Verschattung PV-Anlage: Ursachen, Folgen und Lösungen

Was bedeutet Verschattung bei einer PV-Anlage?

Verschattung bedeutet, dass ein Hindernis das Sonnenlicht abfängt, bevor es die Solarmodule erreicht. Das kann ein Baum sein, das Nachbarhaus, der eigene Schornstein oder ein Fleck Vogelkot. Die betroffenen Zellen bekommen weniger Licht und erzeugen weniger Strom.

Das Besondere an Solaranlagen: Der Verlust bleibt nicht auf die verschattete Stelle beschränkt. Die Zellen eines Moduls und die Module eines Strangs sind hintereinandergeschaltet, wie die Glieder einer Kette. Durch alle fließt derselbe Strom, und die schwächste Stelle gibt vor, wie viel das ist. Das Lehrwerk PVEducation beschreibt den Effekt ohne Schutzschaltung so: Wird eine einzige Zelle zur Hälfte verschattet, fällt die Leistung des ganzen Moduls auf die Hälfte. Wird sie ganz verschattet, fällt die Leistung auf null.

In der Praxis ist es weniger dramatisch, weil jedes Modul Schutzbauteile enthält und der Wechselrichter gegensteuert. Der Grundsatz bleibt aber: Ein kleiner Schatten kann einen großen Teil der Anlage bremsen. Wie die Verschaltung im Einzelnen funktioniert, erklärt der Beitrag zur Reihenschaltung.

Welche Arten von Verschattung gibt es?

Bei PV-Anlagen unterscheidet man Verschattung danach, woher sie kommt und wie dauerhaft sie ist. Für die Planung ist die Einteilung wichtig, weil jede Art eine andere Antwort verlangt.

Wolken zählen nicht dazu. Sie dämpfen das Licht für die ganze Anlage gleichmäßig, sodass kein Modul die anderen bremst. Kritisch ist immer der ungleichmäßige Schatten, der nur einen Teil der Zellen trifft. Auf dem Flachdach ist die Eigenverschattung der häufigste Planungsfehler, weil sich dichter gestellte Reihen im Winter gegenseitig verdecken.

Warum ist Schatten im Winter länger?

Schatten ist im Winter länger, weil die Sonne dann deutlich tiefer steht. In der Mitte Deutschlands, auf 51° nördlicher Breite, erreicht sie am längsten Tag des Jahres mittags rund 62° über dem Horizont, am kürzesten Tag nur rund 16°. Ein Hindernis, das im Juni kaum stört, kann im Dezember das halbe Dach abdecken.

Die Schattenlänge lässt sich mit Schulmathematik abschätzen: Höhe des Hindernisses geteilt durch den Tangens des Sonnenwinkels. Zur Tagundnachtgleiche im Frühjahr und Herbst steht die Sonne mittags bei rund 39°, der Schatten ist dann etwa 1,2-mal so lang wie das Hindernis hoch. Der Rechner zeigt die Werte für Ihren Breitengrad.

Für den Ertrag ist das weniger schlimm, als es klingt. In den dunklen Monaten erzeugt eine Anlage ohnehin nur einen kleinen Teil ihres Jahresstroms. Ein Schatten, der nur von November bis Januar aufs Dach fällt, kostet deshalb wenig. Teuer wird Schatten, der auch von März bis Oktober und um die Mittagszeit auf den Modulen liegt.

Was passiert bei Schatten im Modul?

Bei Schatten im Modul wird die verschattete Zelle vom Stromerzeuger zum Hindernis. Die besonnten Zellen wollen ihren vollen Strom durch die Kette schicken, die verschattete lässt aber nur wenig durch. Nach PVEducation wird die überschüssige Leistung der besonnten Zellen dann in der verschatteten Zelle in Wärme umgesetzt. So entsteht ein Hot-Spot, eine überhitzte Stelle, die Zelle und Modul auf Dauer schädigen kann.

Dagegen sind in jedem Modul Bypass-Dioden eingebaut. Sie wirken wie eine Umleitung: Sobald eine Zellgruppe den Strom bremst, fließt er über die Diode an ihr vorbei. Bei Siliziumzellen kann eine Diode nach PVEducation höchstens rund 15 Zellen absichern, deshalb ist ein Modul in mehrere Gruppen geteilt. Fällt Schatten auf eine Gruppe, geht deren Leistung verloren, der Rest des Moduls arbeitet weiter.

Viele Module bestehen außerdem aus halbierten Zellen, die in einer oberen und einer unteren Hälfte verschaltet sind. Liegt der Schatten nur auf dem unteren Rand, etwa durch Schnee oder die vordere Modulreihe, kann die obere Hälfte weiterarbeiten. Wie stark das hilft, hängt davon ab, wie der Schatten über das Modul läuft.

Was hilft gegen Verschattungsverluste?

Gegen Verschattungsverluste hilft an erster Stelle die Planung und erst an zweiter die Technik. Die wirksamste Maßnahme kostet nichts: Module nicht dorthin legen, wo regelmäßig Schatten fällt. Was dann noch an Schatten bleibt, lässt sich mit vier Stufen von Technik abfangen.

Schattenmanagement im Wechselrichter

Der Wechselrichter sucht ständig den Arbeitspunkt, an dem ein Strang die meiste Leistung abgibt, den Maximum Power Point. Ohne Schatten gibt es davon genau einen. Mit Teilverschattung entstehen mehrere, und ein einfacher Regler kann an einem schlechteren hängen bleiben. Geräte mit Schattenmanagement prüfen deshalb in Abständen den ganzen Spannungsbereich und springen auf den besten Punkt. Das kostet nichts extra und reicht bei gelegentlichem Schatten oft aus.

Leistungsoptimierer und Mikrowechselrichter

Leistungsoptimierer sitzen hinter einzelnen Modulen und regeln diese getrennt vom Rest des Strangs. Mikrowechselrichter gehen einen Schritt weiter: Jedes Modul bekommt seinen eigenen kleinen Wechselrichter, ein Strang im klassischen Sinn entfällt.

Was das bringt, hat das US-Forschungslabor NREL auf einem Testfeld mit zwei baugleichen Anlagen von je 8 kW gemessen. Gegenüber einem Strangwechselrichter erzeugten Mikrowechselrichter bei leichter Verschattung 3,7 %, bei mittlerer 7,8 % und bei starker 12,3 % mehr Strom.

Die Zahlen zeigen zwei Dinge. Bei wenig Schatten ist der Vorteil klein und rechtfertigt den Mehrpreis selten. Bei starkem Schatten sind zweistellige Prozentwerte möglich. Die goldene Mitte ist oft, nur die zwei oder drei betroffenen Module mit Optimierern auszustatten und den Rest normal zu verschalten.

Wie läuft eine Verschattungsanalyse ab?

Bei einer Verschattungsanalyse baut der Fachbetrieb das Dach und seine Umgebung als 3D-Modell in einer Planungssoftware nach und lässt die Sonne darüber wandern, für jede Stunde des Jahres. Das Ergebnis zeigt, welches Modul wann wie lange im Schatten liegt und wie viel Ertrag das kostet. Bei einem ordentlichen Angebot gehört diese Simulation zur Planung dazu.

Aus der Analyse folgen drei Entscheidungen: welche Dachflächen belegt werden, wie die Module auf die Stränge verteilt werden und ob einzelne Module eine eigene Regelung brauchen. Lassen Sie sich das Ergebnis zeigen. Eine gute Darstellung weist den erwarteten Verlust durch Verschattung als eigene Zahl aus.

Eine erste Einschätzung können Sie selbst gewinnen. Beobachten Sie das Dach an einem sonnigen Tag morgens, mittags und nachmittags und halten Sie mit Fotos fest, wo Schatten liegt. Wiederholen Sie das möglichst einmal im Sommer und einmal im Winter. Diese Bilder helfen dem Planer mehr als jede Beschreibung. Wie Himmelsrichtung und Neigung den Ertrag zusätzlich beeinflussen, steht im Beitrag zur Ausrichtung der Solaranlage.

Wie wirken Vogelkot, Laub und Schmutz?

Vogelkot, Laub und Schmutz wirken auf Solarmodulen wie ein kleiner, harter Schatten. Weil die Zellen in Reihe geschaltet sind, können stark verschmutzte Teilflächen nach Angaben des Fraunhofer ISE erheblich stärkere Ertragseinbußen verursachen, als es ihrem Flächenanteil entspricht. Ein einzelner Fleck auf einer Zelle kann eine ganze Zellgruppe lahmlegen.

Insgesamt bleibt der Schaden meist begrenzt. Das Fraunhofer ISE hält fest, dass die Einbußen durch Verschmutzung in vielen Fällen überschaubar bleiben und kräftiger Regen die Module größtenteils wieder reinigt. Besonders betroffen sind Module mit sehr flacher Neigung unter 15°, bei denen sich Schmutz an der unteren Kante und in den Ecken sammelt.

Ob sich eine Reinigung lohnt, lässt sich nicht pauschal sagen. Sinnvoll ist ein Blick aufs Dach im Frühsommer nach dem Pollenflug und im Herbst nach dem Laubfall. Hartnäckige Ablagerungen, die der Regen nicht entfernt, sollten runter. Worauf dabei zu achten ist, beschreibt der Beitrag zur Solarreinigung, die regelmäßigen Kontrollen der Beitrag zur Wartung der Solaranlage.

Darf ich schattengebende Bäume fällen?

Schattengebende Bäume dürfen Sie nicht einfach fällen, auch nicht auf dem eigenen Grundstück. Zwei Regelwerke sind zu prüfen: das Bundesnaturschutzgesetz und die Satzung der eigenen Gemeinde.

Nach § 39 des Bundesnaturschutzgesetzes ist es verboten, Hecken, lebende Zäune, Gebüsche und andere Gehölze in der Zeit vom 1. März bis zum 30. September abzuschneiden, auf den Stock zu setzen oder zu beseitigen. Für Bäume gilt das Verbot, wenn sie außerhalb des Waldes und außerhalb gärtnerisch genutzter Grundflächen stehen. Erlaubt bleiben schonende Form- und Pflegeschnitte, die den Zuwachs entfernen oder den Baum gesund erhalten.

Unabhängig davon haben viele Städte und Gemeinden eine Baumschutzsatzung. Sie stellt Bäume ab einem bestimmten Stammumfang unter Schutz, auch im Garten. Fällen ist dann nur mit Genehmigung erlaubt, und der Schatten auf einer Solaranlage wird als Grund nicht überall anerkannt. Ein Anruf beim Umwelt- oder Grünflächenamt klärt, was am eigenen Ort gilt.

Praxis: Lohnt sich die Anlage trotz Schatten?

Eine PV-Anlage lohnt sich trotz Schatten in vielen Fällen, wenn der Schatten nur einen Teil des Daches oder nur Randzeiten betrifft. Schornstein, Gaube und Nachbarbaum gehören zu fast jedem Dach. Entscheidend ist, wie viel Ertrag unter dem Strich übrig bleibt, und das zeigt die Simulation.

Mit diesen Fragen lässt sich die eigene Lage vorab einordnen.

• Liegt der Schatten nur morgens oder abends auf dem Dach? Dann ist der Verlust klein.
• Fällt der Schatten nur im Winter aufs Dach? Auch dann kostet er wenig Jahresertrag.
• Sind nur einzelne Module betroffen? Dann helfen Optimierer an genau diesen Modulen.
• Ist ein ganzer Dachteil betroffen? Dann gehört er an einen eigenen Eingang des Wechselrichters oder bleibt frei.
• Liegt mittags im Sommer Schatten auf großen Teilen der Fläche? Dann sollte eine andere Fläche geprüft werden.
• Wächst die Schattenquelle noch, etwa ein junger Baum? Dann planen Sie mit dem Zustand in zehn Jahren.

Oft ist weniger mehr. Ein Modul, das die halbe Zeit im Schatten liegt, bringt wenig und kann seine Nachbarn bremsen. Es wegzulassen spart Geld und macht die Anlage einfacher. Lassen Sie sich im Angebot zwei Varianten rechnen, einmal mit und einmal ohne die kritische Fläche. Wie sich die Anlage insgesamt rechnet, zeigt der Beitrag zur Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik.

Häufige Fragen

Fazit

Schatten auf dem Dach ist normal und kein Grund, auf eine Solaranlage zu verzichten. Er verlangt aber eine saubere Planung, weil schon wenig Schatten viele Module bremsen kann. Wer die kritischen Flächen kennt, löst das Problem meist ohne teure Zusatztechnik.

Die Reihenfolge ist einfach: erst Schattenflächen meiden, dann die Module sinnvoll auf die Stränge verteilen, dann einen Wechselrichter mit Schattenmanagement wählen. Optimierer oder Mikrowechselrichter kommen dazu, wenn einzelne Module regelmäßig im Schatten liegen. Bestehen Sie im Angebot auf einer Verschattungsanalyse mit ausgewiesenem Verlust. Wie viel Leistung auf Ihr Dach passt, zeigt der Solarrechner.

Quellen und Methodik

Die Angaben zur Wirkung von Schatten im Modul und zu Bypass-Dioden stammen aus dem Lehrwerk PVEducation, die Messwerte zu Mikrowechselrichtern aus einem Bericht des US-Forschungslabors NREL, die Aussagen zur Verschmutzung aus der Studie des Fraunhofer ISE. Sonnenstände und Schattenlängen sind eigene Rechnungen für den Sonnenhöchststand auf ebener Fläche. Die Tabellen und die Beschreibung des Schattenmanagements sind eigene Zusammenstellungen ohne Messwerte. Preise nennt der Beitrag nicht, weil sie sich laufend ändern. Der Abschnitt zu Bäumen ist keine Rechtsberatung.

1. PVEducation (Honsberg, Bowden): Shading - Wirkung einer verschatteten Zelle auf das ganze Modul
2. PVEducation (Honsberg, Bowden): Bypass Diodes - Funktion der Bypass-Diode und Gruppengröße je Diode
3. National Renewable Energy Laboratory: Photovoltaic Shading Testbed for Module-Level Power Electronics - Mehrertrag von Mikrowechselrichtern bei leichter, mittlerer und starker Verschattung
4. Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Verschmutzung, flach geneigte Module, Reinigung
5. Bundesnaturschutzgesetz, § 39 - Verbotszeitraum für das Abschneiden und Beseitigen von Gehölzen