Photovoltaik: Ertrag in Sommer und Winter

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Photovoltaik: Ertrag in Sommer und Winter – ein Vergleich

Die Menge an nutzbarem Solarstrom, die eine Photovoltaik-Anlage erzeugt, wird Ertrag genannt und in Kilowattstunden (kWh) gemessen. Als Energiequelle bestimmt die Sonne die Höhe des Solarertrags. Es gilt: Je mehr Solarenergie auf die Solarmodule der Anlage trifft, desto mehr kann diese in nutzbaren Strom umwandeln. Die Sonne wechselt jedoch über den Tag und die Jahreszeiten gesehen ihren Stand am Himmel und scheint so mit unterschiedlicher Stärke und aus unterschiedlicher Höhe auf das Solardach. Hinzu kommt das Wetter, das sich buchstäblich zwischen Sonne und Anlage, hier: Sender und Empfänger von Energie, schiebt und so seinerseits den Ertrag beeinflusst. Welche Unterschiede sich aus diesen und anderen Gründen beim PV-Ertrag in Sommer und Winter ergeben, erklärt dieser Beitrag.

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

Als sogenannte Kenngröße (auch Kennwert oder Kennzahl) beziffert der solare Ertrag (auch Solarertrag) den energetischen Ertrag einer Photovoltaik-Anlage. Anders ausgedrückt entspricht der Solarertrag der Menge an dem von der Anlage insgesamt erzeugten Solarstrom, der sich auch tatsächlich nutzen lässt.

Typische PV-Ertragszahlen im Jahresverlauf

Die folgende Grafik veranschaulicht typische Photovoltaik-Erträge im Verlauf eines Jahres am Beispiel einer Anlage in Norddeutschland (Quelle: Wikipedia) – angegeben in Kilowattstunden (kWh) pro KilowattPeak (kWP):

Photovoltaik Jahresgang
Jahresgang einer Photovoltaikanlage, Bild: wikipedia, SechWat

Daraus ließen sich folgende Sommer- und Wintererträge für eine 5-kWP-Anlage zusammenrechnen:

Ertrag PV Anlage 5kWp Winter (Okt – März) 1.185 Sommer (April – Sept) 3.115
100% 28 % 72 %
4000 kWh 1.120 kWh 2.880 kWh

Datensatz, abgelesen aus Diagramm:

  • Jan = 27 kWh
  • Feb = 51 kWh
  • März = 70 kWh
  • Apr = 81 kWh
  • Mai = 123 kWh
  • Juni = 125 kWh
  • Juni = 115 kWh
  • Aug = 103 kWh
  • Sep = 76 kWh
  • Okt = 53 kWh
  • Nov = 17 kWh
  • Dez = 19 kWh
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?

Gründe für Unterschiede bei PV-Erträgen zwischen Sommer und Winter

Die Höhe des Solarertrags einer Photovoltaik-Anlage hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab:

  1. der Menge an Sonnenenergie, die bei der Anlage eintrifft, und
  2. der Menge an Sonnenenergie, die die Anlage in nutzbaren Strom umzuwandeln vermag.
Solaranlage bei Sonnenschein © Jonas Glaubitz, fotolia.com
Solaranlage bei Sonnenschein © Jonas Glaubitz, fotolia.com

Globalstrahlung in Sommer und Winter – definiert, erklärt und beziffert

Globalstrahlung erklärt
Globalstrahlung erklärt

Die Anteile an Sonnenenergie, die tatsächlich unseren Erdboden erreichen, werden als Globalstrahlung bezeichnet, wobei diese in direkte und indirekte (diffuse) Strahlung unterschieden wird. Während direkte Strahlung direkt auf die Erdoberfläche auftritt, handelt es sich bei diffuser Strahlung um gestreute und reflektierte Strahlung. Im jährlichen Mittel kommt die Globalstrahlung jeweils zur Hälfte direkt und diffus an.

Diffuse Strahlung erklärt
Diffuse Strahlung: gestreute und reflektierte Strahlung

Man misst die Globalstrahlung in sogenannten Pyranometern und gibt sie in der Einheit Watt pro Quadratmeter (W/m2) an. Sie lässt sich auf durchschnittlich 1.368 Watt/m2 beziffern.

Tipp: Zum Vergleich des Solarertrags einer Photovoltaik-Anlage in Sommer und Winter ist die jährliche Globalstrahlung wichtig, also die solaren Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kW/m2a).

Die genannte maximale Solarstrahlung wird auf ihrem Weg durch die Atmosphäre zwischen Sonne (Absender) und PV-Anlage (Empfänger) jedoch vermindert,

  • weil sie sich an Luftmolekülen und Aerosolen streut
  • oder weil sie von Wasserdampf und Kohlendioxid absorbiert wird.

Auch die Strecke, die die Strahlungsenergie zurücklegt, beeinträchtigt ihre Intensität: Die Wegstrecke variiert mit dem Stand der Sonne. Hinzu kommen als weitere Einflussfaktoren

  • die Höhe des Standortes (Höhenlage) der PV-Anlage, da diese die Dicke der Luftschicht bedingt, die die Strahlung streut, absorbiert und reflektiert,
  • die Luftqualität am Standort (Stichwort: Luftverschmutzung), da schmutzige Luft eine größere Barriere darstellt als saubere, die von den Strahlen ungestörter durchdrungen werden kann,
  • das Wetter/Klima am Standort, da es die Qualität der Luftschicht beeinflusst.

Aus dem Vorgeschriebenen resultieren drei Fakten:

  1. Je näher am Äquator eine Photovoltaik-Anlage steht, desto höher sind Globalstrahlung und Erträge: Der Weg für die energetische Solarstrahlung von der Sonne zur Erdoberfläche nimmt wegen des steileren Sonnenstandes zum Äquator hin ab.
  2. Je höher die Sonne steht, desto höher sind Globalstrahlung und Erträge. Mittags ist sie demnach am höchsten und morgens und abends niedriger sowie im Sommer höher als im Winter.
  3. Je höher der Standort einer Photovoltaik-Anlage liegt, desto höher sind Globalstrahlung und Erträge.

Die Globalstrahlung, wie sie auf deutschen Boden gelangt, liegt im Schnitt bei 100 bis 130 W/m2. Daraus ergibt sich eine Jahressumme zwischen 900 bis 1.200 kWh/m2. Die meiste Globalstrahlung trifft den Nordosten und den Süden der Bundesrepublik.

Die Globalstrahlung hat einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag
Die Globalstrahlung hat einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag
Tipp: Um auch in ungünstigeren Lagen auf die benötigte Solarstrommenge zu kommen, sollte die Dimensionierung der Anlage auf die spezifischen Bedingungen am Standort und den zu deckenden Bedarf ausgelegt werden. So kann eine flächengrößere oder eine mit leistungsstärkeren Modulen ausgestattete Anlage im Norden genauso viel Ertrag bringen wie eine kleinere oder leistungsschwächere im Süden.
Tipp: Mit dem Photovoltaik Rechner berechnen, ob sich eine Anlage rentiert. Trotz Förderkürzung kann man mit PV-Anlagen viel Geld sparen. Jetzt Rendite berechnen.

Für Photovoltaik-Anlagen in Deutschland ist demzufolge mit einer Globalstrahlung von im Schnitt 1.000 kWh/m2 zu rechnen. Wobei der Durchschnittswert aus zwischen Sommer und Winter sehr stark schwankenden Strahlungen resultiert. Die Rede ist hier von einem 3:1-Verhältnis zwischen sommerlicher und winterlicher Strahlung. An Sonnenstunden sind es im Schnitt 1.300 bis 1.900, die Deutschland jährlich verbucht, wobei das Jahr insgesamt 8.760 Stunden hat. Höchste Sonneneinstrahlung verzeichnen wir in den Monaten Mai bis September, wobei auch die Wintermonate Oktober bis April hierzulande durchaus noch lohnenswerten PV-Ertrag einbringen: Er liegt vergleichsweise stabil zwischen 350 und 400 kWh/m2.

Zieht man die jährlichen Globalstrahlungswerte heran, kommt man für den PV-Ertrag im Winter auf Anteile von gut einem Drittel (um die 34 Prozent) am Jahresertrag.

Tipp: Die hier angeführten 350 bis 400 kWh Solarstrom im Winter liefert Ihnen eine Photovoltaik-Anlage mit einer Nennleistung von einem kWp bestehend aus fünf bis sieben Solarmodulen.

Damit hätten wir die Menge an solarer Energie als den einen der zwei eingangs genannten Faktoren definiert, erklärt und beziffert, von dem der mögliche Ertrag der Photovoltaik-Anlage abhängt. Für einen möglichst hohen Ertrag lässt sich am Sender der Energie kaum „schrauben“. Ganz anders ist das beim Empfänger: der Anlage selbst.

Verschattung PV-Anlage © liantho, fotolia.com
Verschattungen durch Nebengebäude, Bäume und Sträucher vermindern die Solareinstrahlung auf die PV-Anlage. Das hat Ertragseinbußen zur Folge. © liantho, fotolia.com

Denn auch

  • die Ausrichtung des Dachs mit der Anlage gen Sonne,
  • der Neigungswinkel der Anlage gen Sonne, resultierend aus Dachneigung und gegebenenfalls Aufständerung,
  • und die gegebenenfalls auftretende Verschattung des Standortes durch Begrünung oder Nachbargebäude

wirken sich auf die Menge der auf die Photovoltaik-Anlage auftreffenden Solarstrahlen aus. Hierzulande verspricht eine nach Süden ausgerichtete PV-Anlage, die um 30 bis 35 Grad geneigt ist, besten Strahlungsempfang und damit höchste Solarerträge.

Der Ertrag einer PV-Anlage hängt von verschiedenen Faktoren ab
Der Ertrag einer PV-Anlage hängt von verschiedenen Faktoren ab
Tipp: Höhere Winkel sorgen im Winter zwar womöglich für ein früheres und leichteres Abrutschen gegebenenfalls vorhandenen Schnees (Stichwort: Selbstreinigungseffekt), doch im Sommer machen sich niedrigere Neigungswinkel bezahlt, da die Sonne dann sehr hoch steht.

Hinzu kommt die Leistungsfähigkeit der Solarmodule als ein den Ertrag der PV-Anlage beeinflussender Faktor, der sich abzielend auf einen möglichst hohen Ertrag einsetzen lässt:

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Wirkungsgrad der Solarmodule

Es gibt heute viele Solar-Module, die sich in ihrer Beschaffenheit und ihrem Aufbau und daraus resultierend in ihrer Leistung unterscheiden. Die Leistung einer Photovoltaik-Anlage wird üblicherweise in der Einheit WattPeak (Wp) beziehungsweise KilowattPeak (kWp) angegeben – unter anderem als Nennleistung (auch Spitzenleistung) auf dem zum Solarmodul gehörenden Datenblatt. Wobei das englische „peak“, auf Deutsch: „Spitze“, die maximale Leistung der Anlage meint, die allerdings nur unter idealen, standardisierten Bedingungen im Labor (1.000 W/m2, 25 Grad Celsius (°C) Zelltemperatur, 90°C Einstrahlungswinkel bei Lichtspektrum 1,5 Air Mass) zustande kommt. Das heißt, dass die Nennleistung von Photovoltaik-Anlagen noch keine große Aussage darüber zulässt, wie viel Solarstrahlung sie tatsächlich in nutzbaren Solarstrom verwandelt. Das nämlich ist abhängig vom Modultyp, da jede Substanz nur Licht bestimmter Wellenlängen in Strom umwandeln kann – wobei anzumerken ist, dass eine komplette Umwandlung grundsätzlich unmöglich ist.

Wirkungsgrad von Solarmodulen
Wirkungsgrad von Solarmodulen

Demnach gibt der Wirkungsgrad der Anlage uns bessere Auskunft über den Ertrag derselben. Der Wirkungsgrad der Photovoltaik-Anlage resultiert aus dem materialspezifischen Wirkungsgrad der Solarmodule und den Verlusten seitens Wechselrichter und Verkabelung. Die beiden derzeit am häufigsten verbauten Modultypen basieren auf Solarzellen aus

  • monokristallinem
  • und polykristallinem Silizium.

Hochwertige monokristalline Solarzellen kommen auf Wirkungsgrade von 20 bis 22 Prozent, polykristalline auf Wirkungsgrade von 15 bis 20 Prozent. Es gilt: Je höher der Wirkungsgrad der Module ist, desto mehr Strahlung wandeln sie in Strom um.

Tipp: Eine nicht verschattete PV-Anlage erzeugt zwischen dem 0,5-fachen (an einem trüben, kurzen Wintertag) und dem 7-fachen (an einem klaren, langen Sommertag) ihrer Nennleistung. Demnach bringt ein 50-W-Modul Ihnen zwischen 25 und 350 Wh Solarstrom.
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