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Agrophotovoltaik: Nachhaltige Landnutzung für Energie und Nahrung - Pilotprojekt am Bodensee

Der rasante Zubau an Photovoltaik-Kraftwerken auf Freiflächen in Deutschland im vergangenen Jahrzehnt rückt die steigende Landnutzungskonkurrenz zwischen der Produktion von erneuerbaren Energien und Nahrungsmitteln immer mehr in den Fokus. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben jetzt eine frühe Idee ihres Institutsgründers aufgegriffen und realisieren sie nun in Zusammenarbeit mit Forschenden vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Hohenheim sowie Wirtschaftspartnern: Die von Prof. Dr. Adolf Goetzberger vorgedachte Agrophotovoltaik (APV) stellt eine technische Lösung zur optimierten Nutzung der begrenzten Ressource Land dar, da sie für eine gleichzeitige Landnutzung sowohl für die Produktion von Energie als auch von Nahrung steht. Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Forschung folgt dem »Living Lab«-Prinzip, welches auf inter- und transdisziplinäre Zusammenarbeit ausgerichtet ist. Innerhalb des Projekts wird ein Innovationskonzept für die APV-Technologie erarbeitet. Die erste Modellregion wird in dem im März 2015 startenden Pilotprojekt die Region Bodensee-Oberschwaben sein.

 

Die Agrophotovoltaik als Lösungsansatz

Der Landwirtschaftssektor steht vor der Herausforderung, sowohl die Anpassung an den Klimawandel als auch den starken Ausbau der erneuerbaren Energien und den damit einhergehenden Wandel von Kulturlandschaften zu Energielandschaften zu bewerkstelligen. Neben dem Interessenkonflikt zwischen Nahrungsmittel- und Energiesicherheit bringt dieser auch Akzeptanzprobleme gegenüber dem Bau und Betrieb von Anlagen und Infrastruktur zur Gewinnung erneuerbarer Energien mit sich. Die Landnutzungskonkurrenz nimmt dabei durch die Wettbewerbsvorteile von Freiflächenanlagen zu. Sie sind auf weiterhin sinkende Photovoltaik (PV)-Systemkosten und damit Stromgestehungskosten von deutlich unter 10 ct/kWh zurückzuführen. Hier könnte die Agrophotovoltaik ein Lösungsansatz sein: ein Anbausystem zur Produktion von landwirtschaftlichen Gütern unterhalb von PV-Freiflächenanlagen, das die Erträge aus Photovoltaik und Photosynthese, also die gleichzeitige Ernte von Solarstrom und Lebensmitteln, optimiert. »Dieser Ansatz, Sonnenenergie auf der gleichen Fläche für Nutzpflanzen und für Solarstromproduktion zu verwenden, könnte sich zu einem weltweit interessanten Beispiel entwickeln«, meint Prof. Eicke R. Weber, Institutsleiter des Fraunhofer ISE.

 

Modellregion Bodensee-Oberschwaben

Mit einem inter- und transdisziplinären Forschungsansatz startet im März 2015 in der Modellregion Bodensee-Oberschwaben ein Pilotvorhaben, in dessen Rahmen im kommenden Jahr eine erste 190 kWp leistungsstarke APV-Anlage auf Ackerflächen der Demeter-Hofgemeinschaft Heggelbach installiert wird. Agrarwissenschaftliche, sozialpolitische, ökonomische und ökologische Analysen begleiten das Projekt ebenso wie die Frage und Möglichkeiten der Einbindung der Bedürfnisse und nicht zuletzt der kreativen Potenziale lokaler Stakeholder in die Technologieentwicklung. Ein Schwerpunkt ist dabei der Feld- und Gemüsebau. Im Bodenseekreis betrug der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch 2013 ca. 12 %, während er im Bundesdurchschnitt bei 25,5 % lag. Ein Grund hierfür sind unter anderem die Probleme, die bei anderen Formen erneuerbarer Energiegewinnung entstehen: Beispielsweise sind Windkraftanlagen sehr umstritten, da sie den Alpenpanoramablick stören könnten, und das Biogaspotenzial ist aufgrund der Obst- und Hopfenanbaugebiete gering. Die Agrophotovoltaik könnte hier eine zukunftsträchtige und nachhaltige Lösung darstellen, mit hoher Übertragbarkeit auf andere Regionen. Das technisch erschließbare APV-Potenzial in Deutschland wird auf 25 bis 50 GWp geschätzt. Zum Verhältnis: Ende 2014 waren in Deutschland ca. 39 GWp Photovoltaik Nennleistung installiert, davon ca. 9 GWp auf Acker- und Konversionsflächen. Erste Studien des Fraunhofer ISE legen nahe, dass bestimmte Feldfrüchte, wie z.B. Kartoffeln oder Salat, mit verringerter Sonneneinstrahlung sogar besser wachsen. Grundsätzlich sind zeitlich gemittelt gleichmäßige Einstrahlungsverhältnisse unter PV-Anlagen möglich. Da entsprechende Projekte vornehmlich durch Landwirte, Gemeinden und kleine und mittlere Unternehmen ins Leben gerufen würden, könnte die APV damit das lokale Unternehmertum unterstützen und so die Wertschöpfung in der Region sowie die ländliche Entwicklung fördern.

 

Projektpartner

Die Partner dieses Projekts sind neben dem Fraunhofer ISE, das die Projektleitung übernimmt und für den technischen Teil zuständig ist: die Universität Hohenheim, für die agrarwissenschaftliche und ökologische Analyse; das Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), für die Konzeption und Realisierung des »Living Lab«-Ansatzes, der lokale Bevölkerung und Stakeholder in die Technologieentwicklung einbezieht; der Energieversorger EWS-Schönau für die Stromabnahme, BayWa r.e., für die APV-Anlagenprojektierung und Betriebsführung sowie die Demeter Hofgemeinschaft Heggelbach, auf deren Ackerflächen die Praxistauglichkeit erforscht werden soll. Der Regionalverband Bodensee-Oberschwaben, mit Sitz in Ravensburg, unterstützt das Projektvorhaben auf regionaler und kommunaler Ebene. Dem Projektbeirat gehören u.a. der Bundesverband Solarwirtschaft, der Landesbauernverband in Baden-Württemberg und der Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND), Landesverband Baden-Württemberg an. »Nachhaltiges Landmanagement« ist seit 2010 Querschnittsthema einer Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF. Es steht im Kontext der Ziele der Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung, insbesondere der dort genannten Bedarfsfelder Klima/Energie und Gesundheit/Ernährung. Ziel der Forschung zum nachhaltigen Landmanagement ist die Entwicklung neuer, nachhaltiger und praktikabler Lösungen für Regionen, die vor dem Hintergrund klimatischer und wirtschaftlich-struktureller Veränderungen vor besonderen Herausforderungen stehen. Weiterführende Ideen für APV-Anwendungen sind der Obst-, Wein- und Hopfenanbau, aber auch Landbau in besonders niederschlagsarmen Gebieten. So möchte das Fraunhofer ISE in Ägypten Dieselgeneratoren durch APV-Anwendungen ersetzen und dabei durch den gleichzeitigen Aufbau von Wasseraufbereitungs- und Wasserverteilungssystemen Aspekte der Nahrungsmittel-, Energie- und Wasserversorgungssicherheit berücksichtigen.

 

Speicher- und Wärmetransformationstechnologien wichtige Pfeiler der Energiewende - Fraunhofer ISE erweitert Forschungs- und Entwicklungsangebot mit neuem Standort

Schon seit seiner Gründung vor mehr als 30 Jahren ist das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE sehr breit und komplementär und damit optimal für die zentralen Fragen der Energiewende aufgestellt. Systemische Aspekte und die Frage der Energiespeicherung zählten in Ergänzung zu solaren Technologien von Anfang an dazu. Zwei der Themen, die heute bei der Transformation unseres Energiesystems besonders im Fokus stehen sind Energiespeichertechnologien sowie effiziente Verfahren für die Wärme- und Kältebereitstellung. In diesen Bereichen hat das Fraunhofer ISE jetzt seine Aktivitäten an einem neuen Standort in der Auerstraße in Freiburg gebündelt und seine Ausstattung deutlich ausgeweitet. Am 2. Juli 2015 wurde das neue Zentrum für Speicher- und Wärmetransformationstechnologien in Anwesenheit von Vertretern mehrerer Bundesministerien sowie Repräsentanten aus der Industrie und Branchenverbänden offiziell eingeweiht. „Mit diesen deutlich erweiterten Möglichkeiten in der Speicherforschung sowie der Wärme- und Kältebereitstellung tragen wir gleich mehreren zentralen Fragestellungen Rechnung, die von entscheidender Bedeutung sind auf dem Weg hin zu einem Energieversorgungssystem auf Basis erneuerbarer Energien“, so Institutsleiter Prof. Eicke R. Weber. Neue Labor- und Technikumsfläche gibt es für die Themen Batteriesysteme für Photovoltaik und Mobilität, Redox-Flow-Batterien, Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, Hochtemperaturspeicher für die Solarthermie sowie Wärmepumpen und Kältemaschinen für den Antrieb mit Strom, Gas oder Wärme.

 

Batteriesysteme

 

Aufgrund ihres modularen Aufbaus und hohen energetischen Wirkungsgrads nehmen Batteriesysteme eine Schlüsselrolle bei der Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energiequellen wie Photovoltaik oder Windkraft ein und können erheblich zur Systemstabilität beitragen. Mit der fortschreitenden Entwicklung neuer Technologien steigen Energie- und Leistungsdichte der Batterien und somit erschließen sich immer neue Einsatzzwecke wie beispielsweise im Bereich der Elektromobilität. Je nach Anwendung und Einsatzprofil sind die Anforderungen an Batteriesysteme jedoch enorm. Oberste Ziele der Aktivitäten am Fraunhofer ISE sind deshalb die Optimierung von Schlüsselkomponenten und des Gesamtsystems sowie die Erhöhung der Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Kosten des Speichersystems. Die FuE-Themen umfassen dabei die zentralen Aufgaben der Batteriesystemtechnik wie beispielsweise das Batteriemanagement sowie das thermische Management und die Untersuchung von Alterungsprozessen von Batterien in unterschiedlichsten Anwendungen und für verschiedene Zellchemie, sowohl im Labor als auch mit modernsten Simulationswerkzeugen.

 

Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse

 

Wasserstoff kann über Elektrolyse mittels Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt werden. Dies wird besonders interessant wenn bei wachsendem Anteil von Sonne und Wind im Stromsystem große Mengen von Überschussstrom zur Verfügung stehen werden. Wasserstoff besitzt als einziger Energieträger das Potenzial, sehr große Energiemengen auch über lange Zeiträume in chemischer Form zu speichern. Neben der Rückverstromung in stationären Brennstoffzellensystemen oder in Gasmotoren bildet Wasserstoff auch als Kraftstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen das Bindeglied zur emissionsfreien Mobilität. Wasserelektrolyseure sind künftig als (de)zentrale, regelbare Lasten im Stromnetz für die Stadtwerke oder Netzbetreiber eine wertvolle Regelgröße, um die Stromerzeugung zeitnah an den Verbrauch anzupassen und damit die Netzfrequenz zu stabilisieren. Das Fraunhofer ISE konzentriert seine Aktivitäten auf die elektrochemische Wasserstofferzeugung durch die Membranelektrolyse als zentrales Kernelement für stoffliche Speicher in Kopplung mit erneuerbaren Energien. Wesentliche Alleinstellungsmerkmale des Fraunhofer ISE sind 25 Jahre Forschung und Entwicklung zur PEM-Elektrolyse sowie die Größe der am Standort Auerstraße aufgestellten Testanlage zur Prüfung von Zellstapeln für PEM-Elektrolyseure bis 4.000 Ampere in energiewirtschaftlich relevanter Größe. Der Aufbau einer Einspeiseanlage zur Zumischung von Wasserstoff ins lokale Gasnetz unterstreicht die Anwendungsnähe der Fraunhofer-Forschung.

 

Solarthermische Hochtemperaturspeicher

 

Das Fraunhofer ISE betreibt Forschung und Entwicklung für solarthermische Speicher sowohl im Niedrig- als auch im Hochtemperaturbereich. Am Standort Auerstraße stehen die Hochtemperaturspeicher für solarthermische Kraftwerke im Mittelpunkt. In solarthermischen Kraftwerken wird die Solarstrahlung mittels großer Spiegelfelder auf Absorber fokussiert. Zum Abführen der entstehenden Wärme werden die Absorber mit einem Wärmeträgermedium, z.B. Thermoöl, Wasser/Dampf, Salzschmelze oder Luft, durchströmt. Mit der Wärme kann dann eine Gas- oder Dampfturbine betrieben und Strom erzeugt werden. Die Integration von Hochtemperaturspeichern in solarthermischen Kraftwerken ermöglicht eine zeitlich bedarfsorientierte Stromerzeugung, auch nachts oder in Stunden mit Bewölkung. Das Fraunhofer ISE entwickelt, vermisst, bewertet und optimiert Speicherkonzepte, die für sehr hohe Temperaturen ausgelegt sind. Am neuen Standort besteht zum ersten Mal die Möglichkeit, mit Temperaturen bis zu 550°C zu testen und in sogenannten Schneckenwärmeübertragern mit Dampf unter hohen Drücken zu arbeiten. Ein weiteres Anwendungsfeld sind industrielle Prozessdampfanlagen, die ebenfalls Speicher für Temperaturen ab 180°C benötigen.

 

Wärmepumpen

 

Die Bereitstellung von Wärme und Kälte im Gebäudebereich nimmt einen zunehmend wichtigeren Stellenwert in der Energiewende ein. Heute gehen etwa 40% des gesamten deutschen Endenergieverbrauchs in diesen Bereich, dies bedeutet, dass mit effizienteren und nachhaltigen Verfahren hier ein enormes Potenzial an Energieeinsparung gehoben werden kann. Die Wärmepumpentechnologie ist in der Lage, diesen Anforderungen gerecht zu werden. Der größte Vorteil der Wärmepumpen ist die Tatsache, dass die Bereitstellung von Wärme (und Kälte) zum großen Teil auf Umweltenergie basiert. Die restliche Energie wird beispielsweise in Form von elektrischer Energie zugeführt – und diese elektrische Energie kommt im sich wandelnden Energiesystem zunehmend aus erneuerbaren Quellen. Deshalb sind elektrische Wärmepumpen äußerst kompatibel zur Stromerzeugung mit Sonne und Wind. Aber auch Gas-Wärmepumpen als Nachfolgetechnologie heutiger Heizkessel spielen eine eminent wichtige Rolle, da sie den eingesetzten Brennstoff unter zusätzlicher Nutzung von Umweltwärme viel effizienter wandeln. Am Standort Auerstraße hat das Fraunhofer ISE die Laborfläche für seine Wärmepumpenaktivitäten verzehnfacht und damit ein komplett neues Prüf- und Entwicklungszentrum für Wärmepumpen und Kältemaschinen installiert. So kann das Institut, das seit 20 Jahren Entwicklung von Wärmepumpen und Kältemaschinen betreibt, die Industrie bei der Entwicklung neuer Geräte besonders schnell und umfassend unterstützen, von der Komponentenentwicklung bis zur Systembewertung. Ein besonderes Alleinstellungsmerkmal am neuen Standort ist, dass alle Messeinrichtungen die strengen Sicherheitsauflagen für das Arbeiten mit brennbaren Kältemitteln wie Propan erfüllen, um so die Entwicklung neuartiger Kältemittel mit geringem Treibhausgaspotenzial voranzutreiben. Darüber hinaus liefert die Vernetzung mit der hauseigenen Forschung zum Beispiel bei Sorptions- oder Speichermaterialien oder für das Smart Grid immer wieder innovative Ansätze und Produktideen.

 

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