-Expertin
Vor der Agri-PV-Anlage bei Morschenich-Alt bleiben regelmäßig
Menschen beeindruckt stehen. Über dem Acker sausen regelmäßig zwei Messsonden aus Metall hin und her. Sie fahren
entlang einer insgesamt 1.200 Meter langen Stahlschiene, die
unterhalb der PV-Gerüste angebracht ist – wie eine kleine
Roboter-Achterbahn. „Die PV-Anlagen haben teils zwei Meter
Höhenunterschied, die unsere Sonden über das Schienensystem
überwinden müssen“, erläutert Robotik-Expertin Angelina Steier
vom IBG-2. Aktuell noch in der Testphase, sollen die beiden
vollautomatischen Akku-Sonden mit verschiedenen optischen
Sensoren ab diesem Frühjahr die Pflanzenmessungen an der
Agri-PV-Anlage übernehmen – und möglichst schnell viele
Messdaten automatisiert erfassen. „Rund um die Uhr können wir
so gleichzeitig den Zustand der Pflanzen unter der PV-Anlage und
auf der Kontrollfläche ohne PV-Module untersuchen, ohne dass
wir die Pflanzen dabei beschädigen“, erläutert die Elektroingenieurin.
Wird der Akku einer Sonde langsam leer, fährt sie von
selbst zu ihrer Ladestation, um sich superschnell mit gespeichertem
Solarstrom wieder „aufzutanken“. Auf den ersten Blick eher
unspektakulär wirken die zwei umherfahrenden Sensorplattformen
– rund ein Meter lange Metallquader. „Sie sind aber vollgepackt
mit spannenden Messgeräten“, so Steier. Entwickelt hat sie
die beiden Sonden zusammen mit einem Spezialunternehmen –
und bringt dafür zehn Jahre Erfahrung mit anderen Robotiksystemen
aus Feldexperimenten des IBG-2 mit. „Wir nutzen
einige leichte Messgeräte, die wir auch an unseren Drohnen
einsetzen. Gleichzeitig versuchen wir, schwere Sensoren wie
einen Zwölf-Kilo-Fluroreszenzmesser zu integrieren, die sonst
nur von unseren riesigen Messrobotern getragen werden können. “
Die größte Schwierigkeit sei aber das Wetter: „Die Elektronik
reagiert empfindlich auf Hitze,
Staub und Nässe. Trotzdem
muss alles funktionieren!“
Und die neugierigen
Zaungäste? Die sind
Steier immer willkommen:
„Dieses
große Interesse an
Innovationen für
die Region finde
ich großartig.“
Jochem Gerden, Dürener Bio-Landwirt
„Auf unserem Dürener Biohof haben wir bereits
zwei große Hallendächer voll mit Photovoltaik.
Denn allein um unser Gemüse gekühlt zu lagern,
brauchen wir viel Energie. Eigener Solarstrom ist
bei uns also ein echter Kostensenker. Als ich Anfang
2021 vom Agri-PV-Projekt gehört habe, war mein
Interesse sofort geweckt. Schnell kam ich mit den
Jülicher Forschenden in Kontakt und habe in
Morschenich-Alt das vergangene Jahr über beim
Säen von Ackerbohnen oder Kapuzinerkresse
geholfen. Wie andere Landwirte der Region habe ich
das IBG-2 als Praktiker beraten: etwa dazu, wie man
einen Acker unter so einer Anlage am besten pflügt
und welche Großmaschinen man für welche Nutzpflanzen
benötigt. Ich wusste sofort: Zuckerrüben
unter Agri-PV-Anlagen anzubauen bringt nichts,
weil der für die Ernte nötige riesige Rübenroder
da gar nicht drunter passt.
Weil ich oft vor Ort war und die Jülicher Forschenden
mich bestens beraten haben, habe ich gleichzeitig
viel über Agri-PV gelernt. Wir haben in unserem
Familienbetrieb dann überlegt, ob wir selbst solche
Anlagen aufbauen wollen – über manchen unserer
Anbauflächen, aber auch über dem Außengehege
unserer Hühner, wo sie die Tiere vor Habichten
schützen würden. Letztlich war uns die Eigeninvestition
in Agri-PV-Anlagen aber zu groß. Das Ganze soll
sich ja nicht erst in 20 Jahren rechnen. Was den Bau
aktuell so teuer macht, sind gar nicht die PV-Module,
sondern der Stahl für die hohen Gerüste und die
Speichersysteme für den Solarstrom. Im Sommer
2022 hat uns Matthias Meier vom IBG-2 dann gefragt,
ob wir Teil eines neuen Forschungsversuchs werden
wollen. Geplant ist, lichtdurchlässige PV-Module auf
unsere Gewächshäuser und Folientunnel zu bauen,
also auf einen Teil unserer 6.000 Quadratmeter mit Tomaten, Gurken und
Erdbeeren. Das gehen wir gerade gemeinsam mit
dem Forschungszentrum an. Für uns als Unternehmer
ist das interessant, weil wir so vor Ort viel über diese
Technik in der Praxis erfahren und dann gut einschätzen
können, ob wir diese künftig im größeren Stil
selbst aufbauen wollen. Dass auf unserem Hof dann
regelmäßig Forschende herumlaufen, stört mich
übrigens nicht: Ich habe meine Ausbildung selbst in
einem Versuchsbetrieb nahe Pulheim gemacht.
Forschung ist für mich also kein Neuland.“
Die Statements der Expert:innen wurden von Hanno Schiffer für das Mitarbeitenden-Magazin "intern" des Forschungszentrums Jülich erstellt (Aktualisiert 2025) / Fotos: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau & Ralf-Uwe Limbach; Forschungszentrum Jülich/Matthias Meier-Grüll; RWE