Ihre Ansprechpartner:

Transkript

1 Ihre Ansprechpartner: Wettervorhersage Tel.: 0 69 / Fax: 0 69 / vorhersage@dwd.de Klimaberatung Tel.: 0 69 / Fax: 0 69 / klima.hamburg@dwd.de Das Klima- & Umweltportal des Deutschen Wetterdienstes HOMEPAGE DES DWD KLIMA + UMWELT KLIMAWANDEL IN DEUTSCHLAND SOLARENERGIE Links wurden getestet im April 2012 Deutscher Wetterdienst Klima- und Umweltberatung Bernhard-Nocht-Str. 76, Hamburg Telefon: 0 69 / , Telefax: 0 69 / klima.hamburg@dwd.de 1.500/

2 Globalstrahlung Die Energie der Sonne

3 Allgemeines zur Globalstrahlung Die Globalstrahlung ist die am Boden von einer horizontalen Ebene empfangene Sonnenstrahlung und setzt sich aus der direkten Strahlung (der Schatten werfenden Strahlung) und der gestreuten Sonnenstrahlung (diffuse Himmelsstrahlung) aus der Himmelshalbkugel zusammen. Bei Sonnenhöhen von mehr als 50 und wolkenlosem Himmel besteht die Globalstrahlung zu ca. ¾ aus direkter Sonnenstrahlung, bei tiefen Sonnenständen (bis etwa 10 ) nur noch zu ca. ¹ 3. Es ist die Bestrahlungsstärke in W/m² von der Bestrahlung in Wh/m² zu unterscheiden, die das Produkt aus Bestrahlungsstärke und der Dauer des Bestrahlungsvorganges beschreibt. Auf der Grundlage der Zeiteinheit einer Stunde hat das zugehörige Stundenmittel der Bestrahlungsstärke den gleichen Zahlenwert wie die Bestrahlung. Extraterrestrische Strahlung Die Sonnenstrahlung trifft als extraterrestrische Strahlung auf den Rand der Erdatmosphäre und wird auf dem Weg durch die Atmosphäre abgeschwächt. Die extraterrestrische Spektralverteilung entspricht der Ausstrahlung eines sogenannten Schwarzen Körpers mit einer Temperatur von etwa K. 98 % der extraterrestrischen Sonnenstrahlung entfallen auf den Wellenlängenbereich 0,29 µm bis 4,0 µm, und zwar: 7 % auf den Bereich 0,29 µm 0,40 µm (Ultraviolettstrahlung), 42 % auf den Bereich 0,40 µm 0,73 µm (Sichtbare Strahlung), 49 % auf den Bereich 0,73 µm 4,00 µm (Infrarotstrahlung). 2

4 Das Energiemaximum liegt bei 0,48 µm im grün-blauen Bereich des sichtbaren Lichtes. Der Mittelwert der Bestrahlungsstärke der extraterrestrischen Sonnenstrahlung beträgt an der Obergrenze der Atmosphäre W/m² und variiert im Laufe des Jahres um ± 3,3 %. Abschwächung der Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre Beim Durchgang durch die Erdatmosphäre erfährt die extraterrestrische Strahlung eine Abschwächung (Extinktion) durch Streuung an Luftmolekülen, durch Streuung, Absorption und Reflexion an Wolken- und Aerosolpartikeln, durch Absorption an Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon und anderen atmosphärischen Spurengasen. Die Extinktion hängt ab vom Sonnenstand, der atmosphärischen Trübung, der Dichte der atmosphärischen Medien und damit auch von der Höhe über dem Meeresspiegel. 3

5 Pyranometer Die Globalstrahlung wird mit dem horizontal justierten Pyranometer gemessen. Als Messfühler dient eine aus hintereinander geschalteten Thermoelementen bestehende geschwärzte Thermosäule. Geschwärzte Empfangsflächen von aktiven Lötstellen der Thermoelemente absorbieren die einfallende Strahlung und erwärmen sich gegenüber passiven Lötstellen innerhalb des Gerätes. Die auftretenden Temperaturdifferenzen erzeugen Thermospannungen, die ein Maß für die empfangene Bestrahlungsstärke sind. Gegen Witterungseinflüsse wird der Messfühler durch zwei halbkugelförmige Glashauben geschützt. Die Messung der diffusen Sonnenstrahlung erfolgt ebenfalls mit einem Pyranometer, das zum Ausblen- 4

6 den der Sonne mit einem Schattenring ausgerüstet ist. Dieser Schattenring deckt jedoch je nach Jahreszeit einen mehr oder weniger großen Streifen des Himmels ab. Deshalb werden die Messwerte nachträglich mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens korrigiert. Der Deutsche Wetterdienst hat sein Referenzstrahlungsmessnetz mit Pyranometern des high quality -Standards ausgerüstet, deren Messunsicherheit bei guter Wartung unter 3% liegt. Die Messgeräte sind in der Regel horizontfrei aufgestellt. Eine eventuelle Horizonteinschränkung durch Bäume, Gebäude oder Bergrücken soll einen Höhenwinkel von 5 nicht überschreiten. Frau Kerstin Kagermann (DWD) reinigt ein mit einem Schattenring ausgestattetes Pyranometer zur Messung der diffusen Sonnenstrahlung vor der historischen Kulisse Potsdams. Die regelmäßige Wartung der Messgeräte ist nach wie vor eine der wichtigsten Voraussetzungen für verlässliche Daten. 5

7 Strahlungsklima in Deutschland Die mittlere Jahreskarte der Globalstrahlung (siehe rechts) zeigt grob eine Dreiteilung des Strahlungsklimas in Deutschland: Eine Zone besonders hoher Einstrahlung erstreckt sich von Bayern über Baden-Württemberg bis nach Rheinhessen. Sie entsteht durch die südlichere Breitenlage und das wolkenärmere, kontinentalere Klima. Eine zweite Zone hoher Einstrahlung beginnt in Sachsen und erstreckt sich über das östliche Brandenburg bis an die Küste Mecklenburg-Vorpommerns. Einflussfaktoren sind im Ostseeraum die geringere konvektive Wolkenbildung im Frühjahr und Frühsommer über dem noch kalten Wasser und die stärkere Kontinentalität. Eine strahlungsärmere Zone reicht von den Mittelgebirgen bis nach Schleswig-Holstein. Ursache für die niedrigere Einstrahlung ist hier die häufige Zufuhr von feuchten Meeres-Luftmassen, die das typisch wolkenreiche, maritime Klima Nordwest-Deutschlands prägt. Durch Stau an den Hügel-/Bergketten der Mittelgebirge wird die Wolkenbildung zusätzlich verstärkt. Lediglich die strahlungsbegünstigten Nordseeinseln bilden eine Ausnahme. 6

8 Globalstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland Mittlere Jahressummen, Zeitraum: Flensburg Kiel Greifswald Rostock Statistische Werte: abs. Max kwh/m² Lübeck Schwerin Mittel 1055 kwh/m² Neubrandenburg Hamburg abs. Min. 951 kwh/m² Emden Bremen Wittenberge Uelzen Meppen Berlin Potsdam Hannover Jahressumme in kwh/m² Frankfurt / O. Magdeburg Münster Wittenberg Detmold Dortmund Essen Nordhausen Leipzig Dresden Köln Aachen Halle Kassel Düsseldorf Cottbus Siegen Bonn Erfurt Gera Marburg Chemnitz Fulda Koblenz Wiesbaden Frankfurt/M. Bayreuth Mainz Würzburg Trier Mannheim Görlitz Nürnberg Saarbrücken Regensburg Karlsruhe Ingolstadt Stuttgart Passau Ulm Augsburg München Freiburg Konstanz Kempten 7

9 Globalstrahlung in Zahlen: Messdaten und Rasterdaten Bodenmessstationen Grundlage der Globalstrahlungsprodukte des DWD bildet das Referenzmessnetz mit derzeit 25 Pyranometerstationen. Verdichtet wird dieses Strahlungsmessnetz in jüngerer Zeit mit SCAPP-Messgeräten (scanning pyrheliometer and pyranometer). Es stehen Stunden-, Tages-, Monats- und Jahressummen der Globalstrahlung und vielfach auch der diffusen Sonnenstrahlung zur Verfügung. Die Station Potsdam weist mit einem Beginn im Jahr 1937 die älteste Strahlungsmessreihe auf. Ein großer Teil der Pyranometer-Stationen wurde in den 70er Jahren eingerichtet. Natürlich gehen beim Deutschen Wetterdienst auch in großem Umfang weltweite Wetterdaten ein. Inzwischen unterhält der Deutsche Wetterdienst ein Archiv mit weltweiten Strahlungsdaten. Globalstrahlung aus Satellitenmessungen Stationsbezogene Messdaten können vom Deutschen Wetterdienst in Hamburg (siehe Rückseite) bezogen werden. 8

10 Satellitendaten Neben diesen örtlichen Messwerten liefert der geostationäre Satellit METEOSAT Strahlungsinformationen. Über Satelliten abgeleitete Strahlungsdaten haben den großen Vorteil, dass sie im Gegensatz zu den Punktmessungen eine für das gesamte Bundesgebiet flächendeckende Angabe bereithalten. Der Satellit METEOSAT beobachtet unser Wetter aus km Höhe. Geostatistische Verfahren In geeigneter Weise werden die unterschiedlichen Datentypen miteinander verknüpft; dabei wird auch die Höhenabhängigkeit der Globalstrahlung bestimmt. Mittels geostatistischer Verfahren wird die Globalstrahlung auf die Gitterpunkte eines Rasters interpoliert. Die Gitterpunkte haben einen Abstand von nur 1 km und decken die gesamte Bundesrepublik ab. Rasterdaten Als Ergebnis dieser Berechnungen stehen flächendeckende Rasterdaten der Globalstrahlung für eine horizontale Empfangsfläche für Deutschland zur Verfügung. Damit können wir für jeden beliebigen Ort in Deutschland mittlere Monatssummen der Globalstrahlung und ab 1998 auch aktuelle Monatssummen liefern. Sie können die Rasterwerte über den Deutschen Wetterdienst in Hamburg beziehen oder über unseren Online-Service WESTE-Solar (siehe Seite 18). 9

11 Globalstrahlungskarten Der Deutsche Wetterdienst erzeugt Rasterdaten der Globalstrahlung flächendeckend im 1-km-Abstand. Sie werden mit geostatistischen Verfahren aus Bodenmessungen und Satellitendaten ermittelt. Ein Rechenprogramm setzt diese Rasterdaten in Bilder um: die Globalstrahlungskarten. Aktuell und als Durchschnitt Globalstrahlungskarten erstellt der Deutsche Wetterdienst für jeden einzelnen aktuellen Monat und für jedes einzelne Jahr. Damit wird die Strahlung für aktuelle Zeiträume übersichtlich dargestellt. Außerdem gibt es auch eine Darstellung der mittleren Globalstrahlung. Sie basiert auf den 30-jährigen Mittelwerten aus dem Zeitraum und bildet die normalen, durchschnittlichen Strahlungsverhältnisse ab. Ein Vergleich der Strahlungskarten aktueller Zeiträume mit diesen Mittelwerten zeigt, wo, wann und um wieviel die tatsächliche Globalstrahlung von den üblichen Werten abgewichen ist. Strahlungskarten online Die Strahlungskarten (Monats- und Jahreskarten - aktuell und vieljährig) des Deutschen Wetterdienstes stehen frei verfügbar auf den Internetseiten des DWD: 10

12 Globalstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland Jahressummen 2011 Flensburg Kiel Greifswald Rostock Statistische Werte: Lübeck Max kwh/m² Schwerin Neubrandenburg Hamburg Mittel 1134 kwh/m² Emden Min. 987 kwh/m² Bremen Wittenberge Uelzen Meppen Berlin Potsdam Hannover Jahressumme in kwh/m² Frankfurt / O. Magdeburg Münster Wittenberg Detmold Dortmund Essen Nordhausen Leipzig Dresden Köln Aachen Halle Kassel Düsseldorf Cottbus Siegen Bonn Erfurt Gera Marburg Chemnitz Fulda Koblenz Wiesbaden Frankfurt/M. Bayreuth Mainz Würzburg Trier Mannheim Nürnberg Saarbrücken Regensburg Karlsruhe Görlitz Ingolstadt Stuttgart Passau Ulm Augsburg München Freiburg Konstanz Kempten 11

13 Ertragsgutachten für Photovoltaik-Anlagen Welchen Ertrag wird die geplante Anlage liefern? Mit welchen Einstrahlungsverhältnissen ist am Aufstellort zu rechnen? Genau diese grundsätzlichen Fragen beantwortet Ihnen der DWD mit seinen Ertragsgutachten. Es wird dabei von der Annahme ausgegangen, dass sich die Globalstrahlung über einen ausreichend langen Zeitraum kaum ändert. In den Einzeljahren kann das Strahlungsangebot erheblich variieren. Eventuelle durch einen Klimawandel verursachte Änderungen bleiben unberücksichtigt. Der DWD rechnet für jeden beliebigen Ort in Deutschland auf der Grundlage des 30-jährigen Messzeitraumes die mittlere Globalstrahlung aus. Basis hierfür bilden die Rasterdaten der Globalstrahlung, die der Deutsche Wetterdienst monatlich flächendeckend im 1-km-Abstand erzeugt. Die Daten gelten für horizontale Flächen. Sie werden auf die Flächenneigung und -ausrichtung der geplanten Photovoltaik-Anlage umgerechnet. Mit der Performance Ratio und der Peak-Leistung der geplanten Anlage wird dann der mittlere monatliche bzw. jährliche Energieertrag berechnet. Diese Angaben beziehen sich auf horizontfreie, nicht beschattete Standorte. Orographisch bedingte Horizonteinschränkungen werden ebenso nicht betrachtet. Nennen Sie uns Ihren Wunsch-Standort, Neigung und Ausrichtung der geplanten Anlage, deren Performance Ratio sowie die Peak-Leistung Ihrer Anlage! Wir berechnen individuell für Ihren Standort die im langjährigen Mittel zu erwartenden Energieerträge. 12

14 13

15 1197 Schwankungen, Trends, Änderungen In den Jahren von 2002 bis 2011 lag lediglich das erste Jahr mit dem Deutschland weiten Flächenmittel der Globalstrahlung unter dem 30-jährigen Mittelwert , neun dagegen zum Teil deutlich darüber. Die längerfristige Variabilität der Globalstrahlung lässt sich aus Stationsmessungen feststellen. Im Deutschen Wetterdienst stehen für einige Messstellen Daten der Globalstrahlung zur Verfügung, die viele Jahrzehnte zurück reichen. Für Potsdam wurde die Zeitreihe mit Messungen der Sonnenscheindauer bis 1893 rückwirkend erweitert. Sie wird heute noch fortgeführt (siehe Abbildung rechts). Der unruhige Verlauf der einzelnen Werte zeigt kurzzeitige Fluktuationen. Es ist aber deutlich zu sehen, dass eine Schwingung mit einer Periode von rund 70 Jahren überlagert ist. In neuerer Zeit zeigt sie einen Rückgang bis etwa Dieses Jahr markiert eine Trendwende, denn seitdem steigt die mittlere jährliche Globalstrahlung wieder an. Diese Trends können nicht nur in Potsdam, sondern mindestens deutschlandweit beobachtet werden. Von den 50er Jahren bis in die 80er Jahre war die Globalstrahlung sogar weltweit zurückgegangen; dies wird als Global Dimming bezeichnet. Der ansteigende Trend der Globalstrahlung beträgt zur Zeit zwischen ca. 0,2 % und ca. 0,4 % je Jahr. Dem sind die bereits erwähnten jährlichen Schwankungen überlagert, die Gebietsmittel der Globalstrahlung für Deutschland in kwh/m Jahressumme Mittelwert

16 G (kwh/m² 0 eine mittlere Variationsbreite von etwa +/- 15 % des langjährigen Durchschnittswertes zeigen Ursache dieser Schwankungen und Trends sind zum einen astronomische Einflüsse, wie z. B. Änderungen der Sonnenaktivität; diese lassen sich gut berechnen. Zum anderen wird die Globalstrahlung bei ihrem Weg durch die Atmosphäre verändert, und diese Einflüsse sind sehr variabel. Veränderungen in der Bewölkung (Bedeckungsgrad, optische Dicke ) spielen dabei eine große Rolle. Die Auswirkungen der zur Zeit stattfindenden Klimaänderung auf die Globalstrahlung sind weitestgehend ungeklärt. Es ist deshalb heute kaum möglich, einen Trend für die weitere Entwicklung der Globalstrahlung anzugeben. Wir müssen die Ursachen und die Vorgänge, die zur Änderung der Globalstrahlung führen, noch genauer erforschen. Jahressummen der Globalstrahlung in kwh/m² Potsdam bis Jahreswerte Mittelwert 1901/ j. gleitendes Mittel 70j. Schwingung 15

17 Wenn der Wind des Wandels weht, bauen die Einen Schutzmauern, die Anderen bauen Windmühlen. (Chinesische Weisheit) Mit der Atomkatastrophe von Fukushima hat die Bundesregierung einen Paradigmenwechsel hinsichtlich der Energiepolitik beschlossen. Deutschland hat damit als eine der größten Industrienationen eine Vorreiterrolle übernommen. Nach dem vollständigen Atomausstieg bis 2022 soll damit das Zeitalter der erneuerbaren Energien eingeläutet werden. Bereits in 2010 wurden 11% des gesamtdeutschen Endenergieverbrauchs und 16.8% des Stromverbrauchs durch erneuerbare Energien abgedeckt. Dies entspricht in etwa einer Treibhausgasvermeidung von 120 Mio. Tonnen CO 2 -Äquivalenten. Wenngleich die Nutzung der Windenergie eine herausragende Rolle spielt, erreichte in den letzten Jahren auch der enorme Zubau von Photovoltaik einen festen Platz in der elektrischen Energieversorgung. So überschritt die installierte PV-Leistung im Juni 2011 die 18 Gigawatt/peak-Marke. Und sie wächst weiter. Damit stehen Betreiber von Verteil- und Übertragungsnetzen vor großen Herausforderungen. Ca. 75 % der in Deutschland installierten PV-Anlagen werden nicht leistungsgemessen. Das führt dazu, dass es zu großen Abweichungen zwischen Solarstromeinspeisungen und Kraftwerksfahrplänen 16

18 kommen kann, was wiederum zu hohen Kosten für Ausgleichsenergie führt und die Netzsicherheit gefährden kann. Bereits heute kümmern sich innovative Firmen erfolgreich um dieses Problem. Mit Hilfe von aufbereiteten Satellitenmessungen (EUMETSAT), einem Verbundreferenzmessnetz zwischen den PV-Parks, einer speziellen PV-Datenbank und einer guten Wetterprognose werden bereits heute zuverlässige Hochrechnungen über die aktuellen Einspeisemengen im 15- minütigen Rhythmus bereit gestellt. So ist es möglich auch Einspeisemengen von Anlagen zu berechnen, wenn diese über keine eigene Messtechnik verfügen. Neben der aktuellen Einspeisung kommt der Prognose der zu erwartenden Energiemenge eine besondere Bedeutung zu. Auf Basis von mehrmals täglich aktualisierten Wetterprognosen des Deutschen Wetterdienstes können zuverlässige Leistungsprognosen für bis zu drei Tagen im voraus erstellt werden. Auch der Deutsche Wetterdienst unternimmt gegenwärtig große Anstrengungen seine Wetterprognosen mit Sicht auf das Zeitalter der erneuerbaren Energien zukunftssicher zu machen. 17

19 WESTE - SOLAR Wetterdaten direkt aus der Datenbank des Deutschen Wetterdienstes Schnell, einfach, verständlich, günstig W ESTE (Wetterdaten und -statistiken express) - Solar greift auf die im 1km-Raster für Deutschland ermittelten Werte der Globalstrahlung zurück (siehe Seite 9). Es werden online für jeden beliebigen Punkt Deutschlands mittlere ( ) und aktuelle (seit 2001 berechnete) Monats- und Jahressummen bezogen auf die horizontale Empfangsebene bereitgestellt. Der Abruf erfolgt in kompletten Jahren unter der Angabe eines oder mehrerer Standorte. Die Ergebnisse werden in Tabellen bereitgestellt, jeweils pro Standort und bis zu 10 Berechnungszeiträume beziehungsweise pro Bezugstermin bis zu 100 Standorte. 18

20 Erneuerbare Energien... Wussten Sie schon, dass im ersten Halbjahr 2011 bereits 20% des deutschen Bruttostromverbrauchs durch Erneuerbare Energien bereitgestellt wurde? (Quelle: Rekord bei der Windenergie - Beim Bio -Strom sind zwei Energieträger besonders auf dem Vormarsch. So haben im Dezember 2011 allein die Windenergieanlagen rund 8,5 Millionen Kilowattstunden erzeugt. Das ist die höchste Wert, den Rotoren jemals in Deutschland produziert haben. (Quelle: 19