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Sonne Wind & Wärme
Solar­strah­lung im Wandel der Zeit

erschienen in Sonne Wind & Wärme 06/2009 S.22-25

Ertrags­vorhersagen sind wichtige Ent­scheidungs­kriterien für den Bau von Solaranlagen. Weicht der tatsächliche Ertrag von der Prognose ab, kann das für den Betreiber ernste wirtschaftliche Folgen haben. Grundlage für Ertragsvorher-sagen sind stets Messwerte für die Solarstrahlung. Die können je nach Quelle aber stark variieren. Und mit dem voranschreitenden Klimawandel kommt noch die Frage hinzu, welche Strahlungsänderungen uns künftig erwarten.

Für den Planer einer Solaranlage sind Strahlungsdaten die wesentliche Grundlage. Mit ihrer Qualität steht und fällt die Zuverlässigkeit der Ertragsvorhersage. Dabei existieren für vile Standorte mehrere Datenquellen, für andere wiederum sind belastbare Statistiken Mangelware.

In Deutschland ist die Datenlage für die solare Bestrahlung vergleichsweise gut. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) misst die Solarstrahlung seit Jahren zuverlässig mit hochwertigen Geräten. Hinzu kommen Messungen privater Institutionen und Forschungseinrichtungen, die aber meist weniger leicht zugänglich sind. Umfangreiche Satellitenauswertungen runden das Angebot ab. Auch in anderen hochindustrialisierten Hoffnungsmärkten der Solarenergie, beispielsweise in den USA, ist die Datenlage gut. Deutlich schlechter sieht es in weniger entwickelten Ländern aus.

Messstation für Solarstrahlungsdaten in Südspanien
Messstation für Solarstrahlungsdaten in Südspanien

Die globale und diffuse Strahlung der Sonne genau zu messen, erfordert nämlich einigen Aufwand. Eine Präzisionsmessstation, die mit thermischen Pyranometern hochwertige Messwerte der Bestrahlungsstärke aufzeichnet, schlägt schnell mit 20.000 Euro und mehr zu Buche. Und im Vergleich zu der hohen Messgenauigkeit, die sich bei Längen- oder Temperaturmessungen erzielen lässt, muss man bei der Messung der Bestrahlungsstärke selbst mit teurer Technik einige Abstriche machen.

Die besten verfügbaren Sensoren versprechen für Tagesmessungen eine Genauigkeit von plus/minus 1 Prozent. Bei Messwerten für eine Stunde oder gar noch kürzere Zeitintervalle ist die Messunsicherheit allerdings noch deutlich höher. Das gilt erst recht, wenn die empfindlichen Sensoren nicht im Abstand weniger Tage gereinigt werden – denn dann können durchaus Abweichungen von 10 Prozent und mehr auftreten.

Wer sich also auf Strahlungsmesswerte verlassen möchte, sollte unbedingt auf vertrauenswürdige Quellen zurückgreifen und muss auch dort Unsicherheiten im Prozentbereich einkalkulieren. Der Vergleich unterschiedlicher verfügbarer Datenquellen zeigt die möglichen Schwankungen.

Übersicht der Datenquellen für Solarstrahlung
QuelleInternetadresseMess­zeit­raumMess­gebiet
Meteo­normwww.meteonorm.comverschie­denewelt­weit
Satel­lightwww.satellight.com1996-2000Europa
PVGISsunbird.jrc.it/pvgis1981-1990Europa, Afrika
NASA Surfaceeosweb.larc.nasa.gov/sse1983-2004welt­weit
WRDCwrdc-mgo.nrel.gov1964-1993weltweit
DWDwww.dwd.deverschie­deneDeutsch­land
ESRAwww.helioclim.net/esra/1981-1990Europa
TMY2rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/tmy21961-1990USA
TMY3rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/1991-2005/tmy31991-2005USA
Eine Sonne, viele Daten

Für Standorte in Deutschland sind die Abweichungen für die solare Bestrahlung noch durchaus akzeptabel. Verschiedene Quellen für die gleichen Jahre liegen noch vergleichsweise nah beieinander, wie ein Vergleich für den Standort Potsdam zeigt (Abb. 1). Wenn sich aber der Bezugszeitraum unterscheidet, kommt es auch hier zum Teil zu erheblichen Abweichungen. Das höchste langjährige Mittel liegt in diesem Vergleich immerhin um 8 Prozent über dem niedrigsten. Für Ertragsprognosen ergeben solche Unterschiede eine nicht akzeptable Unsicherheit.

Für andere Länder ist die Datenlage meist deutlich unsicherer. Abweichungen von 10 bis 20 Prozent zwischen unterschiedlichen Quellen sind dabei keine Seltenheit. Im italienischen Messina beispielsweise liegt das höchste langjährige Mittel mehr als 15 Prozent über dem niedrigsten. Dem Anlagenplaner bleibt dann die Entscheidung überlassen, welche Quelle er zur Berechnung heranzieht. Die Ergebnisse bewegen sich dann zwischen konservativen und euphorischen Schätzungen, nur Genauigkeit ist nicht zu erwarten.

Eine Ursache für die Unterschiede sind beispielsweise verschiedene Messverfahren wie Boden- oder Satellitenmessungen. Strahlungsdaten von gut gewarteten Bodenstationen versprechen die genaueren Werte. Doch bei nur mäßig gewarteten Bodenstationen oder bei Verwendung von Sensoren minderer Qualität sind stets Satellitenmessungen wie beispielsweise Satellight vorzuziehen. Generell sollten für potenzielle Anlagenstandorte mindestens zwei, besser drei verschiedene Datenquellen herangezogen und die Werte gemittelt werden.

Daten für die jährliche Globalbestrahlung für den Standort Potsdam
Abb. 1: Daten für die jährliche Globalbestrahlung für den Standort Potsdam
Nichts ist konstant

Für Potsdam zeigt der Vergleich, dass sogar bei Datenquellen gleichen Ursprungs wie beispielsweise beim Deutschen Wetterdienst große Unterschiede auftreten, wenn die Daten sich auf verschiedene Zeiträume beziehen. Bei hochwertigen Messdaten spielt der Bezugszeitraum sogar die wichtigste Rolle für die Abweichungen.

Als Datenbasis für Ertragsvorhersagen dient – sofern Messdaten vorhanden sind – meist ein Messzeitraum über 10 oder 20 Jahre. Was aber, wenn sich in der Mitte dieses Zeitraums klimarelevante Voraussetzungen ändern? In Deutschland wird oft der Zeitraum von 1981 bis 1990 oder 1981 bis 2000 als Datengrundlage herangezogen. Dieser große Zeitraum suggeriert eine vermeintliche Sicherheit. In der Realität zeigen sich jedoch sehr große Schwankungen auch bei Mittelwerten über 10 oder 20 Jahre. Auch dies lässt sich exemplarisch am Beispiel des Standorts Potsdam zeigen, für den Messwerte von 70 Jahren vorliegen (Abb. 2). Zwischen 1998 und 2007 lag die mittlere jährliche Bestrahlung in Potsdam beispielsweise um 4 Prozent über den Werten von 1981 bis 2000 und sogar um 7 Prozent über den Werten der Jahre 1981 bis 1990.

Die Differenz der Daten ist in diesem Fall für die Photovoltaik sogar recht erfreulich. Denn Ertragsvorhersagen wurden aufgrund der niedrigen Strahlungswerte eher konservativ getroffen und erlauben auch kleinere Planungs- und Ausführungsfehler.

Noch größer als im Vergleich der Jahrzehnte sind die möglichen Schwankungen zwischen den Messwerten für einzelne Jahren. In Potsdam ist beispielsweise die Globalbestrahlung des Jahres 2003 um 32 % höher als die des Jahres 1984. Die Messungen aus Einzeljahren sind daher für die Charakterisierung eines Standortes völlig ungeeignet. Sollen Einzeljahre verwendet werden, müssen diese auf jeden Fall in Relation zu langjährigen Mittelwerten eingeordnet werden.

Bei Betrachtung des Verlaufs des 20-jährigen Mittels für den Standort Potsdam zeigt sich für das Jahr 1988 (Zeitraum 1969-1988) ein auffälliges Minimum. Seit dem steigt das langjährige Mittel kontinuierlich an.

Veränderungen der jährlichen Globalbestrahlung in Potsdam über die letzten 70 Jahre
Abb. 2: Veränderungen der jährlichen Globalbestrahlung in Potsdam über die letzten 70 Jahre, Daten: DWD
Nach dem Mauerfall steigen die Solarerträge

Dennoch: Auch in Potsdam zeigt sich eine auffällige Übereinstimmung des Mini-mums mit historischen Begebenheiten. Im Zuge der Deutschen Einheit ging die industrielle Produktion Anfang der 1990er-Jahre in den neuen Bundesländern stark zurück. Außerdem wurden emissionsmindernde Techniken in Kraftwerken, Industrieanlagen, Haushalten und bei Autos eingesetzt. Als Folge ist in den neuen Bundesländern seit dem Jahr 1989 ein signifikanter Rückgang der Schwefeldioxid-Emissionen und von Schwefelstaub zu beobachten. Und dieser Rückgang ist relevant für die Solarstrahlung.

Schwefeldioxid gilt als Luftschadstoff. Es reduziert nicht nur die eintreffende Solarstrahlung, sondern verursacht auch Smog und sauren Regen. In Deutschland insgesamt gingen durch Emissionsschutzmaßnahmen die Schwefeldioxid-Emissionen zwischen den Jahren 1990 und 2000 von 5,4 Mt auf 0,6 Mt pro Jahr zurück und sind seit dem näherungsweise stabil. Es ist daher plausibel, dass die jüngste beobachtete Zunahme der Bestrahlung zu einem großen Teil auf Reduktionen von Luftverschmutzungen zurückzuführen ist.

Blick in die Kristallkugel

Für Anlagenplaner, die ihre Kunden bei einer Entscheidung für 20 oder gar 30 Jahre beraten, ist die künftige Entwicklung der Solarstrahlung noch viel interessanter als eine Analyse der Vergangenheit. Weil die Verschmutzung der Luft durch Schwefeldioxidund Staubemissionen in Deutschland seit dem Jahr 2000 relativ stabil ist, dürfte sich die Schadstoffbelastung nur noch unwesentlich auf die Bestrahlung auswirken. Daher ist der Mittelwert der Jahre 2000 bis 2008 am ehesten geeignet, den künftigen Zeitraum repräsentativ abzubilden. Länger zurückliegende Mittelwerte verleiten eher zum Unterschätzen der Bestrahlung – wie viele unerwartet positive Betriebsergebnisse von Solaranlagen in den letzten Jah-ren zeigen. Ein kaum zu prognostizierendes Restrisiko bleibt jedoch: Große Vulkanausbrüche könnten für einen natürlichen Anstieg der strahlungsmindernden Emissionen sorgen und kurzfristige Strahlungseinbrüche verursachen.

Klimaerwärmung gleich Ertragsplus?

Deutlich schwieriger als bei der Luftqualität ist eine Abschätzung, wie sich die zunehmende globale Erwärmung auf künftige Anlagenerträge auswirken wird. Immerhin einige Anhaltspunkte dazu liefert eine Studie des Max-Planck-Instituts für Meteorologie in Hamburg, die im Auftrag des Umweltbundesamts erstellt wurde. Nach dieser Studie zeigen sich in den nächsten 20 Jahren in Deutschland noch verhältnismäßig wenige Auswirkungen der globalen Erwärmung. Danach sind jedoch signifikante Veränderungen der klimatischen Bedingungen zu erwarten. Für die Solarstrahlung und die Erträge von PV-Anlagen haben zwei Effekte eine große Bedeutung: Die Veränderung der Bewölkung und des daraus resultierenden Niederschlags sowie der Luftfeuchtigkeit. Für Deutschland sind künftig eine deutliche Abnahme des Bedeckungsgrades in den Sommermonaten, aber auch eine Zunahme in den Wintermonaten zu erwarten. Wie schnell die Veränderungen eintreten, hängt vor allem von der weiteren Entwicklung der Treibhausgasemissionen ab. Eine Abnahme des Bedeckungsgrades in den strahlungsreichen Sommermonaten wird vermutlich eine Zunahme der gesamten jährlichen Bestrahlung zur Folge haben. Gleichzeitig nimmt die Zahl der Schneetage pro Jahr ab, was Ertragsausfälle infolge verschneiter Anlagen reduzieren dürfte. Diese Veränderungen werden sich aber über viele Jahre hinweg allmählich volziehen und nicht abrupt in einem einzigen Jahr stattfinden.

Langfristig dürfte also der Trend der Bestrahlung in Deutschland leicht nach oben zeigen. Somit könnten die Betreiber von Solaranlagen zu den wenigen Gewinnern der globalen Erwärmung zählen – wenn sich nicht Naturkatastrophen häufen und in deren Folge die Zunahme von Schäden an Solaranlagen auch die Versicherungsprämien nach oben treibt.

Volker Quaschning


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