photovoltaik Ausgabe: 05-2017

Blick zurück in die Glaskugel


Auf dem Dach des Observatoriums in Lindenberg misst der DWD die Einstrahlung mit unterschiedlichen Messgeräten.

Auf dem Dach des Observatoriums in Lindenberg misst der DWD die Einstrahlung mit unterschiedlichen Messgeräten.

Messtechnik — Vor 130 Jahren begann die Geschichte der solaren Strahlungsmessung. Heute geht es neben exakten Messwerten vor allem um genaue Prognosen. Diese wiederum lassen sich auch mithilfe von historischen Daten berechnen.  Petra Franke

Über das Wetter zu reden fällt den meisten Menschen leicht. Ob im Fahrstuhl, am Gartenzaun oder Familientisch, das Wetter taugt immer für eine Unterhaltung. Nichts falsch machen kann man, wenn man über das Wetter von gestern spricht, aber auch eigene Prognosen werden gern gewagt. Und wenn sich die mal als falsch erweisen, ist das überhaupt nicht schlimm. Schließlich können nicht einmal die großen Wetterdienste mit Hunderten von Wissenschaftlern und Unmengen Rechnerkapazität exakte Vorhersagen treffen. Zumindest nicht immer.

Für die Netzintegration immer größerer Mengen Wind- und Solarstrom wird die Frage nach genauen Prognosen jedoch zur Gretchenfrage. Je größer die Mengen aus volatilen Energieträgern, desto wichtiger wird die Vorhersage ihrer voraussichtlichen Erträge. Irrtümer und Ungenauigkeiten können ernste Folgen haben. Nicht umsonst hat selbst der Weltenergierat in seinem jüngsten Bericht zu den Herausforderungen der Zukunft auch genauere Wetterprognosen als einen Baustein der stabilen Stromversorgung genannt.

Sag mir, wo die Wolken sind

Die Wissenschaftler forschen unermüdlich, doch das Wetter ist so komplex, dass keine Modellrechnung es exakt voraussagen kann. Wenn man also verstehen will, was machbar ist, lohnt sich ein Blick auf den derzeitigen Entwicklungsstand.

Für die Photovoltaik ist die Globalstrahlung an einem bestimmten Standort oder in einer Region der wesentliche Faktor, um Aussagen über Erträge der nächsten Stunde oder Tage zu treffen. Die Prognose der Einstrahlung dann auf die jeweilige Anlage oder das jeweilige Netzgebiet mit seinen verteilten Anlagen zu modellieren, ist zwar nicht trivial, aber mit Kenntnissen der Anlagenphysik und ausgeklügelten statistischen Verfahren mit ausreichend hoher Genauigkeit machbar.

Die Sonne scheint doch vermeintlich immer gleich – weshalb ist es dann so schwierig, für einen Zeitpunkt oder Zeitraum die Menge der Strahlung zu berechnen, die voraussichtlich an einem bestimmten Ort die Erde erreicht?

Kurzfristige Prognosen sind schwierig

Stellt man die Frage für einen konkreten Zeitpunkt in der nahen Zukunft, ist die Vorhersage ungemein schwieriger beziehungsweise unsicherer, als wenn man die Frage bezogen auf den Zeitraum der nächsten 20 Jahre stellt.

Bei Letzterem ist es sogar relativ einfach. Mittelwerte und Schwankungsbreiten, die über lange Zeiträume erhoben und analysiert wurden, helfen bei der Berechnung für lange Zeiträume der Zukunft. Dabei gehen die Forscher davon aus, dass sich das Klima und somit auch die Einstrahlungswerte am Erdboden nur langsam im Vergleich zum schnell wechselnden Wetter ändern. Auf dieser Basis können Mittelwerte über zehn und 20 Jahre unter Berücksichtigung der langfristigen Trends als Ausgangspunkt für die Abschätzung der zukünftigen Einstrahlung dienen.

Ein Mittelwert aus den letzten 20 Jahren wird natürlich nicht punktgenau in einem zukünftigen Jahr oder Monat erreicht. Vielmehr wird davon ausgegangen, dass über die Lebensdauer der Anlage betrachtet in etwa gleiche Globalstrahlungswerte wie im langjährigen Mittel erreicht werden. Insofern ist es auch durchaus möglich, dass für ein Jahr oder einen Monat, ja sogar für mehrere Jahre in Folge die realen Einstrahlungswerte nach oben oder unten vom langjährigen Mittel abweichen. Diese Varianzen können sechs bis sieben Prozent betragen.

Für Kurzfristprognosen, also Aussagen über die nahe Zukunft, zum Beispiel die nächsten Stunden oder Tage, sieht alles ganz anders aus –weil Wolken, ihre Bildung, Bewegung und Auflösung so schwer vorherzusagen sind. Sie streuen und absorbieren das Sonnenlicht und haben den entscheidenden Einfluss auf die auf der Erde auftreffende Globalstrahlung, die sich aus direkter und diffuser solarer Strahlung zusammensetzt.

Bei wolkenlosem Himmel üben Aerosole und Wasserdampf den größten Einfluss auf den solaren Strahlungsstrom aus. Sie verändern nicht nur das Verhältnis zwischen direkter und diffuser Sonnenstrahlung, sondern schwächen diese auch in den meisten Fällen. Auch Sandstürme haben in einigen Gegenden der Erde Einfluss auf die empfangene Strahlungsmenge. Selbst der Staub aus der Sahara, der bis nach Deutschland gelangt, vermindert die Einstrahlung, einerseits durch Absorption der Strahlung in der Atmosphäre, andererseits durch Verschmutzung der Module.

Wie alles begann

Die Geschichte der solaren Strahlungsmessung begann vor rund 130 Jahren. Das Interesse kam vor allem aus der Landwirtschaft. Thermometer und Barometer wurden allerdings schon 200 Jahre früher erfunden. Temperatur und Luftdruck waren schon lange gängige Größen, als die Strahlungsmessung ihre ersten Entwicklungsschritte unternahm.

Die Forscher hatten zunächst nur die Direktstrahlung im Blick. Das ist die schattenwerfende Strahlung und damit der Teil des Sonnenlichts, der trotz Absorption durch Wasserdampf und andere atmosphärische Gase die Erdoberfläche erreicht.

An einem wolkenfreien Tag mit geringer Trübung besteht die auf der Erde eintreffende solare Strahlung zur Mittagszeit zu etwa 90 Prozent aus Direktstrahlung, während unser Tageslicht bei wolkenverhangenem Himmel ausschließlich aus diffuser Strahlung besteht.

Die Summe aus direkter und diffuser Strahlung ergibt die Größe der Globalstrahlung, die in Watt pro Quadratmeter gemessen wird. Bei Sonnenhöhen von mehr als 50 Grad und wolkenlosem Himmel besteht die Globalstrahlung zu rund drei Vierteln aus direkter Sonnenstrahlung, bei tiefen Sonnenständen nur noch zu rund der Hälfte. Summen über Zeiträume, zum Beispiel Stunden oder Jahre, geben Meteorologen in Joule pro Quadratzentimeter an, wobei Ingenieure und Photovoltaikprofis lieber Wattstunden pro Quadratmeter benutzen.

Prinzip der ersten Geräte

Mit der Entwicklung der ersten Absolut-Pyrheliometer im letzten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts, die nahezu zeitgleich in Schweden und Amerika erfolgte, gab es erste Geräte zur exakten Messung der direkten Strahlung. Die Geräte hatten einen kleinen Öffnungswinkel, sodass im Wesentlichen nur die direkte Sonnenstrahlung erfasst wurde. Sie wurden der Sonne nachgeführt.

Dieses Prinzip wird auch heute noch angewandt, auch wenn natürlich inzwischen die Geräte weiterentwickelt wurden. Vergleiche zwischen dem schwedischen und den amerikanischen Instrumenten zeigten jedoch nicht akzeptable Differenzen. Auch aufwendige Untersuchungen führten zunächst nicht zum Erfolg.

Alle fünf Jahre in Davos

Unter dem Druck des für 1958 geplanten Internationalen Geophysikalischen Jahres (IGJ), in dem weltweit Strahlungsmessungen durchgeführt werden sollten, wurde 1956 die einheitliche internationale Pyrheliometerskala (ISP 1956) definiert.

In deren Folge brachten Forscher von den führenden Instituten der Welt rund 20 Geräte nach Davos und verglichen vor Ort in zeitgleichen Messungen ihre Messergebnisse. Als Referenz wurde das schwedische, von Knut Angström entwickelte Gerät ausgewählt. Seitdem findet dieser internationale Pyrheliometervergleich alle fünf Jahre in Davos statt. Aus den Abweichungen der einzelnen Geräte werden Faktoren ermittelt.

Die Meteorologen fahren danach mit ihrem Gerät und dem errechneten Faktor nach Hause in ihre Länder und können die in ihrem Messnetz befindlichen Messgeräte entsprechend kalibrieren.

Anfang der 1980er-Jahre wurde die IPS 1956 durch die World Radiometric Reference (WRR) ersetzt. Sie wird durch sechs verschiedene Absolutradiometer repräsentiert. Diese stellen das „Urmeter“ für die solaren Strahlungsmessungen dar und sichern die Verbindung zum SI-System. Durch die regelmäßigen Pyrheliometervergleiche wird die Vergleichbarkeit und Homogenität der weltweit gemessenen Strahlungsdaten gewährleistet.

Wie misst ein Pyranometer?

Die Globalstrahlung wird mit Pyranometern gemessen. Über einem Sensor, einer schwarzen Thermosäule, befindet sich eine Kalotte, eine halbkugelförmige, lichtdurchlässige Haube aus Glas. So wird im Gegensatz zum Pyrheliometer die gesamte aus dem oberen Halbraum auf einer Fläche eintreffende Strahlung gemessen.

In der Thermosäule werden zwei Thermoelemente, zum Beispiel Kupfer und Konstantan, miteinander verbunden. Die Kontaktspannung dieser verbundenen Metalle ändert sich temperaturabhängig. Wird eine Verbindungsstelle auf einer bestimmten Temperatur gehalten, zum Beispiel durch Abschattung, und die andere, zur besseren Wärmeaufnahme geschwärzte Kontaktstelle der Strahlung ausgesetzt, wird eine Spannung ausgegeben, aus deren Höhe die Einstrahlung ermittelt wird.

Zunächst nur wenige Stationen

Bis nach dem Zweiten Weltkrieg gab es weltweit nur rund ein gutes Dutzend Stationen, die regelmäßige Strahlungsmessungen durchführten und aufzeichneten. Die Bedeutung der Größe war den Meteorologen klar, aber für die täglichen praktischen Anwendungen reichten Temperatur, Niederschlag und Wind. Ein anderer Meilenstein in der Geschichte der Strahlungsmessung war die Einrichtung des Datensammelzentrums in St. Petersburg 1964. Dorthin wurden die Messdaten von allen Stationen geschickt. Auch die Anzahl der Stationen nahm zu. So entstand der erste globale Einstrahlungsatlas.

Mit dem Einzug elektronischer Aufzeichnungsgeräte und dem Bau der ersten Photovoltaikanlagen gewann die Strahlungsmessung an Dynamik und Bedeutung. Das Bodenmessnetz wurde ausgebaut. 1990 im Jahr der Deutschen Einheit gab es 42 Stationen in ganz Deutschland, die die Globalstrahlung gemessen haben. Derzeit sind es allerdings nur rund 30, wobei neuere Forschungsergebnisse nahelegen, dass 40 Stationen für Deutschland die optimale Datengrundlage bilden und deshalb auch einige Stationen ihren Messbetrieb wieder aufnehmen werden.

Bodenmessstationen messen die Einstrahlung an einem konkreten Punkt. Auch wenn genaue und homogene Zeitreihen vorhanden sind, bleibt ein kleiner Makel. Um die Fläche Deutschlands abzubilden, muss „hochgerechnet“ werden. Wären das Wetter und die Wolkenbildung überall in Deutschland gleich, gäbe es bei diesem Vorgang keinen Genauigkeitsverlust. Doch wie jeder weiß, haben Wolken die Eigenschaft, regional sehr verschieden intensiv, ganz oder gar nicht, dick oder dünn aufzutreten.

Wie gut, dass es seit Beginn der 80er-Jahre die kontinuierliche Satellitenbeobachtung gibt. Sie misst die Reflexion des Sonnenlichts an der Oberfläche, der dem Weltraum zugewandten Seite der Wolken, und errechnet daraus einen Einstrahlungswert am Boden.

Noch sind die Satellitendaten weniger genau als die Bodendaten, aber sie haben einen unschlagbaren Vorteil: Sie messen eine ganze Fläche.

Satelliten komplettieren Bild

In Kombination mit den Daten aus den Bodenmessstationen können Meteorologen deshalb heute schon sehr genaue Strahlungswerte für den ganzen Erdball angeben. Und für die letzten 20, 25 Jahre existieren ausreichend lange und homogene Zeitreihen, die auch die Darstellung eines langjährigen Mittelwertes erlauben.

Für die Verbesserung der Kurzfristprognosen ist die genauere Strahlungsmessung jedoch nur ein Hebel. Vielmehr müssen die numerischen Vorhersagemodelle weiter verbessert werden. Daran arbeiten unter anderem Forscher des DWD gemeinsam mit Netzbetreibern und dem Fraunhofer IWES.

www.dwd.de

Literatur

Fussnoten

  • Der Satellit Meteosat beobachtet unser Wetter aus 36.000 Kilometer Höhe.

  • Satelliten messen die Reflexion des Sonnenlichtes auf der Oberseite der Wolken. Daraus wird die Einstrahlung auf der Erde errechnet.

Foto: DWD

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