Solarertrag verschmutzter Luft
Luftqualität

Solarertrag: Wie Luftverschmutzung und Feinstaub die Stromgewinnung von Solarmodulen reduzieren

Viele der Gefahren, die von Luftschadstoffen wie Feinstaub ausgehen, sind mittlerweile unbestritten und weitläufig bekannt. Aber neben diesen gesundheitlichen Gründen, die dafür sprechen, viel für möglichst gute Luftqualität zu tun, gibt es auch ökonomische Gründe: Denn der Solarertrag, also das, was ein Photovoltaikmodul pro Jahr an erneuerbarer Energie generiert, kann durch Luftverschmutzung und Feinstaub erheblich gemindert werden – und das gleich in doppelter Hinsicht.

Maria Heß

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Der Solarertrag, also das Produkt aus spezifischer Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter und der Peakleistung eines Solarmoduls, sinkt einerseits, weil Luftpartikel in großer Höhe Strahlung absorbieren, wie jetzt eine neue Studie zeigt. Andererseits, weil sich Feinstaub-Partikel auf den Photovoltaikmodulen selbst absetzen und diese verschmutzen. Häufiges Reinigen von Solarmodulen ist aber mit dem Risiko von winzig kleinen Schädigungen der Oberfläche verbunden. Wie reduzieren Luftverschmutzung und Feinstaub also die Stromgewinnung von Solarmodulen?

Weniger spezifische Sonneneinstrahlung durch verschmutzte Luft

Chinesische Wissenschaftler vom Institute of Atmospheric Physics der Chinese Academy of Sciences haben jetzt in ihrer Studie bestätigt, dass verschmutzte Luft das Sonnenlicht streut beziehungsweise absorbiert. Damit erreicht weniger Sonnenlicht die Erdoberfläche – und es gibt weniger spezifische Sonneneinstrahlung.

Dabei ist es insbesondere heikel, dass die Auswirkungen umso schädlicher werden, je kleiner die Feinstaubpartikel sind. Zwar schwankt die Intensität der Sonneneinstrahlung im Laufe der Zeit. Doch neben Wolkendecken können auch freigesetzte Aerosol-Partikel, Asche oder Staub das Sonnenlicht brechen oder streuen.

Die Forscher stellen fest, dass mit zunehmender Luftverschmutzung auch das Verhältnis von Streu- zu Globalstrahlung steigt und somit schließlich weniger Sonnenlicht bis zur Erdoberfläche durchdringt. Außerdem gilt: Je höher die Partikelkonzentration, umso mehr wird das direkte Eindringen von Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche vermindert. Gleichzeitig wird durch mehr Luftverschmutzung auch das Streuungs-Potenzial erhöht.

Unter unterschiedlichen Wetter- und Lichtbedingungen wurde bei unterschiedlichen Graden von Luftverschmutzung erforscht, wie diese sich auf die Sonneneinstrahlung auswirkt. Die auf die Erdoberfläche auftreffende Sonnenstrahlung – die SSR (surface solar radiation) – ist die eigentliche Energiequelle für Photovoltaikanlagen.

Insbesondere bei städtischen Photovoltaikanlagen ist der Solarertrag geringer

Damit weisen die Erkenntnisse dieser Studie auf potentielle Schwierigkeiten hin, die der Solarstromerzeugung keineswegs nur in China bevorstehen, und macht die Umstellung auf erneuerbare Energien nicht weniger herausfordernd.

Bereits 2017 untersuchten Wissenschaftler der American Chemical Society die Auswirkungen von Feinstaub in der Atmosphäre auf die spezifische Sonneneinstrahlung pro Quadratkilometer. In China und Indien stellten die Forscher 17 bis 20 % weniger Energieproduktion durch Photovoltaik fest. Hochgerechnet bedeutet das: Feinstaub ist gegenwärtig in Indien für eine Reduzierung des Solarertrags um bis zu 1 Gigawatt in Indien verantwortlich. In China sind es gar bis zu 10 Gigawatt nicht erzeugter Solarleistung wegen verschmutzter Luft. Der Solarertrag ist entsprechend geringer.

Feinstaub aus menschlicher Aktivität besonders dramatisch

Auch wenn ein Großteil der abgelagerten Teilchen von Staub und Dreck stammen, ist der Feinstaub, der aus menschlichen Aktivitäten wie der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht, ungleich problematischer. Diese Partikel sind häufig sehr klein. Außerdem lassen sie sich nur schlecht reinigen, da sie häufig klebrig sind. Doch je häufiger Solarmodule gereinigt werden, desto größer ist das Risiko, diese hochempfindlichen Oberflächen zu schädigen.

Dabei sind die Forscher keineswegs alleine mit ihren Erkenntnissen: In der Zeitschrift Energy & Environmental Science bestätigen 2018 Wissenschaftler vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), dass die Effekte tatsächlich enorm sind. In einigen Fällen – auch die MIT-Wissenschaftler untersuchten die Situation in Indien und China – kann es den Unterschied zwischen einer erfolgreichen Solarstromanlage und einer Anlage bedeuten, die im Endeffekt nicht das erwartete Produktionsniveau erreicht; und möglicherweise Verluste einbringt.

An der Studie beteiligt war unter anderem der MIT-Professor Tonio Buonassisi von der Maschinenbau-Fakultät. Über zwei Jahre sammelten die Wissenschaftler Messungen der Sonneneinstrahlung und der Umweltverschmutzung – und bestätigten eine deutliche Reduzierung der spezifischen Sonneneinstrahlung auf die Solarmodule. Dabei zeigte sich, dass es in Delhi (Indien) keinen Tag ohne verschmutzte Luft gibt.

Wirtschaftlicher Schaden im Milliardenbereich?

Ergebnis: Die Forscher ermittelten schließlich einen jährlichen, durchschnittlichen Dämpfungsgrad der Solarzellenleistung von etwa 12 Prozent. Genau diese 12 Prozent übersteigen nicht selten die Gewinnmargen und machen damit Photovoltaikanlagen weniger lukrativ.

Hochgerechnet ist der wirtschaftliche Schaden immens: Allein in Delhi könnten sich die Umsatzeinbußen bei der Stromerzeugung auf bis zu 20 Millionen Dollar jährlich, in Kalkutta auf rund 16 Millionen Dollar und in Peking und Shanghai auf jeweils etwa 10 Millionen Dollar jährlich belaufen, schätzt das Team. Geplante Installationen in Los Angeles könnten zwischen 6 und 9 Millionen Dollar verlieren. Insgesamt prognostizieren sie,dass die potenziellen Verluste "leicht Hunderte von Millionen, wenn nicht sogar Milliarden von Dollar jährlich betragen könnten".

Eine weitere Erkenntnis führt nach Einschätzung der MIT-Wissenschaftler zu weniger Solarertrag: Die Erderwärmung. In einer weiteren Studie kommen Ian Peters und Tonio Buonassisi zum Ergebnis, dass im Durchschnitt der Solarertrag je Grad Temperaturerwärmung um 0,45 Prozent zurückgeht. Diese Zahl differiert sicherlich je nach verwendetem Solarmodultypus, aber ist schon ein einzukalkulierendes Risiko.

Mit diesen Erkenntnissen im Hinterkopf, wird noch wesentlich deutlicher, dass die Eingrenzung von Schadstoffemissionen auch im Sinne der Energiewende unumgänglich ist.


(Bild: Mariana Proenca/ unsplash)

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