Eine an der Pflanzenphysiologie ausgerichtete Auslegung von Agri-PV-Anlagen kann den Energieertrag deutlich steigern, ohne die Versorgung der Nutzpflanzen mit Licht zu gefährden. Das ist das Ergebnis einer Simulation durch Forscher der Macquarie University in Australien, das auch für andere Regionen der Erde anwendbar ist. Voraussetzung ist, dass die Planung der Agri-PV-Anlage nicht nur auf die Strom-, sondern auch auf die Pflanzenerträge ausgerichtet ist. Denn die Studie basiert auf dem von der Pflanze nutzbaren Lichtspektrum, der sogenannten photosynthetisch aktiven Strahlung (Photosynthetically Active Radiation – PAR).
Bisherige Verschattungsmodelle reichen nicht aus
Dazu hat sich die australische Forscherin Adnin Tazrih Natasha exemplarisch das Wachstumsverhalten einer Heilpflanze in Malaysia angeschaut. Grundlage ihrer Untersuchung ist, dass die Agri-PV zur Landwirtschaft hinzukommt und nicht umgekehrt. „Wir können nicht nur den Energieertrag mit dem Design der Photovoltaikanlage maximieren. Die landwirtschaftlichen Erträge tragen mit mindestens 50 Prozent zur Gesamteffizienz der Kombination bei“, sagt die Forscherin.
Dazu hat sie in einem Pilotprojekt die PAR-Schwelle gesucht, bis zu der das Lichtspektrum für das Pflanzenwachstum notwendig ist. „Denn die bisherigen Modellierungen haben nur das Licht insgesamt, aber nicht das Lichtspektrum berücksichtigt“, begründet Adnin Tazrih Natasha ihre Motivation. „Der Erfolg eines Agri-PV-Projekts hängt aber genau von diesem Lichtspektrum und der PAR ab. So ignorieren die gängigen Verschattungsmodelle die spektrale Zusammensetzung und Qualität des Lichts. Sie verlassen sich auf feste Lichtannahmen.“
Die Anzahl der Photonen im richtigen Spektrum entscheidet
Um dies zu ändern, hat die Forscherin die PAR zur Energieeffizienz in Beziehung gestellt, um ein vorteilhaftes System sowohl für die Pflanzen als auch für die Solarerträge zu entwickeln. Mit einem solchen Standard kann das Design von Agri-PV-Anlagen entsprechend optimiert werden. So liegt die Belichtungsstärke (photosynthetische Photonflussdichte – PPFD), die Pflanzen für eine optimale Entwicklung benötigen, bei 200 Mikromol pro Quadratmeter und Sekunde für Keimlinge bis 1.000 Mikromol pro Quadratmeter und Sekunde in der Blütenphase. Das ist die Menge an Photonen, die innerhalb einer Sekunde auf die Pflanzen auftrifft und die sie nutzen kann, also der entscheidende Faktor bei der Bestimmung der PAR.
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Damit ausreichend Licht im entscheidenden Spektrum zwischen 400 und 700 Nanometern Wellenlänge bei den Pflanzen ankommt, muss das Design der Anlage entsprechend angepasst werden. Die Dichte der Modulbelegung sowie die Neigung der Module müssten für ein effizientes System entsprechend der notwendigen Beleuchtungsstärke ausgelegt werden.
PAR-Werte gemessen
Wie so etwas aussehen kann, hat sie anhand festaufgeständerter Süd- und Ost-West-Solaranlagen über verschiedenen schattentoleranten Nutz- und Heilpflanzen getestet. Statt mit vielen Parametern zu jonglieren, hat sich Adnin Tazrih Natasha bewusst für einen reduzierten Ansatz entschieden. Ihr Ansatz: Über einen zuvor definierten PAR-Prozentsatz – etwa 40 bis 60 Prozent des Spektrums – lassen sich Moduldichte, Neigung und Ausrichtung so einstellen, dass eine Fruchtfolge über sechs Monate oder ein Jahr zuverlässig mit ausreichend Licht versorgt wird.
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Dazu hat Natasha die Gesamteinstrahlung (Global Horizontal Irradiance – GHI) gemessen und diese in PAR- und UV-Werte umgerechnet. Daraus kann sie den Pflanzen- und den Energieertrag abschätzen und so eine optimale Anlagenkonfiguration ableiten. In ihrer Untersuchung hat sie eine Referenzfläche ohne Solaranlage mit den beiden Anlagenkonfigurationen verglichen. Die Referenzfläche lieferte erwartungsgemäß die höchsten PAR-Werte. Diese lagen aber höher, als für die Pflanzen notwendig war. Als PAR-Zielwerte legte Natasha deshalb 500 und 700 Mikromol pro Quadratmeter pro Sekunde bei einer Bodenbestrahlungsstärke zwischen 1.600 und 1.800 fest.
Anlagen auf den PAR-Wert hin designen
Am Ende des Versuchs hat sich gezeigt, dass bei voller und halber Moduldichte der simulierte Energieertrag deutlich über den bisherigen Referenzwert hinaus anstieg, während die PAR-Versorgung der Pflanzen im biologisch notwendigen Bereich blieb. Da sich die Forscherin auf PAR-Werte zwischen 500 und 700 Mikromol pro Quadratmeter und Sekunde konzentriert hat, deckt dieses Ergebnis auch Gemüse- und Kräuterpflanzen ab, die durchaus auch etwas mehr Licht benötigen, wie Tomaten, Salat oder Basilikum. Im nächsten Schritt wird sich Natasha anschauen, wie sich die Pflanzen- und Energieerträge mit Nachführsystemen und bifazialen Modulen optimieren lassen. (su)
