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.
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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.
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 kaum mehr als ein Viertel des Gesamtertrags.
Verteilung des Jahresertrags auf Sommer- und Winterhalbjahr
Werte: Mittlere monatliche spezifische Erträge von PV-Dachanlagen 2012–2020 in Deutschland.
Quelle: Hochschule Trier / Umwelt-Campus Birkenfeld.
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.
Globalstrahlung als entscheidender Faktor für den Ertrag
Die Sonnenstrahlung, die tatsächlich unseren Erdboden erreicht, wird als Globalstrahlung bezeichnet. Diese setzt sich aus direkter und diffuser Strahlung zusammen: Die Direktstrahlung trifft ungehindert auf die Erdoberfläche auf. Die Diffusstrahlung ist das, was nach Streuung und Reflexion durch Wolken, Feuchte und Verschmutzung noch hindurchdringt. Wie stark sich Direkt- und Diffusstrahlung am Gesamtwert beteiligen, hängt von Sonnenstand, Bewölkung und Atmosphäre ab; in Deutschland spielt diffuses Licht besonders in den Wintermonaten und bei bedecktem Himmel eine große Rolle.
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,
- 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.
- je höher der Standort einer Photovoltaik-Anlage ist. Dünne Luft bildet eine weitaus geringere Barriere als dicke.
- 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.
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.
Aktuelle Entwicklung: Die Globalstrahlung in Deutschland nimmt seit Jahrzehnten zu. Der langfristige Trend seit 1983 liegt bei rund +3,6 kWh/m² pro Jahr (Quelle: DWD, Bericht zur Entwicklung der Globalstrahlung 1983–2020). In der Dekade 2011 bis 2020 lag die mittlere Jahressumme bereits bei 1.114 kWh/m² – deutlich über dem 30-jährigen Referenzwert von 1.086 kWh/m². Für die PV-Planung bedeutet das: Das 30-Jahres-Mittel ist eine eher konservative Orientierung – tatsächliche Erträge liegen an vielen Standorten seit Jahren darüber.
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):
| 1991 – 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 entspricht einem Verhältnis von rund 3,6:1 von sommerlicher zu winterlicher Strahlung bzw. einem Winteranteil von etwa 22 % an der Jahres-Globalstrahlung.
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.
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 kristalliner PV-Module liegt typischerweise bei minus 40 °C – wie gemacht für niedrige Wintertemperaturen. Und mehr noch: Je nach Modul liegt der Temperaturkoeffizient etwa zwischen −0,29 und −0,4 %/K. Bei sommerlichen Modultemperaturen von 60 °C bedeutet das gegenüber den Standard-Testbedingungen bei 25 °C rund 10 bis 14 %, bei manchen Modulen bis etwa 15 % Leistungsverlust. Im Winter dagegen können bei gleicher Einstrahlung sogar höhere Leistungen als unter Standard-Testbedingungen 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.
- Schnee: Eine dicke Schneedecke auf den Modulen kann die Stromproduktion zeitweise stark reduzieren oder stoppen. Entfernen sollten Sie Schnee nur gefahrlos vom Boden aus mit geeignetem Werkzeug oder durch eine Fachfirma – das Besteigen vereister Dächer ist gefährlich, und auf geneigten Dächern rutscht der Schnee häufig von selbst ab. In Gegenden mit viel Schnee können PV-Anlagenbetreiber dennoch vom frostigen Niederschlag profitieren: Die weiße Oberfläche reflektiert die Strahlung und führt oft zu einem leichten Anstieg der Solarerträge.
- Optimale Solarmodule: Selbstverständlich empfehlen wir nicht, die Module im Winter auszutauschen. Für klassische Einfamilienhausdächer sind heute ohnehin meist kristalline Module die marktübliche Wahl. Dünnschichtmodule (Cadmium-Tellurid, CIGS) gelten zwar grundsätzlich als vorteilhaft bei diffusem Licht und niedriger Einstrahlung, werden in Deutschland aber überwiegend für Großanlagen und gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) eingesetzt – für Einfamilienhausdächer sind sie nur eingeschränkt verfügbar und haben einen geringeren Wirkungsgrad. Zusätzliche Erträge durch von Schnee reflektiertes Licht lassen sich vor allem mit geeigneter Aufständerung und bifazialen Modulen erzielen.
- 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.
Wintererträge optimieren – die wichtigsten Hebel
Zusammengefasst für die eigene Anlagenplanung und den Betrieb
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 den Eigenverbrauch deutlich erhöht – mit der Einschränkung, dass im Winter weniger Solarstrom zum Zwischenspeichern anfällt als im Sommer.
Langzeitspeicher, die Sommer-Überschüsse bis in den Winter mitnehmen, sind heute noch unwirtschaftlich und kaum verbreitet. Verfügbare Heimspeicher dagegen überbrücken nur Stunden bis wenige Tage. Dennoch lohnt sich eine Anschaffung: Mit einem Batteriespeicher steigt der Eigenverbrauchsanteil im Jahresmittel typischerweise auf rund 60 bis 70 Prozent. Im Winter fällt der Beitrag des Speichers allerdings spürbar geringer aus als im Sommer, weil die PV-Anlage dann deutlich weniger Überschuss produziert – ein Restbezug aus dem Netz bleibt die Regel.
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.
Was bedeutet das für Ihre Planung?
Die Jahreszeiten-Schwankung ist physikalisch vorgegeben und lässt sich nicht überlisten – aber gut einplanen. Wer eine Photovoltaikanlage auf dem eigenen Dach in Erwägung zieht, kann die drei wichtigsten Stellschrauben gezielt nutzen: eine angemessen groß dimensionierte Anlage, ein passend ausgelegter Stromspeicher und die Auswahl stromintensiver Geräte mit Blick auf den Tagesverlauf. Wer eine Wärmepumpe oder ein Elektroauto einbindet, hebt den Eigenverbrauch zusätzlich – im Sommer wie im Winter. Wichtig ist aber auch ein realistischer Blick: Auch eine große Anlage mit Speicher deckt über die dunkelsten Wochen des Jahres nicht den kompletten Bedarf, ein Restbezug aus dem Netz bleibt die Regel.
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