Luftqualität beeinflusst Solarstrom 10.12.2021, 07:00 Uhr

Solar-Wetterbericht – der erste Schritt ist gemacht

Für die Netzbetreiber wäre es hilfreich, die Photovoltaik-Produktion besser einschätzen zu können, um die verschiedenen Stromquellen aufeinander abzustimmen. Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung hat eine Variable gefunden, die bei der Erstellung eines Solar-Wetterberichts hilfreich sein könnte.

Solaranlage

Die Messeinrichtung steht direkt an der Solaranlage, um aussagekräftige Daten zu sammeln.

Foto: Jonas Witthuhn, TROPOS

Die Energiewende stellt die Netzbetreiber in mehrfacher Hinsicht vor große Herausforderungen. Die Zeiten, in denen der benötigte Strom von wenigen großen Kraftwerken geliefert wurde, sind vorbei. Dezentrale Versorgung lautet jetzt das Stichwort, und nicht nur das. Denn die Einspeisung über Windkraft- und Solaranlagen schwankt erheblich. Diese Problematik wächst mit der Zahl der Anlagen, und die neue Bundesregierung hat angekündigt, die Ausbauziele für Solaranlagen zu erhöhen. Das Thema Prognosen wird daher immer wichtiger. Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung hat sich auf den Weg gemacht, Faktoren für einen Solar-Wetterbericht zu ermitteln. Aus Sicht der Forschenden könnten Aussagen über die Luftqualität dabei eine wichtige Rolle spielen.

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Aerosole beeinflussen den Ertrag von Solaranlagen

Die tagesaktuelle Leistung der Solaranlagen wird nicht nur vom Sonnenstand und der Bewölkung beeinflusst. Ein weiterer Aspekt sind Aerosole (Feinstaub). Die Partikel sind winzig, trotzdem reflektieren sie einen Teil der Sonnenstrahlen oder nehmen Sonnenenergie auf. Es ist bekannt, dass sich diese Eigenschaften auch auf die Strommenge auswirken, die von Photovoltaik-Anlagen produziert wird. Doch wie genau? Im interdisziplinären Forschungsprojekt „MetPVNet“ haben sich Fachleute aus der Atmosphärenforschung und dem Themenfeld erneuerbare Energien zusammengeschlossen, um neue Vorhersagemethoden zu entwickeln und mit Partnern in der Praxis zu testen.

Ein Jahr lang haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Strahlungseffekt von Aerosolen exemplarisch für Deutschland am Boden und in der Atmosphäre mit zwei komplementären Modellierungsansätzen untersucht. Einerseits haben sie die Daten zur Sonneneinstrahlung bei wolkenlosem Himmel analysiert. Dafür griffen sie auf die Werte von 25 Stationen innerhalb des Beobachtungsnetzes des Deutschen Wetterdienstes (DWD) sowie des globalen AERONET-Netzwerkes zu. Andererseits haben sie Simulationen vorgenommen, um den Strahlungstransfer schätzen zu können. Dafür bezogen sie sich auf die Reanalyse des Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zu Spurengasen und Aerosol.

Bei Solaranlagen gibt es ein Ertrags-Gefälle in Deutschland

Das Ergebnis war eindeutig: In Deutschland gibt es ein Gefälle bei der Sonnenenergie. Im Süden der Bundesrepublik scheint die Sonne im Jahresmittel mit bis zu 0,5 Megawattstunden pro Quadratmeter intensiver als im Norden. Das ist dem höheren Sonnenstand geschuldet. Gleichzeitig sorgt das Aerosol aus kontinentalen Quellen dafür, dass die Sonnenenergie im Osten stärker abgeschwächt wird als im Westen Deutschlands. Beide Effekte überlagern sich. Dadurch ist der Ertrag der Solaranlagen an der Neiße im äußersten Osten Deutschlands bis zu 0,05 Megawatt pro Quadratmeter geringer als in den Alpen im äußersten Süden. Natürlich kommen weitere Faktoren hinzu, die den Photovoltaik-Ertrag beeinflussen. Nicht nur die Bewölkung, auch die Höhe der Solaranlage spielt unter anderem eine Rolle.

Nichtsdestotrotz ist für die Forschenden klar geworden: „Die Strahlungswirkung von Aerosol sollte bei den tagesaktuellen Prognosen für Solarstrom unbedingt mit berücksichtigt werden. Das CAMS-Modell des Europäischen Klimabeobachtungsprogramms Copernicus ist eine gute Datengrundlage, die aber noch verfeinert werden sollte, damit die Netzbetreiber den steigenden Anteil an Strom aus Photovoltaikanlagen in ihren Stromnetzen besser steuern können“, sagt Hartwig Deneke, Leiter der Arbeitsgruppe Satellitenfernerkundung am TROPOS. „Unsere Grundlagenforschung liefert so einen wichtigen Baustein für die Energiewende und betont die gesellschaftliche Relevanz des Forschungsthemas Aerosol über die Luftqualität hinaus.“ Seine Arbeitsgruppe nutzt Satellitendaten, um die Eigenschaften von Wolken und Aerosol zu untersuchen und ihren Einfluss auf die solare und terrestrische Strahlung zu bestimmen.

Weitere Studien sollen zu einem Solar-Wetterbericht führen

Für die Forschenden ist ihre Studie ein wichtiger Schritt in Richtung eines Solar-Wetterberichts. Dafür müssten sie aber zunächst Daten über einen längeren Zeitraum von mehreren Jahren auswerten, da Sonneneinstrahlung und Luftqualität zwischen verschiedenen Jahren erheblich schwanken könnten. Wenn sich ihre Analyse bestätigt, könnte daraus ein wichtiges Tool für die Stromnetzbetreiber entstehen.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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