Agri-PV-Systeme in der Schweiz

Agri-PV-Anlagen sind PV-Systeme, die eine Doppelnutzung einer Landfläche ermöglichen: für die Landwirtschaft sowie als PV-Standort zur nachhaltigen Energie­erzeugung. Die Technologie wurde erstmals in den 1980er-Jahren in Japan und Deutschland getestet und seitdem in verschiedenen Ländern weiter­entwickelt.

In der Schweiz, einem Land mit begrenzter land­wirt­schaft­licher Nutzfläche und hohen Umweltauflagen, bietet Agri-PV eine Chance. Landwirte können damit ihre Einnahme­quellen diversi­fizieren und ihre Kulturen und Böden im Hinblick auf den Klimawandel besser schützen. Bisher bestehen in der Schweiz jedoch teilweise Bedenken und Hindernisse hinsichtlich der raum­plane­rischen Handhabung, der Bewilligungen, dem Verlust land­wirt­schaft­licher Flächen und der visuellen Beeinträch­tigung der Landschaft. Diverse Bestre­bungen sind im Gange, um diese Art der PV-Produktion an geeigneten Standorten zu ermöglichen.

Potenziale für Agri-PV in der Schweiz

Eine Potenzialanalyse der ZHAW zeigt ein theoretisches Gesamt­potenzial für die Schweiz von 323 TWh pro Jahr [1]. Berücksichtigt man jedoch nur Flächen innerhalb eines 300-m-Puffers um Einspeise­punkte, reduziert sich das Potenzial auf 113 TWh pro Jahr, verteilt über 2040 km². Dieses Potenzial entspricht dem doppelten Stromverbrauch der Schweiz im Jahr 2023 und konzentriert sich haupt­sächlich auf offene Ackerflächen (81%), Dauergrünland (16%) und Dauerkulturen (3%), insbesondere im Mittelland. Bei den Dauerkulturen haben Rebflächen den grössten Anteil, gefolgt von Obstplantagen.

Je nach gewählter Kultur könnten auf 1 bis 2% der Schweizer Land­wirt­schafs­fläche (ohne Sömmerungs­flächen), d. h. auf der zweieinhalb- bis fünffachen Fläche aller Schweizer Golfplätze, jährlich 7 bis 8 TWh Strom erzeugt werden, also rund 10% des für 2050 erwarteten Strombedarfs.

Systemarten

Bei der Überdachung von Kulturen überdecken die PV-Module die Kulturen ganz oder teilweise. Dies schränkt die Bewirt­schaftung kaum ein und schützt die Kulturen. Für die Bewirt­schaftung mit Maschinen sind lichte Höhen von mindestens 3 bis 4 m nötig. Dies bedingt einen erhöhten Aufwand für die Unter­konstruktion, speziell auch durch die im inter­nationalen Vergleich hohen statischen Anforde­rungen der Schweizer Normen (SIA 261) für Windlasten. Es gibt eine Reihe von Systemen mit unterschiedlichen Anordnungen, Licht- und Regen­durch­lässigkeit der PV-Fläche (Bild 1). Nebst der auf die darunter angebauten Pflanzen abzustimmende Licht­durch­lässigkeit sind auch Zusatzelemente für die Dach­wasser­führung oder die benötigte Bewässerung unter den geschützten Bereichen vorzusehen.

Einen Sonderfall stellen geschlossene Gewächshäuser (Bild 2) dar. Vor allem bei Kulturen, die bisher bereits auf diese Weise gegen Umwelteinflüsse geschützt wurden und bei denen ein Neubau geplant ist, entstehen grosse Synergieeffekte.

Die einachsigen Tracker­systeme sind in Reihen angeordnet (Bild 3). Sie folgen dem Lauf der Sonne um die horizontale Achse und maximieren so die Energie­ausbeute. Bei starkem Wind oder für die Bewirt­schaftung des Bodens können die Modul­flächen horizontal oder vertikal ausgerichtet werden. Über den Neigungs­winkel kann die Beschat­tung der angren­zenden Flächen variiert werden, allerdings auf Kosten des Energieertrags.

Vertikale Systeme bestehen aus Reihen mit vertikal aufgestellten, beidseitig produzierenden PV-Modulen, sogenannten Bifazial­modulen (Einstiegsbild). Die Firma Next2sun hat das System erfunden, in den letzten Jahren zur Marktreife gebracht und zusammen mit Forschungs­instituten wie der Universität für Bodenkultur in Wien damit wesentliche Erkenntnisse gesammelt. Dabei geht nur ein sehr schmaler Streifen Land für die land­wirt­schaftliche Produktion verloren. Das System ist flexibel im Hinblick auf Bearbei­tungs­höhe, -breite und -richtung. Die Strom­produktion variiert je nach Reihen­abstand (5 bis 12 m) und Boden­reflexion. Der spezifische Ertrag kann bis zu 10% höher sein als bei fest installierten Freiflächenanlagen.

Klassische schräg aufgeständerte Frei­flächen­systeme haben feste metallische Unter­konstruk­tionen, die in einem bestimmten Winkel zur optimalen Sonnen­ein­strahlung aufgestellt werden (Bild 4). Es gibt nach Süden ausgerichtete, meist steiler aufgerichtete PV-Flächen und Ost-Westsysteme mit flacherem Anstellwinkel. Solche Systeme gelten nicht als Agri-PV-Systeme, da sie die land­wirt­schaftliche Nutzung stark einschränken und es eher ein Neben­einander als ein Miteinander der Nutzungen ist.

Raumplanung und Bewilligung

Die Raumplanung und die Bewilligung von Agri-PV-Anlagen in der Schweiz unterliegen strengen Vorschriften, insbesondere ausserhalb der Bauzonen. Die Anfor­derungen umfassen den Nachweis der Standort­gebun­denheit und der Vorteile für die land­wirt­schaftliche Produktion oder Forschung. Dies hat dazu geführt, dass bisher nur Pilot­anlagen mit hohem Projektierungs­aufwand realisiert werden konnten.

Konflikte können mit Frucht­folge­flächen, Natur­schutz­gebieten und Ausgleichs­flächen entstehen. Grössere Anlagen stellen ausserdem einen Eingriff in das Land­schaftsbild dar. Um eine Bewilligung zu erhalten, müssen diese Aspekte sorgfältig abgewogen werden. Der Mantel­erlass, der vom Volk am 9. Juni 2024 mit grossem Mehr angenommen wurde, schafft neue gesetzliche Grundlagen, die die Bewilligung von Agri-PV-Anlagen erleichtern sollen.

Anwendungsgebiete

Welches Agri-PV-System sich für welche Bewirt­schaftung und Topografie eignet, hängt von mehreren Faktoren ab:

• Offene Ackerflächen: Einachsige Trackersysteme und vertikale Systeme sind hier besonders geeignet, da sie hohe Erträge liefern, günstiger sind und die Bewirtschaftung nur minimal beeinträchtigen.
• Dauergrünland: Vertikale Systeme sind ideal, da sie den Flächenverbrauch minimieren, an das oft nicht ebene Gelände anpassbar sind, die Weidenutzung nicht behindern und kostengünstiger als Überdachungssysteme sind.
• Dauerkulturen: Überdachungssysteme bieten den besten Schutz und optimieren die landwirtschaftlichen Erträge diverser Kulturen.

Die folgende Tabelle geht detaillierter auf die spezifischen Eigenschaften der Agri-PV-Systeme ein.

Gestehungskosten

Viele Faktoren beeinflussen die Gestehungskosten von Agri-PV-Anlagen. Bei den Investitions­kosten sind die Kosten für Unter­kon­struktion und Netzanschluss entscheidend. Erstere sind standort­abhängig, wobei vertikale Konstruk­tionen am günstigsten sind, aber immer noch teurer als Dachanlagen oder klassische Frei­land­anlagen. Die Kosten für den Netzanschluss hängen vom Standort und vom System ab. Diverse Parameter unterliegen wirtschaftlichen Einflüssen (Modulpreise, Stahlpreise, Zinsniveau, künftig verschärfte Hagel­anforde­rungen) und müssen daher regelmässig überprüft werden.

Eine Berechnung der Gestehungs­kosten für eine 1-MW-Referenz­anlage am Standort Kloten durch die ZHAW [3] kommt zu folgenden Resultaten: Mit 6 Rp./kWh sind die Gestehungs­kosten bei Vertikal­anlagen auf Grünland am tiefsten. Systeme über Ackerflächen kommen auf 7.8 Rp./kWh und Überdachungen von Dauerkulturen auf 8.4 Rp./kWh.

Für den Strommarkt der Zukunft und die wirt­schaft­liche Situation der Projekte gewinnt die Wertigkeit des Stroms und die Netz­verträg­lichkeit des Strom­erzeugungs­profils an Bedeutung. Die Produktion im Winter oder in den Morgen- und Abendstunden ist für die Vermarktung wertvoller. In einer Studie für Deutschland von Enervis erzielten die Anlagen­konstel­lationen vertikal aufgeständert mit West-Ost-Ausrichtung sowie steil aufgeständerte (70°) Anlagen mit Süd­ausrichtung die besten Markt­wertvorteile und Mehrerlöse [4]. Dies dürfte sich mit der zugrunde gelegten Strom­preis­entwicklung und dem Ausbau der PV-Leistung in den kommenden Jahren noch akzentuieren.

Fazit und Ausblick

Agri-Photovoltaik bietet ein enormes Potenzial für eine nachhaltige Energie­produktion in der Schweiz, mit minimaler Beeinträchtigung der land­wirt­schaft­lichen Nutzung. Je nach Bewirtschaftung und Topografie eignen sich unterschiedliche Agri-PV-Systeme. Besondere Vorteile bieten vertikale Systeme mit hoher Flächeneffizienz, guter Anpassbarkeit an die Topografie und geringerer visueller Beeinträchtigung.

Verschiedene Länder haben das Potenzial erkannt und ermöglichen die Agri-PV. Die gesetzlichen Rahmen­bedingungen in der Schweiz verhinderten diese Doppelnutzung bisher jedoch praktisch komplett. Im Rahmen des Mantelerlasses und weiterer politischer Vorlagen sind Bestrebungen im Gang, die Möglichkeiten zur Genehmigung solcher Anlagen zu erleichtern. Landwirte könnten so zu wichtigen Akteuren der Energiewende werden und ihre Einkommens­quellen diversifizieren. Gleichzeitig bietet sich die Chance, die Auswirkungen des Klimawandels auf land­wirt­schaftliche Kulturen zu mindern.

Agri-PV reduziert die Boden­austrocknung, spart Wasser, bietet Schutz vor Wind und bei überdachten Systemen vor Hagel und Starkregen. Für den Strommarkt mit zunehmend tieferen Preisen im Sommer und zur Mittagsspitze sind insbesondere steil aufgestän­derte Systeme attraktiv, die international in grossen Projekten umgesetzt und mit Forschungs­begleitung durch diverse Universitäten erprobt wurden. Sie weisen ein interes­santes Erzeugungs­profil, einen höheren Marktwert und eine bessere Netz­verträg­lichkeit als andere Systeme auf.

Referenzen

[1] Dionis Anderegg, Mareike Jäger, Sven Strebel, Jürg Rohrer, Potenzialabschätzungen für Agri-PV in der Schweizer Landwirtschaft, ZHAW, 2024.

[2] Agri-Photovoltaik: Chance für Landwirtschaft und Energiewende. Ein Leitfaden für Deutschland, Fraunhofer ISE, Februar 2024.

[3] Mareike Jäger, Christina Vaccaro, Jürg Boos, Johann Junghardt, Sven Strebel, Dionis Anderegg, Jürg Rohrer, Beatrix Schibli, Machbarkeitsstudie Agri-Photovoltaik in der Schweizer Landwirtschaft, ZHAW, 2022.

[4] Studie – Analyse innovativer Anlagendesigns für ein strommarktoptimiertes PV-Portfolio, Enervis Energy Advisors GmbH, 2022.