Der Photovoltaik-Ertrag im Winter ist deutlich geringer als im Sommer. Nur etwa 30% des Jahresertrags einer Photovoltaikanlage wird in den Wintermonaten erzielt. Dennoch lässt sich die Wirtschaftlichkeit der Anlage ganzjährig optimieren, indem man zum Beispiel die Anlagengröße erhöht, effizientere Module verwendet und den Solarstrom zum Heizen nutzt. Mit ein paar Anpassungen kann also auch im Winter eine gute Stromausbeute erreicht werden.
Ursachen für geringeren Ertrag
Der Ertrag einer Photovoltaikanlage ist im Winter deutlich geringer als im Sommer. Dies liegt hauptsächlich an der geringeren Strahlungsleistung der Sonne in den Wintermonaten.
Die Sonne steht im Winter sehr flach am Himmel und die Tage sind kürzer. Dadurch erreicht weniger Sonnenlicht die Erdoberfläche und steht weniger Energie für die Stromerzeugung in der Photovoltaikanlage zur Verfügung. An einem klaren Wintertag beträgt die Strahlungsleistung der Sonne in Deutschland etwa 150 bis 200 Watt pro Quadratmeter. An einem Sommertag mit optimaler Sonneneinstrahlung können dagegen Werte von 800 bis 1000 Watt pro Quadratmeter erreicht werden. Die verfügbare Sonnenenergie ist im Sommer also bis zu 5-mal höher.
Dieser saisonale Unterschied in der Sonneneinstrahlung ist der Hauptgrund, weshalb der Ertrag von Photovoltaikanlagen in den Wintermonaten deutlich sinkt. Nur etwa 30% des Jahresertrags einer Photovoltaikanlage in Deutschland wird in der Regel während der Wintermonate erzielt.
Mehr diffuse Strahlung
Im Winter ist der Himmel häufig bewölkt, was dazu führt, dass ein großer Teil der Sonnenstrahlung diffus ist. Das bedeutet, die Strahlung trifft nicht direkt und gebündelt auf die Solarmodule, sondern wird durch die Wolken gestreut.
Dadurch erhöht sich der Anteil diffuser Strahlung im Vergleich zur direkten Strahlung. An sonnigen Sommertagen besteht die Solarstrahlung zu 80-90% aus direkter Strahlung. Im Winter kann der diffuse Anteil dagegen bis zu 100% betragen.
Diffuses Licht hat den Nachteil, dass es eine deutlich geringere Energiedichte aufweist als direkte Sonnenstrahlung. Deshalb ist der Energieertrag bei bewölktem Himmel viel niedriger. Zudem wird diffuses Licht von herkömmlichen Solarmodulen weniger effizient in Strom umgewandelt.
Vergleich Sommer/Winter
Im Sommer scheint die Sonne intensiver und länger als im Winter. An einem sonnigen Hochsommertag kommt bis zu 20 Mal mehr Sonnenenergie an die Erdoberfläche als an einem bewölkten Wintertag.
Die Ursache dafür ist zum einen der flachere Einfallswinkel der Sonnenstrahlen im Winter. Im Juni steht die Sonne mittags am höchsten, während sie im Dezember nur knapp über dem Horizont steht. Dadurch wird die Sonnenenergie im Winter auf eine größere Fläche verteilt und ist weniger konzentriert.
Zum anderen ist im Winter der Anteil an diffusem Licht durch die stärkere Bewölkung höher. Anstatt direkt auf die Solarmodule zu scheinen, wird das Sonnenlicht in alle Richtungen gestreut. Dies führt zu einer deutlich geringeren Leistung der Photovoltaikanlage im Vergleich zum Sommer.
Maßnahmen zur Ertragssteigerung
Es gibt einige Möglichkeiten, den Ertrag einer Photovoltaikanlage auch im Winter zu steigern.
CIGS-Module sind eine interessante Option. Diese Module nutzen Kupfer, Indium, Gallium und Selen anstelle von Silizium. Sie können diffuses Licht besonders effizient in Strom umwandeln. Da im Winter mehr diffuses Licht vorhanden ist, können CIGS-Module die Erträge deutlich erhöhen.
Eine größere Dimensionierung der Anlage ist eine weitere Option. Wenn die Anlage generell überdimensioniert wird, steht auch im Winter mehr Fläche für die Stromerzeugung zur Verfügung. Allerdings sollte die Größe im Verhältnis zum Eigenverbrauch stehen, da überschüssiger Solarstrom meist nur gering vergütet wird.
CIGS-Module für hohe Erträge bei diffusem Licht
CIGS-Module (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) zeichnen sich durch eine besonders hohe Effizienz bei diffusem Licht aus. Bei bewölktem Himmel kommt ein Großteil des Sonnenlichts diffus zur Erdoberfläche. CIGS-Module können diese diffuse Strahlung besser nutzen als herkömmliche kristalline Silizium-Module.
Dadurch eignen sich CIGS-Module ideal für den Einsatz in Regionen mit vielen trüben Wintertagen. Verglichen mit Standard-Modulen können CIGS-Module den Ertrag an solchen Tagen um bis zu 30% steigern. Allerdings sind CIGS-Module in der Anschaffung teurer, weshalb eine genaue Kosten-Nutzen-Rechnung empfehlenswert ist. Bei häufig diffuser Strahlung am Standort kann sich die Investition aber durch die Mehrerträge schnell amortisieren.
Größere Dimensionierung der Photovoltaikanlage
Eine Möglichkeit, um den Ertrag einer Photovoltaikanlage im Winter zu steigern, ist die Installation einer größeren Anlage. Da im Winter generell weniger Sonnenstrahlung zur Verfügung steht, ist es sinnvoll, die Modulfläche zu vergrößern.
Mehr Modulfläche fängt mehr der verfügbaren Strahlung ein und kann so die niedrigere Strahlungsintensität teilweise kompensieren. Bei der Dimensionierung sollte daher ein etwas größerer Modul-Generator berücksichtigt werden als für den Ertrag im Sommer eigentlich notwendig wäre.
Wird beispielsweise eine Anlage für den Eigenverbrauch des erzeugten Stroms geplant, sollte die Leistung im Winter den gesamten Strombedarf des Gebäudes abdecken können, nicht nur den reduzierten Bedarf im Sommer. Eine leicht überdimensionierte Anlage optimiert so die solare Stromnutzung und Eigenversorgung ganzjährig.
Nutzung für Heizung
Ein Teil des im Winter produzierten Solarstroms kann direkt zum Betrieb einer Elektroheizung oder Wärmepumpenheizung genutzt werden. Dadurch lässt sich der Anteil an erneuerbaren Energien für die Gebäudeheizung erhöhen.
In der Regel kann mit dem Solarstrom jedoch nur ein kleiner Teil des gesamten Heizwärmebedarfs eines Gebäudes gedeckt werden, da die Leistung der Photovoltaikanlage und der Sonnenscheindauer im Winter begrenzt sind. Typischerweise können 10-15% des jährlichen Heizwärmebedarfs durch die direkte Nutzung von Solarstrom abgedeckt werden.
Der Vorteil der direkten elektrischen Heizung mit Solarstrom ist, dass dieser zu 100% aus erneuerbaren Quellen stammt und deutlich günstiger ist als Netzstrom. Zudem wird durch die solare Eigenstromnutzung die Netzeinspeisung und damit die EEG-Umlage reduziert. Insgesamt lässt sich so die Ökobilanz und Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage verbessern.
Nutzung für Heizung
Die im Winter erzeugte Solarenergie kann zum Teil für den Betrieb einer Elektroheizung oder Wärmepumpe genutzt werden. Allerdings kann in der Regel nur ein kleiner Teil des gesamten Heizwärmebedarfs eines Gebäudes durch selbst erzeugten Solarstrom gedeckt werden.
Experten schätzen, dass im Durchschnitt etwa 10-15% des Heizwärmebedarfs moderner Gebäude allein durch die im Winter produzierte Solarenergie gedeckt werden kann. Dieser Anteil hängt natürlich von verschiedenen Faktoren ab, wie der Größe der Photovoltaikanlage, dem Heizwärmebedarf des Gebäudes und den Wetterbedingungen.
Dennoch ist die Nutzung des selbst erzeugten Solarstroms zur Wärmeerzeugung sinnvoll. Der Strom ist zu 100% erneuerbar und in der Regel günstiger als Netzstrom. Auch wenn nur ein Teil des Heizwärmebedarfs gedeckt wird, trägt dies zu einer nachhaltigeren und kostengünstigeren Wärmeversorgung bei.
100% erneuerbarer Strom
Ein Teil des im Winter erzeugten Solarstroms kann direkt zum Betrieb von Elektroheizungen oder Wärmepumpenheizungen genutzt werden. Dadurch lässt sich der teure Strombezug aus dem öffentlichen Netz reduzieren. Der selbst erzeugte Solarstrom ist zu 100% erneuerbar und deutlich günstiger als Netzstrom. Während die Kilowattstunde Netzstrom derzeit rund 30 Cent kostet, liegen die Erzeugungskosten von Solarstrom im einstelligen Centbereich. Durch die direkte Nutzung des Solarstroms für die Wärmeerzeugung wird der ökologische Fußabdruck des eigenen Haushalts minimiert. Solarstrom ist sauber, kostengünstig und trägt zum Klimaschutz bei.
Berücksichtigung der Schneelast bei der Anlagenplanung
Bei der Planung einer Photovoltaikanlage ist es wichtig, die regionale Schneelast zu berücksichtigen. Deutschland ist in vier Schneelastzonen eingeteilt, die sich in der maximalen Schneelast unterscheiden:
- Zone 1: 1,0 kN/m2
- Zone 2: 1,5 kN/m2
- Zone 3: 2,0 kN/m2
- Zone 4: 2,5 kN/m2
In schneereichen Gebieten der Zonen 3 und 4 sollten die Module stärker geneigt montiert werden, um eine Ablösung der Schneemassen zu erleichtern. Zudem sollten speziell zertifizierte Unterkonstruktionen und Komponenten verwendet werden, die höheren Schneelasten standhalten.
Die meisten Modulhersteller geben die maximale Schneelast, die das Modul tragen kann, im Datenblatt an. Bei der Komponentenauswahl ist darauf zu achten, dass alle Komponenten für die vorherrschende Schneelastzone geeignet sind.
Eine fachgerechte Installation der Unterkonstruktion gemäß den regionalen Schneelastanforderungen ist entscheidend, um Schäden an der Anlage durch große Schneemassen zu vermeiden.
Berücksichtigung der Schneelast
Deutschland teilt sich in vier Schneelastzonen auf, die in der DIN EN 1991-1-3 festgelegt sind. Die Zonen reichen von Zone 1 mit einer sehr geringen Schneelast bis zu Zone 4 mit einer hohen Schneelast.
In Zone 1 im Norddeutschen Tiefland und in Teilen des Rhein-Main-Gebiets liegt die Schneelast bei nur 0,65 kN/m2. Hier muss die Schneelast bei der Planung von Photovoltaikanlagen kaum beachtet werden.
In Zone 2, die große Teile Deutschlands abdeckt, beträgt die Schneelast 1,00 kN/m2. Dies betrifft weite Bereiche in der Mitte und im Süden.
Zone 3 umfasst höhergelegene Mittelgebirgsregionen wie den Schwarzwald oder das Erzgebirge. Mit einer Schneelast von 1,50 kN/m2 muss hier bereits bei der Auslegung der Unterkonstruktion und der Modulneigung darauf geachtet werden.
Die Zone 4 mit der höchsten Schneelast von 2,00 kN/m2 gilt nur für die Alpenregion ab etwa 1500 Metern Höhe. Photovoltaikanlagen müssen hier besonders robust dimensioniert werden.
Modulneigung an die Schneelast anpassen
In Regionen mit hoher Schneelast müssen Photovoltaik-Anlagen entsprechend dimensioniert werden. Die Module sollten hier mit einer steileren Neigung installiert werden, um die Schneelast besser abrutschen zu lassen.
Die Modulhersteller geben die maximale Schneelast an, die ihre Module tragen können. Diese Angabe findet sich im Datenblatt des jeweiligen Moduls. Wenn die zu erwartende Schneelast am Standort höher ist als die angegebene Maximal-Schneelast, sollte die Neigung der Module erhöht werden.
Eine Steigung von 20 Grad oder mehr sorgt in der Regel dafür, dass der Schnee von den Modulen abrutschen kann, ohne Schäden zu verursachen. Bei flacheren Neigungen besteht die Gefahr, dass sich der Schnee auf den Modulen ansammelt und diese durch sein Gewicht beschädigt. Mit der richtigen Dimensionierung lässt sich das vermeiden.
Schneebedeckung
Eine schneebedeckte Photovoltaikanlage muss in der Regel nicht freigeräumt werden. Der Ertrag der Anlage ist im Winter ohnehin deutlich geringer als in den Sommermonaten. Wenn überhaupt, sollte das Freiräumen der Module nur durch einen Fachbetrieb erfolgen, um Beschädigungen an der Anlage zu vermeiden.
Die Module und die Unterkonstruktion einer Photovoltaikanlage sind so ausgelegt, dass sie auch eine hohe Schneelast aushalten können. In Gebieten mit hoher Schneelast, wie den Alpen oder Mittelgebirgen, werden deshalb spezielle Module und Unterkonstruktionen verwendet.
Solange die maximale Schneelastangabe des Modulherstellers nicht überschritten wird, kann der Schnee auf den Solarmodulen liegen bleiben. Er schmilzt mit steigenden Temperaturen von selbst ab. Das Freiräumen durch Unkundige kann hingegen zu Beschädigungen an Modulen, Kabeln oder der Unterkonstruktion führen.
Da im Winter sowieso nur ein geringer Solarertrag erzielt wird, ist es in der Regel nicht notwendig und auch nicht empfehlenswert, die Anlage von Schnee zu befreien. Nur in Ausnahmefällen bei extremer Schneelast sollte eine Räumung durch eine Fachfirma in Erwägung gezogen werden.
Schlussfolgerung
Der Photovoltaik-Ertrag im Winter ist zwar deutlich geringer als im Sommer, aber durch die Kombination mit einem Stromspeicher und ggf. Anpassungen bei der Anlagenplanung lässt sich die Wirtschaftlichkeit der Anlage ganzjährig optimieren.
Der Stromspeicher ermöglicht es, den Solarstrom auch dann zu nutzen, wenn gerade keine Sonne scheint. Die Batterie speichert tagsüber den überschüssigen Strom und gibt ihn bei Bedarf wieder ab. Somit kann auch im Winter ein Großteil des erzeugten Stroms genutzt werden.
Bei der Planung und Installation der Anlage sollten die regionalen Gegebenheiten wie Schneelast berücksichtigt werden. Module mit höherer Neigung und robustere Unterkonstruktionen ermöglichen einen sicheren Betrieb auch bei Schnee und Eis. Zudem sollten speziell für die diffuse Strahlung im Winter geeignete Module wie CIGS-Zellen zum Einsatz kommen.
Mit diesen Maßnahmen lässt sich die Energieausbeute deutlich steigern und ein wirtschaftlicher Betrieb auch in den Wintermonaten sicherstellen. Die Photovoltaikanlage wird so zu einer lohnenden Investition für ganzjährigen Solarstrom.
James
Gründer von Balkonkraftwerk800W. Seit 2019 spezialisiere ich mich auf das Verfassen zahlreicher Solar-PV-Testberichte, PV-Produktvergleiche und Balkonkraftwerk-Ratgeber. Ich behalte stets eine objektive und unabhängige Perspektive bei.