Globalstrahlung: Definition, Messung & Solarertrag

Was ist Globalstrahlung?

Globalstrahlung ist die gesamte kurzwellige Sonnenstrahlung, die auf eine horizontale Fläche der Erdoberfläche trifft. Sie umfasst den Wellenlängenbereich von etwa 0,3 bis 4,0 Mikrometer und wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) oder als Energiesumme in Kilowattstunden pro Quadratmeter (kWh/m²) angegeben.

Die Strahlung besteht aus zwei Komponenten: der Direktstrahlung, die geradlinig von der Sonne kommt, und der diffusen Himmelsstrahlung, die durch Streuung an Wolken, Aerosolen und Luftmolekülen entsteht. Zusammen bilden sie die Energiemenge, die für Photovoltaikanlagen und natürliche Prozesse wie die Photosynthese verfügbar ist.

Der Begriff kommt aus der Meteorologie und ist dort klar definiert: Die Globalstrahlung ist die am Boden von einer horizontalen Ebene empfangene Sonnenstrahlung. Das unterscheidet sie von der Einstrahlung auf geneigte Flächen, wie sie bei Solarmodulen relevant wird, dort spricht man von der Einstrahlungssumme auf die Modulebene.

Direktstrahlung und diffuse Strahlung

Direktstrahlung fällt geradlinig von der Sonne auf die Erdoberfläche. Bei wolkenlosem Himmel und hohem Sonnenstand dominiert sie die Globalstrahlung deutlich. Bei tiefem Sonnenstand oder dunstigem Himmel sinkt ihr Anteil erheblich.

Diffuse Strahlung entsteht durch Streuung in der Atmosphäre. Wolken, Aerosole und Luftmoleküle lenken Sonnenstrahlen in alle Richtungen ab. An bedeckten Tagen besteht die Globalstrahlung vollständig aus diffuser Strahlung, die Direktkomponente fällt auf null.

Für Solaranlagen sind beide Komponenten relevant. Solarmodule nutzen auch diffuse Strahlung effizient. Besonders bifaziale Module profitieren zusätzlich von reflektierter Strahlung der Umgebung. Das Schwachlichtverhalten eines Moduls bestimmt, wie gut es bei diffusen Bedingungen arbeitet.

Wie wird Globalstrahlung gemessen?

Pyranometer sind das Standardinstrument für Globalstrahlungsmessungen. Der Name leitet sich aus dem Griechischen ab: „pyr“ (Feuer) und „ouranós“ (Himmel). Das Gerät wird waagerecht ausgerichtet und misst die Bestrahlungsstärke in W/m².

Im Inneren arbeitet eine geschwärzte Thermosäule. Sie besteht aus hintereinandergeschalteten Thermoelementen. Die geschwärzte Oberfläche absorbiert die einfallende Strahlung und erzeugt eine Temperaturdifferenz. Die daraus resultierende Thermospannung ist proportional zur Bestrahlungsstärke. Zwei halbkugelförmige Glashauben schützen den Sensor vor Witterungseinflüssen. Bei guter Wartung ist die Messunsicherheit laut DWD kleiner als 3 %.

Der DWD betreibt ein Messnetz aus Bodenstationen mit Pyranometern. Die Geräte stehen möglichst frei: Bäume, Gebäude oder Bergrücken sollen den Horizont um nicht mehr als 5 Grad einschränken. Die Diffusstrahlung misst ein zweites Pyranometer, bei dem ein Schattenring die Sonne ausblendet. Weil der Ring auch einen Streifen Himmel verdeckt, werden die Messwerte nachträglich korrigiert.

Satellitendaten ergänzen die Bodenmessungen. Der DWD erstellt flächendeckende Strahlungsdaten u. a. mit dem DUETT-Verfahren. Es verknüpft die Satellitenbilder stündlich mit den Messwerten der Bodenstationen und gleicht so systematische Fehler der Satellitendaten aus. Die Karten der Monats- und Jahressummen haben eine Auflösung von 1 x 1 km.

Welche Faktoren beeinflussen die Globalstrahlung?

Geografische Breite: Äquatornahe Regionen erhalten ganzjährig hohe Einstrahlung. In Deutschland liegt das Gebiet der höchsten Einstrahlung laut DWD südlich des Mains, das Minimum im Sauerland. Schleswig-Holstein erhält im Zehnjahresmittel rund 12 % weniger Globalstrahlung als Baden-Württemberg (eigene Rechnung aus den DWD-Werten).

Jahreszeit und Sonnenstand: Im Sommer steht die Sonne höher und länger am Himmel. Die Monatssumme kann laut DWD von Mai bis Juli bis zu zehnmal höher liegen als im Januar oder Dezember. Der Jahresgang bestimmt die saisonale Ertragskurve einer Solaranlage.

Wetterbedingungen: Wolken, Nebel und Niederschlag reduzieren die Globalstrahlung deutlich. Die Bewölkung ist nach dem DWD der wichtigste einzelne Einflussfaktor.

Höhenlage: Mit der Höhe über dem Meeresspiegel nimmt die Strahlung zu, weil der Weg durch die Atmosphäre kürzer wird und weniger Strahlung gestreut und absorbiert wird.

Luftqualität und Aerosole: Schadstoffe, Feinstaub und Aerosole streuen oder absorbieren Sonnenstrahlen. Die verbesserte Luftqualität in Europa ist ein Hauptgrund für den langfristigen Anstieg der Globalstrahlung.

Lokale Verschattung: Gebäude, Bäume und Geländemerkmale können die Strahlung am konkreten Standort erheblich reduzieren. Eine Verschattungsanalyse ist daher essenziell für jede PV-Planung.

Globalstrahlung in Deutschland

Die Jahressumme der Globalstrahlung liegt im Deutschlandmittel bei rund 1.114 kWh/m². Das ist das Zehnjahresmittel aus einer Auswertung des Deutschen Wetterdienstes (DWD), die auf Satellitendaten und Bodenmessungen im 1-km-Raster beruht. Regional reicht die Spanne von 991 kWh/m² im Sauerland bis 1.275 kWh/m² im Alpenvorland. Einzelne Jahre weichen deutlich ab: In der Auswertung über 38 Jahre lagen die Jahressummen zwischen 950 und 1.207 kWh/m².

Regionale Unterschiede

Süddeutschland ist strahlungsbegünstigt. Das Gebiet der höchsten Einstrahlung liegt laut DWD südlich des Mains, das Maximum mit 1.275 kWh/m² im Alpenvorland. Der Grund ist das wolkenärmere kontinentale Klima. Auch der Osten Deutschlands ist kontinental geprägt und erhält mehr Strahlung als der Westen.

Norddeutschland profitiert von langen Sommertagen. An der Nord- und Ostseeküste hebt die hohe Zahl an Sonnenstunden im Sommer die Jahressumme. Sie entsteht laut DWD durch die Tageslänge und die stabile Luftschichtung über der kühlen See, die der Wolkenbildung entgegenwirkt. Für Solaranlagen in Münster oder Hamburg ist das eine ermutigende Nachricht.

Das Sauerland bildet das Strahlungsminimum. Wolkenreiche Westwetterlagen sorgen dort mit 991 kWh/m² im Zehnjahresmittel für die niedrigste Jahressumme bundesweit. Trotzdem lohnt sich Photovoltaik auch hier, denn bei den Kosten einer PV-Anlage rechnen sich auch Standorte mit geringerer Einstrahlung.

Werte gerundet aus dem DWD-Bericht zur Entwicklung der Globalstrahlung, Mittel der letzten dort ausgewerteten Dekade. Einzelne Jahre weichen davon ab.

Bedeutung für Photovoltaikanlagen

Die Globalstrahlung ist die wichtigste Eingangsgröße zur Berechnung des PV-Ertrags. Je mehr Sonnenstrahlung auf die Modulebene trifft, desto mehr Strom erzeugt die Anlage. Der tatsächliche Ertrag hängt zusätzlich von Modulwirkungsgrad, Performance Ratio und Temperaturkoeffizient ab.

Für eine Anlage in Deutschland setzt das Fraunhofer ISE einen Ertrag von rund 980 kWh pro kWp und Jahr an. Der Wert am eigenen Standort folgt der Globalstrahlung: In Süddeutschland liegt er höher, im Nordwesten niedriger.

Standortanalyse beginnt mit Globalstrahlungsdaten. Wer eine PV-Anlage plant, sollte die Strahlungsdaten seines Standorts kennen. Das Solarkataster liefert standortgenaue Informationen, der PV-Ertragsrechner berechnet daraus den erwarteten Jahresertrag.

Kostenlose Karten und Datenbanken

PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) ist ein Rechner der Gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission. Er liefert Strahlungsdaten und Ertragsberechnungen für jeden Standort der Welt außer den Polargebieten, kostenlos und ohne Anmeldung. PVGIS eignet sich hervorragend als Grundlage für die Wirtschaftlichkeitsberechnung einer Solaranlage.

Global Solar Atlas der Weltbank liefert weltweite Daten zum solaren Potenzial. Besonders nützlich für internationale Projekte und den Vergleich verschiedener Standorte. Die interaktive Karte zeigt Globalstrahlung, Direktstrahlung und den erwarteten PV-Ertrag.

DWD Climate Data Center (CDC) bietet deutschlandweite Rasterdaten der Global-, Diffus- und Direktstrahlung mit 1 x 1 km Auflösung als Monats- und Jahressummen. Dazu kommen die Messwerte der Strahlungsstationen. Die Daten stehen im Open-Data-Bereich des DWD kostenlos bereit.

NASA POWER (Prediction Of Worldwide Energy Resources) enthält solare und meteorologische Daten für die ganze Welt. Die Schnittstelle ermöglicht automatisierte Abfragen und eignet sich für technische Anwendungen und Softwareentwickler.

Klimawandel und Globalstrahlung

Die Globalstrahlung in Deutschland nimmt seit Jahrzehnten zu. In einer Auswertung des DWD über 38 Jahre stieg die Jahressumme im Mittel um 3,4 kWh/m² pro Jahr. Im Mittel der ersten acht Jahre lag sie bei rund 1.014 kWh/m², im Mittel der letzten zehn Jahre bei rund 1.114 kWh/m². Der Anstieg flachte zuletzt ab. Als Gründe nennt der DWD die verbesserte Luftqualität und Veränderungen der Bewölkung: Weniger Aerosole und Feinstaub bedeuten weniger Streuung und Absorption in der Atmosphäre, mehr Strahlung erreicht den Boden. Unter den Flächenländern fiel der Zuwachs am stärksten in Brandenburg mit 4,4 kWh/m² pro Jahr aus und am schwächsten in Baden-Württemberg mit 2,8 kWh/m².

Veränderte Wolkenmuster spielen eine Rolle. Der Klimawandel beeinflusst die Wolkenbedeckung regional unterschiedlich. In manchen Jahren sind Sommer und Herbst überdurchschnittlich strahlungsreich, während Winter und Frühling unter dem Mittel liegen können.

Für Solaranlagenbetreiber ist der Trend positiv. Mehr Globalstrahlung bedeutet langfristig höhere PV-Erträge. Gleichzeitig kann häufigere Sommerhitze die Modulleistung durch den Temperatureffekt leicht senken. Module mit niedrigem Temperaturkoeffizienten sind hier im Vorteil.

Technologien, die Globalstrahlung nutzen

Photovoltaik (PV): Solarzellen wandeln Globalstrahlung direkt in elektrischen Strom um. Wie viel der Strahlung zu Strom wird, gibt der Wirkungsgrad des Moduls an. Die PV-Technologie nutzt sowohl Direkt- als auch Diffusstrahlung, ein entscheidender Vorteil gegenüber konzentrierenden Systemen.

Solarthermie: Solarthermische Systeme nutzen Solarenergie zur Erwärmung von Wasser oder Luft. Flachkollektoren und Vakuumröhren absorbieren die Globalstrahlung und wandeln sie in Wärme um. Ein Solarthermie-Rechner hilft bei der Auslegung.

Konzentrierende Solarkraftwerke (CSP): Diese Technologie nutzt primär die Direktstrahlung. Spiegel oder Linsen bündeln das Sonnenlicht auf einen Absorber, der Dampf erzeugt. CSP eignet sich daher vor allem für Regionen mit hohem Direktstrahlungsanteil wie Nordafrika oder Südspanien.

Agri-Photovoltaik: Eine Doppelnutzung der Fläche: Solarmodule werden so über Ackerflächen montiert, dass sowohl die PV-Erzeugung als auch das Pflanzenwachstum von der Globalstrahlung profitieren.

Häufige Fragen

Fazit

Die Globalstrahlung ist der wichtigste natürliche Parameter für die Solarenergieplanung. Mit Jahressummen von rund 990 bis 1.275 kWh/m² im Zehnjahresmittel bietet Deutschland gute Voraussetzungen für Photovoltaik, auch in weniger sonnenverwöhnten Regionen.

Wer eine Solaranlage plant, sollte die standortspezifische Globalstrahlung kennen. Kostenlose Tools wie PVGIS und der DWD liefern präzise Daten. Der nächste Schritt: Lassen Sie Ihre Dachfläche mit dem Solarrechner prüfen und vergleichen Sie unverbindliche Angebote regionaler Fachbetriebe.

Photovoltaik zählt damit zu den naheliegenden Investitionen in erneuerbare Energien.

Quellen und Methodik

Definition, Wellenlängenbereich und Messverfahren stammen vom Deutschen Wetterdienst. Die Jahressummen, die Werte der Bundesländer und der Trend stammen aus dem DWD-Bericht zur Entwicklung der Globalstrahlung, der 38 Jahre auswertet. Die Zehnjahresmittel beziehen sich auf die letzte dort ausgewertete Dekade. Der Mehrertrag geneigter Module und der Ertrag je kWp folgen dem Fraunhofer ISE. Die Vergleiche zwischen Baden-Württemberg und Schleswig-Holstein sind eigene Rechnungen aus den DWD-Werten. Solar.red hat keine eigenen Messungen durchgeführt.

1. Deutscher Wetterdienst: Entwicklung der Globalstrahlung in Deutschland - Jahressummen, Werte der Bundesländer, Trend, Ursachen, Jahresgang
2. Deutscher Wetterdienst: Wetter- und Klimalexikon, Globalstrahlung - Definition, Wellenlängenbereich, Einflussfaktoren
3. Deutscher Wetterdienst: Pyranometer, Messung von Global- und Diffusstrahlung - Aufbau des Messgeräts, Schattenring, Messunsicherheit
4. Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Einstrahlung auf geneigte Module, Ertrag je kWp
5. Europäische Kommission, Gemeinsame Forschungsstelle: PVGIS - Abdeckung und Zugang des Strahlungsrechners