Einstrahlung bezeichnet im Zusammenhang mit Solarenergie die Sonnenstrahlung, die auf eine bestimmte Fläche trifft. Für die Photovoltaik beschreibt sie die verfügbare solare Energie, aus der ein Modul elektrischen Strom erzeugen kann. Der Begriff wird in der Praxis allerdings für zwei unterschiedliche Größen verwendet: für die momentane Strahlungsleistung pro Fläche und für die über einen Zeitraum aufsummierte Strahlungsenergie pro Fläche.
Die momentane Größe heißt fachlich Bestrahlungsstärke und wird in Watt pro Quadratmeter angegeben, also W/m². Sie beschreibt, wie stark die Sonne in einem bestimmten Augenblick auf eine Fläche einwirkt. Die zeitlich aufsummierte Größe heißt Bestrahlung oder Einstrahlungssumme und wird meist in Kilowattstunden pro Quadratmeter angegeben, etwa kWh/m² pro Jahr. Für Ertragsberechnungen von Solaranlagen ist diese zweite Größe zentral, weil sie beschreibt, wie viel solare Energie an einem Standort über Tage, Monate oder Jahre verfügbar ist.
Direktstrahlung, Diffusstrahlung und Globalstrahlung
Sonnenstrahlung erreicht eine Fläche auf verschiedenen Wegen. Direktstrahlung kommt ohne wesentliche Streuung aus Richtung der Sonne. Sie ist bei klarem Himmel hoch und erzeugt scharfe Schatten. Diffusstrahlung entsteht durch Streuung an Molekülen, Aerosolen, Wolken und anderen Bestandteilen der Atmosphäre. Sie kommt aus vielen Richtungen des Himmels und ist auch bei bedecktem Himmel vorhanden. Globalstrahlung ist die Summe aus Direktstrahlung und Diffusstrahlung auf eine horizontale Fläche.
Für Photovoltaikanlagen reicht die horizontale Globalstrahlung allein nicht aus, wenn die Module geneigt oder nach einer bestimmten Himmelsrichtung ausgerichtet sind. Maßgeblich für die Stromerzeugung ist die Einstrahlung auf die Modulebene. Ein nach Süden geneigtes Modul erhält in Mitteleuropa über das Jahr eine andere Einstrahlung als eine horizontale Fläche, ein Ost-West-Dach oder eine senkrechte Fassadenanlage. Bei bifazialen Modulen kommt hinzu, dass auch Licht von der Rückseite genutzt werden kann. Dafür werden Reflexionen des Bodens und der Umgebung relevant, beschrieben über die Albedo.
Diese Unterscheidungen sind keine akademische Genauigkeit. Sie entscheiden darüber, ob ein Standortgutachten, eine Wirtschaftlichkeitsrechnung oder eine Einspeiseprognose die tatsächliche Erzeugung plausibel abbildet. Eine Anlage mit gleicher installierter Leistung kann je nach Einstrahlung, Ausrichtung, Verschattung und technischer Auslegung deutlich unterschiedliche Jahreserträge liefern.
Einstrahlung ist nicht Stromerzeugung
Einstrahlung beschreibt die solare Eingangsgröße. Stromerzeugung entsteht erst nach mehreren Umwandlungs- und Verlustschritten. Photovoltaikmodule wandeln nur einen Teil der einfallenden Strahlung in Gleichstrom um. Der Modulwirkungsgrad, die Zelltemperatur, Verschmutzung, Alterung, Verschattung, Leitungsverluste, Wechselrichterverluste und Betriebsbegrenzungen beeinflussen den tatsächlichen Ertrag.
Ein häufiger Fehler besteht darin, hohe Einstrahlung direkt mit hoher elektrischer Leistung gleichzusetzen. Unter Standard-Testbedingungen werden Module bei 1.000 W/m² Einstrahlung, 25 Grad Celsius Zelltemperatur und einem definierten Lichtspektrum vermessen. Daraus ergibt sich die Nennleistung in Watt peak. Diese Bedingungen sind ein Vergleichsmaßstab für Module, keine Beschreibung des normalen Betriebs. In der Praxis kann eine hohe Einstrahlung mit hohen Modultemperaturen zusammenfallen. Da viele Silizium-Module bei steigender Temperatur einen geringeren Wirkungsgrad haben, steigt die elektrische Leistung dann weniger stark, als die Strahlungswerte vermuten lassen.
Umgekehrt kann eine kühle, klare Wetterlage zu sehr hohen Leistungen führen, obwohl sie nur wenige Stunden anhält. Für den Jahresertrag zählt nicht der einzelne Spitzenwert, sondern die Summe der nutzbaren Einstrahlung über die Zeit und die Fähigkeit der Anlage, diese Strahlung ohne unnötige Verluste in Strom umzusetzen.
Warum Einstrahlung im Stromsystem relevant ist
Einstrahlung bestimmt bei Photovoltaik den wetter- und tageszeitabhängigen Verlauf der Stromerzeugung. Damit wirkt sie direkt auf Residuallast, Strompreise, Netzbelastung und den Bedarf an Flexibilität. An sonnigen Tagen kann die gleichzeitige Einspeisung vieler Solaranlagen die Nachfrage aus dem Netz stark senken. Bei hoher Photovoltaikleistung entstehen dann niedrige Börsenpreise, lokale Netzengpässe oder Abregelungen, wenn Erzeugung, Verbrauch, Speicher und Netzkapazität nicht zusammenpassen.
Die Einstrahlung ist dabei räumlich und zeitlich sehr ungleich verteilt. Wolkenfelder können die Erzeugung einer Region innerhalb kurzer Zeit stark verändern. Für Verteilnetzbetreiber, Direktvermarkter und Bilanzkreisverantwortliche ist deshalb nicht nur der Jahreswert interessant, sondern die kurzfristige Prognose der Einstrahlung. Satellitendaten, Wettermodelle und Messdaten werden genutzt, um die erwartete PV-Einspeisung zu bestimmen. Fehler in diesen Prognosen müssen im Stromsystem durch Ausgleichsenergie, Regelenergie oder andere kurzfristige Maßnahmen aufgefangen werden.
Mit steigendem Anteil der Photovoltaik verschiebt sich die Bedeutung der Einstrahlung. Früher war sie vor allem eine Größe für die Standortbewertung einzelner Anlagen. In einem Stromsystem mit vielen Solaranlagen wird sie zu einer systemrelevanten Wettergröße. Sie beeinflusst, wann flexible Verbraucher günstig laden oder laufen können, wann Speicher gefüllt werden, wie sich Strompreise im Tagesverlauf bilden und wo Netzausbau oder steuerbare Betriebsmittel benötigt werden.
Standort, Ausrichtung und Verschattung
Die jährliche Einstrahlung hängt vom geografischen Standort ab, aber Standort allein erklärt den Ertrag einer Anlage nicht. In Deutschland sind die Unterschiede zwischen Nord und Süd relevant, doch Dachneigung, Ausrichtung und Verschattung können innerhalb eines einzelnen Ortes größere Unterschiede verursachen als der Abstand zwischen zwei Regionen. Ein verschattetes Süddach kann weniger Ertrag liefern als ein gut freies Ost-West-Dach.
Verschattung wirkt bei Photovoltaik besonders stark, weil Module aus verschalteten Zellen bestehen. Wird ein Teil eines Moduls verschattet, kann das den Stromfluss eines ganzen Zellstrangs beeinflussen. Moderne Modultechnik, Bypass-Dioden, Leistungsoptimierer oder Mikrowechselrichter können solche Verluste begrenzen, aber nicht beliebig beseitigen. Für die Planung zählt deshalb nicht nur, wie viel Sonne eine Fläche grundsätzlich erhält, sondern wann und auf welchem Teil der Modulfläche Schatten auftreten.
Auch die Ausrichtung verändert das Erzeugungsprofil. Südausgerichtete Anlagen erzeugen in Mitteleuropa hohe Mittagsleistungen. Ost-West-Anlagen verteilen die Erzeugung stärker auf Vormittag und Nachmittag, oft mit geringeren Spitzen, aber besserer zeitlicher Passung zu bestimmten Verbrauchsprofilen. Für Eigenverbrauch, Netzanschluss und Strommarkt kann dieses Profil wichtiger sein als der maximale Jahresertrag pro installiertem Kilowatt.
Typische Verkürzungen
Eine verbreitete Verkürzung setzt Einstrahlung mit Sonnenscheindauer gleich. Sonnenscheindauer misst, wie lange direkte Sonne registriert wird. Sie sagt wenig darüber aus, wie viel diffuse Strahlung vorhanden ist und wie viel Energie auf eine geneigte Modulfläche trifft. Photovoltaikanlagen erzeugen auch bei Bewölkung Strom, allerdings mit geringerer Leistung. Für Ertragsmodelle ist die Strahlungsenergie aussagekräftiger als die bloße Zahl der Sonnenstunden.
Eine zweite Verkürzung betrifft die installierte Leistung. Zwei Anlagen mit jeweils 10 Kilowatt peak haben dieselbe Nennleistung, können aber unterschiedliche Strommengen erzeugen. Die eine steht verschattungsfrei mit guter Neigung, die andere auf einem ungünstig ausgerichteten Dach mit Teilverschattung. Die Nennleistung beschreibt die technische Größe des Generators unter Testbedingungen. Die Einstrahlung beschreibt das solare Angebot. Der Ertrag entsteht aus dem Zusammenspiel beider Größen und der weiteren Anlagentechnik.
Eine dritte Fehlinterpretation betrifft die Bewertung von Regionen. Eine hohe jährliche Einstrahlung verbessert die Ertragschancen einer Solaranlage, ersetzt aber keine Betrachtung von Netzanschluss, Flächenverfügbarkeit, Finanzierung, Genehmigung, Abregelungsrisiken und Strompreisprofilen. In Gebieten mit sehr viel gleichzeitiger Solarerzeugung können Marktwerte sinken, wenn Speicher, flexible Nachfrage oder Netze nicht entsprechend mitwachsen. Die Einstrahlung liefert dann viel Energie, aber nicht automatisch hohen wirtschaftlichen Wert zu jedem Zeitpunkt.
Einordnung in Planung und Betrieb
Für die technische Planung werden Einstrahlungsdaten aus Messreihen, Wetterdiensten, Satellitenmodellen und Simulationsprogrammen verwendet. Langjährige Mittelwerte helfen bei der Abschätzung des erwarteten Jahresertrags. Stündliche oder viertelstündliche Profile werden benötigt, um Eigenverbrauch, Speicherbetrieb, Netzanschlussleistung und Erlöse aus Direktvermarktung realistisch zu berechnen. Dabei ist die Unsicherheit relevant: Ein einzelnes Jahr kann deutlich vom langjährigen Mittel abweichen. Seriöse Ertragsgutachten arbeiten deshalb mit Wahrscheinlichkeitswerten, etwa P50 oder P90. Ein P50-Wert wird statistisch in etwa jedem zweiten Jahr übertroffen, ein P90-Wert mit höherer Wahrscheinlichkeit erreicht, liegt aber niedriger.
Im Betrieb von Solaranlagen werden Einstrahlungsmessungen genutzt, um die Performance zu prüfen. Wenn ein Einstrahlungssensor anzeigt, welche solare Energie tatsächlich auf die Modulebene gefallen ist, lässt sich die erwartbare Stromerzeugung mit der gemessenen Erzeugung vergleichen. So werden defekte Wechselrichter, verschmutzte Module, Fehler in Strings oder unerwartete Verschattung besser erkennbar. Ohne Einstrahlungsbezug kann ein niedriger Tagesertrag schlicht schlechtes Wetter bedeuten oder einen technischen Fehler verdecken.
Einstrahlung macht sichtbar, welches solare Angebot an einem Ort und zu einem Zeitpunkt vorhanden ist. Sie erklärt aber nicht allein, wie viel Strom erzeugt, eingespeist, verbraucht oder wirtschaftlich genutzt wird. Dafür müssen Modultechnik, Anlagenlayout, Wetter, Netzanschluss, Marktregeln und Verbrauchsprofil zusammen betrachtet werden. Präzise verwendet trennt der Begriff das natürliche Energieangebot von der technischen Umwandlung und von der systemischen Nutzung des erzeugten Stroms.