Agri-PV im globalen Süden für Ernährungssicherheit

Die Agri-PV (APV)-Technologie ist ein neuartiger Ansatz für die Integration von landwirtschaftlicher Nutzung und Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen (Abb. 1: Illustration eines Agri-PV-Systems). Diese Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Bewältigung mehrerer zentraler Herausforderungen unserer Zeit. Die Photovoltaik-Paneele (PVP) bieten den darunter liegenden Pflanzen Schutz vor extremen Witterungsbedingungen wie starken Regenfällen, Hagel und intensiver Sonneneinstrahlung. Dies kann zu einer Stabilisierung der Ernteerträge führen. Die strategische Positionierung von PVP kann die Bildung eines Mikroklimas unter den Pflanzen erleichtern, was sich für bestimmte Pflanzenarten und für die PV-Erträge als vorteilhaft erweisen kann. Es wird erwartet, dass Agri-PV ein zunehmend bedeutendes Konzept werden wird, insbesondere im globalen Süden, wo Fragen der Nahrungsmittel- und Wasserknappheit sowie der Wasserbewirtschaftung von grösster Bedeutung sind.

Bei der Optimierung von APV-Systemen ist es entscheidend, die begrenzende Ressource, nämlich das Licht, so zu steuern, dass die Pflanzen das reduzierte Lichtangebot unter dem PVP optimal nutzen können. Es gibt zwei Hauptmethoden zur Optimierung. Zum einen kann die Beschattung der Pflanzen durch eine Veränderung der Dichte der PVP beeinflusst werden (z.B. mechanische Neigung und Anpassung der Reihenabstände). Zweitens kann die Optimierung von APV-Systemen durch ein besseres Verständnis der Reaktion der Pflanzen auf Licht (z.B. Lichtsättigungspunkt) erreicht werden. Ab einem bestimmten Punkt ist die Fähigkeit der Pflanzen, zusätzliches Licht in photosynthetische Energie umzuwandeln, erschöpft. Der Punkt, an dem die Lichtsättigung eintritt, ist entscheidend für die Eignung einer Pflanzenart für APV-Systeme. Eine starke Verschattung führt nachweislich zu einem verlangsamten Wachstum und einer geringeren Gesamtbiomasseproduktion bei der Reife.

Simulationen in PVSyst, für mechanische Konstruktionen mit unterschiedlichen Ausrichtungen, zeigten eine bemerkenswerte Diskrepanz, zwischen einer Nord- und einer Ost-West-Ausrichtung, bei unterschiedlichen Reihenabständen (3 m bis 4 m) und Neigungswinkeln (20° bis 60°) des PVP (Abb. 2). Die Simulationen wurden für Marikana, Südafrika, durchgeführt und zeigen, dass eine Ausrichtung des PVP in Ost-West-Richtung eine gleichmässigere Verteilung der globalen horizontalen Einstrahlung (GHI) ermöglicht und die Wachstumsbedingungen, insbesondere in den südafrikanischen Wintermonaten, aufgrund ausreichend hoher GHI-Werte verbessert (Abb.3). Im Gegensatz dazu führt eine nördliche Ausrichtung zu einem etwas höheren Energieertrag über das Jahr hinweg. Dies kann jedoch aufgrund einer ungleichmässigen Verteilung der Strahlung über das Jahr, insbesondere in den Wintermonaten, zu Ertragseinbussen für die Pflanzen führen (Abb.3). Ausserdem ist der Anteil der direkten Normalstrahlung (DNI) minimal, insbesondere in den Wintermonaten, wenn auch niedrige GHI-Werte zu beobachten sind. Der Temperaturunterschied unter dem beschatteten PVP führt nur zu einer leichten Verringerung der Bodentemperatur im Vergleich zu einem offenen Feld. Es kann festgestellt werden, dass die durchschnittliche Tagestemperatur der Pflanzen im Schatten aufgrund der ausreichenden Luftzirkulation keine signifikante Abweichung von der unbeschatteten Situation aufweist. Folglich sind die Wachstumsraten im Vergleich zu einem offenen Feld sehr ähnlich. Die Wirtschaftlichkeit einer APV-Anlage ist durch die ins öffentliche Netz eingespeiste Energie in der Regel gewährleistet, so dass mögliche Ertragseinbussen in der Landwirtschaft mehr als kompensiert werden. Es ist zu beachten, dass die Luftverschmutzung durch nahegelegene Platinminen und Holzverbrennung den GHI-Wert verringern und damit die Erträge beeinflussen kann.

Autor

Billal Purivatra, Student EEU