Möglichkeiten, Grenzen und Herausforderungen für die Agrarphotovoltaik aus Sicht der landwirtschaftlichen Verfahrenstechnik

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1 Möglichkeiten, Grenzen und Herausforderungen für die Agrarphotovoltaik aus Sicht der landwirtschaftlichen Verfahrenstechnik Andreas Gronauer, Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Institut für Landtechnik, BOKU Vortrag am : Gemeinsam gegen den Klimawandel: PV-Doppelnutzung Universität für Bodenkultur Wien Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik I Andreas Gronauer

2 EU November 2018: Universität für Bodenkultur Wien Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik I Andreas Gronauer 2

3 Was wird allgemein unter AgroPV verstanden und wo liegen mögliche Knackpunkte? Universität für Bodenkultur Wien Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik I Andreas Gronauer 3

4 Ansatz der 2-fach-Nutzung für die AgroPV Universität für Bodenkultur Wien Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik I Andreas Gronauer 4

5 Wo liegen mögliche Knackpunkte? Was ist bei AgroPV-Anlagen zu berücksichtigen? 1. Veränderungen in der Energiebereitstellung inkl. Smart Grid-Systeme (im Kleinen und Großen ). 2. Langfristige Flächennutzung ohne Einschränkung der Pflanzenproduktion. 3. Verfahrenstechnische Veränderungen im Pflanzenbau einfließen lassen und Elektrifizierung in der Agrartechnik berücksichtigen. 4. Technologische Entwicklungsansätze für zukünftige Win-Win-Strategien 5. Offene Fragen, die für nachhaltige Entwicklung zu klären sind. 5

6 1. Veränderungen in der Energiebereitstellung inkl. Smart Grid-Systeme (im Kleinen und Großen ). Aichele & Doleki

7 1. Veränderungen in der Energiebereitstellung inkl. Smart Grid-Systeme (im Kleinen und Großen ). Auswirkungen dezentraler Elemente auf die Systembetriebsführung des Netzes (Kreusel 2014) 7

8 1. Veränderungen (im Kleinen und Großen ) 8

9 1. Veränderungen (im Kleinen und Großen ) Universität für Bodenkultur Wien Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik I Andreas Gronauer 9

10 2. Langfristige Flächennutzung ohne Einschränkung der Pflanzenproduktion; Was brauchen die Pflanzen? Licht: Wann wieviel, welche Spektralbereiche, Wärme/Kälte: wann, im Kontext Strahlung, à Beschattung/Evapotranspirat Wasser: Wann, wieviel versus Bodenvorrat/Niederschläge à Bewässerung/Beregnung Nährstoffe: Makro-, Mikronährstoffe 10

11 2. Was brauchen die Pflanzen; Lichtansprüche? (Abhängigkeit des Zuwachses von der Einstrahlung) Der Biomasse-Zuwachs hängt nach Monteith (1977) ab von: Intensität der Licht-/Sonneneinstrahlung (PAR 0 ) Strahlungsabsorbtionseffizienz (RIE) Welcher Anteil des einfallenden Lichts kann von der Pflanze aufgenommen werden? Effizienz der Strahlungsumwandlung (RCE) Welcher Anteil des aufgenommenen Lichts kann in Biomasse umgewandelt werden? Die gebildete Trockenmasse (DM) (nach Monteith, 1977) %& = ()* + *-. */. 11

12 2. Was brauchen die Pflanzen; Lichtansprüche? Intensität der Licht-/Sonneneinstrahlung (PAR 0 ) SS Sonnenstrahlung vor der Atmospäre SS V Sonnenstrahlung minus Streuungsverluste in der Atmospäre SS V A Sonnenstrahlung auf Meeresniveau, mit selektiver Reduktion durch die Atmosphäre (Schopfer und Brennicke 2010) 12

13 2. Was brauchen die Pflanzen; Lichtansprüche? Adaptionsmöglichkeiten der Pflanze an erhöhte Beschattung, um die Strahlungsabsorbtionseffizienz (RIE)zu erhöhen (Marrou 2012, 2013):! = 30% (Marrou et al. 2012) (Marrou et al. 2013b) 13

14 2. Was brauchen die Pflanzen; Lichtansprüche? Extinktionsspektren verschiedener Pflanzenpigmente und Zusammenhang Lichtintensität-Photosynthese-CO 2 (RIE): (Schopfer und Brennicke 2010) und zusätzlicher Einfluss durch Temperatur und Wasserversorgung! Solare Einstrahlung Zenit klarer Himmel ME: klarer Himmel, Mitteleuropa mittags im Winter: bedeckter Himmel, mittags im Sommer: lx lx lx! = 5-10 % 14

15 2. Was brauchen die Pflanzen; Lichtansprüche? Effizienz der Strahlungsumwandlung (RCE) für verschiedene Pflanzen: RCE =! " Faktoren für verschiedene Pflanzen (Slattery&Ort 2015) 15

16 2. Was brauchen die Pflanzen; Wasser: (Marrou et al., 2013 b): Bei Salat: Im Vollschatten war die tatsächliche Evapotranspiration um 24% niedriger als in der vollen Sonne. Im Halbschatten war sie 22% niedriger als in der Sonne. Der von Salat bedeckte Anteil des Bodens war im Schatten deutlich höher (150%), als in der Sonne (Adaptionen v.a. der Blätter) Bei Gurke: keine signifikanten Unterschiede. Der bedeckte Anteil des Bodens betrug im Vollschatten 75% des bedeckten Anteils in der vollen Sonne. 16

17 2. Was brauchen die Pflanzen; Zusammenfassung der Ergebnisse von Marrou et al., 2013 a,b) Alle Parameter stark sortenabhängig. Bei Salat konnte mit einer Sorte sogar im Vollschatten ein gleicher Trockenmasse-Ertrag erzielt werden, wie in der vollen Sonne. Dabei wurde aber die Evapotranspiration auf 71% gesenkt und damit auch die Effizienz der Wassernutzung auf 135% erhöht. Bei Gurke: konnten keine analogen Ergebnisse erzielt werden. àweiterer Untersuchungsbedarf hinsichtlich (!" = $%& ' &)* &+*) Nutzpflanzenarten Sorten und Anbausysteme 17

18 3. Veränderungen von Verfahren des Pflanzenbaus strip tillage, controlled traffic,

19 3. Elektrifizierung in der Agrartechnik berücksichtigen. Elektrifizierung diverser mobile und stationärer Antriebstechnologien (z.b. Beregnungspumpen, selbstfahrende Geräte, Kleinroboter, ) Speicherung und Bereitstellung von Regelenergie durch Elektrospeicher in Maschinen und Geräten Implementierung in ICT/digitale Datenströme

20 4. Technologische Entwicklungsansätze im PV für zukünftige Win-Win- Strategien Ausgangspunkt Gewächshaus und Prüfstandversuche Verhältnis zwischen der Lichtmenge innen und außen Übersicht der Messergebnisse der mehrtägigen Messungen im Gewächshaus 20

21 4. Technologische Entwicklungsansätze im PV für zukünftige Win-Win-Strategien : Jährliche Stromproduktion in Abhängigkeit des Abstandes zwischen den Modulreihen System in Norditalien untersucht von Amaducci (2018) (Dinesh und Pearce 2015) 21

22 4. Technologische Entwicklungsansätze im PV für zukünftige Win-Win-Strategien : Semitransparente Module Noch in Entwicklung à v.a. keine Langzeitstudien über Wirkungsgrad und Haltbarkeit verfügbar Ziele: Beschattung zu reduzieren, Nur Anteil des Lichts für die Stromproduktion nutzen, welchen die Pflanzen nicht benötigen (Cossu et al. 2015) 22

23 4. Technologische Entwicklungsansätze im PV für zukünftige Win-Win-Strategien : Kombination aus semitransparenten Modulen und Lichtkonzentration (Liu et al. 2018) 23

24 4. Technologische Entwicklungsansätze im PV für zukünftige Win-Win-Strategien : Aufbau einer semitransparenten Schicht mit Reflexion zwecks Konzentration (Liu et al. 2018) 24

25 4. Technologische Entwicklungsansätze im PV für zukünftige Win-Win-Strategien : Durchlässigkeit entsprechend der Absorptionsspektren von Chlorophyll a und b (Liu et al. 2018) 25

26 5. Offene Fragen, die für nachhaltige Entwicklung zu klären sind 1. Quantifizierung des Einflusses von bifacialen, semitransparenten und teilbeschattenden PV-Installationen auf Physiologie von Nutzpflanzen und Boden und Wasserhaushalt im Rahmen einer Systemanalyse (Modellierung und Validierung)? 1. Welche Erträge können unter verschiedensten Szenarien von Beschattung erzielt werden? 2. Wie wirkt sich die Beschattung unter realen Verhältnissen auf einzelne pflanzenphysiologische Prozesse aus und wie können diese optimiert werden? 3. Wie wirkt sich die Beschattung auf den Wasserhaushalt des Boden-Pflanze-Systems aus? 4. Wie kann mit stellbaren PV-Modulen ein optimales pflanzenspezifisches Schatten-Management aussehen? 5. Wie wirkt sich die Bebauung mit PV-Modulen auf das Unkrautverhalten aus? 6. Welche Maßnahmen sind notwendig, um ein angepasstes Unkrautmanagement zu erhalten? 7. Wie wirkt sich die Bebauung (z.b. durch den Windschutz) auf die Bodenerosion aus? 26

27 5. Offene Fragen, die für nachhaltige Entwicklung zu klären sind 2. Tests/Untersuchungen im praktischen Umfeld und im Kontext von elektrifizierten Arbeitsmaschinen in der landwirtschaftlichen Verfahrenstechnik 1. Welche Maschinen können optimal in diesem System eingesetzt werden? Autonome Systeme? 2. Welche Anpassungen müssen an Arbeitsmaschinen vorgenommen werden, um sie für das AgroPV-System zu optimieren? 3. Wie ist es um die langfristige Zuverlässigkeit der Anlage bestellt? 4. Wie kann die lokal produzierte Energie optimal in den Produktionsprozess eingebunden werden? 5. Was können AgroPV-Anlagen zur Stabilität des Stromnetzes beitragen? 27

28 5. Offene Fragen, die für nachhaltige Entwicklung zu klären sind 3. Bilanzierung und Bewertung der Wertschöpfungskette mittels LCA und LCC und MCA zur Komplexbewertung und Beratung von Entscheidungsträgern 1. Ermittlung von Umweltdaten (CO 2 -Äqu., Tox., Wasser, Acidification, Biodiversität,...) und Berechnung verschiedener Szenarien. 2. Über Analyse der Wirkung auf den relevanten Gebieten und Identifikation der Prozessschritte und besten Szenarien 3. Wie verhält sich die Wirtschaftlichkeit eines AgroPV-Systems (LCC): Betriebswirtschaft, Volkswirtschaft, Kontext Klimaziele, Sensitivität der Einflussfaktoren? 4. Ableitung von Aussagen über weitere Wirkungen (z.b. soziale Aspekte, Biodiversität) über MCA für Entscheidungsfindungsprozesse 28

29 0m m Geplantes Projekt am BOKU-Standort Versuchswirtschaft Groß Enzersdorf Konstruktiv neues Design kippbarer Module für Beschattungsregelung Zusammenarbeit mit Energieversorger, Herstellern von Elektro-Traktoren bzw. Erntemaschinen, Landwirtschaft und BOKU Start in 2019 Finanzierung über ein Konsortium aus Energiewirtschaft, Landmaschinenindustrie sowie über nationale und internationale Förderprogramme Universität für Bodenkultur Wien Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik I Andreas Gronauer 29

30 Universität für Bodenkultur Wien Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik Andreas Gronauer Peter-Jordan-Straße 82, A-1190 Wien Tel.: , Fax: Andreas.Gronauer@boku.ac.at, Universität für Bodenkultur Wien Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik I Andreas Gronauer