Photovoltaik

Python-Skripte zur Berechnung der Sonneneinstrahlung in die geneigte Ebene

Einführung

Die Kenntnis der Sonneneinstrahlung am Standort einer Photovoltaikanlage ist von entscheidender Bedeutung, um daraus den Stromertrag berechnen bzw. abschätzen zu können und um die Performance Ratio (PR) als Qualitätskennzahl einer PV-Anlage zu berechnen.

In der Regel liegen Einstrahlungsdaten am Standort der PV-Anlage nicht vor, da kein geeignetes Messsystem vorhanden ist. Wettermessstationen befinden sich nicht in unmittelbarer Nähe zur Anlage, sodass die Einstrahlungsmessdaten ggf. sehr ungenau sind, wenn diese auf den Standort der PV-Anlage umgerechnet werden. Flächendeckend liegen nur Messdaten der Sonneneinstrahlung auf Satellitenbasis vor, welche die Dichte der Wolkendecke bestimmen und daraus die Einstrahlungsdaten am Boden berechnen.

Die Einstrahlungsmessdaten liegen meistens für die Horizontale vor, d.h. wie groß die Strahlungsleistung bzw. eingestrahlte Energie pro Quadratmeter auf die horizontale Ebene ist. Da die PV-Module eine Neigung aufweisen (abhängig vom Standort und den äußeren Umständen wie z.B. die Orientierung und Neigung eines Satteldachs), muss die horizontale Einstrahlung in die geneigte Ebene umgerechnet werden. Hierzu müssen der direkte und diffuse Anteil der Horizontalstrahlung bekannt sein, um daraus die drei Einstrahlungsanteile direkt, diffus und reflektiert in die geneigte Modulebene zu ermitteln.

Im Folgenden wird zunächst erläutert, wie der Zugriff auf horizontale Strahlungsdaten für Standorte in Europa über den CAMS Radiation Service des COPERNICUS Erdbeobachtungsprogramms der EU erfolgt. Anschließend wird ein Skript zur Berechnung der Einstrahlung in die geneigte Ebene auf Basis des isotropen Himmelsmodells für diffuse Strahlung vorgestellt. Schließlich wird dargestellt, wie die Python-Bibliothek pvlib der PVPerformance Modeling Collaborative der Sandia National Laboratories genutzt werden kann, um die Einstrahlungsumrechnung durchzuführen.

Die zugehörige Jupyter-Notebook-Datei kann unter folgendem Link heruntergeladen werden:
https://www.umwelt-campus.de/ucb/fileadmin/users/176_h.teheesen/script/irradiance/calc_tilted_irradiance.ipynb

Die folgenden Ausführungen inkl. des Python-Codes sind aus der Jupter-Notebook-Datei entnommen und in HTML übertragen worden.

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PV-Ertragsstudie 2017

Wir haben auch in diesem Jahr wieder die Ertragsdaten von mehr als 23.000 Photovoltaikkleinanlagen mit einer Nennleistung bis 30 kWp in Deutschland für das Kalenderjahr 2017. Hierzu haben wir Tagesertragsdaten inklusive der Konfiguration der PV-Anlagen verwendet und die Ertragsdaten auf monatliche Werte aggregiert. Die Daten sind durch einen zweistufigen Algorithmus bereinigt worden, um nur PV-Anlagen ohne Fehlfunktion zu betrachten.

2017 war in weiten Teilen Deutschlands ein eher unterdurchschnittliches Ertragsjahr für Photovoltaikanlagen mit einem Minderertrag von rund drei Prozent, verglichen mit dem Referenzzeitraum 2012 bis 2016. Lediglich im Juni lagen die Erträge in 2017 über dem langjährigen Mittel, die übrigen Monate reihen sich im unteren Drittel der Monatserträge ein.

Im Südwesten Deutschlands konnten 2017 die höchsten spezifischen Erträge von über 1.100 kWh/kWp ermittelt werden. Hingegen betragen die spezifischen Erträge der Photovoltaikanlagen im Nordwesten lediglich 900 bis 950 kWh/kWp. Die regionale Spreizung der Erträge ist im Vergleich zu den Vorjahren relativ groß.

Die Auswertungen in dieser Studie basieren auf rein statistischen Methoden und Algorithmen. Daher sind die Ergebnisse objektiv nachprüfbar und weisen keinen subjektiven Einfluss auf. Die Signifikanzanalyse zeigt, dass bei einer hinreichend großen Zahl auswertbarer PV-Anlagen die statistischen Ergebnisse die wahren Erträge der Solaranlagen sehr gut widerspiegeln.

Weiterführende Informationen zur Studie, zur Forschung im Bereich der Ertragsanalyse von Photovoltaikanlagen sowie Kontaktdaten sind zu finden unter:
https://www.umwelt-campus.de/ucb/index.php?id=ertragsstudie

Photovoltaikanlagen sind umweltschädlicher als Kernkraftwerke

Das Magazin heise online berichtet von einer „Studie“ (die Anführungszeichen sind in diesem Zusammenhang bewusst gewählt) mit dem Titel „Are we headed for a solar waste crisis?“ der Initiative „Environmental Progress„, in der belegt werden soll, dass Photovoltaikanlagen rund 300-Mal mehr belasteten Abfall in Bezug auf die produzierte Energiemenge als Kernkraftwerke erzeugen. Einen direkten Link zu dieser „Studie“ gibt es leider nicht, sodass das (pseudo-)wissenschaftliche Vorgehen in dieser „Studie“ nicht nachgeprüft werden kann.

Kernkraftwerk Mülheim-Kärlich vor dem Rückbau

Laut den Autoren der Studie, Jemin Desai und Mark Nelson, erzeugt ein Kernkraftwerk pro produzierter TWh elektrischer Energie lediglich rund 780 Tonnen Beton und etwa 200 Tonnen Stahl als Abfallstoff nach dem Rückbau. Photovoltaikanlagen hingegen verursachen folgende (gefährliche) Reststoffe:

  • 3.700 Tonnen Zement,
  • 400 Tonnen Beton,
  • 2.650 Tonnen Glas,
  • 8.000 Tonnen Stahl und
  • 2.000 Tonnen sonstige Materialien (u. a. Blei Cadmium und Chrom).

Bei objektiver Betrachtung fällt auf, dass die Autoren der „Studie“ offensichtlich noch nicht einmal in der Lage sind, Äpfel mit Birnen zu vergleichen. Bei PV-Anlagen wird scheinbar nicht nur die Fertigungsfabrik der Solarmodule, sondern auch das Gebäude mit der PV-Anlage auf dem Dach „auf den Müll geworfen“, um solche Reststoffverbrauchszahlen zu ermitteln. Bei Kernkraftwerken hingegen wird die Behandlung der radioaktiv verseuchten Reste (Brennstäbe, Reaktorbauteile) völlig außer acht gelassen, sondern es werden lediglich die Reststoffe des reinen Kernkraftgebäudes betrachtet. Dies ist ein sehr „interessanter“ Ansatz zur Berechnung des Umweltschadens durch PV-Anlagen und Kernkraftwerke.

Etwas besser lässt sich dieses Ergebnis der „Studie“ einordnen, wenn berücksichtigt wird, dass die Initiative und insbesondere der Gründer von Environmental Progress, Michael Shellenberger, sehr eng mit der US-amerikanischen Kernkraftlobby zusammenarbeiten. Aber selbst dann muss man schon sehr kreativ sein, um eine solche „Studie“ zu verfassen.

Studie zum Ertrag von Photovoltaikanlagen 2016 in Deutschland

Heute veröffentlichen wir die Studie zum Ertrag von Photovoltaikanlagen 2016 in Deutschland, die in den letzten Wochen in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Martin Rumpler vom Umwelt-Campus sowie Prof. Dr. Volker Herbort von der Hochschule Ulm entstanden ist.

In dieser Studie analysieren wir die Ertragsdaten der Photovoltaikanlagen in Deutschland für 2016. Hierzu verwenden wir anonymisierte Ertragsdaten aus öffentlich zugänglichen Datenbanken inklusive der Konfiguration der PV-Anlagen und aggregieren diese Daten auf monatliche Werte. Die Daten werden durch einen zweistufigen Algorithmus bereinigt, um nur PV-Anlagen ohne Fehlfunktion zu betrachten.

2016 war in weiten Teilen Deutschlands ein durchschnittliches Ertragsjahr für Photovoltaikanlagen, verglichen mit dem Referenzzeitraum 2012 bis 2015. Im Verlauf des Jahres lagen die Erträge im Mai und insbesondere im September über den langjährigen Ertragsmittelwerten; im Gegenzug waren der Februar, der März und der Oktober ertragsärmer als der Durchschnitt.

In Bayern und Baden-Württemberg konnten die höchsten spezifischen Erträge von über 1.040 kWh/kWp beobachtet werden. PV-Anlagen in Brandenburg und Sachsen-Anhalt wiesen Erträge von 1.020 bis 1.040 kWh/kWp auf, während die PV-Anlagen im Westen und Norden Deutschlands spezifische Erträge zwischen 960 kWh/kWp an der Nordsee und 1.010 kWh/kWp im Taunus und Westerwald erwirtschafteten. Die Auswertungen in dieser Studie basieren auf rein statistischen Methoden und Algorithmen. Daher sind die Ergebnisse objektiv nachprüfbar und weisen keinen subjektiven Einfluss auf. Die Signifikanzanalyse zeigt, dass bei einer hinreichend großen Zahl auswertbarer PV-Anlagen die statistischen Ergebnisse die wahren Erträge der Solaranlagen sehr gut widerspiegeln.

Die Ertragsstudien 2016 sowie vorheriger Jahre können unter
https://www.umwelt-campus.de/ucb/index.php?id=ertragsstudie
heruntergeladen werden.

Solaranlagen vom Fachmann?

Auf der mobilen Webseite von SPIEGEL ONLINE bin ich auf eine Werbeanzeige gestoßen, die  unterhalb der Artikel von SPIEGEL ONLINE zu finden ist. Unter anderem wirbt dort die Firma „Marketing vF Ltd.“ für Solaranlagen mit dem Werbeslogan (inkl. Interpunktionsfehler)

Solaranlage Vomfachmann
5 Gründe warum Sie noch dieses Jahr eine Solaranlage installieren sollten

Da die Werbung des Unternehmens relativ häufig angezeigt wird, war ich geneigt, mir das Angebot mal etwas genauer anzusehen.

Die Firma vomFachmann.de, nach eigenen Angaben eine unselbstständige Betriebsstätte mit Sitz in Berlin der Marketing vF Ltd. aus London, ist ein „B2B-Lead-Generierungsunternehmen„, um „[…] Käufern bei der Einholung von Angeboten in unterschiedlichen Produktkategorien zu helfen und Anbietern qualifizierte Kundenanfragen zu vermitteln.“ Dabei gibt das Unternehmen an, dass „alle Leistungen […] qualitativ hochwertig sind […] und bei der Suche nach der besten Übereinstimmung zwischen Nachfrage und Angebot […] ein Qualitätsleitfaden verwendet wird […].“ Unter anderem erhalten Interessierte auf der Webseite umfangreiche Informationen zu Solaranlagen und können über einen kurzen Fragebogen Angebote für Solaranlagen einholen. Dabei sollen mithilfe „[…] des Vermittlungsdienstes von vomFachmann.de schnell und kostenlos Angebote von bis zu vier Anbietern […]“ zugesandt werden.

PV-Anlage auf einem Hausdach.

Zunächst interessant sind die Informationen, welche für die Kunden bereitgestellt werden. In den FAQ wird zum Beispiel die Funktionsweise einer Solaranlage erläutert (inkl. Interpunktionsfehler):

Eine Solaranlage nimmt die Energie der Sonnenstrahlen auf. Die Energie wird gespeichert und umgewandelt, um sie bei Bedarf ans Netz abzugeben. Die Solaranlagen sind in der Lage die absorbierte Energie längere Zeit zu speichern, um auch an Tagen bei schwacher Sonneneinstrahlung für den gewünschten Effekt, beispielsweise zum Aufwärmen des Wassers, zu sorgen.

Offensichtlich werden die technischen Eigenschaften von Photovoltaikanlagen zur Stromerzeugung und solarthermischen Anlagen zur Warmwasserbereitung vermischt. Wie man sich die bedarfsgerechte Energieabgabe ans Netz vorzustellen hat, müsste auch noch geklärt werden. Die Vermischung der Technik setzt sich in weiteren Artikeln, die von einer Mitarbeiterin des Unternehmens bereits im November 2012 erstellt und seitdem wohl nicht mehr aktualisiert wurden, fort:

Handelsübliche Tanks solcher photovoltaischen Anlagen fassen um die 1000 Liter, was für den täglichen Verbrauch einer vierköpfigen Familie normalerweise mehr als genug ist – selbst, wenn Waschmaschine und Geschirrspüler mitversorgt werden.

Auch in Bezug auf mögliche Kosten gibt das Unternehmen Auskunft. Dort wird für PV-Anlagen auf das Modul „150 SuperS“ der Firma Aleo Solar mit einer MPP-Leistung von 135 Wp und das Modul „153 M24“ von Atersa mit 130 Wp MPP-Leistung verwiesen. Der Preise für beide Module werden mit jeweils 650 EUR angegeben, also rund 4,80 EUR pro Wp. Nicht, dass diese Preise aufgrund des starken Preisrückgangs von PV-Modulen in den letzten Jahren veraltet sind, auch entsprechen diese Module weder dem Stand der Technik noch sind sie am Markt verfügbar.

Nutzt man den kurzen Fragebogen, um Angebote für eine PV-Anlage zu erhalten, so scheint man man offensichtlich, unabhängig von der Art des Daches und des Standorts, immer nur einen einzigen Anbieter für das „Solaranlagen Projekt“ genannt zu bekommen – die DAA Deutsche Auftragsagentur GmbH aus Hamburg. Die zugehörige Webseite gehört entsprechend der Kontaktseite zum US-amerikanisches Unternehmen „DAA Inc“ aus Delaware. Laut AGB, die sich auf der Webseite finden lassen, bietet DAA „Fachinformationen für Verbraucher und deutschlandweite Firmenlisten zu unterschiedlichen Themen„. Um einen Anbieter von PV-Anlagen scheint es sich also nicht direkt zu handeln.

Da die Werbung, die von der Firma Outbrain UK Limited auf SPIEGEL ONLINE verwaltet wird, für die Solaranlagen von vomFachmann.de mit einer großen Wiederholungsrate dargestellt wird, stellt sich schon die Frage nach dem Nutzen der Werbung der Firma – eine Vermittlung von Angeboten für Photovoltaikanlagen scheint nicht unmittelbar das primäre Ziel zu sein. Und die auf der Webseite zwar veraltete, aber dennoch publizierte Fachkompetenz zu Solaranlagen vermittelt ebenfalls nur einen sehr eingeschränkt kompetenten Eindruck, um als Interessierter dort Angebote für eine Investition in eine PV-Anlage einzuholen.

Typisch für die Photovoltaikbranche?

Der NDR und weitere Medien berichten über eine Entscheidung des OLG Schleswig-Holstein, dass ein Landwirt, der Betreiber einer PV-Dachanlage ist, seine bezogene Einspeisevergütung vom Datum des Netzanschlusses im Mai 2012 bis zur offiziellen Anmeldung der Anlage bei der Bundesnetzagentur im November 2014 an den Netzbetreiber Schleswig-Holstein Netz AG in Höhe von rund 200.000 EUR zurückzahlen muss. Das OLG Schleswig-Holstein stellt hierzu fest, dass die „[…] Förderungsvoraussetzungen nicht vorlagen und es insoweit zu einer Überzahlung der Einspeisevergütung gekommen ist“. Der Netzbetreiber hat den Landwirt „[…] ausreichend auf die Notwendigkeit der Anmeldung der Photovoltaikanlage bei der Bundesnetzagentur hingewiesen.“ Details zur Entscheidung sind der Pressemeldung des OLG Schleswig-Holstein zu entnehmen.

PV Dachanlage

PV-Dachanlage auf einem landwirtschaftlich genutzten Gebäude.

Unter der Annahme, dass der Landwirt für den Zeitraum von Mai 2012 bis November 2014 eine Vergütung von 200.000 EUR erwirtschaftet hat, entspräche dies einer Vergütung von rund 70.000 EUR in einem Jahr. Bei einer geschätzten Einspeisevergütung zum Inbetriebnahmezeitpunkt im Mai 2012 von gut 16 ct/kWh ergäbe sich ein Jahresstromertrag von ca. 430.000 kWh. Dies entspräche bei einem spezifischen Jahresertrag von 1.000 kWh/kWp einer installierten Nennleistung von rund 430 kWp. Laut der Studie „Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland“ des Fraunhofer ISE betrugt der Systempreis für PV-Anlagen im 2. Quartal 2012 etwa 1.700 EUR pro kWp. Damit hätte der Landwirt grob geschätzt einen Betrag zwischen 700.000 und 750.000 EUR in seine PV-Dachanlage investiert.

Auch wenn die Berechnung der Investitionskosten auf den Pressemeldungen beruhen und sehr grob sind, so stellt sich vielmehr die Frage bei einer Investition in eine PV-Anlage im mittleren bis hohen sechsstelligen Bereich, wie es sein kann, dass die absoluten Grundlagen bei der Inbetriebnahme der PV-Anlage missachtet wurden. Neben der gesetzlichen Verpflichtung sollte es für den Errichter der PV-Anlage eine Selbstverständlichkeit sein, dass der Betreiber seine PV-Anlage ordnungsgemäß bei der Bundesnetzagentur anmeldet. Dies scheint ein weiterer Beleg dafür zu sein, dass das Qualitätsbewusstsein in der Photovoltaikbranche nicht das allergrößte ist, wie verschiedene PV-Experten in der Vergangenheit immer wieder angemerkt haben.

Was man mit 20 Mrd. USD erreichen könnte

BP muss für die Umweltschäden durch die Explosion auf der Ölbohrplattform Deepwater Horizon 20,8 Mrd. $ (= rd. 18 Mrd. €) Strafe an unterschiedliche Institutionen zahlen. Wird dieser Betrag ins Verhältnis zu Installationskosten von Windenergie- oder Photovoltaikanlagen bzw. mit laufenden Kosten für die Einspeisevergütung von Erneuerbaren in Deutschland gesetzt, relativieren sich die „Subventionen“ der Erneuerbaren sehr schnell im Vergleich zu den Kosten, welche durch die fossile Energieversorgung insbesondere durch Einzelereignisse verursacht werden.

In den vergangenen Jahren ist es immer wieder bei den unterschiedlichen fossilen Energiesystemen zu schwerwiegenden Katastrophen gekommen, die neben schweren Umweltschäden vor allem hohe Kosten verursacht haben:

  • Deepwater Horizon 18 Mrd. €
  • Kernschmelze im japanischen Kernkraftwerk Fukushima Daiichi 150-230 Mrd. €
  • Kernschmelze im Kernkraftwerk in Tschernobyl 160 Mrd. €
  • Sanierung Endlager Asse 4-6 Mrd. €

Anhand der Kosten dieser Einzelereignisse zeigt sich, dass mit den Geldern problemlos die Einspeisevergütungen für Photovoltaik- und Windenergieanlagen von rund 200 Mrd. € gezahlt werden könnten. Die Strafzahlungen, die BP für Deepwater Horizon zahlen muss, reichten beispielsweise aus, um in Deutschland ca. 9 GW Windenergieanlagen und rund 7,5 GWp Photovoltaikanlagen zusätzlich zu installieren. Alternativ ließe sich ein umfassendes Forschungsförderprogramm für die Weiterentwicklung von Batteriespeichern aufsetzen.

City Campus – Triers lange Nacht der Wissenschaft am 26.09.

Am Freitag, den 26.09.2014, findet in der Trierer Innenstadt zum zweiten Mal die lange Nacht der Wissenschaft statt. Gemeinsam mit der Illuminale werden der Öffentlichkeit das gesamte Spektrum der wissenschaftlichen Forschung an der Universität Trier und der Hochschule Trier präsentiert.

Ich werde selber mit einem Vortrag zum Thema
Brauchen wir die Energiewende? (19:30 Uhr im Bischöflichen Priesterseminar)
sowie einem Exponat zu
Photovoltaikanlagen: Qualität und Ertrag (18 – 24 Uhr im Innenhof des Bischöflichen Prieserseminars)
vertreten sein.