Kaffeeproduzenten sind auf eine zuverlässige Stromversorgung für die Verarbeitung und Bewässerung angewiesen, doch viele ländliche Betriebe sind nach wie vor netzunabhängig und den schwankenden Dieselpreisen ausgesetzt. Ein Masterprojekt am Power Systems Laboratory der ETH Zürich untersucht diese Herausforderung anhand des weltweit ersten gross angelegten Agri-Photovoltaik-Konzepts für den Kaffeeanbau. Die Forschung in Angola zeigt, dass die Installation von Solarzellen über Kaffeepflanzen erschwinglichen Strom und Klimaresistenz in einem System liefern kann. Die Ergebnisse zeigen, wie die Integration von Energie und Landwirtschaft neue Wege für eine nachhaltige Produktion in tropischen Regionen eröffnen kann.
Ein neues Konzept für zwei Probleme
Die Kaffeebauern in den afrikanischen Ländern südlich der Sahara stehen vor zwei anhaltenden Problemen. Das erste Problem ist der Zugang zu zuverlässiger und erschwinglicher Elektrizität. Viele landwirtschaftliche Betriebe sind auf Dieselgeneratoren angewiesen, die hohe Kohlenstoffemissionen verursachen und die Landwirte den schwankenden Kraftstoffpreisen aussetzen. In den ländlichen Gebieten Angolas, wo diese Studie durchgeführt wurde, die Elektrifizierungsrate wird auf weniger als 10 Prozent geschätzt. Strom aus dem Netz, sofern verfügbar, bleibt stark subventioniert und kostet oft weniger als 0,02 USD pro kWh verglichen mit etwa 0,20 USD pro kWh in der Schweiz. Infolgedessen bleiben für die meisten ländlichen Gemeinden ohne Netzanschluss entweder dezentrale Solarinvestitionen oder die Abhängigkeit von subventionierten fossilen Brennstoffen die wichtigsten Optionen.
Das zweite Problem ist der zunehmende Klimastress. Der bis 2050 prognostizierte Temperaturanstieg um 2 bis 2,5 Grad Celsius in Verbindung mit unregelmäßigeren Niederschlägen bedroht die landwirtschaftliche Produktivität in der gesamten Region. Im Schatten angebaute Pflanzen wie Kaffee reagieren sehr empfindlich auf Hitze und Wasserstress, was sie besonders anfällig für diese Veränderungen macht.
Folglich sind die Landwirte von subventionierten fossilen Brennstoffen abhängig, und ihre Ernten stehen angesichts der zunehmenden Klimaauswirkungen vor immer grösseren Herausforderungen hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit. Diese Studie, die am Power Systems Laboratory der ETH Zürich durchgeführt wurde, untersucht, wie die Kombination von Solarenergieerzeugung und Kaffeeanbau in einem einzigen System mit doppeltem Verwendungszweck, der sogenannten Agriphotovoltaik (APV), beide Herausforderungen gleichzeitig lösen kann.
Warum Kaffee und Sonnenkollektoren zusammenpassen
Bei APV-Systemen werden die Solarmodule über den Kulturen und nicht auf separaten Flächen angebracht, so dass dieselbe Fläche gleichzeitig für die Energieerzeugung und den Anbau genutzt werden kann. Die Paneele erzeugen Strom und sorgen gleichzeitig für eine teilweise Beschattung, die Temperatur und Feuchtigkeit mildert. Bei schattenangepassten Kulturen wie Kaffee, die traditionell unter Baumkronen angebaut werden, kann diese Beschattung den Hitzestress reduzieren, den Wasserverlust von Boden und Pflanzen verringern (ein Prozess, der als Evapotranspiration bekannt ist) und die mikroklimatischen Bedingungen verändern (siehe Abbildung 1), was letztlich sowohl den Ertrag als auch die Qualität der Bohnen verbessert, während gleichzeitig erneuerbare Energie direkt vor Ort erzeugt wird.
In Zusammenarbeit mit der netzunabhängigen Kaffeeplantage der Companhia de Café de Angola im Süden Angolas hat das Team des ETH Power Systems Laboratory das weltweit erste grossflächige APV-Konzept speziell für die Kaffeeproduktion entwickelt. Die Studie integriert Feldmessungen, Simulationen der Abschattung mit Hilfe von Strahlen und technisch-ökonomische Modellierung, um die technische und wirtschaftliche Machbarkeit solcher Systeme unter realen lokalen Bedingungen zu bewerten. Die Ergebnisse deuten zwar darauf hin, dass APV sowohl technisch als auch wirtschaftlich realisierbar sein könnte, aber es ist wichtig zu beachten, dass die vollständige Machbarkeit unter realen Bedingungen erst dann bestätigt werden kann, wenn das System tatsächlich umgesetzt wird, da bestimmte Hürden bestehen bleiben. Während die hohen Anfangsinvestitionskosten weiterhin eine große Herausforderung darstellen und ausländische Investitionen erfordern, schafft der doppelte Verwendungszweck von APV einen zusätzlichen Wertstrom durch verbesserte Ernteerträge bei günstigem Schattenwurf. Dieser zusätzliche landwirtschaftliche Nutzen erhöht die allgemeine Wettbewerbsfähigkeit und macht APV zu einer finanziell attraktiven Alternative, selbst im Vergleich zu stark subventioniertem Diesel.
Politische Verschiebungen und neue Möglichkeiten
Die jüngsten Entwicklungen in Angola zeigen, wie schnell sich die Politik der Dieselsubventionen ändern kann. Im Jahr 2024 hat die Regierung die Dieselsubventionen um mehr als die Hälfte gekürzt. Diese Entscheidung löste öffentliche Proteste aus, bedeutete aber auch eine wichtige Korrektur langjähriger Preisverzerrungen und einen Schritt hin zu einem wettbewerbsfähigeren Energiemarkt. Innerhalb eines Jahres haben sich die Dieselpreise mehr als verdoppelt. Obwohl sie im internationalen Vergleich nach wie vor niedrig sind, hat der Anstieg die Attraktivität von selbst erzeugtem Solarstrom für landwirtschaftliche Betriebe deutlich erhöht.
Solche politischen Veränderungen können APV von einem visionären Konzept in eine wirtschaftlich sinnvolle Investition verwandeln. Für Regierungen bietet APV einen praktischen Weg, um die ländliche Elektrifizierung und die Klimaanpassung gleichzeitig voranzutreiben.
Von der Machbarkeit zum Pilotprojekt
Auf der Kaffeefarm in Angola wurde noch keine APV-Anlage in vollem Umfang gebaut, aber die Studie liefert einen umsetzungsreifen Entwurf. Bei der Planung wurde der Einfachheit der Konstruktion, der Verwendung lokal verfügbarer Materialien und der agronomischen Eignung Vorrang vor komplexen “optimalen” technischen Lösungen eingeräumt. So wurden z. B. ältere PV-Paneele mit geringerer Spitzenleistung in Betracht gezogen, um die beschattete Fläche für die Pflanzen zu vergrößern. Dies zeigt, dass das Hauptziel dieses APV-Konzepts nicht die maximale Landnutzungseffizienz war, wie bei europäischen Projekten oft betont wird, sondern vielmehr die Schaffung günstiger Wachstumsbedingungen für Kaffee und die Bereitstellung netzunabhängiger Energielösungen.
Der nächste Schritt ist eine Pilotanlage, mit der langfristige Daten über das Wachstum des Kaffees, den Energieertrag und die Wartung unter realen Betriebsbedingungen gesammelt werden sollen. Zur Vorbereitung der Umsetzung finden derzeit Gespräche mit lokalen Ingenieurbüros statt.
Persönliche Überlegungen
Die Arbeit an diesem Projekt hat mich gelehrt, dass Machbarkeit in Afrika südlich der Sahara ganz anders definiert wird als in Europa. In Zürich war ich es gewohnt, in Begriffen wie Effizienz, Kostenoptimierung und Modellgenauigkeit zu denken. Im ländlichen Angola wurde mir schnell klar, dass der Erfolg von weitaus grundlegenderen Fragen abhängt: Wird es jemanden geben, der das System nach dem Ende des Projekts wartet, wie können wir die tages- und jahreszeitlichen Lastschwankungen bewältigen, die durch die wechselnden Ernteroutinen zwischen Regen- und Trockenzeit verursacht werden, und wie könnte sich eine solche Technologie auf die tägliche Arbeit auswirken oder sogar Ängste bei den lokalen Landarbeitern auslösen?
