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Environment Energy

Saharan dust: reliable predictions of performance for photovoltaics

The PerduS project is investigating yield losses experienced by solar energy systems as a result of desert dust – preliminary studies indicate reductions could range from 10 percent to 20 percent.

Saharan dust: reliable predictions of performance for photovoltaics

(Source: fotolia)

Augsburg, July 11, 2016 – Hazy skies and dusty cars: Many people are well acquainted with the impact of the Saharan dust that travels to Europe by air. The impact of this dust – as haze in the atmosphere and as a residue on solar panels – on the performance of photovoltaic (PV) systems is being studied by the German Weather Service, the Karlsruhe Institute for Technology (KIT) and meteocontrol in a project called „PerduS.“ The objective of the research is to facilitate better performance predictions for PV systems by improving projections about the dispersion of dust.

Saharan dust affects PV performance in two ways: First, the haze it creates, which can be substantial at times, can reduce performance by 10 percent to 20 percent. Second, it forms a residue on the PV modules that further impacts performance. These findings were reached during the preliminary studies conducted by the project partners. The term „blood rain“ is frequently used when talking about the grimy layer left behind on cars following rain storms.

„During an outbreak of Saharan dust, atmospheric streams transport the dust whipped up by the Sahara over great distances that extend all the way to central Europe,“ says Dr. Bernhard Vogel, a KIT meteorologist. „In terms of a long-range average, we see this four days a month in the spring and summer. In some years, the number even reaches up to nine days in a month.“

Photovoltaic systems generated 6 percent of gross electricity production in Germany during 2015, according to the German Statistical Office. The installed capacity of all PV systems totals about 39 gigawatts across Germany. As a result, the systems can produce peak yields of more than 30 gigawatts of power on clear days. This equals the production of more than 20 German nuclear power stations. Up to now, PV performance predictions have been unable to realistically factor in the effect of Saharan dust. The project team says this is necessary to ensure grid stability.

The German Ministry for Economic Affairs and Energy is funding the research project PerduS (a German acronym that stands for photovoltaic yield reduction caused by Saharan dust) for four years. The main objective is to combine all components necessary for consideration of Saharan dust outbreaks when projecting PV performance in a forecasting process. In cooperation with KIT, an improved dispersion forecast for desert dust is being added to the German Weather Service’s numerical weather-forecasting model ICON. The ICON-ART forecast system will be used during future dust outbreaks along with the conventional numerical weather forecast. Simulating dust dispersion, the system will provide predictions about a reduction in solar irradiance. Drawing on this information, the forecast service provider meteocontrol will develop PV performance predictions as well as evaluate the technical and commercial use of the new forecasting system. In addition, an estimate will be made regarding the expected amount of residue on PV systems left behind by the Saharan dust and the cleansing effect on the units by subsequent rain storms.

Model system ICON-ART and measurement systems in use
To expand the ICON model system that has been used by the German Weather Service since January 2015 to prepare daily weather forecasts, the Institute of Meteorology and Climate Research at KIT developed a module called ART (aerosols and reactive trace gases). This module makes it possible to simulate the dispersion of such particles as mineral dust and sea salt and their interaction with clouds. In the past, ICON-ART was used, also in cooperation with the German Weather Service, to simulate the dispersion of ash particles following volcano eruptions in order to prepare weather forecasts. The research focal points being pursued by KIT in PerduS are refining the description of dust emissions in the Sahara and improving the description of the interaction of dust particles and atmospheric radiation.

Measurements have also been taken at the Solar Storage Park on the KIT north campus to determine the amount of residue left on solar panels by mineral dust and its impact on PV performance. In this measurement project, researchers are also examining how precipitation can cleanse solar panels. In this process, they are using a precipitation radar, the measurement tower at KIT, additional devices for measuring drop sizes and precipitation quantities, and an aerosol lidar of the German Weather Service. The descriptions of the relevant processes drawn from these measurements will then be integrated into the ICON-ART model system.

meteocontrol, EU headquarter based in Augsburg, Germany and APMEA headquarter based in Shanghai (China), with offices and branches in Chicago (U.S.A.), Lyon (France), Madrid (Spain) and Milan (Italy) offers energy and weather data management, yield reports, quality audits and technical due diligence as well as monitoring of PV systems of all sizes. meteocontrol has more than 40 years of expertise in renewable energy systems and has so far been involved in projects with a total investment volume of more than 13 billion Euros. In addition, meteocontrol is the market leader for professional remote monitoring of PV systems. meteocontrol monitors around 41,000 PV systems around the globe with a total power of over 11 GWp. meteocontrol is a member of SFCE Shunfeng International Clean Energy Limited.
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Wissenschaft Technik Umwelt

Saharastaub: verlässliche Leistungsprognosen für die Photovoltaik

Projekt PerduS untersucht Ertragsminderung von Solaranlagen durch Wüstenstaub – Voruntersuchungen gehen von möglichen Leistungseinbußen von zehn bis 20 Prozent aus.

Saharastaub: verlässliche Leistungsprognosen für die Photovoltaik

(Bildquelle: Fotolia)

Augsburg, 07.07.2016 – Dunstiger Himmel und verschmutzte Autos: Diese Folgen des über Luftströmungen nach Europa getragenen Saharastaubs sind vielen bekannt. Wie sich dieser Staub – als Schleier in der Atmosphäre und auf den Solarpanelen abgelagert – auf die Leistung von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) auswirkt, untersuchen derzeit der Deutsche Wetterdienst (DWD), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die Firma meteocontrol in dem gemeinsamen Projekt „PerduS“. Ziel ist es, mit einer besseren Vorhersage der Ausbreitung des Staubs auch eine verlässlichere Prognose für die Leistung von PV-Anlagen zu ermöglichen.

Bei Saharastaub-Ausbrüchen vermindert sich die PV-Leistung nicht nur durch die teilweise stark erhöhte atmosphärische Trübung während des Ereignisses um zehn bis 20 Prozent, sondern auch an den Folgetagen durch die Staubablagerung auf den PV-Modulen. Das haben Voruntersuchungen der Projektpartner ergeben. Im Zusammenhang mit der Verschmutzung von Autos durch ausgewaschenen Saharastaub wird häufig auch der Begriff „Blutregen“ verwendet.

„Bei einem Saharastaub-Ausbruch transportieren atmosphärische Strömungen den in der Sahara aufgewirbelten Staub über sehr weite Strecken auch bis nach Mitteleuropa“, erläutert der Meteorologe Dr. Bernhard Vogel vom KIT. „Im langjährigen Mittel beobachten wir das über Deutschland im Frühjahr und im Sommer an vier Tagen pro Monat, in manchen Jahren an bis zu neun Tagen im Monat.“

Sechs Prozent betrug laut Statistischem Bundesamt im Jahr 2015 der Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung in Deutschland. Die installierte Kapazität aller PV-Anlagen beträgt bundesweit etwa 39 Gigawatt, damit können die Anlagen an wolkenfreien Tagen als Spitzenleistung mehr als 30 Gigawatt Strom produzieren. Das entspricht der Leistung von mehr als 20 deutschen Kernkraftwerken. Bislang können die PV-Leistungsvorhersagen den Effekt des Saharastaubs noch nicht realistisch berücksichtigen. Um die Netzstabilität zu gewährleisten, sei dies jedoch erforderlich, so das Projektteam.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Forschungsvorhaben PerduS (Photovoltaikertragsreduktion durch Saharastaub) für vier Jahre. Kernziel ist, alle Komponenten, die für eine Berücksichtigung von Saharastaub-Ausbrüchen bei der Prognose der PV-Leistung notwendig sind, in einem Vorhersageverfahren zusammenzuführen. Dazu wird das numerische Wettervorhersagemodell ICON des DWD in Zusammenarbeit mit dem KIT um eine verbesserte Ausbreitungsprognose von Wüstenstaub erweitert. Das Vorhersagesystem ICON-ART wird dann bei zukünftigen Staubausbrüchen parallel zur üblichen numerischen Wettervorhersage eingesetzt. Das System wird somit Aussagen über die durch die simulierte Staubverteilung geminderte Sonneneinstrahlung liefern. Darauf aufbauend wird der Prognosedienstleister meteocontrol PV-Leistungsvorhersagen entwickeln und den technischen und wirtschaftlichen Nutzen des neuen Vorhersagesystems bewerten. Zusätzlich werden die zu erwartete Verschmutzung von PV-Anlagen durch den abgelagerten Saharastaub und das Abwaschen des Staubs durch spätere Regenfälle abgeschätzt.

Modellsystem ICON-ART und eingesetzte Messsysteme
Für die Erweiterung des Modellsystems ICON, das beim DWD seit Januar 2015 für die tägliche Wettervorhersage zum Einsatz kommt, hat das Institut für Meteorologie und Klimaforschung am KIT das Modul ART entwickelt (ART steht für Aerosols and Reactive Trace Gases). Dieses erlaubt, die Ausbreitung von Partikeln wie Mineralstaub und Seesalz und deren Wechselwirkungen mit Wolken zu simulieren. In der Vergangenheit wurde ICON-ART, ebenfalls in Zusammenarbeit mit dem DWD, beispielsweise bei der Simulation der Ausbreitung von Aschepartikeln nach Vulkanausbrüchen für die Vorhersage eingesetzt. Forschungsschwerpunkte des KIT in PerduS sind die Weiterentwicklung der Beschreibung der Staubemissionen im Quellgebiet Sahara sowie die bessere Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Staubpartikeln und der atmosphärischen Strahlung.

Es werden außerdem Messungen am Solarspeicherpark am Campus Nord des KIT durchgeführt, um die Verschmutzung der Solarpanelen durch abgelagerten Mineralstaub sowie deren Auswirkungen auf die PV-Leistung zu bestimmen. Die Wissenschaftler erfassen mit diesen Messungen auch den Effekt, dass Niederschläge die Solarpanelen wieder reinigen können. Dabei setzen sie ein Niederschlagsradar, den Messturm am KIT, weitere Messgeräte zur Tropfengrößenverteilung und der Niederschlagsmenge sowie auch ein Aerosol-Lidar des DWD ein. Die aus diesen Messungen abgeleiteten Beschreibungen der relevanten Vorgänge werden dann wiederum in das Modellsystem ICON-ART integriert.

Pressekontakt DWD: pressestelle@dwd.de
Pressekontakt KIT: margarete.lehne@kit.edu

meteocontrol mit europäischem Hauptsitz in Augsburg und Hauptsitz Shanghai für die Region Asien/Pazifik, Mittlerer Osten und Afrika sowie Niederlassungen in Lyon (Frankreich), Madrid (Spanien), Mailand (Italien) und Chicago (USA) bietet Energie- und Wetterdatenmanagement, Ertragsgutachten, Qualitätsaudits, technische Due Diligences sowie die Überwachung von Photovoltaik-Anlagen aller Größenordnungen. meteocontrol verfügt über ein mehr als 40-jähriges Know-how bei regenerativen Energiesystemen und war bislang in Projekten mit einem Gesamtinvestitionsvolumen von mehr als 13 Mrd. Euro involviert. Darüber hinaus ist meteocontrol Marktführer in der professionellen Fernüberwachung von PV-Anlagen. Weltweit überwacht meteocontrol rund 41.000 Photovoltaik-Anlagen mit einer Gesamtleistung von über 11 GWp. Die meteocontrol GmbH ist ein Mitglied der SFCE Shunfeng International Clean Energy Limited. Weitere Informationen: www.meteocontrol.com.

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