Globalstrahlung beschreibt die Gesamtheit der kurzwelligen solaren Einstrahlung, die auf eine horizontale Fläche der Erdoberfläche trifft und setzt sich aus Direktstrahlung und Diffusstrahlung zusammen.
Direktstrahlung trifft ungehindert aus dem Sonnenstandswinkel auf die Erdoberfläche, während Diffusstrahlung durch Streuprozesse an atmosphärischen Bestandteilen wie Molekülen, Aerosolen oder Wolkentröpfchen entsteht und die Sonnenenergie indirekt verteilt. Im Spektrum umfasst die Globalstrahlung ausschließlich solare Strahlung im Wellenlängenbereich von circa 0,3 bis 4 Mikrometer – thermisch reflektierte oder sekundäre Strahlungsanteile angrenzender Flächen bleiben unberücksichtigt.
Die Messung der Globalstrahlung ist essenziell für Anwendungen in Meteorologie, Solartechnik und Klimamodellen, da sie ein zentrales Maß für das Strahlungsangebot und somit für den Energieeintrag in terrestrische Systeme darstellt.
Gibt es regionale Unterschiede in der Globalstrahlung innerhalb Deutschlands?
Ja, innerhalb Deutschlands existieren signifikante regionale Unterschiede in der Globalstrahlung, die maßgeblich durch geographische und meteorologische Gegebenheiten bedingt sind. Generell nimmt die solare Einstrahlungsintensität von den nördlichen Küstenregionen hin zum Süden der Republik deutlich zu.
Während Norddeutschland durchschnittlich zwischen 900 und 1.100 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr verzeichnet, erreichen südliche Bundesländer wie Bayern und Baden-Württemberg Spitzenwerte von bis zu 1.300 kWh/m².
Insbesondere höher gelegene Regionen profitieren von einer reduzierten atmosphärischen Streuung, was zu einem intensiveren solaren Energieeintrag führt. Diese raumzeitliche Heterogenität beeinflusst die Standortwahl und das Ertragspotenzial von Photovoltaikanlagen erheblich und unterstreicht die Bedeutung regionaler Strahlungsanalysen. Die folgende Tabelle zeigt die regionalen Unterschiede der Globalstrahlung.
| Bundesland | Globalstrahlung (kWh/m²) | Region |
|---|---|---|
| Baden-Württemberg | 1.300 | Süd |
| Bayern | 1.290 | Süd |
| Saarland | 1.240 | Süd |
| Sachsen | 1.200 | Ost |
| Thüringen | 1.190 | Ost |
| Hessen | 1.190 | West |
| Brandenburg | 1.180 | Ost |
| Berlin | 1.180 | Ost |
| Rheinland-Pfalz | 1.180 | West |
| Mecklenburg-Vorpommern | 1.180 | Nord |
| Sachsen-Anhalt | 1.160 | Ost |
| Nordrhein-Westfalen | 1.160 | West |
| Niedersachsen | 1.150 | Nord |
| Hamburg | 1.080 | Nord |
| Bremen | 1.070 | Nord |
| Schleswig-Holstein | 1.060 | Nord |
Wo kann man verlässliche Globalstrahlungsdaten für einen Standort erhalten?
Zuverlässige Globalstrahlungsdaten für einen spezifischen Standort in Deutschland stellt primär der Deutsche Wetterdienst (DWD) bereit, dessen Datensätze auf einem engmaschigen Netz von Bodenmessstationen sowie Satellitenauswertungen beruhen.
Über das Climate Data Center (CDC) des DWD lassen sich langjährige Monats- und Jahressummen für nahezu jeden Ort als frei zugängliche Raster- oder Kartendateien im GIS-Format abrufen. Zusätzlich bietet der DWD stationsspezifische Messreihen an, die bei Bedarf auch kostenpflichtig in aufbereiteter Form verfügbar sind.
Neben den nationalen Ressourcen existieren ergänzende internationale Plattformen wie der European Solar Radiation Atlas, Meteonorm oder S@tel-Light, die auf globalen Strahlungsmodellen basieren.
Dennoch gelten die DWD-Daten im deutschen Raum aufgrund ihrer hohen räumlichen Auflösung, Aktualität und meteorologischen Präzision als führende Referenzquelle.
Welche Messmethoden werden zur Bestimmung der Globalstrahlung verwendet?
Die folgenden Verfahren ermöglichen eine präzise Erfassung der Globalstrahlung und bilden die Grundlage für zahlreiche Anwendungen in der Solarenergie, Klimatologie und Umweltanalyse.
- Pyranometer
- Silizium-Strahlungssensoren
- Heliographen
- Satellitengestützte Fernerkundung
- Geostatistische Interpolationsverfahren
- Pyranometer: Pyranometer gelten als Referenzinstrumente zur quantitativen Messung der Globalstrahlung. Sie bestehen aus einer geschwärzten Thermosäule unter einer Glaskuppel und messen kontinuierlich die Kombination aus direkter und diffuser Sonnenstrahlung auf einer horizontalen Fläche. Je nach Klassifizierung nach ISO 9060 (z. B. „secondary standard“) bieten sie höchste Präzision für meteorologische und wissenschaftliche Anwendungen.
- Silizium-Strahlungssensoren: Diese Sensoren basieren auf dem Prinzip der photovoltaischen Stromerzeugung und wandeln Lichtintensität in elektrische Spannung um. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise und geringen Kosten finden sie häufig Anwendung in der Langzeitüberwachung und bei einfachen Monitoringlösungen, sind aber weniger exakt – insbesondere bei hohen Einstrahlungswerten.
- Heliographen: Ein Heliograph erfasst die Sonnenscheindauer durch Lichtfokussierung mittels eines Glaskugelsystems auf ein spezielles Papier. Auch wenn dieses Verfahren nicht direkt die Strahlungsleistung misst, lassen sich daraus Rückschlüsse auf Globalstrahlung ziehen. Es eignet sich jedoch primär für historische Analysen oder grobe Abschätzungen.
- Satellitendaten: Seit den 1980er Jahren ermöglichen geostationäre Satelliten die flächendeckende Erfassung von Strahlungsdaten. Hierbei werden Wolkenbedeckung, Aerosole und Wasserdampfgehalt analysiert und in Strahlungswerte umgerechnet. Diese Methode liefert konsistente Datenreihen für große Gebiete mit hoher Genauigkeit im Monatsmittel (±5 W/m²), zeigt aber bei Tageswerten gewisse Abweichungen.
- Geostatistische Verfahren: Für regionale und lokale Strahlungsmodelle werden Punktmessungen, Satellitendaten und weitere meteorologische Parameter mithilfe statistischer Interpolationsverfahren zu flächendeckenden Datensätzen verrechnet. Dadurch entsteht ein hochaufgelöstes, standortspezifisches Strahlungsprofil – besonders relevant für Planungsprozesse in der Photovoltaik und Klimaforschung.
Welche Rolle spielt die Globalstrahlung in der Photovoltaik?
Die Globalstrahlung stellt die maßgebliche Bezugsgröße für die Energieertragsberechnung von Photovoltaikanlagen dar, da sie unmittelbar bestimmt, wie viel solare Einstrahlung einer PV-Modulfläche zur Umwandlung in elektrische Energie zur Verfügung steht. Als summierter Energieeintrag – erfasst in Kilowattstunden pro Quadratmeter (kWh/m²) über definierte Zeiträume – bildet sie die fundamentale Grundlage zur Bewertung der regionalen Solarstrompotenziale.
Sowohl meteorologische Parameter wie Bewölkung, atmosphärische Klarheit und Aerosolgehalt als auch topografische Gegebenheiten wie Breitengrad und Höhenlage modulieren den Globalstrahlungswert und damit die Effizienz photovoltaischer Systeme. In der solaren Energietechnik fungiert die Globalstrahlung somit als energetischer Taktgeber für Planung, Dimensionierung und Standortbewertung.
Wie beeinflusst die Globalstrahlung den Ertrag von Photovoltaikanlagen?
Die Globalstrahlung bestimmt direkt den Energieertrag von Photovoltaikanlagen, da sie die gesamte verfügbare Sonnenenergie am Standort quantifiziert, die in elektrische Leistung umgewandelt werden kann. Dieser Zusammenhang ist weitgehend linear, wodurch Regionen mit hohen Jahreswerten von bis zu 1.300 kWh/m², wie Süddeutschland, signifikant höhere Stromerträge erzielen als nördliche Standorte mit rund 1.000 kWh/m².
Doch auch weitere Parameter wie Modulneigung, Ausrichtung, Verschattung und der technische Wirkungsgrad beeinflussen den Ertrag von Photovoltaikanlagen. Zeitlich schwankt die Einstrahlung stark. Spitzen treten mittags und im Sommer auf, Tiefstwerte morgens, abends und im Winter.
Sollte diffuse Strahlung bei der Planung einer Photovoltaikanlage berücksichtigt werden?
Ja, diffuse Strahlung sollte bei der Planung einer Photovoltaikanlage zwingend einbezogen werden, da sie in mitteleuropäischen Breitengraden, insbesondere in Deutschland, bis zu 50 % der gesamten Globalstrahlung ausmachen kann. Technologisch gesehen reagieren bestimmte Modultypen, etwa Dünnschichttechnologien, effizienter auf Schwachlichtbedingungen als konventionelle kristalline Varianten.
Hat die Globalstrahlung einen Einfluss auf die Größe des Photovoltaik-Stromspeichers?
Ja, die Globalstrahlung beeinflusst unmittelbar die optimale Dimensionierung eines Photovoltaik-Stromspeichers, da sie die Menge an erzeugbarem Solarstrom am jeweiligen Standort definiert. Eine hohe Globalstrahlung führt zu größeren Stromüberschüssen, die zwischengespeichert und zeitversetzt genutzt werden können – was einen größeren Stromspeicher technisch und wirtschaftlich sinnvoll macht.
In Regionen mit geringerer Einstrahlung hingegen fällt der PV-Ertrag limitiert aus, wodurch überdimensionierte Speichersysteme ineffizient und kostenintensiv wären, da sie ihr Potenzial nur selten ausschöpfen.
