Landnutzungsbedingter Einfluss von Aerosolen auf Solarenergieerzeugung
Energiegewinnung mit Hilfe von Solarenergie bietet eine Möglichkeit den steigenden Energiebedarf weltweit zu bedienen und gleichzeitig CO 2 Emissionen zu reduzieren. Damit trägt der Ausbau von Solarenergie zu einer nachhaltigen Entwicklung im Sinne des 7. Zieles der ”Sustainable Development Goals” der Vereinten Nationen - bezahlbare, nachhaltige Energien allen Menschen zugänglich zu machen - bei (UN 2015).
Zur Errichtung von Solarenergieanlagen ist eine genaue Analyse von potentiellen Standorten und insbesondere des dortigen Strahlungsangebotes notwendig. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Auswirkungen der regionalen und lokalen Atmosphärenzusammensetzung auf Solarstrahlung zu kennen, um den Energieertrag realitätsnah voraussagen zu können.
Die solare Strahlung trifft auf ihrem Weg durch die Atmosphäre auf Gas-, Aerosol- und Wolkenpartikel. Diese reduzieren die (direkte) Strahlung durch Streuung und Absorption (Inman et al. 2013) und verschieben das Spektrum. Dabei hängt die Reduktion der Strahlungsintensität von der genauen Gas-, Aerosol- und Wolkenverteilung in der Atmosphäre ab. Die Auswirkungen von Ozon und Kohlendioxid können heutzutage realistisch simuliert werden.
Dagegen sind die Einflüsse durch Aerosole nur vage untersucht und weisen hohe Unsicherheiten auf (Boucher et al. 2013). Verschiedene Technologien reagieren unterschiedlich sensibel auf Veränderungen des Strahlungsangebots. So können konzentrierende Solaranlagen nur die direkte Strahlung zur Energieumwandlung nutzen und sind damit besonders anfällig für Veränderungen in der Atmosphäre. Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) dagegen verhalten sich je nach Material unterschiedlich sensitiv auf das Spektrum.
Landnutzungsänderungen gehen unter anderem mit klimatischen Veränderungen, Verstädterung und der Ausweitung landwirtschaftlich genutzter Flächen einher. Durch die Verknappung potentieller für die Landwirtschaft nutzbarer Flächen kommt es immer häufiger zu ”Landgrabbing”, meist durch große Agrarfirmen und teilweisen von Staaten gefördert.
Dabei wird oftmals Land von den Menschen genommen, die nahe an oder sogar unterhalb der Armutsgrenze leben (Kruchem 2012). Diese Landnutzungsveränderungen wirken sich stark auf das lokale Klima aus und können Aerosolbedingungen drastisch beeinflussen (Gunderson et al. 2014). Dies wiederum führt zu einer Veränderung des Strahlungsangebots abhängig von Zeitpunkt und Standort.
Die konkreten Auswirkungen dieser Veränderungen auf den Ertrag von Solaranlagen sind jedoch nicht vollständig erforscht und weisen viele ungeklärte Fragen auf. Allerdings ist eine genauere Analyse im Hinblick auf eine langfristige Energiesicherung für alle und die konkreten Auswirkungen auf insbesondere Entwicklungs- und Schwellenländer erstrebenswert.
Um die Fragestellung beantworten zu können, in wieweit Landnutzungsbegebenheiten die Erträge von Solarenergieanlagen beeinflussen, wird zunächst eine Modellkette erarbeitet, die den kompletten Weg der Strahlung von der Atmosphäre bis hin zu bestimmten Anlagen und deren Ertrag simuliert. Dafür werden typische Aerosolzusammensetzungen identifiziert, die auf lokale Landnutzungsbegebenheiten und Klimate zurückzuführen sind.
Es werden verschiedene Landnutzungs-Regime gewählt, die sich stark hinsichtlich ihrer Emissionen unterscheiden. Danach werden diesen Regimen konkrete Fallstudien zugeordnet. Die Einflüsse verschiedener Aerosole auf die unterschiedlichen Strahlungskomponenten (Direkt- und Diffusstrahlung) werden dann im Zweiten Schritt in ein Strahlungstransfermodell (lib-Radtran (Mayer and Kylling 2005)) integriert und die lokale Strahlung in verschiedenen zeitlichen Auflösungen spektral abgeleitet.
Es werden Satellitendaten und Daten aus lokalen Messkampagnen genutzt. Für das Ertragsmodell von Solaranlagen werden zunächst unterschiedliche Anlageformen ausgewählt und deren Erträge mit Hilfe physikalischer Modelle berechnet.
Zum Schluss wird analysiert wie sich bevorstehende Landnutzungsänderungen insbesondere in Entwicklungs- und Schwellenländern auf die Energieerzeugung dieser Länder auswirken und welche politischen und gesellschaftlichen Folgen dadurch im Hinblick auf die ”Sustainable Development Goals” entstehen.