Was kostet dich Verschattung wirklich? Die echten Zahlen

Verschattung funktioniert nicht so, wie du es erwarten würdest

Die meisten Menschen nehmen an, dass man ein Zehntel der Leistung verliert, wenn ein Schatten ein Zehntel eines Solarmoduls bedeckt. Das ist falsch, und die Lücke zwischen Intuition und Realität ist das teuerste Missverständnis bei der Dachsolaranlage.

Forscher am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) bringen es deutlich auf den Punkt. In Extremfällen kann schon eine Verschattung von 5 Prozent der Modulfläche zu einem vollständigen Ertragsverlust dieses Moduls führen. Ein Schatten so groß wie die Kante eines Schornsteins oder ein einzelner kahler Ast kann ein Modul von voller Leistung auf nahezu null bringen.

Um zu verstehen, warum, muss man sich ansehen, wie ein Modul im Inneren verschaltet ist.

Warum eine verschattete Zelle den ganzen String mitzieht

Ein Standard-Solarmodul ist aus 60 oder mehr einzelnen, in Reihe verschalteten Zellen aufgebaut, wie eine Menschenkette, die Eimer weiterreicht. Der Strom, der durch das Modul fließt, wird durch die schwächste Zelle in der Kette begrenzt. Wie PVEducation erklärt: Weil die Zellen in Reihe liegen, muss der Strom in jeder Zelle gleich sein, sodass die Verschattung einer Zelle den Strom des gesamten Strings auf das Niveau dieser verschatteten Zelle herunterzieht.

Verschatte eine Zelle vollständig, und du verlierst nicht den Anteil einer Zelle an der Leistung. Du drosselst den Strom für alle. Die gesunden Zellen sind weiterhin beschienen, können ihren Strom aber nicht am Engpass vorbeischieben.

Es kommt schlimmer. Die verschattete Zelle bekommt nun die volle Spannung der anderen Zellen in Sperrrichtung aufgedrückt. Statt Leistung zu erzeugen, setzt sie Leistung als Wärme um. Das ist ein Hotspot, und das Fraunhofer CSP weist darauf hin, dass ungünstige Verschattung einen Modulbereich überhitzen, die Einkapselungspolymere altern lassen und die Lebensdauer des Moduls verkürzen kann. Ein kleiner Schatten ist also sowohl ein Leistungs- als auch ein Zuverlässigkeitsproblem.

Was ein einzelner Baum pro Jahr wirklich kostet

Die Modulphysik erklärt die Spitzen. Der Jahresertrag hängt davon ab, wie oft und wie lange diese Physik über das Jahr hinweg ausgelöst wird.

Branchenanalysen von Wohngebäudeanlagen setzen die Verschattungsverluste über eine Flotte hinweg meist irgendwo zwischen 5 und 25 Prozent der Jahresproduktion an, wobei einzelne Dächer weit darüber hinausreichen. Ein einzelner ausgewachsener Baum oder ein Nachbargebäude auf der falschen Seite wird häufig mit 20 bis 40 Prozent des Jahresertrags beziffert, und ein schlecht platziertes Hindernis direkt im Süden kann noch schlimmer sein.

Die Richtung zählt mehr als die Größe des Baums. Auf der Nordhalbkugel verbringt die Sonne den ganzen produktiven Tag am Südhimmel. Ein Objekt direkt südlich deiner Module blockiert die stärksten Mittagsstunden. Ein Objekt im Norden ist weitgehend irrelevant. Hindernisse im Osten und Westen beschneiden die morgendlichen und abendlichen Randstunden, was weniger kostet, aber nicht nichts ist.

Die ehrliche Schlussfolgerung: Wenn eine große immergrüne Pflanze südlich von dir steht und du sie nicht entfernen kannst, kann Solar auf diesem Dach schlicht eine schlechte Investition sein, und keine noch so clevere Elektronik behebt das vollständig.

Harter Schatten und weicher Schatten sind nicht dasselbe

Nicht alle Schatten verhalten sich gleich, und der Unterschied verändert, wie viel sie kosten.

Weicher Schatten ist diffus. Denk an ein Modul unter dem dünnen, sich bewegenden Blätterdach eines entfernten Baums oder die allgemeine Verdunkelung am frühen Morgen. Es erreicht immer noch Licht die Zellen, nur weniger, und der Verlust ist näher an proportional.

Harter Schatten ist ein scharfer, undurchlässiger Schatten mit klarer Kante: ein Schornstein, ein Lüftungsrohr, eine Satellitenschüssel, eine Stromleitung, eine Attika. Das ist die Art, die den Kollaps der schwächsten Zelle und den Hotspot auslöst. Wie Clean Energy Reviews es beschreibt, ist harter Schatten meist klein und fest und fällt oft in die Tagesmitte, wenn die Einstrahlung ihr Maximum erreicht, also genau dann, wenn er am meisten schadet.

Eine nützliche Angewohnheit bei der Planung eines Layouts: Suche zuerst nach Quellen für harten Schatten. Ein 10 Zentimeter großes Lüftungsrohr an der falschen Stelle kann mehr kosten als ein diesiger Baum fünfzig Meter entfernt.

Was Bypass-Dioden, Optimierer und Mikrowechselrichter tatsächlich tun

Die erste Verteidigung der Branche ist die Bypass-Diode, und nahezu jedes moderne Modul hat sie eingebaut. Die meisten Module teilen ihre Zellen in drei Gruppen auf, jede mit einer Bypass-Diode darüber. Wenn eine Gruppe so stark verschattet ist, dass ihre Spannung über etwa 0,7 Volt umkehrt, schaltet die Diode ein und lässt den Strom um diese Gruppe herum fließen. Das verschattete Drittel wird geopfert, aber die anderen zwei Drittel arbeiten weiter, und der gefährliche Hotspot wird entschärft.

Bypass-Dioden begrenzen den Schaden. Sie holen ihn nicht zurück. Bestenfalls setzt eine Diode den Beitrag des verschatteten Abschnitts auf null, statt das ganze Modul und den String mit hinunterzuziehen. Deshalb gestaltet das SegmentPV-Projekt von Fraunhofer das Modullayout und die Diodenplatzierung neu, um Verluste und Hotspot-Risiko weiter zu senken.

Der größere Hebel ist modulbasierte Leistungselektronik (MLPE): DC-Optimierer (zum Beispiel SolarEdge) und Mikrowechselrichter (zum Beispiel Enphase). Ein einfacher String-Wechselrichter verwaltet jedes Modul als eine Kette, sodass das schlechteste Modul das Tempo für alle vorgibt. MLPE verwaltet jedes Modul für sich. Ein verschattetes Modul verliert weiterhin seinen eigenen Ertrag, drosselt aber nicht mehr seine gesunden Nachbarn. Über teilverschattete Anlagen hinweg gewinnt das häufig einen nennenswerten Anteil zurück, oft mit rund 20 bis 30 Prozent beziffert, der Energie, die ein String-Wechselrichter aufgegeben hätte.

Die Reihenfolge der Priorität ist klar. Erstens: vermeide die Verschattung durch die Wahl von Standort und Layout. Zweitens: Wenn etwas Verschattung unvermeidbar ist, nutze Optimierer oder Mikrowechselrichter, damit sie auf ein Modul begrenzt bleibt. Keine Elektronik macht aus einem verschatteten Dach ein unverschattetes.

Im Winter beißt die Verschattung am härtesten

Ein Schatten, der im Juli an deinen Modulen vorbeigeht, kann sie im Dezember verschlucken, weil die Sonne weit tiefer am Himmel steht.

In Berlin (Breitengrad etwa 52,5 Grad Nord) erreicht die Mittagssonne zur Sommersonnenwende rund 61 Grad über dem Horizont, zur Wintersonnenwende aber nur etwa 14 Grad. Bei 14 Grad wirft jeder Baum, jeder Zaun und jedes Nachbardach einen mehrfach längeren Schatten als im Sommer. Objekte, die deine Anlage im Juni nie berührten, liegen jetzt direkt davor, genau zu der Jahreszeit, in der du den Ertrag am dringendsten brauchst.

Auch deshalb ist eine einzelne Satellitenmessung oder ein kurzer Sommerblick irreführend. Was du brauchst, ist das vollständige Profil der Hindernisse rund um dich herum und wie hoch jedes davon in den Himmel ragt.

Die Zahl, die deine Verluste tatsächlich vorhersagt

Das Konzept, das all dies zusammenführt, ist der Schattenhorizont. Es ist die Kontur, gemessen in Höhengraden für jede Himmelsrichtung, von allem, was deinen Blick auf den offenen Himmel blockiert: die Firstlinie des Nachbarhauses, die Spitze der Eiche im Südwesten, die entfernte Baumreihe.

Karten- und Satellitentools wie Google Project Sunroof, die regionalen Solarkataster und SunCalc sind nützlich, teilen aber einen strukturellen blinden Fleck. Sie modellieren das Dach und das grobe Gelände und übersehen routinemäßig die echten Hindernisse, die auf oder nahe deinem Standort stehen, besonders Bäume, Balkongeländer und angrenzende Wände. Genau von dort kommen die überproportionalen Verluste.

Die einzige verlässliche Lösung ist, den Schattenhorizont vom genauen Standort aus zu messen, an dem die Module sitzen werden. Genau das tut SunMeasure: Du stehst auf dem Dach, dem Balkon oder dem Stück Garten, schwenkst dein Handy über den Himmel, und es erfasst die Höhe jedes Hindernisses und kombiniert das dann mit standortbezogenen Einstrahlungsdaten aus Quellen wie dem EU-PVGIS, um abzuschätzen, wie viel Sonne der Standort über das Jahr wirklich bekommt. Ob du eine App oder ein manuelles Sonnenstandsdiagramm nutzt, miss vom Standort aus. Die Kosten einer Fehleinschätzung sind nicht ein paar Prozent. Wie die obige Physik zeigt, kann es der Großteil eines Moduls sein.