Erhöht eine Pandemie den PV-Ertrag? - Société Mont-Soleil
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ERNEUERBARE ENERGIEN | DOSSIER
Erhöht eine Pandemie
den PV-Ertrag?
Langzeitkorrelation mit Meteorologie | Die Photovoltaik entwickelt sich zu einer
tragenden Säule der Stromversorgung. Es lohnt sich deshalb, die Wettereinflüsse
auf den PV-Ertrag zu untersuchen, um Businesspläne zu verfeinern oder die
Vernetzung mit anderen Energieträgern zu optimieren. Langjährige Betriebsdaten
des Sonnenkraftwerks Mont-Soleil wurden dazu mit Meteodaten korreliert.
J A KO B VO L L E N W E I D E R , J A N R E M U N D, M I C H A E L S C H M U T Z
D
ie vorliegende Untersuchung Langzeitmessungen teme an der Berner Fachhochschule
wurde durch die Vermutung Als die Gesellschaft Mont-Soleil [1] ihr (BFH) in Burgdorf, wo auch die Syste-
ausgelöst, dass die überdurch- Sonnenkraftwerk 1992 in Betrieb matik für die Langzeitu ntersuchung
schnittliche Jahresproduktion 2020 nahm, war es mit einer Nennleistung entwickelt wurde.[3] Diese Datenaus-
des Sonnenkraftwerks Mont-Soleil von 560 kW europaweit die grösste PV- wertung erlaubt eine detaillierte Ana-
oberhalb von Saint-Imier (BE) mit dem Anlage. 1993 konnte eine erste, sehr lyse von sporadischen Fehlfunktionen
Lockdown zusammenhängen könnte, positive Bilanz gezogen werden.[2] Im wie Fehlern des Maximum-Power-
der aufgrund der Covid-19-Pandemie Zentrum des Interesses standen dabei Point-Tracking beim Wechselrichter,
im Frühjahr 2020 verhängt wurde. die Solarmodule (Siemens M55) und Beschattung oder Schnee bedeckung
Besonders die stark eingeschränkte der von ABB für den Mont-Soleil des Generators usw.
Mobilität der Schweizer Bevölkerung gebaute selbstgeführte Pulsweiten Bezüglich des Langzeitverhaltens
und die damit verbundenen geringeren modulations-Wechselrichter. Diese lässt die ursprünglich gemessene jähr-
Emissionen von Aerosolen wurden als beiden Baugruppen beanspruchten liche Produktionsabnahme von durch-
möglicher Grund für eine erhöhte mehr als die Hälfte der damaligen Bau- schnittlich 0,06 % zunächst eine sehr
solare Einstrahlung genannt. Zur summe von 8,4 Mio. CHF und beein- hohe Lebensdauer der Solarmodule
Überprüfung dieser Hypothese und flussten damit die Wirtschaftlichkeit (über 40 Jahre) erhoffen. Erfahrungen
ganz allgemein zur Erforschung der des Sonnenkraftwerks am meisten. mit sehr alten Solarmodulen deuten
Bild: Jura Bernois Tourisme
meteorologischen Einflüsse auf den Auch das Langzeitverhalten hat sich aber darauf hin, dass der Degradati-
PV-Ertrag wurde eine 28-jährige Zeit- stark auf die Wirtschaftlichkeit und onsprozess ab einem gewissen Anlage-
reihe der Betriebsdaten des Sonnen- die Ökobilanz des Sonnenkraftwerks alter (typischerweise über 30 Jahre) in
kraftwerks Mont-Soleil mit den ent- ausgewirkt. Um dies zu erforschen, einen beschleunigten Zerfallsprozess
sprechenden Meteodaten korreliert pflegt die Gesellschaft einen engen übergeht. Eine Betriebsdauer von über
und untersucht. Kontakt mit dem Labor für PV-Sys- 40 Jahren erscheint deshalb kaum als
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realistisch. Man sollte eher von einer
auf Markterhebungen basierenden Jahreszeit La Frétaz La Chaux-de-Fonds Chasseral
mittleren Lebensdauer eines PV-Mo- Winter 2,2 % 2,7 % 0,1 %
duls von 33 Jahren ausgehen.[4] Frühjahr 5,4 % 4,5 % 3,4 %
Sommer 3,8 % 3,7 % 2,6 %
Langzeit-Meteodaten Herbst 3,7 % 3,6 % 0,6 %
Die Schweiz verfügt im internationalen Jahr 4,1 % 3,8 % 2,1 %
Vergleich über ein einzigartig dichtma-
schiges Netz an Meteostationen.[5] Tabelle 1 Trends der Globalstrahlung im Grossraum Mont-Soleil im Zeitraum 1981–2020
Dazu gehört SwissMetNet, das Mess- in Prozent pro Dekade.
netz von MeteoSchweiz, das ca. 160
automatische Messstationen zählt.
Diese Stationen liefern alle zehn Minu- 180
ten viele Daten zu Wetter und Klima.
160
Im Raum Mont-Soleil bieten sich bei-
spielsweise die drei Stationen La
verringerter Verdunstung
140
Frétaz, La Chaux-de-Fonds und Chas-
Anzahl Tage mit
120
seral an, um – zusammen mit den lokal
100
auf dem Mont-Soleil erhobenen Meteo-
daten – robuste Langzeitkorrelationen 80
mit den Betriebsdaten des Sonnen- 60
kraftwerks durchzuführen. Dabei ist es
40
selbstverständlich zwingend, dass über
die ganze Zeitreihe mit der gleichen 20
anerkannten Methodik vorgegangen 0
wird, wie dies auf dem Mont-Soleil mit 1980 1990 2000 2010 2020
dem umfassenden klimatologischen
Grundlagenwerk zur Sonnenenergie- Bild 1 Verlauf der Anzahl Tage mit verringerter Verdunstung (ETA/ETP < 0,8) am Süd-
nutzung «Meteonorm» [6, 7] schon hang des Mont-Soleil.
immer getan wurde.
Klimatologie 100
auf dem Mont-Soleil 90
PV PV 12-Monatsmittel Linear (PV) y = -0,0642x + 174,58
Die Sonneneinstrahlung nimmt bereits
80
seit Jahrzehnten kontinuierlich zu.
PV-Produktion / MWh
70
Dieser Trend, der an vielen Orten in
Europa zu beobachten und der auch als 60
«Global Brightening» [8] bekannt ist, 50
wird zu höheren PV-Erträgen führen. 40
Als Hauptgrund gilt die Abnahme der 30
Luftverschmutzung. Der Trend zeigt
20
sich auch an drei nahe dem Mont-Soleil
gelegenen Wetterstationen der Meteo- 10
Schweiz (Tabelle 1). 0
Die Trockenheit hat in den letzten 1993 1998 2003 2008 2013 2018
40 Jahren deutlich zugenommen.
Bild 1 zeigt den Verlauf der Tage mit Bild 2 Verlauf der monatlichen PV-Produktion auf dem Mont-Soleil.
einem Trockenheitsindex für den Wald
ETA/ETP (aktuelle/potenzielle Ver-
dunstung) unter 0,8 in einem Wald- strahlung und Trockenheit führen. Das Mögliche Einflüsse des
stück am Südhang des Mont-Soleil Phänomen ist also selbstverstärkend. Lockdowns im Frühjahr 2020
(Forêt du Droit). Ein Wert unter 0,8 Der PV-Ertrag der Mont-Soleil-An- Grosswetterlagen: Im Frühjahr 2020
bedeutet, dass Bäume aufgrund von lage zeigt aber praktisch keinen Trend war die Wetterlage persistent von blo-
Trockenheit eine eingeschränkte Ver- (Bild 2). Wahrscheinlich kompensieren ckierenden Hochdrucksystemen
dunstung aufweisen. sich die Degradation der Anlage und «Omega-Lage» beeinflusst (Bild 3).
Der ETA/ETP-Wert hängt von der die Zunahme der solaren Einstrahlung Zur langfristigen Einordnung von
Witterung ab: Sonniges, warmes und teilweise. Von 2002 bis 2020, für welche blockierenden Wetterlagen wird häufig
Bilder: Meteotest AG
trockenes Wetter senkt den Wert. Tie- auch lokale Messungen vorhanden der «Blocking Index» verwendet.[9]
fere Werte können wiederum die Bil- sind, hat die Produktion um 2,17 % pro Ein langfristiger Trend dieses Index
dung lokaler konvektiver Bewölkung Dekade abgenommen. Die Degrada- und damit der blockierenden Wetterla-
verringern und zu mehr Sonnenein- tion betrug 4,1 % pro Dekade. gen ist allerdings im Gebiet des
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Emissionen von Aerosolen auf die
regionale AOD auswirken, hängt auch
sehr stark von den vorherrschenden
Witterungsbedingungen ab.
Der Flugverkehr ging während des
Lockdowns – und auch danach – massiv
zurück. Gemäss dem Deutschen Zen
trum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
waren zeitweise 90 % weniger Kon-
densstreifen vorhanden.[11] Ihr Rück-
gang ist aber in den Messungen der
Globalstrahlung auf dem Chasseral
nicht zweifelsfrei erkennbar (Bild 6).
Die Bildung von Kondensstreifen ist
jedoch auch stark abhängig von den
atmosphärischen Bedingungen (Tem-
peratur, Feuchtigkeit). Die Abnahme
im Flugverkehr zeichnet sich somit
nicht unbedingt direkt in der gemesse-
nen Strahlung ab.
CO 2-Fluss-Messungen in Städten
zeigen einen klaren Einfluss des Lock-
Bild 3 Omega-Lage über Mitteleuropa am 15. April 2020. downs auf die lokalen Emissionen.[12]
Dies hat aber (fast) keinen Effekt auf
den regionalen und globalen CO 2-
14 700
Haushalt, widerspiegelt jedoch deut-
12 600 lich den Rückgang der motorisierten
Mobilität während des Lockdowns. Im
Gegensatz zu den Aerosolen hat die
Schönwetterperioden
10 500
Produktion / MWh
8 400 CO 2-Konzentration keinen direkten
Einfluss auf die solare Einstrahlung,
6 300 da die Atmosphäre trotz der Treibhaus-
4 200
gase weitgehend transparent ist für die
kurzwellige solare Einstrahlung. Der
2
Schönwetterperioden PV-Produktion
100 Treibhauseffekt entsteht letztlich erst
dadurch, dass die Atmosphäre mit den
0 0
Treibhausgasen wenig transparent ist
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
für die langwellige Infrarotstrahlung,
Bild 4 Langfristiger Verlauf der Anzahl Schönwetterperioden pro Jahr sowie der die von der warmen Erdoberfläche und
Jahres-PV-Produktion auf dem Mont-Soleil. von der erwärmten Luft emittiert wird.
Zudem finden indirekte Effekte von
CO2 als Treibhausgas erst über längere
Mont-Soleil nicht ersichtlich. Es gen einen klar abnehmenden Trend der klimatologische Zeiträume statt.
scheint sich eine leichte Zunahme von atmosphärischen Trübung. Verrin-
längeren Schönwetterperioden (hier gerte Schadstoffemissionen zeigen sich Fazit
mindestens 5 Tage mit Globalstrah- vor allem in dicht besiedelten Gebie- Die Korrelation der Daten aus dem
Bilder: wetter3.de/Rainer Behrendt, Holger Mahlke / Meteotest AG
lung/Clearsky-Strahlung ≥ 0,75) abzu- ten, so dass im Gebiet Mont-Soleil die langjährigen Betrieb des Sonnenkraft-
zeichnen (Bild 4), welche in einem Luftverschmutzung – mit Ausnahme werks Mont-Soleil mit den entspre-
möglichen Zusammenhang mit stabi- der Ozonbelastung – deshalb eher chenden Meteodaten ergab wertvolle
len Wetterlagen stehen können. gering ist, was auch durch die nächst- Erkenntnisse.
Die Aerosol Optische Dicke (AOD) gelegene langjährige Luftreinhalte- Aus der Klimatologie der solaren
ist ein Mass für den Strahlungstransfer Messstation des Nationalen Beobach- Einstrahlung zeichnet sich bereits seit
durch die Atmosphäre der Erde. Die tungsnetzes für Luftfremdstoffe Jahrzehnten ein steigender Trend ab.
AOD gibt an, wie viel direktes Sonnen- (Nabel) [5] auf dem Chaumont (ober- Dieser Trend ist an vielen Orten in
licht durch in der Atmosphäre vorhan- halb von Neuenburg) bestätigt wird. Europa zu beobachten und ist auch als
dene Partikel gestreut oder absorbiert Im Jahr 2020 zeigten sich keine signifi- «Global Brightening» bekannt. Als
wird. Insofern eignet sich die AOD als kant niedrigeren Schadstoffwerte. Die Hauptgrund gilt die Abnahme der
Indikator für den Einfluss von Luftver- via Satellit bestimmten Aerosol-Werte Luftverschmutzung.
schmutzung auf die Direktstrahlung. über dem Mont-Soleil lagen hingegen Die Trockenheit im Mont-Soleil-Ge-
Satellitenbasierte Messungen der etwas tiefer als in den früheren Jahren biet nimmt stetig zu. Die verringerte
AOD [10] der letzten zwei Dekaden zei- (Bild 5). Wie stark sich die lokalen Verdunstung durch die Vegetation
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kann die lokale konvektive Wolkenbil-
dung verringern und zu mehr Sonnen 0,18
8
einstrahlung führen.
7
0,17
Die PV-Produktion der Anlage
Mont-Soleil zeigt nur einen kleinen 6
0,16
negativen Trend. Sehr wahrscheinlich
kompensieren sich teilweise die Degra- 5
0,15
AOD 550 nm
dation der Anlage und die Zunahme 4
0,14
der solaren Einstrahlung.
Die CO 2-Konzentration hat im 0,133
Gegensatz zu den Aerosolen keinen 2
0,12
direkten Einfluss auf die solare Ein-
strahlung, da die Atmosphäre trotz der 0,111
Treibhausgase weitgehend transparent 0
0,10
ist für die ankommende kurzwellige 2000 2005 2010 2015 2020
solare Einstrahlung.
Die anfänglich geäusserte Vermu- Bild 5 Jahresmittelwerte der Aerosol Optischen Dicke (AOD) der Jahre 2000 bis 2020
tung, dass die hohen Produktionszah- im Gebiet des Mont-Soleil.
len des Sonnenkraftwerks Mont-Soleil
im Jahr 2020 möglicherweise mit dem
im Frühjahr verhängten Lockdown
1000
zusammenhängen, konnte mit unserer
800
Analyse nicht bestätigt werden.
600
Ausblick auf Swiss Energypark 400
Globalstrahlung / W/m2
Die erfolgreiche Langzeitkorrelation 200
von Betriebs- mit Meteodaten bestärkt 0
die Gesellschaft Mont-Soleil in ihrer
1000
Schwerpunktsetzung bei der For-
800
schungsarbeit.[13] Sie legt zudem nahe,
600
diese Methodik in Zukunft ebenfalls
400
auf die Wind- und Wasserkraft im
200
Swiss Energypark [14] anzuwenden.
0
Dieser umfasst das Gebiet zwischen 9.04 10.04 11.04 12.04 13.04 14.04 15.04 16.04
Saint-Imier (BE) und Le Noirmont
(JU), in welchem neue Energietechno- Bild 6 Verlauf der 10-Minutenwerte der Globalstrahlung auf dem Chasseral im April
logien in das bestehende Energiesys- 2019 (blau) und 2020 (rot).
tem eingebaut und praxisnah getestet
werden. Das Gebiet, das auf einer Flä-
che von 282 km2 knapp 20 800 Einwoh- regionalen Meteostationen korreliert [8] M. Wild, «Enlightening Global Dimming and Brigh-
ner zählt, eignet sich dazu besonders werden, um einerseits detaillierte Hin- tening», Bulletin of the American Meteorological
Society, Volume 93, Issue 1, Jan 2012.
gut, weil dort fluktuierende Photo weise zu den meteorologischen Ein- [9] S. Tibaldi, F. Molteni, «On the operational predictability
voltaikanlagen und Windkraftwerke flüssen auf die einzelnen Energieträger of blocking», Tellus A, Volume 42, 1990.
[10] A. Lyapustin, Y. Wang, «MCD19A2 MODIS/Terra+Aqua
sowie konstant produzierende Wasser- zu erhalten und andererseits, um das Land Aerosol Optical Depth Daily L2G Global 1 km
kraftwerke vorhanden sind. Zusammenspiel der einzelnen Ener- SIN Grid V006», distributed by NASA EOSDIS Land
Processes DAAC, 2018.
Die Region des Swiss Energyparks gieträger noch effizienter organisieren [11] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, «Bis
verzeichnete im Jahr 2020 einen Pro- zu können. zu 90 Prozent weniger Kondensstreifen infolge des
verminderten Flugverkehrs», 20. Mai 2020.
duktionsrekord von 127 GWh regional [12] Integrated Carbon Observation System ICOS, «ICOS
und dezentral erzeugter erneuerbarer Referenzen
study shows clear reduction in urban CO2 emissions as a
Elektrizität und kam damit im Jahres- [1] www.societe-mont-soleil.ch
[13]
result of Covid-19 lockdown», Media release 13 May 2020.
J. Vollenweider, «PV-Forschung auf dem Mont-Soleil»,
saldo auf eine Stromautonomie von [2] R. Minder, «Das Solarkraftwerk Phalk Mont-Soleil:
Betriebserfahrungen und erste Bilanz»,
Bulletin SEV/VSE 10/2019.
86 %. Im Gebiet des Swiss Energyparks Bulletin SEV/VSE 10/1993.
[14] www.swiss-energypark.ch
liegen das grösste schweizerische [3] H. Häberlin, C. Beutler, «Analyse des Betriebsver-
Autoren
haltens von Photovoltaikanlagen durch normierte
Windkraftwerk der Juvent SA sowie Darstellung von Energieertrag und Leistung»,
Dr. Jakob Vollenweider ist verantwortlich für Technologie
und Entwicklung der Gesellschaft Mont-Soleil.
das grösste Wasserkraftwerk im Kan- Bulletin SEV/VSE 4/1995.
JJ Gesellschaft Mont-Soleil, 2610 Saint-Imier
[4] T. Hostettler (im Auftrag des BFE und von Swissolar),
ton Jura und Berner Jura der Société «Markterhebung Sonnenenergie 2019 – Teilstatistik
JJ jakob.vollenweider@energieboutique.ch
des Forces Electriques de La Goule SA,
Bilder: Meteotest AG
der Schweizerischen Statistik der erneuerbaren Jan Remund ist Leiter Energie & Klima bei Meteotest AG.
Energien», Juli 2020.
von denen, gleich wie für das Sonnen- [5] www.meteoschweiz.ch
JJ Meteotest AG, 3012 Bern
JJ jan.remund@meteotest.ch
kraftwerk Mont-Soleil, robuste Lang- [6] J. Remund, E. Salvisberg, S. Kunz (im Auftrag des
zeitdaten vorliegen. Diese können mit
BFE), «Meteonorm – Meteorologische Grundlagen für Dr. Michael Schmutz ist Projektleiter Energie & Klima bei
die Sonnenenergienutzung», 1995. Meteotest AG.
den entsprechenden Datenreihen von [7] www.meteonorm.com JJ michael.schmutz@meteotest.ch
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