H-BRS | Sonnenstunden nicht gleichbedeutend mit Energieausbeute. Promotion zu solarbetriebenen Energiesystemen in Westafrika

Das Klima verändert sich, das Wetter ohnehin. Diese Binsenweisheit ist eine zentrale Ausgangslage der Energiemeteorologie. Ina Neher, Doktorandin am Internationalen Zentrum für nachhaltige Entwicklung (IZNE) der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS), hat nun an der Universität zu Köln ihre Doktorarbeit vorgelegt, in der sie sich mit den Bedingungen für ein solarbetriebenes Energiesystem in Westafrika beschäftigt. Dabei untersucht sie zum einen den Einfluss von atmosphärischen Aerosolen, insbesondere von Staubstürmen, auf die solare Energieproduktion. Zum anderen analysiert sie langfristige Veränderungen in der atmosphärischen Variabilität und die Konsequenzen für mögliche Photovoltaikerträge in Westafrika. Zudem spricht sie eine Empfehlung für den Netzausbau in Nord-Süd-Richtung aus.

Die Energiemeteorologie ist ein anwendungsorientiertes Arbeitsgebiet, das sich an den Bedürfnissen einer nachhaltigen, effizienten und kostenoptimierten Energieversorgung orientiert und die dafür notwendige Forschung vorantreibt. Nachhaltig bedeutet im Zusammenhang mit Energieerzeugung immer auch erneuerbare Energie und damit eine Abhängigkeit vom Wetter. Die Arbeit Nehers verbessert nun das Verständnis der atmosphärischen Einflüsse auf Solarenergie in einer vielfältigen Region wie Westafrika. Die Bedeutung des Aerosoleinflusses wird deutlich, insbesondere in Wüstenregionen. Außerdem werden langzeitliche Veränderungen der Strahlung charakterisiert und deren Einfluss auf Photovoltaik (PV) aufgezeigt.
In Westafrika, wo im Jahr 2017 erst rund 55 Prozent der Haushalte überhaupt ans Stromnetz angeschlossen waren, könnte bei der Entwicklung des Netzes sofort auf erneuerbare Ressourcen gesetzt werden. Allerdings ist die Solarenergie mit ihrem Potential stark von atmosphärischen Bedingungen abhängig. Um diesbezüglich den Einfluss von atmosphärischen Aerosolen zu ermessen, stützte sich Ina Neher auf meteorologische Daten aus dem Jahr 2006.

Kraftwerkstypen im Vergleich

Anhand der Daten von sechs Messstationen modellierte sie den Ertrag zweier Kraftwerkstypen, die auf unterschiedliche Weise solaren Strom erzeugen: den eines Photovoltaik- und den eines Parabolrinnenkraftwerks. Beim ersten wird die Strahlung der Sonne direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Ein Parabolrinnenkraftwerk, auch Solarwärme- oder solarthermisches Kraftwerk, erzeugt hohe Temperaturen, die zum Betreiben einer Dampfturbine benötigt werden, indem es zunächst die Strahlung der Sonne über Spiegel fokussiert und dann absorbiert. Durch die Fokussierung der Solarstrahlung im Parabolrinnenkraftwerk, spielt die Veränderung der direkten Einstrahlung von der Sonne eine besondere Rolle, da diffuse Strahlung nicht gebündelt werden kann. Aerosole wirken aber wie ein Diffusor, so dass der Effekt von Aerosolen für diesen Kraftwerkstyp stärker ist als für die PV-Technologie, die neben der direkten Einstrahlung auch die diffuse Strahlung für die Stromerzeugung nutzt.
Die gängige Vorstellung, dass in Afrika immer die Sonne scheint und deshalb Solarenergie nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehen muss, ist nur bedingt richtig: Im Modell zeigte sich stattdessen fast erwartungsgemäß, dass Aerosole während eines Sandsturms den Stromertrag eines Photovoltaikkraftwerks um bis zu fast 80 Prozent verringern kann. Bei einem Parabolrinnenkraftwerk kann es sogar zu einem Totalausfall der Produktion kommen. Doch auch an klaren Tagen reduzieren Aerosole den Ertrag von Photovoltaikanlagen um durchschnittlich 13 bis 22 Prozent und den von Parabolrinnenkraftwerken sogar um 22 bis 37 Prozent. Damit sind Parabolrinnenkraftwerke sehr viel anfälliger für hohe Aerosolkonzentrationen als Photovoltaikanlagen.
Für Photovoltaikanalgen hat Ina Neher die langfristige atmosphärische Schwankungsbreite sowie generelle Trends für Westafrika analysiert. Basierend auf Satellitendaten aus den Jahren 1983 bis 2017 bestimmte Ina Neher unter anderem Trends der Global- und Direktstrahlung und berechnete anhand der Tagesmittelwerte den Photovoltaikertrag.
Der Ertrag zeigt eine starke meridionale Abhängigkeit – also die Abhängigkeit in Nord-Süd Richtung – mit höheren Erträgen und niedrigerer Variabilität in der südlichen Sahara und Sahel Zone (mehr als 5,5 kWh/kWp und damit etwa ± 4.5 Prozent räumliche Variabilität. Im südlichen Westafrika hingeben lässt die meridionale Abhängigkeit niedrigere Erträge und eine höhere räumliche Variabilität erwarten (etwa 4 kWh/kWp, das sind ± 18 Prozent). Daraus leitet Neher die Empfehlung ab, dass ein Netzausbau in Nord-Süd Richtung notwendig ist, um die bevölkerungsreiche Küste mit Solarstrom aus der nördlichen Region zu versorgen. „Zusätzlich“, so Neher weiter, „ist ein positiver Trend (bis zu + 5 W/m2/Dekade) der Globalstrahlung in der Sahara und ein negativer Trend (bis zu – 5 W/m2/Dekade) im südlichen Westafrika zu erkennen. Setzt sich dieser Trend weiter fort, werden sich die regionalen Unterschiede im Solarenergiepotential in Zukunft noch verstärken.“

In Ghana weiteres Energieprojekt

Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg beschäftigt in mehreren Projekten mit dem Einfluss der Atmosphäre auf die solare Energieerzeugung in Westafrika. In EnerSHelf, dem größten dieser Projekte, arbeitet sie an Energielösungen für Gesundheitseinrichtungen in Ghana unter anderem mit ghanaischen Partnern.
Quelle: Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS), 16.09.2020