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Erfahrungsberichte

Fragen und Antworten zum Forschungsprojekt "Agri-PV Obstbau"

Einstieg

Die Idee zur wissenschaftlichen Erprobung eines solchen Konzeptes im Kreis Ahrweiler geht auf die Initiative des Lokalpolitikers Herrn Wolfgang Schlagwein zurück, der bereits Ende 2017 die Kontakte in die Politik sowie zum Fraunhofer ISE knüpfen konnte.

Basierend auf dem Grundgedanken des zum damaligen Zeitpunkt in Heggelbach entstandenen Projektes, initiierte Herr Schlagwein Anfang 2018 erste Treffen mit Vertreter:innen aus der Forschung (ISE), der Anbauberatung des Landes Rheinland-Pfalz (DLR Rheinpfalz) und der Landespolitik in Mainz.

Die potenzielle Synergienutzung beider Systeme wurde schnell ersichtlich und die Entscheidung, sich für die Grafschaft als möglichen Forschungsstandort auszusprechen, konkretisiert.

Die Standortnähe zum Forschungsstandort des DLR Rheinfalz in Klein-Altendorf und vorrangegangene Forschungsprojekte zur Energiewende für den gesamten Kreis Ahrweiler, wie z.B. EnAHRgie, begünstigten diese Entscheidung.

Die Einbindung des Bio-Obsthofes Nachtwey wurde durch deren direkte Bereitschaft zur Projektunterstützung im Jahr 2017 sowie aufgrund der besonderen Relevanz in der biologischen Produktionsweise hinsichtlich des realisierbaren Regenschutzes und der Auswirkungen auf die Biodiversität als besonders zielführend erachtet.

Mit dem Beginn der ersten Gespräche zu der Grundthematik der Agri-Photovoltaik im Jahr 2018 über die Bewilligung des Förderbescheids durch die Landesregierung und den Bund bis zu dem Start der Baumaßnahmen im Mai 2021 vergingen gut 4 Jahre intensiver Planung.

Die konkrete Entwicklung eines Anlagenkonzeptes für die Überdachung im Kernobstanbau unter Berücksichtigung der unterschiedlichsten Belange aus landwirtschaftlicher, forschungstechnischer und statisch-baulicher Perspektive betrug dabei alleine gut 2 Jahre.

Schlussendlich konnte eine vielseitig veränderbare und funktionale Anlagenkonstruktion entwickelt werden, anhand dieser sich vielfältige Fragestellungen rund um das Thema Agri-Photovoltaik der DIN-SPEC-Kategorie 1 darstellen lassen.

Die größte Hürde war die Erteilung der Baugenehmigung. Es wurde ein privilegiertes Baugenehmigungsverfahren nach § 35 Abs. 1 Nr. 4 Baugesetzbuch (BauGB) durchlaufen. Hierfür mussten unter anderem Anlagen- und Konstruktionsbeschreibungen, Lagepläne, Bauzeichnungen, Statikprüfungen, Bodengutachten sowie naturschutzfachliche und landespflegerische Gutachten eingereicht werden. Da sich die auf diesem Weg erhaltene Baugenehmigung nur auf die Projektlaufzeit bezieht, muss bis 2023 ein Bauleitverfahren eingeleitet werden, damit die Anlage auch über das Forschungsprojekt hinaus bestehen bleiben kann.

Wir stehen nach wie vor am Beginn der Erprobungsphase. Daher werden weitere Aspekte folgen. Folgende positive Aspekte sind bisher festzuhalten.

Befindet man sich unter der Anlage, wirkt die Verschattung durch die Module sehr gut dimensioniert. D.h. man darf davon ausgehen, dass die Verschattung wenig Einfluss auf das Pflanzenwachstum haben wird. Dies werden die zukünftigen Forschungsergebnisse hoffentlich zeigen.

Positiv aufgefallen ist auch der geringere Geräuschpegel unter der Agri-PV-Anlage im Vergleich zu den folien- und netzüberspannten Flächen.

Darüber hinaus ruft die Agri-PV-Anlage bei vielen Besuchern und in der Öffentlichkeit großes Interesse hervor. Die Anlage wird als zukunftsorientiertes Konzept mit Potential für Synergien zwischen Stromproduktion und Landwirtschaft positiv wahrgenommen.  Als positiv wird auch der Wegfall von Kunststoffüberdachungen empfunden. Für den Landwirt ergibt sich der Vorteil, dass keine wiederkehrenden Montagetätigkeiten notwendig sind wie im Fall von Hagelschutznetzen und -folien. 

Aufgrund des sehr kurzen Zeitraums bis zur Pflanzung musste das Projekt schnell geplant und errichtet werden. Deshalb konnte die Menge an Stahl und das Design des Agri-PV-Systems noch nicht optimiert werden, was höhere Kosten verursacht. Auf der anderen Seite können die Projektbeteiligten hieraus lernen und zukünftige Projekte dahingehend optimieren und weiterentwickeln.

Darüber hinaus kam es bei der Bauausführung zu Beeinträchtigungen des Bodens, insbesondere zu starken Verdichtungen des Bodens. Daher musste der Boden vor der Pflanzung der Apfelbäume erst wieder aufgelockert werden.

Zudem liegt die Regenwasserabtropfkante der Module um ca. ein Drittel versetzt zwischen den Baumreihen und fällt genau in eine der beiden Fahrspuren des elektrischen Schmalspurtraktors. Zukünftig sollte die Abtropfkante möglichst mittig zwischen den Baumreihen sein, so wie beim Folienschutzsystem der Referenzfläche. Dadurch kann eine Doppelbelastung der Fahrgassenvegetation zwischen den Baumreihen durch Regen und Fahrspur vermieden werden.

Generell wurden im Forschungsdesign zwar die Food-Energy-Nexus sehr gut bedacht, der Wasser-Aspekt wurde jedoch unterschätzt. In Zusammenarbeit mit dem Landwirt, DLR Rheinpfalz, BayWa AG und BayWa r.e. ist eine nachträgliche Integration eines vollautomatischen und digitalen Bewässerungs- und Frostschutzsystem für 2022 angedacht, damit diese Schwachstelle im Versuchsdesign behoben werden kann.

Zusätzlich werden die Bäume bei seitlichem Regeneinfall im unteren Drittel (Blätter) nass. Da die Hauptertragszone später jedoch nicht in diesem Bereich liegen wird, der jetzt durch die „nur“ 2 m breiten Module nass wird, wächst der Baum quasi in den Schutzraum hinein. Bisher sind die Auswirkungen nicht weiter dramatisch, denn nur eine lange Blattnässedauer führt zu einer Infektion mit Apfelschorf. Wir erhoffen uns ein schnelles Abtrocknen der Peripherie, sodass das kein Problem darstellen sollte.

Bau der Anlage

Der Entwurf der Anlage wurde durch den Architekten Joachim Kleimann vorgenommen und mit der Erteilung der Baugenehmigung abgeschlossen. Die Bauleitung und der Bau wurden durch das Fraunhofer ISE und die BayWa r.e. betreut.

Involviert waren insgesamt elf Fachbehörden, darunter die Gemeinde Grafschaft, die Kreisverwaltung Ahrweiler, die Landwirtschaftskammer Rheinland-Pfalz und die Umwelt- und Landespflegebehörde. Die Entscheidungsträger für den Bau der Anlage waren die Gemeinde Grafschaft und die Kreisverwaltung Ahrweiler.

Für den Bau der Anlage wurde ein Bauantragsverfahren im vereinfachten Genehmigungsverfahren und dadurch eine Erleichterung der Baugenehmigung erreicht. Das Forschungsvorhaben kann aufgrund der besonderen Anforderungen an die Umgebung, oder wegen seiner besonderen Zweckbestimmung nur im Außenbereich ausgeführt werden. Die Genehmigung erfolgte nach BauGB §35, Abs. 1, Satz1. Nr.4. Die Baugenehmigung ist auf fünf Jahre befristet. Daher gibt es aktuell keinen Aufstellungsbeschluss. Ein Bebauungsplan- bzw. Vorhaben- und Erschließungsplan muss innerhalb der nächsten drei Jahre seitens des Fraunhofer ISE nachgereicht werden. Die Kosten hierfür sind bereits angefragt worden. Dies muss in ca. zweieinhalb einem Jahr angegangen werden, damit eine rechtskräftige Baugenehmigung mit Aufstellungsbeschlüssen in ca.   drei Jahren vorliegt.

Hinsichtlich des Flächennutzungsplans gibt es keine Änderungen, da die Fläche weiterhin intensiv landwirtschaftlich genutzt wird.

Technisch gesehen wäre eine größere Anlage möglich gewesen. Aufgrund der Rahmenbedingungen vor Ort, des Forschungsdesigns und des Budgets war dies jedoch nicht möglich.

Bisher gibt es v.a. positive Rückmeldungen und viel öffentliches Interesse an der Anlage. Das Forschungsprojekt und der Bau der Anlage wurden seitens der Verwaltung und der Behörden unterstützt.

Eine erste Befragung von verschiedenen Interessensgruppen vor Ort – hierzu zählten Vertreter:innen der Verwaltung, des Energiesektors, der Umwelt- und Artenschutzverbände, des Landwirtschaftssektors, der Landwirtschaftsverbände, der Lokalpolitik und der Wissenschaft – bestätigt dieses positive Bild.

Zwar sind Fragen hinsichtlich des Landschaftsbildes, der Wirtschaftlichkeit und Finanzierbarkeit sowie der rechtliche Rahmenbedingungen verlautet worden, die Antworten hierauf stehen als Teil der Forschungsstudie jedoch noch aus. Gleiches gilt für die Praxistauglichkeit, den energetischen Ertrag und die ggf. negativen und positiven Umweltauswirkungen der Anlage.

Gleichzeitig wird Agri-PV mehrheitlich als eine Zukunftstechnologie betrachtet, die nicht nur der Flächennutzungskonkurrenz zwischen Energie- und Landwirtschaftssektor entgegenwirkt, sondern v.a. Ertragssicherheit in der landwirtschaftlichen Produktion ermöglichen kann. Die Landwirtschaft leidet bereits heute unter den Folgen des Klimawandels (Starkregen, Hagel, extreme Sonneneinstrahlung etc.). Die Familie Nachtwey informiert Anwohner:innen und die ansässige Bevölkerung im persönlichen Austausch, durch Informationstafeln und Informationsveranstaltungen über die Probleme, mit denen sie aufgrund des Klimawandels konfrontiert sind und welchen Nutzen ihnen die Anlage bringt. Das macht es für Anwohner:innen nachvollziehbar, sodass sie der Anlage mehrheitlich positiv gegenüberstehen.

Seitens des Fraunhofer ISE werden weitere Kommunikationsstrategien verfolgt (z.B. Informationsveranstaltungen vor Ort, Vorträge und Gesprächsangebote vor Ort, weitere Befragungen, etc.), um über die Anlage zu informieren und die Anliegen, Wünsche und Eindrücke der Anwohner:innen und Interessensgruppen miteinzubeziehen. Auf diese Weise soll eine möglichst breite gesellschaftliche Befürwortung der Anlage erreicht werden.

Der Strom wird über einen noch zu installierenden Transformator in direkter Nähe zur Agri-PV Anlage in das Mittelspannungsnetz des Energiebetreibers Westenergie eingespeist. Eine Eigennutzung des PV-Stroms ist ohne Einspeisung ins Mittelspannungsnetz für die Bewässerung der Obstbäume und zum Laden des E-Traktors möglich.

Da es sich um kurze Leitungswege handelt, ergaben sich keine Probleme.

Ausgleichsflächen müssen nicht bereitgestellt werden. Es finden jedoch produktionsintegrierte Kompensationsmaßnahmen (z. B. Anlage und angepasste Bewirtschaftung/Pflege von Blühstreifen in der Fahrgasse, Hochstaudensäume, Nisthilfen für Vögel und Insekten, Ankerpflanzen, Strauchgruppen, Steinhaufen, Totholzhaufen) und Ersatzzahlung in Höhe von 300,00 € für nicht ausgleichbare Beeinträchtigungen des Landschaftsbildes statt.

Diese Maßnahmen wurde im Fachbeitrag Naturschutz, § 14 BNatSchG und § 9 LNatSchG Rheinland-Pfalz mit integrierter artenschutzrechtlicher Vorprüfung als Anlage zum Bauantrag festgelegt. Die Festlegung der Maßnahmen erfolgte in Abstimmung mit dem Obsthof Nachtwey.

Wirtschaftlichkeit

Die Investitionskosten einer Agri-PV-Anlage hängen von ihrem Anwendungsfall ab. Zentrale Einflussgrößen sind hierbei: die Größe der Agri-PV-Anlage gemessen an der installierten Leistung (Skaleneffekte: Fixkosten, wie bspw. Netzanschluss verteilen sich auf eine höhere installierte Leistung damit jährlichen erzeugten Strom, wodurch die Kosten pro erzeugte kWh sinken), die Höhe der Anlage bzw. Komplexität der Unterkonstruktion (Materialkosten), verwendeten Solarmodulen (da Sondermodule momentan noch keine weit verbreitete Anwendung finden, können die Kosten dieser deutlich höher ausfallen als konventionelle PV-Module).

Das Projekt und damit die Agri-PV-Anlage wird durch zwei Fördermittelgeber finanziert: das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie und Mobilität des Landes Rheinland-Pfalz (MKUEM) und das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL). Einnahmen durch Stromerträge wurden der Förderung gegengerechnet.

An der Entwicklung der Anlage haben vorwiegend vier Projektpartner:innen mitgewirkt (Fraunhofer ISE, BayWa r.e., DLR Rheinland-Pfalz und der Bio-Obsthof Nachtwey). In zweiwöchentlichen Meetings und ergänzenden bilateralen Gesprächen wurde über ein halbes Jahr die Agri-PV-Forschungsanlage und ihre Genehmigung sowie Implementierung geplant und vorbereitet. Dies ist auch deshalb so zeit- und arbeitsintensiv gewesen, da es sich hier um die erste Agri-PV-Anlage im Apfelanbau in Deutschland handelt.

Hinsichtlich der Betriebs- und Instandhaltung fallen Kosten bspw. für Reparatur- und Wartungsarbeiten, Ersatzteile, Datenmonitoring und Fernüberwachung an. Zudem muss zwischen kaufmännischen und technischen Betriebskosten unterschieden werden. Die technischen Betriebskosten belaufen sich schätzungsweise auf 16-18 €/kWp pro Jahr. Diese Annahme muss durch die Forschung noch verifiziert werden.

Der Gesamtertrag im ersten Betriebsjahr wurde auf etwa 276 MWh berechnet. Dies gilt es in der Praxis zu validieren.

Der Ertrag variierte von Modul zu Modul und Aufständerung von 1006 bis 1199 kWh/kWp und liegt bei durchschnittlich 1068 kWh/kWp.

In vorliegenden Forschungsprojekt wurden keine Eigenleistungen erbracht. Denkbar wäre es, einen Teil der Implementierung mit Geräten, wie sie LandwirtInnen beispielsweise durch Maschinenringe zur Installation von anderen Schutzkonstruktionen (bspw. Hagelschutznetze) zur Verfügung stehen, vorzunehmen. Hierdurch könnten sich die Kosten der Installation reduzieren. Es ist jedoch fraglich, inwieweit die Maschinen und das Know-How hierfür ausreichend sind.

Diese müssen zeitnah ausgetauscht werden. Dies muss bei der Budgetplanung berücksichtigt werden, wenn die Betriebskosten über die Anlagenlaufzeit kalkuliert werden.

Die Produktgarantie beträgt 12 Jahre, die Leistungsgarantie 30 Jahre.  Die Garantien der Wechselrichter betragen 10 Jahre.

Für die betrachtete Anlage gibt es keine Einspeisevergütung nach dem EEG. Es wird der Weg über einen Stromliefervertrag gegangen. Das Power Purchase Agreement (PPA) hierfür wird gerade erarbeitet.

Forschungskonzept

Die Agri-PV-Anlage wird u.a. aus agrarwissenschaftlicher Sicht, sowie auf ihren energetischen Ertrag, Wirtschaftlichkeit, Sozialverträglichkeit, ihr Flächenpotenzial in Deutschland, naturschutzfachliche Aspekte, Praxistauglichkeit am Hof sowie das umgebene Politikfeld hin untersucht.

Darüber hinaus werden verschiedene Kulturenschutzsysteme miteinander verglichen, indem neben der Agri-PV-Anlage zusätzlich Flächen mit Hagelschutznetzen sowie Folienüberdachungen installiert wurden. Der Vergleich der unterschiedlichen Hagel- und Kulturenschutzsysteme wurde durch die BayWa AG, konkret das Hopfen- und Obsthandelszentrum in Tettnang am Bodensee ermöglicht, welches die beiden Schutzsysteme installiert hat.

Leistungsdaten und Spezifikationen der Anlage

Die Forschungsanlage setzt sich zusammen aus 8 Reihen mit fixer Aufständerung und je 106 Modulen sowie 3 Reihen mit nachgeführter Aufständerung und je 100 Modulen.

Die Anlage hat eine installierte Leistung von 258,3 kWp.

Die Solarmodule wurden eigens für dieses Projekt angefertigt. Deren Design beruht auf der Annahme, dass die Verschattung unterhalb der Module nicht wesentlich mehr als 30% betragen darf. Dieser Wert ist das Resultat einer Studie zur Verdunklung durch Hagelnetzte.

Der Vergleich beider PV-Modultypen „Kernverschattung über der Baumkrone“ und „Zebra-Design mit gleichmäßiger Lichtverteilung“ spiegelt sich hoffentlich in den Ernteerträgen wider, damit valide Aussagen über den besser geeigneten Modultyp getroffen werden können.

Fazit und Highlights der Anlage

Ja, weil die Symbiose beider Systeme sinnvoll scheint.

Diese Frage kann final erst nach Ende des Forschungsprojektes beantwortet werden. Allerdings haben die ersten Monate des Anlagenbetriebs gezeigt, dass längere Module vorteilhaft wären, da dann die Abtropfkante der Module in der Mitte der Fahrgasse liegt.

Besonders erwähnenswert ist die elektrische Wasserpumpe und die Idee eines „klima-positiven“ Apfels, der nicht nur „klima-neutral“, sondern durch die Elektrifizierung der Hofstelle einen positiven Beitrag zum Klimaschutz leistet. LandwirtInnen haben die Herausforderungen, dass sie immer höhere Anforderungen an die Nachhaltigkeit aus dem Nahrungsmitteleinzelhandel erfüllen und zugleich in die Anpassung an den Klimawandel investieren müssen. Agri-PV ermöglicht, Investitionen aus der Energiewirtschaft in die Landwirtschaft zu leiten und hilft bei der Dekarbonisierung des Nahrungsmittelversorgungssystems. Wie genau diese Auswirkungen auf die CO2-Bilanzdes Apfels ist, wird das Forschungsprojekt zu Tage bringen.

Die Fragen und Antworten wurden zusammengestellt von:

Dr. Sebastian Gölz & Franziska Larisch vom Fraunhofer ISE

Co-Autoren:

Albert Schlaak, BayWa r.e.

Alexander Rau, BayWa r.e.

Andreas Steinhüser, Fraunhofer ISE

Joachim Kleimann, KG Architektur Kleimann Grones PartG mbB

Johannes & Christian Nachtwey, Bio-Obsthof Nachtwey

Michaela Hopf, Fraunhofer ISE

Martina Zimmer, DLR Rheinland.Pfalz

Stephan Schindele, BayWa r.e.

Thies Stillahn, EWS Schönau