Verschattung

Was bedeutet Verschattung bei Photovoltaik?

Verschattung im Photovoltaikkontext bezeichnet die teilweise (Teilverschattung) oder vollständige Abschattung von Solarzellen oder PV-Modulen. Ursache können beispielsweise Bäume, Gebäude, Schornsteine, Gauben oder benachbarte Modulreihen sein. Auch Schnee, Laub und Verschmutzungen können eine Photovoltaikanlage zeitweise verschatten. Verschattung reduziert vor allem die direkte Sonneneinstrahlung und damit die Leistung der betroffenen Solarzellen. Da die Zellen und Module in Reihe geschaltet sind, kann bereits eine einzelne verschattete Zelle die Leistung einer ganzen Zellgruppe, eines Moduls oder sogar eines Strings begrenzen. Wie stark die Verschattung den PV-Ertrag mindert, hängt unter anderem von der Größe und Position des Schattens, seiner Dauer sowie der Modul- und Stringverschaltung ab. Dabei ist zwischen einem kurzfristigen Leistungsverlust und dem tatsächlichen Verlust beim Jahresertrag zu unterscheiden.

Arten der Photovoltaik Verschattung

Verschattung bei Photovoltaikanlagen lässt sich nach Dauer, Entfernung und Art des Schattens unterscheiden. Für die Planung ist dabei relevant, wodurch der Schatten entsteht und wie er sich im Tages- und Jahresverlauf über die Module bewegt.

Permanente und temporäre Verschattung

Permanente Verschattung entsteht durch dauerhaft vorhandene Hindernisse. Dazu gehören beispielsweise Gebäude, Schornsteine, Gauben oder andere feste Dachaufbauten. Auch Bäume können dauerhaft zur Verschattung beitragen. Bei ihnen verändert sich die Situation jedoch mit den Jahreszeiten und dem Wachstum: Ein Baum, der heute kaum Schatten auf die Anlage wirft, kann in einigen Jahren deutlich größere Bereiche verschatten.

Temporäre Verschattung tritt dagegen nur zeitweise auf. Typische Ursachen sind Schnee, Laub, Vogelkot und Verschmutzungen auf der Modulfläche. Auch diese können die Leistung reduzieren, verschwinden jedoch wieder, sobald die Ursache beseitigt wird.

Eigen-, Nah- und Fernverschattung

Bei der Eigenverschattung verschatten sich die Module einer Anlage gegenseitig. Sie tritt vor allem bei aufgeständerten Anlagen auf Flachdächern und bei Freiflächenanlagen auf. Besonders bei niedrigem Sonnenstand im Winter können die Schatten der vorderen Modulreihen auf die dahinterliegenden Module fallen.

Nahverschattung entsteht durch Hindernisse in unmittelbarer Nähe der Module, beispielsweise Schornsteine, Gauben, Antennen oder andere Dachaufbauten. Dabei entsteht häufig ein scharf begrenzter Schatten, der je nach Sonnenstand über die Modulfläche wandert.

Bei der Fernverschattung befinden sich die Hindernisse weiter entfernt. Typische Beispiele sind Bäume, Nachbargebäude sowie Berge und Hügel. Bei der Verschattung durch Berge und Hügel wird auch von Horizontverschattung gesprochen. Wie scharf der Schatten ist, hängt dabei nicht allein von der Entfernung, sondern auch von der Größe des Hindernisses ab. Ein großes Gebäude kann auch aus größerer Entfernung einen Kernschatten erzeugen. Kleine, schmale Objekte wie Antennen oder Leitungen erzeugen dagegen aufgrund der Größe der Sonnenscheibe in größerer Entfernung meist nur noch einen Halbschatten.

Kernschatten und Halbschatten

Ein Kernschatten ist ein Bereich, in dem die direkte Sonneneinstrahlung vollständig blockiert wird. Dennoch erreicht auch dort noch diffuses Licht die Modulfläche. Im Halbschatten wird dagegen nur ein Teil der direkten Sonneneinstrahlung abgeschirmt. Die Grenze zwischen Kern- und Halbschatten verändert sich mit dem Sonnenstand.

Warum Verschattung Solarmodule stark beeinflusst

Der starke Einfluss von Verschattung liegt in der Reihenschaltung der Solarzellen. Wird eine Zelle verschattet, kann sie den Strom des gesamten Zellverbunds begrenzen. Gleichzeitig kann sie in Sperrrichtung geraten, elektrische Leistung aufnehmen und in Wärme umwandeln. Bei starker Erwärmung kann dadurch ein Hotspot entstehen.

Deshalb sind Solarmodule mit Bypassdioden ausgestattet. Typischerweise besitzt ein Modul drei Dioden, die jeweils eine Zellgruppe überbrücken. Bei Verschattung können sie:

• die betroffene Zellgruppe überbrücken und aus dem Strompfad nehmen,
• die Belastung der verschatteten Zellen reduzieren und
• dadurch Überhitzung und Hotspots vorbeugen.

Die Verschattung selbst bleibt jedoch ein Leistungsverlust. Bei einem typischen Modul mit drei Bypassbereichen kann bereits eine verschattete Zellgruppe etwa ein Drittel der Modulleistung aus dem Strompfad nehmen. Je nach Größe und Position des Schattens sowie der Verschaltung der Module kann der Leistungsverlust entsprechend deutlich ausfallen.

Wie stark sinkt der Ertrag durch Verschattung?

Wie stark eine Verschattung den PV-Ertrag mindert, lässt sich nicht allein aus der Größe der verschatteten Fläche ableiten. Entscheidend sind vor allem Position, Dauer und Zeitpunkt des Schattens, der Sonnenstand sowie Modulaufbau und elektrische Verschaltung.

Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Leistung und Energieertrag: Die Leistung wird in Watt (W) angegeben und beschreibt die momentane Erzeugung. Der Energieertrag wird in Kilowattstunden (kWh) angegeben und ergibt sich über einen bestimmten Zeitraum.

Rechenbeispiel einer typischen Verschattung

Ein PV-Modul mit 400 Wp erzeugt in Deutschland vereinfacht etwa 400 kWh pro Jahr. Ein Schatten halbiert seine Leistung für zwei Stunden täglich. Je nachdem, wann diese zwei Stunden liegen, fällt der Einfluss auf den Jahresertrag sehr unterschiedlich aus.

• Schatten im Winter am Morgen: Bei tiefstehender Sonne würde das Modul in diesen zwei Stunden nur etwa 0,1 kWh erzeugen. Durch die Halbierung der Leistung gehen davon 0,05 kWh verloren. Tritt die Verschattung an etwa 120 Tagen auf, ergibt das rund 6 kWh beziehungsweise 1,5 % des Jahresertrags.
• Schatten ganzjährig zur Mittagszeit: In den ertragsstarken Mittagsstunden würde das Modul in diesen zwei Stunden etwa 0,5 kWh erzeugen. Der Verlust beträgt dann 0,25 kWh pro Tag. Über 365 Tage summiert sich das auf rund 91 kWh beziehungsweise 23 % des Jahresertrags.

Obwohl der Schatten in beiden Fällen die Leistung während der betroffenen zwei Stunden um 50 % reduziert, ist der Einfluss auf den Jahresertrag sehr unterschiedlich. Die Werte sind vereinfacht und dienen nur der Veranschaulichung. Ist das verschattete Modul Teil eines Strings, kann der Verlust zudem größer ausfallen, weil es auch den Arbeitspunkt der übrigen Module beeinflusst.

Verschattung berechnen

Für eine grobe Abschätzung kann der Ertragsverlust aus der möglichen Energieerzeugung während der verschatteten Zeit und dem relativen Leistungsverlust berechnet werden:

Ertragsverlust ≈ Energieerzeugung ohne Verschattung × Leistungsverlust

Für eine Jahresbetrachtung müssen die einzelnen verschatteten Zeiträume über das gesamte Jahr berücksichtigt werden. Eine genaue Berechnung ist komplexer, da unter anderem Sonnenstand, Wetter, Ausrichtung, Neigung, Hindernisse und die elektrische Verschaltung der Anlage einbezogen werden müssen.

Verschattung vermeiden und reduzieren

Verschattung sollte möglichst bereits bei der Planung der PV-Anlage berücksichtigt werden. Wichtige Maßnahmen sind:

• Verschattete Flächen vermeiden: Dauerhaft stark verschattete Bereiche sollten möglichst nicht mit Modulen belegt werden. Eine Verschattungsanalyse zeigt, welche Flächen zu welchen Tages- und Jahreszeiten betroffen sind.
• Eigenverschattung reduzieren: Bei aufgeständerten Anlagen hilft ein ausreichender Reihenabstand. Als grobe Faustregel gilt etwa das Dreifache der Aufständerungshöhe. Bei Schatten, der überwiegend von unten kommt, etwa durch Schnee oder eine vordere Modulreihe, kann eine Montage im Querformat vorteilhaft sein.
• Stringaufteilung anpassen: Eine geeignete Verschaltung kann verhindern, dass verschattete Module die Leistung unverschatteter Module unnötig beeinflussen.
• Leistungsoptimierer oder Mikro-Wechselrichter einsetzen: Sie können bei unterschiedlich stark verschatteten Modulen sinnvoll sein.
• Geeignete Module wählen: Halbzellen- und Shingled-Module können bei Teilverschattung Vorteile bieten.

Verschattung durch Bäume und Nachbarn – rechtliche Aspekte

In Deutschland gibt es grundsätzlich keinen Anspruch auf ungehinderte Sonneneinstrahlung auf das eigene Grundstück oder eine Photovoltaikanlage. Der BGH stellte mit Urteil vom 10. Juli 2015 (Az. V ZR 229/14) klar, dass der Entzug von Licht durch Bäume als sogenannte negative Einwirkung keine Eigentumsbeeinträchtigung im Sinne des § 1004 BGB darstellt, da § 906 BGB nur positive Einwirkungen wie Lärm oder Gerüche erfasst. Ein Anspruch kann jedoch im Ausnahmefall bestehen, wenn dadurch ungewöhnlich schwere, nicht mehr hinzunehmende Nachteile entstehen.

Ein Anspruch auf Rückschnitt kann sich außerdem aus den nachbarrechtlichen Vorschriften der Bundesländer ergeben, etwa bei nicht eingehaltenen Grenzabständen. Bei überhängenden Ästen kann zudem § 910 BGB greifen. Unter bestimmten Voraussetzungen darf der Grundstückseigentümer diese nach erfolgloser Fristsetzung selbst entfernen. Zusätzlich können Baumschutzsatzungen die Fällung oder den Rückschnitt einschränken.

Auch eine Photovoltaikanlage begründet nicht automatisch einen Anspruch auf Entfernung eines geschützten Baumes. Das VG Düsseldorf berücksichtigte in seinem Urteil vom 27. Dezember 2023 (Az. 9 K 7173/22) zwar das Interesse an einer effizienten Solarnutzung, lehnte die begehrte Ausnahme im konkreten Fall aber ab. Entscheidend ist daher immer eine Abwägung des Einzelfalls.

Hinweis: Die rechtliche Beurteilung hängt zudem vom Bundesland, örtlichen Vorschriften und den konkreten Umständen ab.