Sonnige Perspektiven für die Landwirtschaft

In Bruck an der Leitha untersucht die Universität für Bodenkultur Wien im Zusammenhang mit aufgeständerten PV-Anlagen eine mehrjährige, mit gängigen Landmaschinen bewirtschaftete Fruchtfolge. Ein Blick auf die Ergebnisse des ersten Jahres.

Die Agri-Photovoltaik, kurz auch Agri-PV genannt, hat in den vergangenen Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen. Größere Praxisanlagen wurden bereits installiert, doch es fehlt noch an ausreichenden Erfahrungen zur Bewirtschaftung dieser Systeme.
Eine der ersten Agri-PV-Anlagen in Österreich ist das vom Klima- und Energiefonds geförderte Projekt EWS Sonnenfeld in Bruck an der Leitha (NÖ). Betrieben wird die Anlage von der Firma EWS Consulting und dem Energiepark Bruck an der Leitha; wissenschaftlich begleitet wird das Projekt von der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU). Konkret soll die Bewirtschaftung des EWS-Sonnenfeldes sowohl aus pflanzenbaulicher als auch aus agrartechnischer Sicht betrachtet werden. Angebaut wird eine mehrjährige, standortangepasste Fruchtfolge, die in den ersten drei Jahren Sorghumhirse, Winterweizen und Soja umfasst.

„In unserem Forschungsprojekt wird untersucht, welche Pflanzenkulturen und Bewirtschaftungsformen sich am besten mit einer gleichzeitigen Stromproduktion kombinieren lassen“, erläutert Alexander Bauer, Professor am Institut für Landtechnik der Universität für Bodenkultur Wien.

In drei Forschungszonen sind hoch aufgeständerte (2,8 m) und nachgeführte PV-Modulreihen in Nord-Süd-Ausrichtung mit unterschiedlichen Achsenabständen von 8, 11 und 14 Metern installiert. Direkt unter den PV-Modulen wurden 2 Meter breite Blühstreifen angelegt, wodurch sich verfügbare landwirtschaftliche Flächen von 6, 9 und 12 Metern Breite ergaben. Eine weitere Forschungszone dient als Referenzfläche ohne PV-Module, sprich ein konventioneller Acker.

Auf die Breite kommt es an

Quelle: Maria König

Im ersten Versuchsjahr 2023 wurde Sorghumhirse, konkret die Sorte Armorik, angebaut. „Sorghumhirse ist eine wärmeliebende Pflanze, die empfindlich auf Kälte reagiert. Sie gehört zu den C4-Pflanzen, die sich durch eine besonders effiziente Fotosynthese auszeichnet und dabei weniger Wasser verbraucht als beispielsweise andere Getreidepflanzen. Aufgrund dieser Eigenschaften ist Sorghumhirse besonders tolerant gegenüber Hitze und Trockenheit. Sie kann die zur Verfügung stehende Strahlung sehr effizient nutzen“, erklärt Prof. Reinhard Neugschwandtner vom Institut für Pflanzenbau der BOKU. Daher lassen die Bedingungen in einer Agri-PV-Anlage, insbesondere bei Sorghumhirse, geringere Erträge zwischen den PV-Modulreihen erwarten. So zeigten die Ergebnisse, dass auf der Referenzfläche der höchste Ertrag erzielt werden konnte.

Die 3 und 6 Meter breiten Mittelbereiche der Bewirtschaftungsflächen mit Achsabständen von 11 und 14 Metern erzielten vergleichbare Erträge. Im Gegensatz dazu war der Ertrag in dem (3 m breiten) Mittelbereich mit Achsabständen von 8 Metern nur halb so hoch wie in der Referenzfläche ohne PV-Module. Diese Beobachtung legt nahe, dass die Achsabstände der PV-Modulreihen einen signifikanten Einfluss auf den Ertrag haben.

Zusammenfassend ergab sich im Vergleich zur Referenz auf der Bewirtschaftungsfläche mit 14 Metern Achsabstand ein Ertrag von etwa 60 Prozent, bei 11 Metern von rund der Hälfte und bei 8 Metern von rund einem Viertel.

Agri-PV beeinflusst das Mikroklima

In den Forschungszonen des EWS Sonnenfeldes wurden Bodensensoren und Strahlungssensoren installiert. Die Bodensensoren messen Bodenfeuchtigkeit und -temperatur, während die Strahlungssensoren die fotosynthetisch aktive Strahlung erfassen.

Die Bodenfeuchte kann durch Faktoren wie Wind und den Schatten der PV-Module beeinflusst werden. Dadurch blieb der Boden zwischen den Modulen, besonders in Trockenzeiten, feuchter als in der Referenzfläche. Innerhalb der bewirtschafteten Bereiche waren die Randbereiche trockener als die Mitte, da die Solarmodule wie ein Dach wirken und den Niederschlag ableiten. Durch die Etablierung eines „Niederschlagsmodus“ kann bei Regen oder Schnee der Niederschlag in Zukunft gleichmäßiger auf der Fläche verteilt werden.

Erste Ergebnisse zeigen auch, dass im Frühjahr und Frühsommer 2023 der Boden zwischen den Modulreihen kühler war als in der Referenzfläche. Erst im Juli holten die mittleren Bereiche der verschiedenen Bewirtschaftungsbreiten im Vergleich zur Referenzfläche auf. Die Randregionen der verschiedenen Bewirtschaftungsbreiten zeigten erst im August dieselben Temperaturen wie die Referenzfläche. Die durchschnittliche Lichtverfügbarkeit in der Mitte der verschiedenen Bewirtschaftungsbreiten verringerte sich auf 72 Prozent im Vergleich zur Referenzfläche.

Weiters zeigten die Daten, dass die fotosynthetisch aktive Strahlung, also das für Pflanzen verfügbare Licht, welches für die Fotosynthese genutzt werden kann, und der Kornertrag zusammenhängen. Das bedeutet: Steigt die Lichtverfügbarkeit, steigt auch der Kornertrag.

Maschinen können weiter genutzt werden

Die Bewirtschaftung der Fläche erfolgte durch Landwirte aus der Region. Dabei wurden bereits in der Planung die Arbeitsbreiten der üblicherweise in der Region genutzten Geräte und Maschinen berücksichtigt. Für die Bewirtschaftung werden die PV-Module in den „Erntemodus“ versetzt, wobei die Modultische auf 70 Grad aufgeklappt werden. Dies erleichtert den Maschinen die Durchfahrt und schützt die PV-Module vor Beschädigungen. „Das erste Versuchsjahr zeigte, dass die Nutzung von GPS-gestützten Lenksystemen für die Bewirtschaftung einer Agri-PV-Anlage vorteilhaft und auch möglich ist“, erklärt Bauer.

Die GPS-Daten zum Auswerten des Versuchs wurden während bestimmter Bearbeitungsschritte der Flächen aufgezeichnet. Dazu wurde vor den verschiedenen Bearbeitungsschritten ein Computer am Traktor montiert. Über eine Datenschnittstelle wurden die Position der Geräte sowie Informationen über Traktor und Anhängegerät aufgezeichnet. Aus diesen Daten wurden die Fahrgeschwindigkeit, der Treibstoffverbrauch und die Flächenleistungen (bewirtschaftete Fläche pro Stunde) für die verschiedenen Bewirtschaftungsbreiten berechnet.

Die Bodenbearbeitung mit dem Feingrubber dient als Beispiel, um die Ergebnisse in diesem Bereich zu veranschaulichen. Bei der Analyse der Fahrgeschwindigkeit zeigte sich, dass auf dem 6 Meter breiten Bewirtschaftungsstreifen, bei dem die PV-Module auf beiden Seiten eine Einschränkung darstellen, etwa 5 km/h langsamer gefahren wurde als auf freiem Feld. Auf den 9 und 12 Metern breiten Bewirtschaftungsstreifen, wo die Beschränkung nur auf einer Seite besteht, konnte mit hoher Geschwindigkeit, ohne merkliche Reduktion, gearbeitet werden.

Die volle Maschinenbreite des Feingrubbers von 6 Metern konnte nur in den 6 und 12 Meter breiten Bewirtschaftungsstreifen genutzt werden. Bei 9 Metern Bewirtschaftungsbreite reduzierte sich die effektive Arbeitsbreite rechnerisch auf 4,5 Meter. Beim Treibstoffverbrauch zeigten sich bei 6 und 12 Metern Bewirtschaftungsbreite ähnliche Werte (5,4 oder 5,5 Liter pro Hektar). Der höhere Treibstoffverbrauch auf den 9 Meter breiten Streifen war auf die nicht optimale Maschinenbreite zurückzuführen; hier wurden durchschnittlich 6,9 Liter pro Hektar benötigt.

Die Flächenleistung war mit durchschnittlich 9,2 Hektar pro Stunde bei 12 Metern am höchsten und reduzierte sich aufgrund der niedrigeren möglichen Fahrgeschwindigkeit bei 6 Metern.

Fazit: Agri-PV kann ein Erfolgsmodell werden
Die Agri-PV-Anlage in Bruck an der Leitha bietet einige wertvolle Erkenntnisse rund um die Kombination von Landwirtschaft und Photovoltaik. Die Ergebnisse der Erträge waren für eine C4-Pflanze überraschend hoch. Durch eine angepasste Kultur-führung können diese weiter erhöht werden, insbesondere durch die Auswahl von Kulturen, welche mit reduzierter verfügbarer Strahlung gut umgehen können. Moderne Agrartechnik, wie etwa Lenksysteme, haben sich als vorteilhaft erwiesen und wurden genutzt, um die Fläche optimal bewirtschaften zu können. Um die Effizienz zu maximieren, sollten die Breiten der bewirtschafteten Fläche und die Maschinenbreiten so aufeinander abgestimmt sein, dass es bei den Kulturmaßnahmen zu keinen Überlappungen kommt. Idealerweise ist die Breite des Feldstreifens ein ganzzahliges Vielfaches der Maschinenbreite.
Spannend sind auch die Ergebnisse bezüglich Bodentemperatur und -feuchtigkeit. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass Temperaturextreme gedämpft werden. Insbesondere in Trockenzeiten wird durch die PV-Module die Bodenfeuchtigkeit zwischen den Modulen länger gehalten. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass eine optimale Abstimmung von Pflanzenbau und Agrartechnik früh in der Planung einer Agri-PV-Anlage wichtig ist, um die Effizienz und Erträge zu maximieren. „Noch ist es schwierig, genaue Ergebnisse in Bezug auf Stromertrag in Verbindung mit dem Kornertrag zu nennen, da wir erst die Daten des ersten Versuchsjahres haben. Jedoch lassen die Resultate einer Studie des Fraunhofer ISE in Deutschland durchaus positive Gesamtergebnisse erwarten”, so Alexander Bauer.