Photovoltaik: Ertrag in Sommer und Winter

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PV-Anlage auch im Winter voll ausnutzen

Jedes Kind weiß, dass die Sonne im Sommer öfter scheint und die Strahlung aufgrund des höheren Sonnenstands stärker ist. Für einen guten PV-Ertrag sind dies ebenfalls ideale Voraussetzungen. Im Winter ist es leider anders: Wenn die Sonne strahlt, tut sie dies nur ein paar Stunden und verabschiedet sich schon früh. Es gibt jedoch geeignete Maßnahmen, um den Ertrag in der dunklen Jahreszeit anzuheben. Wir verraten, um welche es sich handelt. Zuvor vergleichen wir den Jahresgang der Globalstrahlung mit dem der Energieerträge und gehen kurz auf die Einfluss nehmenden Faktoren ein.

Solaranlage mit Schnee bedeckt © AK DigiArt, fotolia.com
Schnee auf den Solarmodulen mindert den Solarertrag der Photovoltaik-Anlage © AK DigiArt, fotolia.com

Photovoltaikertrag in Sommer und Winter – ein Vergleich

Die folgende Grafik veranschaulicht die durchschnittlichen spezifischen Erträge von Photovoltaik-Dachanlagen im langjährigen Mittel von 2012 bis 2020 (orange). Mit der Angabe in Kilowattstunden pro Kilowatt-Peak (kWh/kWp) ermöglicht der spezifische Ertrag, unterschiedlich große Anlagen schnell miteinander zu vergleichen. Der ermittelte Wert ist lediglich mit der Spitzenleistung (kWp) zu multiplizieren.

Vergleich der monatlichen spezifischen Erträge in Deutschland für die Jahre 2012 bis 2020. © Hochschule Trier/Umwelt-Campus Birkenfeld
Vergleich der monatlichen spezifischen Erträge in Deutschland für die Jahre 2012 bis 2020. © Hochschule Trier/Umwelt-Campus Birkenfeld

Im vorliegenden Balkendiagramm lässt sich der Unterschied im Ertrag von Sommer und Winter besonders schnell erfassen. Die Zahlen ergeben folgendes Bild: Im Sommerhalbjahr (April bis September) wurden insgesamt ca. 765 kWh/kWp erreicht, im Winterhalbjahr (Oktober bis März) dagegen nur ca. 285 kWh/kWp. In Prozentzahlen bedeutet dies: Die Photovoltaikerträge summieren sich in den sechs Wintermonaten auf ca. 27 Prozent, also auf weniger als ein Drittel des Gesamtertrags.

Zu beachten: Dieses Mittel bezeichnet die Situation in Mittel- und Ostdeutschland recht genau. In West- und Norddeutschland ist von einem etwas niedrigeren, im Süden und Südwesten Deutschlands von einem etwas höheren Wert auszugehen.

Der Standort entschiedet ebenfalls über die Leistung: Wo steht die PV-Anlage in Deutschland?
Der Standort entschiedet ebenfalls über die Leistung: Wo steht die PV-Anlage in Deutschland?

Globalstrahlung als entscheidender Faktor für den Ertrag

Die Sonnenstrahlung, die tatsächlich unseren Erdboden erreicht, wird als Globalstrahlung bezeichnet. Diese setzt sich aus direkter und indirekter Strahlung zusammen: Die Direktstrahlung trifft ungehindert auf die Erdoberfläche auf. Die Diffusstrahlung ist das, was nach der Streuung und Reflexion durch Wolken, Feuchte, Verschmutzung noch hindurchdringt. In Deutschland ist die Globalstrahlung gewöhnlich je zur Hälfte direkt und indirekt – und liegt im Jahresmittel bei ca. 125 W/m2.

Globalstrahlung erklärt
Globalstrahlung erklärt

Weitere Faktoren, die Einfluss auf die Intensität der Strahlungsenergie ausüben, sind:

  • die Wegstrecke der Strahlung, da die Intensität mit jedem Kilometer abnimmt,
  • die geografische Höhe des Standortes, da eine dickere Luftschicht die Strahlung streut, absorbiert und reflektiert,
  • die Luftqualität am Standort, da schmutzige Luft die Strahlen schlechter durchdringen lässt als saubere,
  • das Wetter/Klima am Standort, da es die Qualität der Luftschicht beeinflusst.

Daraus lassen sich drei Fakten ableiten: Globalstrahlung und Erträge sind umso höher,

  1. je näher am Äquator eine Photovoltaik-Anlage steht. Aufgrund des steileren Sonnenstandes ist der Weg für die energetische Solarstrahlung von der Sonne zur Erdoberfläche am Äquator kürzer.
  2. je höher der Standort einer Photovoltaik-Anlage ist. Dünne Luft bildet eine weitaus geringere Barriere als dicke.
  3. je höher die Sonne steht. Das gilt natürlich um die Mittagsstunde (Sommerzeit beachten!) und in den Sommermonaten. Was umgekehrt auch heißt: Der Ertrag ist in den Wintermonaten deutlich niedriger, um Weihnachten herum sogar besonders niedrig.
Die Globalstrahlung hat einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag
Die Globalstrahlung hat einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag
Installation einer PV-Anlage © Simon Kraus, stock.adobe.com
Globalstrahlung

Strahlungsarten, Einflussfaktoren und regionale Globalstrahlung Die Globalstrahlung bildet eine wichtige Eingangsgröße für die Ertragsberechnung einer Photovoltaikanlage. Unter diesem Begriff versteht… weiterlesen

Globalstrahlung in Sommer und Winter

Alle 10 Jahre gibt der Deutsche Wetterdienst DWD eine Karte mit der mittleren Jahressumme der Globalstrahlung in Deutschland für die vergangenen 30 Jahre heraus. Für den Zeitraum 1991 – 2020 wurden Werte zwischen 975 und 1.259 kWh/m² ermittelt. Der errechnete Mittelwert beträgt 1.086 kWh/m². Die große Bandbreite ergibt sich aus deutschlandweit höchst unterschiedlichen Einstrahlungen. So liegen die Werte in der norddeutschen Tiefebene und im Sauerland am unteren, in weiten Gebieten Bayerns und Baden-Württembergs am oberen Rand. Mittlere Strahlungswerte wurden in Mitteldeutschland und in östlichen Regionen verzeichnet.

Tipp: In ungünstigen Lagen die Solaranlage einfach größer dimensionieren! Auch mit leistungsstärkeren Modulen kann eine PV-Anlage im Norden annähernd so viel Ertrag bringen wie eine kleinere oder leistungsschwächere im Süden.
Globalstrahlung Deutschland, mittlere Jahressummen © Deutscher Wetterdienst
Globalstrahlung Deutschland, mittlere Jahressummen © Deutscher Wetterdienst

Was die Karte nicht verrät, sind die starken Schwankungen zwischen Sommer und Winter. Zieht man die entsprechenden Karten des DWD zurate, ergibt sich für den genannten Zeitraum folgendes Bild (Angaben in kWh/m²):

1981 – 2020 Minimum Maximum Mittel
Januar 15 50 23
Februar 29 79 40
März 70 114 75
April 112 133 123
Mai 141 173 157
Juni 149 181 165
Juli 147 181 164
August 128 156 141
September 84 109 95
Oktober 46 75 56
November 19 46 26
Dezember 11 38 17

In dieser Erhebung summiert sich die mittlere Globalstrahlung in den Sommermonaten April bis September (gelb) auf 845 kWh/m², in den Wintermonaten Oktober bis März (blau) auf 237 kWh/m². Dies ergibt ein Verhältnis von etwa 3:1 von sommerlicher zu winterlicher Strahlung.

Fazit: Die Werte für den Jahreslauf von Globalstrahlung und Photovoltaikertrag sind zwar nicht ganz deckungsgleich (22% bzw. 27% für den Winter), bewegen sich jedoch in der gleichen Größenordnung. Damit kann die Globalstrahlung als entscheidender Faktor für den Ertrag einer PV-Anlage festgehalten werden.

Solaranlage bei Sonnenschein © Jonas Glaubitz, fotolia.com
Solaranlage bei Sonnenschein © Jonas Glaubitz, fotolia.com
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Winterstrahlung so effektiv wie möglich nutzen

Die schwache Winterstrahlung kann niemand verbessern. Allerdings bietet die kalte Jahreszeit auch positive Aspekte für die Stromproduktion einer PV-Anlage. Außerdem gibt es einige Kniffe, um das, was die Wintersonne liefert, optimal zu nutzen. Summa summarum freut sich die Photovoltaikanlage über folgende Gegebenheiten:

  • Kälte: Die Betriebsgrenze von PV-Modulen liegt oft bei minus 40 °C – wie gemacht für niedrige Wintertemperaturen. Und mehr noch: Während Sommertemperaturen die Leistungsfähigkeit um bis zu 20 % senken können (bei Modultemperatur 60 °C), können im Winter bei gleicher Einstrahlung sogar höhere Leistungen als unter den Standard-Testbedingungen bei 25 °C erreicht werden.
  • Sauberkeit: Solarmodule scheinen Herbstlaub, Feinstaub, Kamin- und andere Ablagerungen geradezu magisch anzuziehen. Vieles wäscht der (im Winter häufigere) Regen zwar ab, alles was liegen bleibt, verursacht jedoch teils deutliche Einbußen. Deshalb: Eine spiegelnd glänzende Dachanlage bringt die besten Erträge.
Reinigung einer Solaranlage © Luftbildfotogtaf, stock.adobe.com
Reinigung einer Solaranlage © Luftbildfotogtaf, stock.adobe.com
Tipp: Alle paar Jahre eine professionelle Reinigung durchführen lassen! Fachleute verwenden die richtigen Reinigungsmittel und wissen um die Sensibilität der Komponenten. Auch eine regelmäßige Wartung kann Einbußen verhindern. Ein ausführlicher Check deckt Schwachstellen auf und lässt Zeit, zu reagieren.
  • Schnee: Eine Schneedecke auf den Modulen kann im schlimmsten Fall zur Einstellung des Betriebs führen – und muss selbstverständlich entfernt werden. In Gegenden mit viel Schnee können PVA-Betreiber dennoch vom frostigen Niederschlag profitieren: Die weiße Oberfläche reflektiert die Strahlung und führt oft zu einem leichten Anstieg der Solarerträge.
Hinweis: 10 Zentimeter Nassschnee wiegen 40 Kilogramm pro Quadratmeter. Die Schneelast ist also ein Faktor, der bei der Montage einer Photovoltaikanlage in die Kalkulation mit einbezogen werden muss.
Die Photovoltaikanlage im Winter
Die Photovoltaikanlage im Winter
  • Optimale Solarmodule: Selbstverständlich empfehlen wir nicht, die Module im Winter auszutauschen. Je nach Klima am Standort sollte jedoch über eine Alternative zu den meistverkauften kristallinen PV-Modulen nachgedacht werden: Bei häufigem Nebel eignen sich Dünnschichtmodule mit Cadmium-Tellurid besonders gut. Und CIGS-Module zeigen ihre Stärke bei reflektierendem Schnee. Dass ihr Wirkungsgrad geringer ist, spricht allerdings gegen die relativ teuren Leichtgewichte.
Dünnschocht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid: geeignet auch bei diffusem Licht
Dünnschicht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid: geeignet auch bei diffusem Licht
Bei indirektem Licht wie reflektierendem Schnee zeigen CIIGS-PV-Module Ihre Stärke
Bei indirektem Licht wie reflektierendem Schnee zeigen CIIGS-PV-Module Ihre Stärke
  • Umsichtige Planung: Der tiefere Sonnenstand im Winter sollte bereits bei der Planung einer PV-Anlage berücksichtigt werden. Dies betrifft unter anderem die optimale Ausrichtung und Neigung des Daches. Ganz besonders wichtig ist, die im Winter größere Gefahr einer Verschattung Eine Schattenanalyse ist daher im Vorfeld empfehlenswert.
Teilweise Verschattung einer Photovoltaikanlage © liantho, stock.adobe.com
Verschattungen durch Nebengebäude, Bäume und Sträucher vermindern die Solareinstrahlung auf die PV-Anlage. Das hat Ertragseinbußen zur Folge © liantho, stock.adobe.com
Hinweis: Im Sommer, wenn die Sonne hoch steht, bringen weniger stark geneigte Dächer den größten Ertrag. Im Winter dagegen ist ein optimales Dach steiler und strikt nach Süden gerichtet. Außerdem kann Schnee dann oft von selbst herunterrutschen.

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Höheren Energiebedarf so gut wie möglich decken

Es driftet tatsächlich auseinander: Im Sommer ist der Energieertrag besonders hoch, im Winter dafür der Energiebedarf. Selbst wenn die Photovoltaikanlage nicht zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird: Die Räume wollen beleuchtet werden, die Waschmaschine muss dickere Winterkleidung reinigen, das Elektroauto wird öfter aus der Garage geholt als das Fahrrad etc. Alles Gründe, warum ein Stromspeicher gerade im Winter besonders wichtig ist.

Solarstrom: Tagsüber produzieren, abends und nachts verbrauchen
Solarstrom: Tagsüber produzieren, abends und nachts verbrauchen

Langzeitspeicher, also die Energie vom Sommer bis zum Winter zu speichern, sind noch unglaublich teuer und bei Weitem nicht ausgereift. Verfügbare Speicher dagegen überbrücken nur sehr kurze Zeiträume. Dennoch lohnt sich eine Anschaffung, denn mit einem Energiespeicher steigt die Eigenverbrauchsquote erfahrungsgemäß auf 60 bis 70 Prozent. Im Winter wie im Sommer.

Fazit

Machen wir uns nichts vor: In den Wintermonaten kommt kein Betreiber einer Fotovoltaikanlage um den Zukauf von Netzstrom herum. Dennoch können unter Beachtung einiger Tipps und Tricks bessere Wintererträge erzielt werden. Um die Ertragsaussichten am eigenen Standort grob abzuschätzen, sollte man sich die Strahlungskarten des Deutschen Wetterdiensts ansehen. Sie geben einen Überblick über die empfangene Strahlung in Deutschland – sowohl für das 30-jährige Mittel 1991-2020 (s.o.) als auch für einzelne Monate und/oder Jahre.

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