Wüstenstaub auf deutschen Solaranlagen

Kenntnisse zur atmosphärischen Trübung und Ablagerungen von Mineralstaub sind für Photovoltaik-Leistungsvorhersagen immens wichtig.

Mit circa 1,8 Milliarden Tonnen pro Jahr ist Winderosion von Mineralstaub die stärkste Aerosolquelle der nördlichen Hemisphäre1. Fast zwei Drittel dieses Mineralstaubes ist Sand aus der Sahara. Der Vorstoß von Kaltluft bis in die Sahara kann, aufgrund der raschen Erwärmung der Luft, Sandstürme auslösen. Bei hohen Windgeschwindigkeiten aufgewirbelter Staub gelangt schnell in große Höhen. Einmal in atmosphärischen Strömungssystemen gefangen, kann er weite Strecken zurücklegen, bis nach Nord- und Südamerika aber auch Mitteleuropa gelangen. In Abhängigkeit von der Jahreszeit wechseln die typischen Quellgebiete und Zugbahnen des Wüstenstaubes. Im Frühsommer findet der Staub vor allem direkt aus dem südlich des Atlasgebirges gelegenen Teils der Sahara seinen Weg nach Europa. Im Hochsommer hingegen verantwortet häufig eine südwestliche Strömung über den Atlantik die Staubeinträge nach Europa. Für den südbayrischen Raum konnte nachgewiesen werden, dass diese Ausbrüche in seltenen Fällen kurzzeitig  bis zu 20-fach erhöhte Partikelkonzentrationen mit sich bringen. Die Mineralstäube fungieren als Wolken-Kondensationskeime. So erhöht sich die Wolkenbedeckung und die Niederschlagsmenge fällt geringer aus. An den Partikeln wird zudem verstärkt UV-Licht absorbiert und somit die globale Erwärmung gedämpft.

Zurück auf den Boden gelangen die Partikel dann wieder durch Sedimentation oder sie werden durch Niederschlag ausgewaschen. Dieser Niederschlag hinterlässt zum Teil deutlich verfärbte Ablagerungen. Wenn in sehr seltenen Fällen im Winter bräunlich-rötlicher Saharastaub auf Schnee trifft ist das höchst spektakulär. Die umgangssprachliche Bezeichnung „Blutschnee“ bringt dies gut zum Ausdruck.

Folgen der atmosphärischen Staubeinträge für Solaranlagen

Der mineralische Aerosoltyp besitzt eine extrem hohe optische Dicke, welche ein Maß für die atmosphärische Trübung ist. Die etwa 0.1 bis 10 Mikrometer großen Staubpartikel verringern die Sonneneinstrahlung und können sich auf technischen Anlagen ablagern. Die nebenstehende Abbildung vermittelt einen Eindruck eines Staubausbruches. Vor allem im Frühjahr und Sommer ist an durchschnittlich vier Tagen im Monat mit Strahlungsverlusten zu rechnen. In manchen Jahren müssen Strahlungsverluste an bis zu neun Tagen hingenommen werden. Für die Leistung von Solaranlagen ist dieser Umstand potentiell bedeutend. Sechs Prozent betrug im Jahr 2015 der Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung in Deutschland. Im Bestfall könnten an wolkenfreien Tagen alle Solaranlagen als Spitzenleistung mehr als 30 Gigawatt Strom produzieren. Das entspricht der Leistung von mehr als 20 deutschen Kernkraftwerken. Aber nicht nur die Verringerung der Sonneneinstrahlung sondern auch die Ablagerung des Staubes in den Folgetagen ist von Bedeutung. Das Projekt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) „Photovoltaikertragsreduktion durch Saharastaub (PerduS)“ will in Kooperation mit dem Deutschen Wetterdienst und dem Prognosedienstleister meteocontrol die Verschmutzung der Solarpanelen durch abgelagerten Mineralstaub nun genau untersuchen und Photovoltaik-Leistungsvorhersagen entwickeln. Zum einen geht es darum, die Entwicklung der Staubemissionen im Quellgebiet Sahara besser zu verstehen sowie Wechselwirkungen zwischen Staubpartikeln und der atmosphärischen Strahlung exakter zu beschreiben. Zum anderen wird die Reinigung der Paneele durch Niederschlag analysiert. Dabei kommen ein Niederschlagsradar, der Messturm des KIT, Messgeräte zur Tropfengrößenverteilung und der Niederschlagsmenge sowie auch ein Aerosol-Lidar des Deutschen Wetterdiensts zum Einsatz. Die Messungen werden im Solarspeicherpark am Campus Nord in Karlsruhe durchgeführt. Voruntersuchungen lassen bereits vermuten, dass die Einbussen für die Wirksamkeit von Solaranlagen bei bis zu 20 Prozent liegen könnten.

Simulationsmodelle des KIT in der Praxis

Heute schon finden sich die Modelle des Karlsruher Instituts für Technologie in der meteorologischen Praxis wieder. ART (Aerosols and Reactive Trace Gases) ist ein Modell, das die Ausbreitung von Partikeln wie Mineralstaub und Seesalz und deren Wechselwirkungen mit Wolken simuliert. Der Deutsche Wetterdienst kann nun bei Vulkanausbrüchen den Verlauf der Aschewolken bzw. die jeweilige Aschekonzentration für einen Zeitraum von 72 Stunden vorhersagen. Dies ist von enormer Bedeutung für den Luftverkehr, der stets einige Tage Vorlauf in der Flugroutenplanung benötigt.

Ebenso wichtig sind Vorlaufzeiten für Solarenergieerzeuger, denn sind Vorhersagen über die Ausbreitung des Saharastaubs verfügbar, kann Energie entsprechend auf Vorrat gespeichert werden. So kann überschüssige Energie beispielsweise in Wasser fließen, das unter hohen Druck gesetzt und stark erhitzt wird. Wird die gespeicherte Energie wieder benötigt, kann die über Wasserdampf freigesetzte Energie zur Stromerzeugung dienen. Dies erhöht die Netzstabilität und gleicht bei volatilen Energieerzeugungsformen – Wind- und Sonnenenergie – Schwankungen im Prozess der Energiegewinnung aus. Bislang konnten die Photovoltaik-Leistungsvorhersagen jedoch den Effekt des Saharastaubs noch nicht realistisch berücksichtigen. Das Vorhersagesystem ICON-ART wird bei zukünftigen Staubausbrüchen parallel zur üblichen numerischen Wettervorhersage eingesetzt werden können und wichtige Aussagen über die geminderte Sonneneinstrahlung liefern.

Quellenangaben

Detaillierte Informationen zum Vorhersagemodell ICON-ART des Karlsruher Instituts für Technologie.

Weiterführende Informationen des Deutschen Wetterdienstes zu Saharastaub.

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