Analyse von Photovoltaik-Grundlastkraftwerken auf Basis historischer Wetterlagen

Industrieanlagen, Rechenzentren und weitere energieintensive Wirtschaftsbereiche sind auf eine ganzjährige, kontinuierliche Stromversorgung angewiesen. Traditionell wird diese Grundlast durch kontinuierlich verfügbare Erzeugung gedeckt – in Österreich überwiegend durch Wasserkraft, in Deutschland historisch durch Kohle- und Gaskraftwerke.

Photovoltaik ist in den Sommermonaten aufgrund ausgeprägter Hochdrucklagen der verlässlichste verfügbare regenerative Energieträger, Windkraft benötigt Druckunterschiede und fehlt meist im Sommer. Würde es nicht einmal in dieser Jahreszeit auf Basis der Photovoltaik gelingen, eine grundlastnahe Versorgung zu ermöglichen, müssten zentrale Annahmen der energetischen Transformation kritisch hinterfragt werden.

Vor diesem Hintergrund habe ich mir die Frage gestellt, wie eine konstante elektrische Grundlast von 1 Megawatt technisch mit Photovoltaik darstellbar wäre – exemplarisch am Standort Linz, dem Zentrum der österreichischen Schwerindustrie. Eine Dauerlast von 1 Megawatt entspricht rund 8,7 Gigawattstunden pro Jahr und liegt damit bereits im Leistungsbereich mittelgroßer Rechenzentren oder industrieller Anwendungen.

Aus rein bilanzieller Sicht müsste die installierte Photovoltaik-Leistung am Standort Linz mindestens etwa 8,5 Megawatt betragen, um die erforderliche Jahresenergiemenge von 8,7 Gigawattstunden zu decken. Entscheidend ist jedoch nicht nur die Jahresbilanz, sondern das Verhalten der Anlage unter realen meteorologischen Bedingungen.

Hierzu konnte ich einen Zugang zur ERA5-Land-Datenbasis des Copernicus Climate Data Store (ECMWF) herstellen. Diese Reanalyse-Daten erlauben die Simulation von Photovoltaik-Anlagen auf Basis historischer Wetterdaten (theoretisch ab 1950, belastbar ab etwa 1980 und seit 2005 mit sehr hoher Genauigkeit). Hohe Präzision ergibt sich aus der Kalibrierung von ERA5-Land mit PVGIS auf Grundlage der gemeinsamen Referenzperiode 2015–2020.

Die meteorologischen SSRD-Daten (Surface Solar Radiation Downwards) wandelte ich in belastbare GHI (Global Horizontal Irradiance, globale Horizontalstrahlung)-Zeitreihen um, korrigierte mit den beschriebenen Korrekturfaktoren und transformierte nach dem Perez-Modell auf die Modulfläche. Auf dieser Grundlage wurden für die Jahre 2020 bis 2025 die stündlichen Energieerträge für den Standort Linz mit dem 8,5-Megawatt-Grundlastkraftwerk berechnet; die Ergebnisse sind auf meiner Homepage dokumentiert. Dort finden sie die Photovoltaik-Erträge aus historischen Wetterlagen.

Die nachfolgenden Diagramme zeigen für das Jahr 2020 die Erträge einer klassischen Ost-West ausgerichteten Photovoltaik-Anlage mit 8,5 Megawatt am Standort Linz für den Zeitraum vom 1. August bis 1. Oktober. Gleichzeitig wird der Speicherfüllstand in Abhängigkeit der jeweiligen Wetterlage dargestellt – bei einer Speicherkapazität von 24 Megawattstunden und einer kontinuierlichen Last von 1 Megawatt.

Bilanztechnisch ist der Netzbezug von besonderer Bedeutung. Daher wurde für alle Modelle im Zeitraum vom 1. August bis 1. Oktober der Netzbezug in Abhängigkeit von der Speichergröße ermittelt.

Bild 3 zeigt auf den ersten Blick für alle Zeitreihen verborgene Gesetzmäßigkeiten.

Überraschend war nur mehr, dass das Speicheroptimum im Bereich von etwa 20 bis 24 Megawattstunden liegt. Eine weitere Erhöhung der Speicherkapazität reduziert den Netzbezug nur noch marginal.

Ein wesentlicher Vorteil der ERA5-Land-Daten besteht darin, dass sie europaweit konsistent verfügbar sind und keine national unterschiedlichen Datenformate oder Konvertierungen erfordern. Da der Datensatz monatlich aktualisiert wird – im Gegensatz zu PVGIS, dessen derzeitige Datenbasis bis 2020 reicht –, können Ertragsmodelle zeitnah überprüft und angepasst werden.

Das erlaubt eine Standortanalyse für jede Photovoltaik-Anwendung in Europa.

Sind Lastprofile bekannt, lässt sich damit bereits in der Planungsphase eine belastbare Abschätzung von Erträgen, Speicherbedarf und Netzbezug vornehmen. Historische Wetterjahre liefern hierfür eine robuste statistische Grundlage, da sich großräumige Wetterstrukturen in ähnlichen Mustern wiederholen.

Über den Autor Udo Zauner

— Mit Jahrgang 1964 rückt mein beruflicher Rückzug langsam in Sichtweite. Als Österreicher kam man in meiner Jugend kaum an der Vorreiterrolle Deutschlands in der Energietransformation vorbei. Vor diesem Hintergrund überrascht es nicht, dass sich meine DII-Arbeit mit Heterojunction-Solarzellen befasste. Im Verlauf meiner beruflichen Laufbahn habe ich mehrere Bücher zum energetischen Wandel veröffentlicht, war viele Jahre in der Industrie tätig und zuletzt als technischer Geschäftsführer eines bekannten Unternehmens der Transformation verantwortlich. —

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