Der Ausbau der Photovoltaik auf landwirtschaftlichen Flächen wächst rasant. Landwirte sind dabei meist als Verpächter von Flächen gefragt. Aber kann es sich lohnen, selbst in die Produktion einzusteigen? Und wenn ja, mit welcher Technik? Antworten auf diese Fragen soll die Masterarbeit von Philipp Hißmann liefern, die der Absolvent Ende August an der Hochschule Ruhr West abgeschlossen hat. In der Masterarbeit hat Philipp Hißmann verschiedene PV-Systeme, darunter Zaun-PV, Schutzdach-PV (Agri-PV) und Schrägdach-PV (PV-FFA), auf einer vier Hektar großen fiktiven Testfläche simuliert.
Die Technik
In der Untersuchung hat Philipp Hißmann zur Auslegung der vier Hektar großen Fläche folgende Anlagenkonfiguration betrachtet:
Zaun-PV: Der Photovoltaikzaun besteht aus bifazialen PV-Modulen, die zwischen Zaunpfosten senkrecht montiert sind. Für die Untersuchung wurde eine 200 Meter lange Zaunreihe mit jeweils zwei übereinander angeordneten vertikalen Modulen betrachtet. Der Zaunreihenabstand beträgt auf Grundlage des rechtlichen Rahmens zehn Meter.
Schutzdach-PV: Die Schutzdach-PV-Anlage besteht aus bifazialen PV-Modulen, die in einer Höhe von fünf Metern über dem Boden und in einem Abstand zur nächsten 200 Meter langen Modulreihe von fünf Metern angeordnet sind. Die entsprechenden Module werden in Form eines V-Daches mit einem Neigungswinkel von 15° montiert, um den Lichtbedarf der Pflanzen zu berücksichtigen, Regenwasser auffangen zu können und gleichzeitig eine effiziente Flächennutzung zu gewährleisten.
Freiflächenanlage: Die Freiflächenanlage besteht aus bifazialen PV-Modulen, die mit einem Neigungswinkel von 10° aufgeständert sind. Für die Untersuchung wurde eine 200 Meter lange Freiflächenreihe mit jeweils zwei horizontalen Modulen in Ost, sowie Westrichtung betrachtet. Der Modulreihenabstand beträgt 1,2 Meter.
Die technische Auslegung der PV-Anlagen wurde auf Basis theoretischer Grundlagen und der Analyse der Optimierung der Agrarerträge durchgeführt. Die Simulation ergab, dass bei der PV-FFA mit 8,1 MW die höchste Leistung auf den 4 ha installiert werden kann, während Schutzdach-PV 4,3 MW und Zaun-PV lediglich 2,1 MW erreichen. Diese Unterschiede sind auf die spezifischen Aufständerungsvarianten zurückzuführen. So erzielt z.B. die Zaun-PV-Anlage aufgrund ihrer vertikalen Ausrichtung einen um 100 kWh/kWp höheren spezifischen Jahresertrag im Vergleich zu den anderen Varianten.
Agrarerträge und Technische Auslegung
Die Flächenplanung wurde anhand einer Optimierung des Agrarertrags unter Berücksichtigung der Schattentoleranzen und Lichtsättigungspunkte bei Agri-PV ausgelegt. Zur Bewertung und Auswahl geeigneter Agrargüter wurden mehrere Studien (inkl. Fraunhofer ISE) ausgewertet, die eine Abschätzung ermöglichen sollten, um die Agri-PV-Anlagen auslegen zu können.
Die Untersuchung der Agrarerträge zeigt, dass die Kombination von PV mit bestimmten Kulturen vorteilhaft sein kann. Beispielsweise konnte bei der Kultivierung von Kartoffeln (Zaun-PV) ein Mehrertrag von 10 % bei einer Verschattung von 25 % erzielt werden. Äpfel (Schutzdach-PV) erzielten sogar einen Mehrertrag von 15 % bei einer Verschattung von 50 %.
Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die PV-Module nicht nur Schatten spenden, sondern auch die Auswirkungen von Unwetterereignissen mindern können, was zu einer Ertragssteigerung führt. Unter Berücksichtigung der Flächenreduzierung durch die Aufständerung und des Mehrertrags des Agrarguts durch die Vorteile von Agri-PV wird insgesamt bei Kartoffeln ein Minderertrag von 1 % (Zaun-PV) und bei Äpfeln ein Mehrertrag von 3,5 % im Vergleich zur reinen Agrarfläche ohne ein PV-System erzielt.
Wirtschaftlichkeit der PV-Anlagen
Die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen PV-Varianten wurde über einen Zeitraum von 20 Jahren analysiert.
Der Erlös ergibt sich aus der Einspeisevergütung nach dem EEG. Die Betreiber von Anlagen müssen dafür an einer Ausschreibung teilnehmen. Nach § 37b EEG 23 wird ein maximaler Gebotswert von 9,5 ct/kWh für das erste Segment der besonderen Solaranlagen (Agri-PV) gesetzt. Für PV-FFA (erstes Segment) liegt der maximale Gebotswert bei 7,37 ct/kWh nach § 85a Abs. 1 und 2 EEG 23. Die prozentuelle Reduzierung des maximalen Gebotswerts orientiert sich an dem höchsten Zuschlagswert von 5,49 ct/kWh des Gebotstermins vom 01. März 2024. Für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit aller drei Szenarien haben wir eine Reduzierung des Gebotswerts um 25 % angenommen. Die Ergebnisse der drei Anlagen sind in Tabelle 1 dargestellt.
Dabei fällt auf, dass die Betriebskosten bei der Freiflächenanlage am niedrigsten sind. Grund: Die Agri-PV besitzt Mehrkosten in der Leistungsposition „Wartung und Versicherung“ um 15 %. Bei der Annuität fällt die Zaun-PV ab, der Wert ist negativ. Eine Annuität tritt auf, wenn die jährlichen Rückflüsse einer Investition nicht ausreichen, um die anfänglichen Kosten und die laufenden Zinsen zu decken. In solchen Fällen ist die Annuität kleiner als null, was bedeutet, dass die Investition wirtschaftlich nicht rentabel ist.
Diese Ergebnisse insgesamt verdeutlichen ebenfalls die unterschiedlichen finanziellen Potenziale der jeweiligen PV-Varianten. Die Verteilung der Erlöse aus der Stromerzeugung und der landwirtschaftlichen Nutzung ist ebenfalls von Bedeutung. Trotz der doppelt so großen Modulfläche bei Schutzdach-PV im Vergleich zu Zaun-PV entfallen bei Zaun-PV 73 % der Erlöse auf die Stromproduktion und 27 % auf die landwirtschaftliche Nutzung, während bei Schutzdach-PV die Verteilung 62 % zu 38 % beträgt. Dies ist nur auf den monetären Erlös für die Kulturpflanzen zurückzuführen: Während bei der Zaun-PV Kartoffeln angebaut wurden, sind unter Schutzdach-PV eine Apfelplantage angenommen worden.
Diese Verhältnisse zeigen, dass die Stromerlöse in beiden Varianten den größten Einfluss auf das Gesamtergebnis haben. Dennoch spielt auch die Wahl der Kulturpflanze wirtschaftlich eine Rolle. Dabei ist anzumerken: Natürlich lassen sich bei der Zaun-PV nicht 20 Jahre lang auf einer Fläche Kartoffeln anbauen. Daher wurde auch ein Fruchtwechsel betrachtet. Allerdings brachte das nach vereinfachter interner Kalkulation keine starke Änderung. Darum wurde in der Simulation eine Monokultur angenommen.
Sensitivitätsanalyse und Schlussfolgerungen
Eine Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt, um den Einfluss variierender Parameter – Flächengröße und Gebotswertminderung – auf die Wirtschaftlichkeit zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine größere Potenzialfläche zu einer geringeren Amortisationsdauer führt. Zudem ist die Amortisationsdauer bei höheren Gebotswerten stabiler, während ein sinkender Gebotswert zu einer überproportionalen Steigerung der Amortisationsdauer führt.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Zaun-PV-Anlage wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig ist und – auf Basis dieser Zahlen – eine Investition in diese Variante nicht empfohlen werden kann.
Im Gegensatz dazu erweist sich die Schutzdach-PV-Variante als technisch umsetzbar und wirtschaftlich vorteilhaft. Die Schutzdach-PV-Variante übertrifft die PV-FFA im Bereich der Amortisationsdauer und bietet somit eine mehr als konkurrenzfähige Lösung. Dies eröffnet landwirtschaftlichen Betrieben die Möglichkeit, ihre Flächen simultan für die Stromproduktion und landwirtschaftliche Nutzung zu verwenden, was in Anbetracht der aktuellen Energiewende und der Notwendigkeit zur Diversifizierung von Einkommensquellen von großer Bedeutung ist.
Die vorliegende Masterarbeit zeigt somit, dass durch die Kombination von PV-Anlagen mit landwirtschaftlicher Nutzung nicht nur ökologische, sondern auch ökonomische Vorteile erzielt werden können. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die zukünftige Planung und Umsetzung von nachhaltigen Energiekonzepten in der Landwirtschaft.
