Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck: Eine Erkundung des Potenzials im San Joaquin Valley
Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck - die Kombination von Solarenergie mit einer oder mehreren anderen Flächennutzungen - hat das Potenzial, im Vergleich zur herkömmlichen Solarentwicklung zusätzliche ökologische, soziale und wirtschaftliche Vorteile zu bieten. In früheren Blog-Beiträgen haben wir eine Einführung in das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten, Vorteile und Anwendbarkeit von drei Formen der Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck - Agrarphotovoltaik, auf Ökosystemleistungen basierende Solarenergie und Float-Photovoltaik - gegeben und einen Überblick über politische Überlegungen gegeben. Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass die Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck zwar keine Patentlösung für die Hindernisse ist, denen der Einsatz von Solarenergie in großem Maßstab gegenübersteht, dass sie aber herkömmliche Projekte ergänzen und Möglichkeiten bieten kann, den lokalen Nutzen der Solarentwicklung zu erhöhen.
Dieser Blog untersucht das Potenzial der Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck in einer bestimmten Region - dem kalifornischen San Joaquin Valley ("das Valley") - und stützt sich dabei auf die Erkenntnisse von Experten und Hintergrundinterviews mit lokalen Akteuren, darunter Beamte auf Bezirksebene, Interessenvertretungsorganisationen, Entwickler und Experten für Konfigurationen mit doppeltem Verwendungszweck. Das Valley ist eine der produktivsten landwirtschaftlichen Regionen des Landes, mit reichlich Sonnenschein, einer wachsenden Anzahl von Solaranlagen und einer zunehmenden Einschränkung des Grundwassers. Auf den ersten Blick scheint die Region reif für die Agro-Photovoltaik zu sein. Unsere Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass Konfigurationen mit doppeltem Verwendungszweck, die Ökosystemleistungen erbringen, für das Valley heute am besten geeignet sein könnten, während Agri-Photovoltaik- und Float-Photovoltaik-Konfigurationen weiter skaliert und technologisch weiterentwickelt werden. Alle Konfigurationen stehen vor Umsetzungsproblemen und erfordern zusätzliche politische Unterstützung und die Akzeptanz der Entwickler.
Hintergrund über das San Joaquin Valley
Das San Joaquin Valley ist ein landwirtschaftliches Kraftzentrum für Kalifornien und die Vereinigten Staaten und erzeugt mehr als die Hälfte der landwirtschaftlichen Produktion des Bundesstaates. Die Übernutzung der Wasserressourcen und die durch den Klimawandel verursachten Dürren haben jedoch zu erheblichen Problemen mit der Wasserknappheit geführt. Im Jahr 2014 verabschiedete der Bundesstaat das Gesetz zur nachhaltigen Grundwasserbewirtschaftung (Sustainable Groundwater Management Act, SGMA), das die Grundwassernutzer verpflichtet, ihre Wassereinzugsgebiete in den nächsten zwei Jahrzehnten ins Gleichgewicht zu bringen. Um diese Wasserreduzierung zu erreichen, müssen im San Joaquin Valley bis 2040 wahrscheinlich mindestens 500.000 Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche stillgelegt werden.
Gleichzeitig verfolgt Kalifornien ehrgeizige Ziele in Bezug auf Klima und saubere Energie. Im Jahr 2018 verabschiedete der Bundesstaat SB 100, der vorschreibt, dass bis 2045 100 % des Strombedarfs des Staates aus kohlenstofffreien und erneuerbaren Ressourcen gedeckt werden müssen. Ein durchdachter Ansatz für den Übergang zu sauberer Energie, der einen Mix aus sauberen Energieressourcen einschließt, wird für eine erschwingliche, zuverlässige und landschaftsverträgliche Zukunft mit sauberer Energie entscheidend sein. Im Jahr 2022 produzierte das San Joaquin Valley fast 15 GWh Solarstrom, was 45 % der 33 GWh des Bundesstaates entspricht. Mit noch mehr geplanten oder in Arbeit befindlichen Projekten ist es offensichtlich, dass die Entwicklung der Solarenergie im Valley auch in Zukunft ein wichtiger Bestandteil der kalifornischen Klimalösung sein wird. Nichtsdestotrotz ist die heute im Valley installierte Solarenergie nur ein Bruchteil des Ressourcenpotenzials der Region.
Der anhaltende Verlust landwirtschaftlicher Nutzflächen in Verbindung mit der Umstellung auf saubere Energie wird zu erheblichen Veränderungen in der Landschaft, der Wirtschaft und den Industrien der Region führen. Das Tal steht vor verschiedenen sozioökonomischen und ökologischen Herausforderungen; jahrelange intensive landwirtschaftliche Produktion und Schwerindustrie haben zu schlechter Luftqualität, verschmutztem Wasser und geschädigten Ökosystemen geführt. Industrieanlagen wurden oft in der Nähe von Randgruppen angesiedelt, was die Ungleichheiten und Umweltbelastungen noch verstärkt. Mehr als die Hälfte der Bevölkerung des Tals lebt in als benachteiligt eingestuften Volkszählungsgebieten, die 27 % der benachteiligten Bevölkerung des Bundesstaates ausmachen, obwohl sie nur 11 % der Gesamtbevölkerung des Bundesstaates ausmachen.
Die Umstellung der Flächennutzung und der Industrie im Tal bietet die Möglichkeit, saubere Energieindustrien zu entwickeln, die zu den langfristigen Zielen der Region beitragen, einschließlich der Erweiterung der wirtschaftlichen Basis, der Schaffung neuer Arbeitsplätze und wirtschaftlicher Chancen für den Einzelnen, der Verbesserung der Umweltbedingungen und der Gewährleistung einer gerechten Verteilung von Nutzen und Lasten.
Das Potenzial der Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck im Valley verstehen
Die veränderte Flächennutzung im Valley und der Einsatz sauberer Energien machen die Doppelnutzung von Solarenergie zu einer idealen Lösung - der Bau von Solaranlagen wird Kalifornien helfen, seinen Bedarf an sauberer Energie zu decken und neue wirtschaftliche Aktivitäten in die Region zu bringen. Die Installation von Solaranlagen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen kann den Eigentümern von brachliegenden landwirtschaftlichen Flächen neue Einnahmequellen eröffnen. Solarsysteme mit doppeltem Verwendungszweck bieten außerdem zahlreiche Vorteile, darunter eine bessere Unterstützung der Gemeinschaft, effiziente Landnutzung, landwirtschaftliche Produktion, Wassereinsparungen und Vorteile für das Ökosystem.
Wir haben mit sechs regionalen Interessenvertretern gesprochen, um das Potenzial von Solartechnologien mit doppeltem Verwendungszweck im Valley zu verstehen und um herauszufinden, wie sich die wahrgenommenen Vorteile dieser Systeme im spezifischen Kontext der Region auswirken könnten. Wir befragten sie zu den vielversprechenden Möglichkeiten von drei Formen der Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck - Agrarphotovoltaik, Float-Photovoltaik und Solarenergie auf der Grundlage von Ökosystemdienstleistungen -, zu den Stimmungen in den Gemeinden in Bezug auf die Einführung von Infrastrukturen und zu anderen wichtigen Aspekten wie der Interaktion der Solarenergie mit dem Grundwassermanagement. Ihre Beiträge flossen in die nachfolgende Diskussion über die Bedenken der Gemeinden und die Durchführbarkeit von Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck ein, sowohl heute als auch in Zukunft. In diese Arbeit flossen auch regionale Gespräche ein, die im Rahmen eines größeren Projekts zur Erforschung und Planung sauberer Energienim Valley unter der Leitung von CATF geführt wurden, sowie Hintergrundrecherchen und Gespräche mit Dual-Use-Experten.
Anliegen der Gemeinschaft und Flächennutzung
Im ganzen Land kann die Entwicklung von Solarenergieanlagen in großem Maßstab in den Gemeinden umstritten sein, da Bedenken hinsichtlich der veränderten Flächennutzung, der Ästhetik und der Auswirkungen auf den Blickwinkel aufkommen. Die Doppelnutzung von Solarenergie wird oft als eine Lösung diskutiert, die im Vergleich zur herkömmlichen Entwicklung von Solarenergieprojekten eine größere Unterstützung der Gemeinden hervorrufen könnte, insbesondere wenn sich die Bedenken auf die Flächennutzung und die eingeschränkte Verfügbarkeit von Land konzentrieren. Die Kombination von Flächennutzungen in Solarkonfigurationen mit doppelter Nutzung könnte die Flächennutzungskonkurrenz verringern, die Flächenproduktivität erhöhen und die Bedenken hinsichtlich einer binären Wahl zwischen der Erzeugung von Nahrungsmitteln oder Energie entkräften. In hoch entwickelten Regionen könnte sich dies als wertvolle Taktik für den Aufbau neuer Solarressourcen erweisen.
Das Valley ist nicht immun gegen die Herausforderungen, die die Gemeinden an die Entwicklung erneuerbarer Energien stellen, aber laut unserer Befragung von Interessenvertretern sind die Sorgen über konkurrierende Landnutzungen nicht so akut wie anderswo im Land. Während das städtische Wachstum und die Entwicklung mit landwirtschaftlichen Flächen in diesem Gebiet konkurrieren, deuten die Interviews darauf hin, dass die landwirtschaftlichen Grundbesitzer am meisten über die Einschränkungen des Grundwassers und die langfristige Überlebensfähigkeit ihres Landes für die Landwirtschaft besorgt sind. Landbesitzer, die Land für die Entwicklung von Solarenergie verpachten oder verkaufen, haben die Chance, einen beträchtlichen Gewinn zu erzielen - eine gute Gelegenheit für Land, das angesichts des Klimawandels und der eingeschränkten Wassernutzung brach liegen könnte.
Regionale Interessenvertreter bevorzugen Puffer zwischen Solaranlagen im Versorgungsmaßstab und bestehenden Wohn- und Gewerbegebieten. Die Befragung der Interessenvertreter deutet darauf hin, dass es den Gemeinden bei der Entwicklung von Solarenergie im großen Maßstab eher darum geht, "es richtig zu machen" als "es überhaupt zu machen". Den Befragten zufolge bedeutet "es richtig machen" eine sinnvolle Einbindung der Gemeinden in die Entscheidungsfindung, die Milderung der Umweltauswirkungen und die Schaffung neuer wirtschaftlicher Möglichkeiten für die Gemeinden.
Ökosystem-Dienstleistungen: Eine vielversprechende Option für die Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck im Tal von heute
Angesichts der Umweltbedenken der Region und der Frage, wie brachliegende Flächen umgewandelt und bewirtschaftet werden sollen, scheint die auf Ökosystemleistungen basierende Solarenergie eine kompatible Form der Doppelnutzung für das Tal zu sein. Bei dieser Art der Doppelnutzung wird die Solaranlage mit Vegetation kombiniert, die nicht für die landwirtschaftliche Produktion oder andere Praktiken zur Förderung des ökologischen Wohlbefindens bestimmt ist. Im Vergleich zu anderen Formen der Doppelnutzung ist die auf Ökosystemleistungen basierende Solarenergie in größerem Umfang realisierbar und kann zu den Zielen der sauberen Energie beitragen und gleichzeitig Umweltbelange berücksichtigen.
Das Tal steht vor ökologischen Herausforderungen wie Bodendegradation, Luftverschmutzung, Wasserknappheit und Lebensraumverlust. Ungenutzte und brachliegende landwirtschaftliche Flächen verursachen auch Staub, der in der Region ein großes Problem darstellt. Maßnahmen, die im Rahmen der auf Ökosystemleistungen basierenden Solarenergie ergriffen werden - wie der Anbau von Deckfrüchten - können dazu beitragen, den Abfluss von Regenwasser zu steuern, Staub zu reduzieren, Bestäuber zu unterstützen und die Bodenqualität zu verbessern. Die Bepflanzung mit einheimischer Vegetation, die Lebensraum für Bestäuber schafft, hat sich in großem Maßstab bewährt und bietet Vorteile in landwirtschaftlich genutzten Gebieten - ein wichtiger Aspekt für die Obstgärten im Valley, die auf Bestäubung angewiesen sind. Eine zentrale Herausforderung bei diesen Konfigurationen ist, dass die Bepflanzung mit Deckfrüchten oder einheimischer Vegetation immer noch eine Bewässerung erfordern kann, für die die Wasserbudgets der Grundwassernachhaltigkeitsagenturen (GSA) des Einzugsgebiets, einer durch SGMA eingerichteten Verwaltungsbehörde, berücksichtigt werden müssten.
Andere Maßnahmen zur Änderung der Standortgestaltung, die Ökosystemleistungen erbringen, können ebenfalls ergriffen werden, um Wildtierkorridore zu erhalten und Lebensraum für Arten zu schaffen. So können die örtlichen Bezirke beispielsweise Anforderungen an durchlässige Zäune, Vegetationsstandards, Herbizideinsatzgrenzen, Abstandsflächen und Maßnahmen zur Regenwasserbewirtschaftung festlegen. Diese Änderungen lassen sich auch leichter in die staatlichen und lokalen Standort- und Genehmigungsvorschriften einbeziehen als die Anforderungen für die Agrarphotovoltaik. Im Valley haben viele Bezirke diese Anforderungen bereits festgelegt und damit ihr lokales Interesse an der Förderung bewährter Praktiken zur Minderung von Umweltschäden und zur Verbesserung bestehender Ökosystemleistungen unter Beweis gestellt. Idealerweise sollten die Solaranlagen jedoch nicht nur die bestehenden Leistungen erhalten, sondern auch zusätzliche Nettovorteile bieten, die oft standortspezifisch sind. Einige Solaranlagen im Valley haben bereits bewiesen, dass sie zusätzlichen Lebensraum für Arten erhalten oder schaffen können, die für den Naturschutz von vorrangiger Bedeutung sind, darunter der Rotfuchs. Die Topaz Solar Farm, die sich etwas außerhalb des Tals befindet, zeigt zum Beispiel, wie man den Standort so gestaltet, dass Wildtierkorridore für große Tiere möglichst wenig oder gar nicht gestört werden.
Obwohl die auf Ökosystemleistungen basierende Solarenergie technisch besser für die bestehenden Bedingungen im Valley geeignet ist als andere Formen der Doppelnutzung, gibt es immer noch einige große Hürden auf dem Weg zu einem breiten Einsatz mit großer Wirkung. Wie in früheren Blogbeiträgen dieser Serie erwähnt, sind Solarentwickler im Allgemeinen vorsichtig, wenn es darum geht, Maßnahmen zu ergreifen, die gefährdete Arten anlocken, für deren Schutz sie später haftbar gemacht werden könnten. Wenn es keine politischen Lösungen gibt, um das Risiko für die Entwickler zu verringern und die potenziellen Projektkosten zu erhöhen, könnten die Entwickler davon abgehalten werden, Konfigurationen mit doppeltem Verwendungszweck zu bauen.
Die landwirtschaftliche Photovoltaik ist mit den bestehenden groß angelegten landwirtschaftlichen Aktivitäten im Tal nicht vereinbar.
Obwohl das San Joaquin Valley eine intensiv landwirtschaftlich genutzte Region ist, sind die heutigen agrivoltaischen Konfigurationen möglicherweise nicht mit dem bestehenden Ackerbau und der Viehzucht vereinbar. Der Anbau von Nüssen wie Mandeln, Pistazien und Walnüssen sowie von Weintrauben und Zitrusfrüchten, die derzeit nicht mit der Doppelnutzung von Solarenergie vereinbar sind, dominiert die landwirtschaftliche Produktion im Tal. Agrivoltaik-Konfigurationen eignen sich am besten für Reihenkulturen wie Blattgemüse und Tomaten, die von Hand geerntet oder mit kleineren Geräten gepflegt werden können und unter Standard-Panelhöhen wachsen können. Heute machen kompatible Kulturen wie Tomaten nur 3 % und Salat nur 1 % der pflanzlichen Produktion in der Region aus. Darüber hinaus wurden agrivoltaische Konfigurationen noch nicht in der Größenordnung der landwirtschaftlichen Aktivitäten im Valley demonstriert. Es ist möglich, dass in der Zukunft Solartechnologien entwickelt werden, die für diese Anbauformen geeignet sind, oder dass sich die Pflanzenproduktion im Valley aufgrund veränderter klimatischer Bedingungen ändert, so dass die Agri-Photovoltaik an Bedeutung gewinnen könnte.
Auch die großflächige Kombination von Solarenergie und Weidehaltung wird im Valley wahrscheinlich keine große Entwicklung darstellen. Nördlich des Tals befindet sich die Coyote Creek Agrivoltaic Ranch, eine 200-MW-Anlage, die Schafweiden mit Solaranlagen kombiniert. Doch die Schafproduktion in den USA und in Kalifornien insgesamt geht jährlich zurück. Die Viehwirtschaft wird von Rinder- und Milchviehbetrieben dominiert, die aufgrund der Größe und des Verhaltens der Tiere weit weniger geeignet sind für die Nutzung von Solarenergie auf Weiden.
Floatovoltaik ist im Pilotstadium und sollte beobachtet werden
Die Bemühungen um die Installation von Solaranlagen auf Wasserkanälen haben regional und landesweit große Aufmerksamkeit erregt. Es hat sich gezeigt, dass die Floatovoltaik die Verdunstungsverluste von Wasser reduziert, was für eine von Trockenheit bedrohte Region wie das Valley mit einem ausgedehnten Netz von Bewässerungskanälen von großem Vorteil ist. Das Projekt Nexus, ein landesweit einzigartiges Projekt, ist ein Pilotprojekt zur Installation von Solarzellen über Bewässerungskanälen. Die Initiative ist eine Zusammenarbeit zwischen der UC Merced, dem Turlock Irrigation District (TID), dem California Department of Water Resources und dem Entwickler Solar AquaGrid. Der TID, der die Bewässerungskanäle verwaltet und Strom für den Einzelhandel liefert, ist in einer einzigartigen Position, um die Paneele über seinen Kanälen zu verwalten. Eine Studie der UC Merced, aus der die Idee ursprünglich hervorging, hat das Potenzial der Abdeckung aller Bewässerungskanäle des Bundesstaates modelliert und schätzt, dass sie zusammen 13 GW Strom erzeugen könnten, was etwa 19 % des erwarteten Solarbedarfs Kaliforniens im Jahr 2045 entspricht. Obwohl diese Konfiguration für Kanäle im ganzen Bundesstaat vorgeschlagen wurde, wird die Umsetzung dort schwieriger sein, wo der Kanalbetrieb und der Stromverkauf von unterschiedlichen Unternehmen verwaltet werden. Eine weitere Herausforderung für eine weitreichende Umsetzung ist der akute Mangel an Übertragungskapazitäten, um Strom aus den ländlichen Gebieten des Tals, in denen Bewässerungskanäle vorherrschen, in Gebiete mit hohem Strombedarf zu transportieren.
Politische Sachzwänge und Fördermaßnahmen
Der Verbreitung von Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck stehen mehrere politische Hürden im Wege, von denen die meisten mit der bestehenden Flächennutzungspolitik und -verordnung zusammenhängen. Schutzmaßnahmen für landwirtschaftliche Flächen, wie die des Williamson Act, erschweren die Installation von Solaranlagen auf landwirtschaftlichen Flächen, selbst wenn sie auf brachliegendem Land oder in Verbindung mit der Pflanzenproduktion errichtet werden. Außerdem kann es sein, dass die örtlichen Flächennutzungsvorschriften eine Umwidmung für kombinierte Flächennutzungen nicht zulassen.
Dies ist jedoch ein neuer und sich entwickelnder Bereich mit Möglichkeiten für innovative politische und planerische Lösungen. Durch eine koordinierte Entscheidungsfindung und die Abstimmung zwischen der Umsetzung des SGMA und der staatlichen und lokalen Energieplanung könnten gefährdete Flächen identifiziert werden, die sich am besten für die Solarenergie eignen. Die Suche nach solchen Synergien könnte die Beeinträchtigung erstklassiger landwirtschaftlicher Flächen und empfindlicher Lebensräume minimieren. Maßnahmen, die auf Ökosystemleistungen basierende Solarenergie unterstützen, könnten durch verschiedene lokale Genehmigungs- und Standortbestimmungen, wie Vegetation, Umzäunung und Anforderungen an die Regenwasserbewirtschaftung, in größerem Umfang vorgeschrieben werden. Durch zusätzliche, vom Staat unterstützte Forschung könnten Maßnahmen ermittelt werden, die für die Besonderheiten des Tals am besten geeignet sind. Eine landesweite Definition und Anleitung für Solarkonfigurationen mit doppeltem Verwendungszweck könnte auch den lokalen Behörden bei der Umsetzung wirksamer lokaler Maßnahmen helfen.
Die Zukunft der Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck im Valley
Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck ist ein wichtiges Instrument der Energiewende, aber sie wird die Hindernisse für den Einsatz sauberer Energie nicht im Alleingang beseitigen. Solarenergie in großem Maßstab ist eine Realität der sauberen Energiewende, und Konfigurationen mit doppeltem Verwendungszweck, die Ökosystemleistungen erbringen, können heute in Betracht gezogen werden, um die Auswirkungen auf die umliegenden Gemeinden und Ökosysteme zu minimieren und gleichzeitig der Region zu helfen, ihre Klimaziele zu erreichen. Agri-Photovoltaik und Float-Photovoltaik befinden sich in einem frühen Stadium und könnten im Valley ernsthaft in Erwägung gezogen werden, wenn die Technologien mit den Ernteerträgen und der Viehzucht im Valley und den besonderen Wasserproblemen vereinbar sind. Im Laufe der Zeit könnte es sogar Möglichkeiten geben, zu erforschen, wie die Doppelnutzung von Solaranlagen die Grundwasseranreicherung fördern könnte. Zum Beispiel könnte die Installation von aufgeständerten Paneelen auf häufig überschwemmtem Land eine hybride, auf Ökosystemdienstleistungen basierende Solar- und Floatovoltaik-Konfiguration schaffen.
Durch weitere quantitative Analysen und Machbarkeitsstudien könnte ermittelt werden, welche Maßnahmen am besten geeignet sind, und es könnten politische Optionen zur Unterstützung der am besten kompatiblen Formen der Solarenergie mit doppeltem Verwendungszweck entwickelt werden.
This is the final blog of a three-part blog series on dual use-solar’s potential within the broader context of utility-scale solar. Earlier blog posts in this series provided a primer on the range of uses, benefits, and applicability of three forms of dual-use solar and an overview of policy considerations.
