Farbige Solarmodule lassen Landwirte gleichzeitig Ernten und Strom gewinnen
Landwirte, die erneuerbare Energie auf ihren Flächen nutzen möchten, standen lange vor einem unangenehmen Kompromiss: Die undurchsichtigen Module, die den meisten Strom produzieren, werfen auch den tiefsten Schatten. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass maßgeschneiderte, halbtransparente Solarmodule in leuchtendem Magenta diesen Unterschied ausgleichen können, indem sie Strom erzeugen und gleichzeitig die nützlichsten Teile des Lichtspektrums auf die darunter wachsenden Pflanzen lenken.
Die Studie, deren Veröffentlichung am 2. Oktober in Cell Reports Physical Science geplant ist, befasst sich mit Brokkoli, der unter den Modulen auf einer Versuchsfläche des Hofs Kärrbo Prästgård in Schweden angebaut wurde. Den Ergebnissen zufolge nutzte der Brokkoli das Sonnenlicht effizienter als im Freiland angebaute Pflanzen, und die geernteten Köpfe erreichten schließlich dieselbe Größe wie konventionell angebauter Brokkoli – allerdings benötigten sie 25 zusätzliche Tage bis zur Reife.
Die Arbeit weist auf ein potenzielles Werkzeug für Landwirte hin, die erneuerbaren Strom erzeugen möchten, ohne die Produktivität der Fläche unter ihren Anlagen aufzugeben.
Wie die Magenta-Module funktionieren
Das zugrunde liegende Konzept ist laut Silvia Ma Lu von der Universität Mälardalen in Västerås, Schweden, einer Autorin des Artikels, unkompliziert. Die Module fangen einen Teil des einfallenden Sonnenlichts ab und wandeln es in erneuerbaren Strom um, während der Rest zu den darunter wachsenden Pflanzen durchgelassen wird. Das weiterreichende Ziel, erklärt sie, sei herauszufinden, ob Sonnenlicht effizienter genutzt werden kann, indem das Solarspektrum zwischen zwei Aufgaben zugleich aufgeteilt wird: Pflanzen zu versorgen und das Netz zu speisen.
Magenta ist keine willkürliche ästhetische Entscheidung. Statt Licht unterschiedslos zu blockieren, wie es ein undurchsichtiges Modul tut, filtert das halbtransparente Design das Solarspektrum so, dass blaue und rote Wellenlängen – die Bänder, auf die Pflanzen am stärksten angewiesen sind – für das Blätterdach der Kultur betont werden.
- Teilweise Transmission: Ein Teil des einfallenden Sonnenlichts dringt durch das Modul zu den Pflanzen.
- Stromerzeugung: Das vom Modul eingefangene Licht wird in erneuerbaren Strom umgewandelt.
- Spektrale Abstimmung: Blaue und rote Wellenlängen werden verstärkt, um die Entwicklung der Kultur zu unterstützen.
- Physischer Schutz: Über einem Feld angebrachte Module können Pflanzen auch vor übermäßiger Sonneneinstrahlung und vor Extremwetter wie Hagel oder starkem Regen schützen.
Was der Brokkoli-Versuch zeigte
Die Forschenden konzentrierten sich auf Brokkoli als Testkultur und bauten ihn unter den farbigen, halbtransparenten Modulen auf der schwedischen Versuchsfläche an. Das Hauptergebnis war eine 4,5-fache Steigerung der Effizienz, mit der die Pflanzen das ihnen verfügbare Sonnenlicht nutzten, verglichen mit im Freiland angebautem Brokkoli. Praktisch zeigte sich dieser Effizienzgewinn bei der Ernte: Der unter den Magenta-Modulen produzierte Brokkoli wuchs ebenso groß wie traditioneller Freiland-Brokkoli.
Es gab jedoch einen Haken. Die geschützten Pflanzen benötigten 25 Tage länger bis zur Reife als ihre Gegenstücke in der prallen Sonne. Diese Verzögerung ist für Anbauer mit engen Pflanzplänen, aufeinanderfolgenden Ernten oder Verträgen, die das Einhalten bestimmter Marktfenster erfordern, von Bedeutung. Sie deutet auch darauf hin, dass die Lichtumgebung unter den Modulen zwar spektral günstig, aber nicht in jeder Hinsicht ein perfekter Ersatz für uneingeschränktes Sonnenlicht ist.
Trotzdem ist die Kombination aus einer Ernte in voller Größe und Stromerzeugung vor Ort das Ergebnis, das den Ansatz verfolgenswert macht. Statt von einem Feld zu verlangen, sich zwischen Nahrung und Energie zu entscheiden, verlangt das System ihm beides ab.
Warum Agrivoltaik Interesse weckt
Herkömmliche Solarmodule auf landwirtschaftlichen Flächen bieten Landwirten bereits eine Möglichkeit, erneuerbaren Strom auf verfügbarem und großzügigem Land zu erzeugen und gleichzeitig Kulturen vor zu viel direkter Sonne und vor schädlichem Wetter zu schützen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass Standard-Photovoltaikmodule in Dunkelblau in der Regel undurchsichtig sind. Über einem Feld angebracht, können sie mehr Schatten erzeugen, als viele Kulturen vertragen, und so die Erträge drücken.
Genau dieses Problem sollen halbtransparente und farbige Module abmildern. Indem sie einen kontrollierten Anteil des Lichts durchlassen und gestalten, welche Wellenlängen durchkommen, zielen sie darauf ab, die Stromerzeugung bedeutsam zu halten und gleichzeitig genügend nutzbares Licht für die Pflanzen darunter zu lassen. Der schwedische Brokkoli-Versuch ist ein Datenpunkt in diesem Bemühen und prüft, ob ein Magenta-Filter so abgestimmt werden kann, dass er einer bestimmten Kultur dient, statt einfach das Licht pauschal zu reduzieren.
Kein einziges Design passt auf jeden Betrieb
Ma Lu ist sorgfältig darin, das Ergebnis nicht als universelles Rezept zu überzeichnen. Ihrer Ansicht nach gibt es keine einzige agrivoltaische Konfiguration, die an jedem Standort optimal abschneidet. Was für Brokkoli auf einem schwedischen Betrieb funktioniert, lässt sich möglicherweise nicht direkt auf eine andere Kultur, eine andere Breitengradlage oder ein anderes Klima übertragen.
Sie argumentiert, dass mehr Forschung nötig ist, um zu verstehen, wie verschiedene Kulturen auf unterschiedliche Systemaufbauten und variierende klimatische Bedingungen reagieren, und um Anlagen zu entwerfen, die landwirtschaftliche Produktion und erneuerbare Stromerzeugung wirklich ausbalancieren. Das Ziel ist nicht, einen Sieger unter Modulfarben oder Transparenzgraden zu küren, sondern eine Evidenzbasis aufzubauen, die es Anbauern ermöglicht, ein System auf ihr Land, ihre Kultur und ihre Energieziele abzustimmen.
Was noch geklärt werden muss
Mehrere offene Fragen bleiben, bevor farbige Module über bewirtschafteten landwirtschaftlichen Flächen zum Routinebild werden. Die 25-tägige Reifelücke bei Brokkoli wirft die Frage auf, wie andere Kulturen – insbesondere solche mit kürzeren Vegetationsperioden oder strengeren Ernteterminen – auf dasselbe gefilterte Licht reagieren würden. Auch die Wirtschaftlichkeit der Installation halbtransparenter Module, die typischerweise weniger Strom pro Flächeneinheit erzeugen als vollständig undurchsichtige Alternativen, muss gegen den Wert der darunter geschützten Kultur abgewogen werden.
Die Forschenden möchten außerdem wissen, wie sich die Systeme über mehrere Saisons und über das Spektrum der Wetterbedingungen verhalten, die echte Betriebe erleben – vom Hagel und Starkregen, die die Module ablenken können, bis zu den trüberen Phasen, in denen Licht ohnehin knapp ist. Jede dieser Variablen kann das Gleichgewicht zwischen der Strommenge, die ein Feld erzeugt, und der Nahrungsmenge, die es liefert, verschieben.
Wichtigste Erkenntnisse
- Maßgeschneiderte halbtransparente Magenta-Solarmodule erzeugten Strom und verstärkten gleichzeitig blaue und rote Wellenlängen für den Brokkoli, der darunter auf einer schwedischen Versuchsfläche wuchs.
- Der geschützte Brokkoli zeigte eine 4,5-fache Steigerung der Effizienz der Sonnenlichtnutzung und wuchs ebenso groß wie im Freiland angebauter Brokkoli.
- Der Kompromiss: Pflanzen unter den Modulen benötigten 25 Tage länger bis zur Reife.
- Farbige, halbtransparente Module werden als Möglichkeit erforscht, die übermäßige Beschattung durch undurchsichtige dunkelblaue Module auf landwirtschaftlichen Flächen zu vermeiden.
- Die Autorinnen und Autoren der Studie sagen, dass kein einziges agrivoltaisches Design für jede Kultur, Konfiguration oder jedes Klima geeignet sein wird und dass weitere Forschung erforderlich ist, um Nahrungsmittelproduktion und erneuerbare Stromerzeugung auszubalancieren.
Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Originalartikel lesen.
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