Photovoltaik im Winter: Leistung und Ertrag

Inhalt

• Funktioniert die PV-Anlage auch im Winter?
• Wirkungsgrad und Ertrag von Photovoltaik in Sommer und Winter
• Wie ist der Photovoltaik-Wirkungsgrad im Winter – und wie hoch ist die Strahlungsintensität?
• Wieviel Strom produziert Photovoltaik also im Winter?
• Photovoltaik für den Winter optimieren
• Photovoltaik: Neigungswinkel im Winter
• Wie groß müsste eine Photovoltaik-Anlage demnach sein?
• Fazit: Mit Photovoltaik im Winter heizen ist teilweise umsetzbar
• FAQ PV-Anlage im Winter

Um mehr über den Ertrag einer PV-Anlage im Winter zu erfahren, ist es von Interesse, sich die anfallende Globalstrahlung während der Heizperiode (Oktober bis April) anzusehen. Mithilfe der Globalstrahlung lässt sich der Ertrag einer Photovoltaikanlage berechnen. Daten zur Globalstrahlung stellt der Deutsche Wetterdienst (DWD) zur Verfügung.

• Unter Globalstrahlung versteht man die Sonnenenergie, welche tatsächlich auf dem Erdboden – oder eben den PV-Paneelen – auftrifft. Sie wird in Watt pro Quadratmeter (W/m2 angegeben).

Für die Beantwortung dieser Fragen haben wir die Globalstrahlungs-Daten des Deutschen Wetterdienstes von Oktober 2020 bis Februar 2022 ausgewertet. In diesem Zeitraum gab es zwei Heizperioden, jeweils von Anfang Oktober bis Ende April. (Für 2022 lagen zum Zeitpunkt der Erstellung nur Daten bis Februar 2022 vor.) Dieser Zeitraum ist im deutschen Mietrecht als Heizperiode verankert. In besagten Winter-Monaten wurden in Summe jeweils folgende Strahlungswerte gemessen:

-> Oktober 2020 bis April 2021: 379 kWh/m2. Der Durchschnitt lag bei 54 kWh/m2.

-> Oktober 2021 bis Februar 2022: 165 kWh/m2 . Der Durchschnitt lag bei 33kWh/m2.

Der PV-Ertrag im Dezember lag dabei 2020 bei 16 kWh/m2 und 2021 bei 17 kWh/m2. Damit lag der Ertrag der Photovoltaik im Winter in diesen beiden vergangenen Dezembermonaten auf einem ähnlichen Niveau.

Die Globalstrahlung im Winter pendelt erfahrungsgemäß relativ stabil zwischen ca. 350 und 400 kWh/m2. Gemessen an den Globalstrahlungswerten eines Jahres erzeugt eine Photovoltaik-Anlage in Deutschland im Winter etwa 30 bis 35 Prozent ihres jährlichen Solarertrags.

Im Winter erzeugt Photovoltaik geringere Stromerträge als im Sommer. Gründe sind kürzere Tageslichtphasen und eine weniger intensive Solareinstrahlung. Bei stärkerer Bewölkung trifft mehr diffuses, also weniger energiehaltiges, Licht auf die PV-Module. Hinzu kommt, dass Schneelasten die PV-Leistung im Winter ebenfalls verringern. Der Grund ist, dass die PV-Strahlung durch den aufliegenden Schnee gemildert wird.

Wir zeigen Ihnen, wie sich die Strahlungsintensität der Sonne, der Wirkungsgrad der PV-Anlage im Winter, der Neigungswinkel der Module sowie eine mögliche Optimierung der Photovoltaik im Winter auf den Stromertrag auswirken.

Ein Gefühl für die schwankende Strahlungsintensität über das Jahr und zwischen Sommer- und Wintermonaten bietet die folgende Tabelle. Sie bezieht sich auf die mittlere Globalstrahlung aus dem Zeitraum 1991 bis 2020, erhoben durch den Deutschen Wetterdienst.

Quelle: dwd.de

Der Unterschied zwischen dem strahlungsintensivsten Sommermonat und dem am wenigsten intensiven Wintermonat liegt zwischen 138 (min) und 143 (max) kWh pro m2.

• Zum Photovoltaik-Wirkungsgrad im Winter gibt es eine spannende Besonderheit: Mit sinkender Temperatur steigt der Wirkungsgrad! Das bedeutet, sobald im Winter die Sonne scheint, dürfen Sie sich über eine hohe Solarstrom-Ausbeute freuen. Denn wenn es im Sommer viel Sonne gibt, erwärmen sich die Solarmodule entsprechend. Das führt zur Reduktion des Wirkungsgrades. Daher lohnt sich Solarenergie auch im Winter.

Tipp: Berechnen Sie Ihren Photovoltaik Ertrag mit unserem Solarrechner.

Wo man sich mit Schnee und dessen Auswirkungen bestens auskennt, ist die Schweiz. Die ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) hat im schneebedeckten Gebirge in ca. 2.500 m Höhe eine Photovoltaik-Versuchsanlage im Rahmen des Projektes "Alpenstrom" montiert. Hiermit untersuchen die Forscher den elektrischen Ertrag von PV-Anlagen im alpinen Raum – wo ständig sozusagen winterliche Verhältnisse herrschen. Sie erforschen, welche Stromerträge im Winter möglich sind.

• Eine der Fragestellungen lautet: Inwiefern begünstigt die Reflexion von Einstrahlung an der Schneeoberfläche (Albedo-Effekt) den Stromertrag? In diesem Zusammenhang können vor allem bifaziale PV-Module den PV-Ertrag im Winter erhöhen. Denn bifaziale Module nutzen auf der Rückseite auch indirektes Licht – zum Beispiel aus Reflexion durch Schnee.

"Damit können nicht nur im Winter, sondern über das ganze Jahr hohe Erträge erzielt werden. Der hohe alpine Winterstromertrag ist im Wesentlichen auf wenige Nebeltage, eine hohe Solarstrahlung, Reflexion von Strahlung an der schneebedeckten Umgebung sowie tiefe Umgebungstemperaturen zurückzuführen", so eine Beschreibung des Forschungsprojektes auf der Website der ZHAW.

Somit ist wissenschaftlich nachgewiesen, dass auch bei winterlichen Verhältnissen ein durchaus guter Solarertrag möglich ist. Dasselbe gilt nicht allein für den alpinen Raum, sondern ebenfalls für niedriger gelegene Gebiete. Dies wird zudem durch die stetig steigende Leistungsfähigkeit der PV-Module begünstigt.

Auf Basis der oben genannten Zahlen des DWD sind pro Jahr sind insgesamt also etwa zwischen 950 und 1.335 kWh/qm möglich. Im Maximal-Szenario entfallen auf die Wintermonate September bis März 511 kWh pro m2.

Das ist fast ein Drittel der PV-Erträge des gesamten Jahres.

Besitzen Sie eine Photovoltaikanlage mit 10 kWp, also 1.000 Watt Leistung und etwa 10 qm Fläche, so können Sie mit dieser PV-Anlage im Winter im besten Fall noch 511 * 10 = 5.110 kWh Strom produzieren. Das ist mehr als der Jahresbedarf an Strom einer vierköpfigen Familie.

Dem gegenüber steht nun die Rechnung auf Basis des Mindestszenarios des DWD. Der PV-Ertrag pro Jahr beträgt hier nurmehr 950 kWh pro m2. Auf die Wintermonate September bis März entfallen davon 274 kWh/qm – auch etwa ein Drittel des Jahresertrags. Mit der Anlage von 10 kWp erzeugen Sie in der kalten Jahreszeit also im Worst-Case-Szenario 2.740 kWh Strom. Das entspricht etwa dem Jahresbedarf eines Zwei-Personen-Haushaltes.

• Welche Einbußen an Erträgen hat man im Winter gegenüber dem Sommer?

Im besten Szenario ist der PV-Ertrag in den Wintermonaten bei einer 10 kWp-Anlage um 8.240 geringer als in den Sommermonaten.

Interessant ist auch ein Vergleich zwischen gleichermaßen bewölkten Sommer- und Wintertagen. Ist es im Sommer bewölkt, so liegt der PV-Ertrag bei etwa 100 bis 300 Watt pro m2. Der Photovoltaik-Ertrag im Winter liegt bei Nebel oder Bewölkung bei nurmehr etwa 50-150 W/qm. Die Einbußen am Photovoltaik-Ertrag im Winter liegen demnach an wolkigen Tagen bei etwa 50 bis 150 Watt pro m2.

Wenn es um die Optimierung der PV-Anlage für den Winter geht, ist in jedem Fall die Schneelast ein Thema: Denn diese ist in verschiedenen Regionen in Deutschland unterschiedlich. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die fünf Schneelastzonen und die zu erwartende Schneelast pro Quadratmeter. Dieser sollten die gewählten Photovoltaikmodule standhalten können. Informationen darüber erhalten Sie vom Solarteur Ihres Vertrauens.

Erhalten Sie weitere Informationen zur Schneelast im Ratgeber zu Schneelast & Witterung.

Wie aber kann die Leistung der PV-Anlage im Winter gesteigert werden? Diese Frage stellt sich vor allem dann, wenn das betreffende Gebäude vor allem im Winter genutzt wird, etwa ein Ferienhaus im Skigebiet. Denn bei einem regulären Wohnhaus ist die Frage "Was bringt Photovoltaik im Winter?" gar nicht so relevant. Der Grund: Die hohen Solarerträge aus dem Sommer gleichen die verminderte Photovoltaik-Leistung im Winter aus.

Es gibt ein paar Optionen, um die Photovoltaik-Ausbeute im Winter zu optimieren. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von CIGS-Modulen. Dahinter verbergen sich Dünnschicht-Solarzellen, die sich aufgrund ihrer Machart vor allem für den Einsatz auf eingeschneiten Dächern eignen. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 15 bis 20 Prozent.

Eine andere Möglichkeit, die ohnehin für eine bessere Leistung von Photovoltaik im Winter zu empfehlen ist, ist das Befreien der PV-Module vom Schnee. Hierfür eignet sich ein Besen. Ein Schneeschieber ist nicht zu empfehlen, um die Module nicht zu beschädigen.

Zum optimalen Neigungswinkel von PV-Modulen im Winter hat die oben bereits genannte ZHAW an ihrer alpinen Forschungseinrichtung "Alpenstrom" interessante Erkenntnisse erzielt.

Im Zeitraum 14.02.2022 bis 14.03.2022 konnte das Forscherteam bereits feststellen, dass steilere Neigungen der Module unter den winterlichen Bedingungen mehrheitlich höhere PV-Erträge generieren. Die folgende Tabelle zeigt aufsteigend nach Erträgen die Produktivität der verschiedenen Photovoltaikmodule auf:

(Quelle: ZHAW)

Es zeigt sich, dass die üblichen monofazialen PV-Module einen besseren Wirkungsgrad haben, je stärker sie geneigt sind. Hintergrund ist, dass die Sonnenstrahlen im Winter sehr flach eintreffen. Je stärker das Modul also geneigt ist, desto direkter trifft die Strahlung auf.

• Es gilt die Formel: 90-(90-Breitangrad-23) = Idealer Neigungswinkel.

Dazu muss natürlich der eigene Breitengrad bekannt sein. Hierfür gibt es einfache Online-Tools.

• Beispiel zum Ermitteln der optimalen Neigung im Winter: Hamburg liegt auf dem Breitengrad 53. Damit lautet die Formel: 90-(90-53-23)=76°. In Hamburg beträgt die ideale Neigung für eine hohe Photovoltaik-Effizienz im Winter also 76 Grad.

Da aber der Ertrag von PV im Winter und im Sommer gleichfalls betrachtet werden muss, und im Sommer die Sonnenstrahlen in einem anderen Winkel auftreffen, sollte eine ausgewogene Mischung über das ganze Jahr hinweg kalkuliert werden.

Etwa 350 bis 400 Kilowattstunden Strom erzeugt eine Photovoltaik-Anlage durchschnittlich im Winter bei klarem Himmel mit ca. einem Kilowattpeak Nennleistung (1 kWp). Oder anders gesagt, 350 bis 400 Kilowattstunden Strom können Sie zwischen Oktober und April in etwa mit 1 kWp Photovoltaik in Deutschland erzeugen.

Dafür brauchen Sie rund 5 bis 7 Photovoltaik-Module auf dem Dach bzw. folgende Dachfläche:

-> 6-9 m² mit monokristallinen Modulen (Schrägdach)

-> 7-10 m² mit polykristallinen Modulen (Schrägdach)

-> 15-20 m² mit Dünnschichtmodulen (Schrägdach)

-> sowie rund 20 m² bebaute Dachfläche auf Flachdächern.

Passivhäuser, die für eine Kombination aus Photovoltaik und Elektroheizung für den Winter in Betracht kommen, haben einen Heizwärmebedarf von rund 15 kWh/m2 im Jahr. Ein Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 150 m2 benötigt demnach rund 2.250 kWh Energie in den Heizperiode im Winter und im Sommer – also im ganzen Jahr.

Mit einem Kilowattpeak Photovoltaik (Ertrag von 350 bis 400 kWh) erzeugen Sie in diesem Beispiel zwischen etwa 16 % und 18 % der benötigen Energiemenge (2.250 kWh) in den Wintermonaten – unter der Voraussetzung, dass der Strom aus der Photovoltaik-Anlage vollständig zum Eigenverbrauch genutzt wird.

Mit Photovoltaik im Winter den Heizwärmebedarf eines Passivhauses vollständig zu decken, ist grundsätzlich möglich – gesetzt den Fall, dass der komplette PV-Ertrag für die Heizung verwendet wird:

Ein Kilowattpeak Photovoltaik kostet 2022 etwa 1.400 Euro pro kWp. Eine Anlage, die groß genug wäre, um den Heizwärmebedarf eines Passivhauses auch im Winter zu decken, würde in diesem Beispiel etwa 9.000 Euro kosten: Etwa 6,4 kWp sind notwendig, um den Strombedarf des Passivhauses im Winter zu decken: 6,4 kWp*1.400 Euro = 8.960 Euro.

Würden die notwendigen 2.250 kWh stattdessen mit Haushaltsstrom bestritten, so wären, Stand April 2022, hierfür 0,434 EUR *2.250 kWh = 976,50 EUR pro Jahr zu zahlen. Die PV-Anlage hätte sich also in weniger als zehn Jahren amortisiert – wobei etwaige Förderungen noch nicht einmal einbezogen sind.

Wenn Sie den Bau eines Passivhauses planen oder im Rahmen einer Sanierung an einer Photovoltaik-Elektroheizung-Kombination interessiert sind, helfen Ihnen Fachbetriebe für Elektroheizungen gerne weiter. Die Kombination von Wärmepumpe & Photovoltaik ist jedoch derzeit die empfehlenswertere Variante.

• Übrigens: Auch Solarthermie eignet sich sehr gut zum Heizen im Winter!