Aerosoleinflüsse auf die Photovoltaik - Die verschiedenen Facetten des Graus

Bereits Loriot wusste, grau ist nicht gleich grau. Aerosole trüben die Atmosphäre und verringern so die Strahlung am Boden. Für die Photovoltaik (PV) bedeutet dies, dass sich der Stromertrag verringert. Neben Staubgrau und Aschgrau untersuchen wir aber auch den Einfluss weiterer Aerosole wie Seesalz. Die Animation (Abb. 1) zeigt eine globale ICON-ART Simulation von Mineralstaub (gelb), Waldbrandaerosol (weiß) und Seesalz (blau). In unserem Projekt PermaStrom untersuchen wir, wie diese Aerosole den PV-Stromertrag beeinflussen können. Mit unserer Forschung verbessern wir die PV-Ertragsprognose, um eine bessere Netzstabilität zu ermöglichen.

Auf ihrem Transportweg können sich die optischen Eigenschaften der Aerosole, die ihre Wechselwirkungen mit der Strahlung modulieren, jedoch auch verändern. Es können sich in der Luft Wasser und andere feste, flüssige oder auch gasförmige Substanzen an den Partikeln anlagern. Diesen Prozess bezeichnet man als Alterung der Aerosole. Er sorgt für weitere Grautöne in der Atmosphäre, da er die optischen Eigenschaften des Aerosols ändert.

Abb. 2 zeigt exemplarisch die vertikale Staubverteilung entlang eines Nord-Süd-Schnittes bei ca. 8° E für den 26.06.2019. Wie schon in Abb. 1 sichtbar, wird während dieses Zeitraums Saharastaub nach Europa transportiert. Die linke Darstellung in Abb. 2 zeigt, in welcher Höhe der sogenannte extern gemischte Staub vorliegt. Bei diesem Mischungszustand lagern sich keine anderen Substanzen an die Staubpartikel an. Die rechte Darstellung zeigt dagegen, dass insbesondere in 2-5 km Höhe eine Alterung des Staubes stattgefunden hat. Hier hat sich eine flüssige Hülle um die Staubpartikel gebildet. Diese Hülle wirkt sich zum einen auf die Streuung der Strahlung und zum anderen auf die Wolkenbildung aus. Beides wird im Projekt PermaStrom untersucht.

Die oben genannten Aerosoleffekte beschreiben die direkten Auswirkungen der Aerosole. Aerosole können auch als Kondensations- oder Eiskeime wirken. Durch Anlagerung von Wasser und Eis können so Wolken entstehen oder die Lebensdauer bestehender Wolken verlängert werden. Dieser Prozess zählt zu den indirekten Aerosoleffekten und sorgt für ein weiteres Grau in der Atmosphäre - das Wolkengrau.

Bisher hatten die numerischen Modelle erhebliche Probleme bei der Simulation von hohen Eiswolken (Cirrus) im Zusammenhang mit Staubereignissen. Seifert et al. (2022) haben eine Parametrisierung entwickelt, die es ermöglicht, dieses Phänomen zu simulieren. Dies führt zu einer deutlichen Verbesserung der Strahlungsvorhersage während solcher Episoden. Die Parametrisierung basiert auf dem Konzept, dass in großer Höhe zwei gegensätzliche Luftmassen übereinander liegen. Eine feuchte, sehr saubere Luftmasse liegt dabei über einer trockenen Luftmasse mit vielen Mineralstaubpartikeln, die als Eiskeime dienen können. Aufgrund von Instabilitäten am Oberrand der trockenen Luftschicht kommt es zur Durchmischung dieser beiden Luftmassen. Damit gelangen Staubpartikel in die feuchte Luftmasse und es kommt zur Wolkenbildung. Details dieser Parametrisierung und ihrer Anwendung auf verschiedene Saharastaubereignisse sind in Seifert et al., 2022 beschrieben. Exemplarisch zeigt Abb. 3 ein Satellitenbild und zum Vergleich zwei ICON-ART Simulations-Ergebnisse. Die Darstellung in der Mitte zeigt das Simulationsergebnis ohne und die Darstellung auf der rechten Seite das Simulationsergebnis mit der Parametrisierung für die Cirrus-Bewölkung. Die farbigen Isolinien kennzeichnen die Umrisse der simulierten Staubwolke. Es zeigt sich, dass es mit der Parametrisierung zu einer deutlichen Verbesserung der Bewölkungsvorhersage in diesem Zeitraum kommt.

Seifert, A., Bachmann, V., Filipitsch, F., F¨orstner, J., Grams, C., Hoshyaripour, G. A., Quinting, J., Rohde, A., Vogel, H., Wagner, A., Vogel, B.: Aerosol-cloud-radiation interaction during Saharan dust episodes: The dusty cirrus puzzle, Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi:org/10.5194/acp-2022-746 (2022)

Ansprechpartner:

Anika Rohde, Ali Hoshyaripour,  Heike Vogel,  AG Aerosol- und Spurenstoffmodellierung