Diffuse Strahlung 2026: Entstehung, Anteil und PV-Ertrag bei Wolken
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Das Wichtigste in Kürze
- Diffuse Strahlung macht in Deutschland im Jahresmittel rund 50 % der Globalstrahlung aus, absolut etwa 500 bis 600 kWh/m² pro Jahr.
- Sie entsteht durch Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen (blauer Himmel) und Mie-Streuung an Aerosolen und Wolken.
- Auch bei dichter Bewölkung liefert eine gut ausgelegte PV-Anlage in Deutschland typischerweise noch 10 bis 25 % ihrer Nennleistung; nur in bestimmten Stratuslagen sind kurzfristig auch 20 bis 40 % möglich.
- Die Globalstrahlung schwankt regional zwischen rund 950 und 1.220 kWh/m², während die diffuse Komponente mit 500 bis 600 kWh/m² deutlich gleichmäßiger verteilt ist.
- Moderne kristalline Module liefern bei 200 W/m² Schwachlicht typischerweise nahe der linear erwarteten Leistung, etwa 80 bis 100 %, abhängig von Temperatur, Spektrum und Technik.
- Seit den frühen 1990er-Jahren steigt die Globalstrahlung in Deutschland um rund +3,6 kWh/m² pro Jahr („Global Brightening“), auch weil die SO₂-Emissionen um rund 96 % zurückgegangen sind.
- Geneigte Module erhalten im Mittel rund 10 bis 20 % mehr Einstrahlung als die horizontale Globalstrahlung und erzielen Jahreserträge von 900 bis 1.150 kWh/kWp, in besonders guten Lagen bis etwa 1.200 kWh/kWp.
Was ist diffuse Strahlung und wie entsteht sie?
Diffuse Strahlung (auch Diffusstrahlung oder Himmelsstrahlung genannt) ist der Teil des Sonnenlichts, der beim Durchqueren der Atmosphäre an Luftmolekülen, Aerosolen und Wolken gestreut wird und die Erdoberfläche nicht mehr geradlinig, sondern aus der gesamten Himmelshalbkugel erreicht. Im Gegensatz zur Direktstrahlung, die aus dem engen Raumwinkel der Sonnenscheibe kommt, wirft diffuse Strahlung keine scharf begrenzten Schatten und lässt sich nicht mit Spiegeln oder Linsen bündeln. Zwei physikalische Mechanismen erzeugen sie: die Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen und die Mie-Streuung an größeren Partikeln wie Aerosolen, Dunst und Wassertröpfchen in Wolken.
Rayleigh-Streuung – warum der Himmel blau ist
Rayleigh-Streuung tritt auf, wenn Licht auf Luftmoleküle (Stickstoff, Sauerstoff) trifft, die viel kleiner sind als die Wellenlänge des Sonnenlichts. Der Streuquerschnitt ist proportional zu λ⁻⁴, also stark wellenlängenabhängig: Kurzwelliges blaues Licht (rund 450 nm) wird nach dieser Beziehung etwa 5,8-mal stärker gestreut als langwelliges rotes Licht (rund 700 nm) – daher erscheint der Taghimmel blau. Bei niedrigem Sonnenstand legt das Licht einen deutlich längeren Weg durch die Atmosphäre zurück (die sogenannte Air Mass steigt von etwa 1 in der Mittagssonne auf rund 38 am Horizont), wodurch blaues Licht praktisch vollständig herausgestreut wird und vor allem rotes Licht übrig bleibt – der klassische rote Sonnenuntergang.
Mie-Streuung – Aerosole und Wolken
Bei der Mie-Streuung sind die streuenden Partikel – Aerosole, Dunst, Wassertröpfchen und Eiskristalle – mit Durchmessern von etwa 0,1 Mikrometer bis deutlich über 10 Mikrometer ähnlich groß wie die Wellenlänge des Lichts; typische Wolkentröpfchen haben Durchmesser von etwa 10 bis 30 Mikrometern. Anders als bei der Rayleigh-Streuung werden dabei nahezu alle Wellenlängen gleich stark gestreut, weshalb Wolken weiß statt blau erscheinen. Mie-Streuung ist außerdem deutlich effizienter als Rayleigh-Streuung, weshalb aufziehende dichte Bewölkung den Diffusanteil der Einstrahlung binnen Minuten stark erhöhen kann.
Wie hoch ist der Anteil diffuser Strahlung an der Globalstrahlung in Deutschland?
Im Jahresmittel entfällt in Deutschland rund die Hälfte der gesamten Sonneneinstrahlung (Globalstrahlung) auf die diffuse Komponente. Die Globalstrahlung selbst liegt je nach Betrachtungszeitraum bei etwa 900 bis 1.200 kWh/m² pro Jahr; der Deutsche Wetterdienst gibt für den Zeitraum 1981–2010 einen Mittelwert von rund 1.055 kWh/m² und für 2001–2020 von rund 1.102 kWh/m² an. Auf die diffuse Strahlung entfällt davon ein erheblicher Teil, dessen genaue absolute Höhe regional und je nach Zeitraum variiert – ein Anteil, der praktisch überall in Deutschland bei rund 50 % liegt, unabhängig davon, ob eine Region insgesamt mehr oder weniger Gesamtstrahlung erhält. Für die PV-Ertragsplanung bedeutet das: Ein erheblicher Teil des Jahresertrags einer Anlage stammt nicht aus direktem Sonnenschein, sondern aus gestreutem Himmelslicht.
Wie verteilt sich diffuse Strahlung regional in Deutschland?
Bei der Globalstrahlung zeigt Deutschland ein deutliches Süd-Nord-Gefälle: Norddeutsche Standorte erreichen häufig rund 950 bis 1.050 kWh/m² pro Jahr, während süddeutsche Standorte auf etwa 1.150 bis 1.250 kWh/m² kommen. Die diffuse Strahlung verhält sich dabei anders als man erwarten würde: Rasterdatensätze des Deutschen Wetterdienstes zeigen, dass ihre Jahressumme regional deutlich moderater schwankt als die Globalstrahlung selbst. Der Grund liegt darin, dass die Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen über der Fläche Deutschlands relativ konstant ist, während stärkere Bewölkung im Norden zwar die Globalstrahlung senkt, die diffuse Komponente aber vergleichsweise wenig verändert. Anlagenplaner sollten deshalb bei Ertragsprognosen berücksichtigen, dass der prozentuale Diffusanteil in Norddeutschland höher ausfällt, auch wenn die absoluten kWh/m²-Werte regional weniger stark auseinanderlaufen als bei der Globalstrahlung.
| Region | Globalstrahlung (kWh/m²/Jahr) | Diffusstrahlung (kWh/m²/Jahr) |
|---|---|---|
| Norddeutschland | rund 950–1.050 | regional unterschiedlich |
| Süddeutschland | rund 1.150–1.250 | regional unterschiedlich |
| Deutschland (Mittel) | rund 1.055–1.102 | regional unterschiedlich |
Wie beeinflusst Bewölkung das Verhältnis von Direkt- zu Diffusstrahlung?
Der Anteil der diffusen Strahlung an der Globalstrahlung ist keine feste Größe, sondern ändert sich innerhalb von Minuten mit der Bewölkung. An klaren bis leicht diffusen Sommertagen misst man in Deutschland mittags am Boden hohe Einstrahlungswerte, bei denen die Direktstrahlung dominiert. Zieht dichte Bewölkung auf oder liegt Nebel, sinkt die Gesamteinstrahlung deutlich, wobei praktisch die gesamte verbleibende Strahlung diffus ist, weil Wolken die Direktstrahlung blockieren, selbst aber Licht in alle Richtungen streuen. Entscheidend für Betreiber: Selbst unter voll bedecktem Himmel liefert eine gut ausgelegte PV-Anlage in Deutschland durch die diffuse Komponente noch einen spürbaren Teil ihrer Nennleistung – Photovoltaik ohne direkte Sonne ist also keineswegs ertragslos. Wechselrichter mit schnellem MPP-Tracking gleichen die raschen Wechsel zwischen Direkt- und Diffusanteil bei Wolkendurchzug automatisch aus.
| Wetterlage | Einstrahlung Mittags Sommer | PV-Leistung gegenüber Nennleistung |
|---|---|---|
| Klar bis leicht bewölkt | hoch | hoch, nahe Nennleistung bei optimaler Ausrichtung |
| Stark bewölkt / neblig-trüb | deutlich reduziert | dennoch spürbarer Ertrag durch Diffusstrahlung |
Wie nutzen PV-Module diffuses Licht – welche Technologie ist im Schwachlicht am besten?
Solarzellen wandeln Photonen unabhängig von ihrer Einfallsrichtung in Strom um, weshalb PV-Module grundsätzlich sowohl Direkt- als auch Diffusstrahlung nutzen. Entscheidend für die tatsächliche Ausbeute bei diffusem Licht ist das sogenannte Schwachlichtverhalten, das häufig bei einer Bestrahlungsstärke von 200 W/m² im Vergleich zu den Standard-Testbedingungen von 1.000 W/m² bewertet wird. Moderne kristalline Module liefern bei diesen 200 W/m² häufig noch etwa 90 bis 95 % der linear erwarteten Leistung; als gut gilt ein Modul, wenn der relative Leistungsverlust vergleichsweise gering bleibt. Unter den kristallinen Technologien zeigen Heterojunction-Zellen (HJT) und moderne monokristalline Module häufig ein besonders gutes Schwachlichtverhalten. Dünnschicht-Module wie CIGS erreichen typischerweise einen niedrigeren Gesamtwirkungsgrad im niedrigen bis mittleren zweistelligen Prozentbereich, zeigen dabei aber ein vergleichsweise gutes Schwachlichtverhalten – ein Vorteil, der sich in Deutschland wegen des geringeren Gesamtertrags pro Fläche jedoch selten wirtschaftlich lohnt.
| Modultyp | STC-Wirkungsgrad | Leistung bei 200 W/m² (Schwachlicht) | Bemerkung |
|---|---|---|---|
| Monokristallin (Standard/PERC) | rund 17–22 % | nahe der linear erwarteten Leistung, oft rund 90–95 % | gute Module zeigen nur einen geringen relativen Leistungsverlust |
| HJT / moderne Mono-Module | oberer Bereich, rund 21–22 % | häufig besonders gutes Schwachlichtverhalten unter kristallinen Technologien | Spitzenwerte laut Fachportalen bei unter 200 W/m² |
| CIGS (Dünnschicht) | niedriger bis mittlerer zweistelliger Prozentbereich | relativ gutes Schwachlichtverhalten | benötigt größere Fläche für gleiche Leistung |
Wie misst man diffuse Strahlung in der Praxis?
Diffuse Strahlung lässt sich auf zwei Wegen erfassen. Beim Schattenring-Verfahren blockiert ein gebogener Metallring mechanisch die Direktstrahlung auf ein horizontal ausgerichtetes Pyranometer, sodass im Wesentlichen nur das gestreute Himmelslicht der Himmelshalbkugel (Sichtfeld von rund 180°) gemessen wird; da der Ring auch einen Teil des diffusen Himmelslichts abschattet, ist eine kleine Korrektur nötig, und der Ring muss der veränderlichen Sonnendeklination im Jahresverlauf nachgeführt werden. Moderne rotierende Schattenband-Pyranometer automatisieren diese Nachführung, indem sie periodisch zwischen abgeschatteter und offener Position wechseln. Alternativ lässt sich Diffusstrahlung indirekt berechnen, indem man von der mit einem Pyranometer gemessenen Globalstrahlung die mit einem nachgeführten Pyrheliometer gemessene direkte Normalstrahlung, multipliziert mit dem Kosinus des Sonnenzenitwinkels, abzieht. Der Deutsche Wetterdienst stellt für beide Ansätze deutschlandweite Rasterdatensätze zu Global-, Diffus- und Direktstrahlung bereit, die auch zur Validierung von PV-Ertragsprognosen genutzt werden.
Worin unterscheiden sich Direktstrahlung und Diffusstrahlung in der Anwendung?
Direkte und diffuse Strahlung unterscheiden sich nicht nur physikalisch, sondern auch darin, welche Technologien sie nutzen können. Konzentrierende Solarkraftwerke (CSP) und konzentrierende Photovoltaik (CPV) benötigen zwingend hohe Anteile fokussierbarer Direktstrahlung und werden deshalb praktisch nur an Wüstenstandorten mit sehr hoher direkter Normalstrahlung wirtschaftlich betrieben – mehr zu den physikalischen Grundlagen dieser Komponente liefert der Artikel Direktstrahlung (DNI). Standard-Photovoltaik mit kristallinen Silizium-Modulen dagegen nutzt beide Komponenten gleichzeitig und ist deshalb für das mitteleuropäische Klima mit seinem hohen Diffusanteil grundsätzlich gut geeignet. Auch Agri-PV-Anlagen, bei denen Module in mehreren Metern Höhe über Ackerflächen montiert werden, profitieren von diesem Prinzip: Die erhöht montierten Module reduzieren und verändern die direkte Sonneneinstrahlung, sodass die Pflanzen darunter eine Kombination aus reduzierter direkter, diffuser und reflektierter Strahlung erhalten, wobei der diffuse Anteil oft höher ausfällt – abhängig von Systemdesign und Bedeckungsgrad kann dies bei manchen Kulturen Hitzestress reduzieren.
| Eigenschaft | Direktstrahlung | Diffusstrahlung |
|---|---|---|
| Quelle | Sonnenscheibe, enger Raumwinkel | gesamte Himmelshalbkugel |
| Mechanismus | ungestreut, geradliniger Weg durch die Atmosphäre | gestreut an Luftmolekülen, Aerosolen und Wolken |
| Schattenwurf | scharf begrenzte Schatten | keine scharfen Schatten |
| Fokussierbarkeit | konzentrierbar, Basis für CSP/CPV | nicht fokussierbar |
| Verhalten bei Bewölkung | nimmt stark ab, nahe null bei dichten Wolken | nimmt zu, kann bei Bewölkung dominieren |
Wie verändert Global Brightening die diffuse Strahlung langfristig?
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Seit den frühen 1990er-Jahren steigt die Globalstrahlung in Deutschland laut DWD im langfristigen Trend um rund 3,6 kWh/m² pro Jahr – ein Effekt, der als Global Brightening bezeichnet wird und die Gesamtstrahlung über die vergangenen rund 30 Jahre spürbar erhöht hat. Ursache ist vor allem die deutlich reduzierte Aerosolbelastung der Atmosphäre: Die Schwefeldioxid-Emissionen in Deutschland sind von 1990 bis 2024 um gut 96 % zurückgegangen, unter anderem durch Entschwefelungstechnik in Kraftwerken und schwefelarme Brennstoffe. Weniger Aerosole bedeuten weniger Mie-Streuung, wodurch vor allem die direkte Strahlung zugenommen hat, während die Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen von der Luftreinhaltung kaum betroffen ist. Die diffuse Komponente ist dadurch aber nicht exakt konstant: Messreihen zeigen im Rahmen üblicher Messunsicherheiten leichte Schwankungen, der dominante langfristige Zuwachs der Globalstrahlung entfällt jedoch überwiegend auf die direkte Strahlung.
| Kennzahl | Wert | Zeitraum |
|---|---|---|
| Trend Globalstrahlung Deutschland | +3,6 kWh/m² pro Jahr | seit den frühen 1990er-Jahren |
| Zunahme Globalstrahlung insgesamt (Global Brightening) | spürbar, genauer Prozentwert nicht einheitlich belegt | letzte rund 30 Jahre |
| Rückgang SO₂-Emissionen Deutschland | rund 96 % | 1990–2024 |
Welche Bedeutung hat diffuse Strahlung für Eigenverbrauch und Sektorkopplung im Winter?
Weil die Sonne im Winterhalbjahr niedriger steht und Tiefdruckgebiete häufiger für Bewölkung sorgen, überwiegt in den Monaten Dezember und Januar die diffuse Strahlung deutlich gegenüber der direkten Komponente. Für die Eigenverbrauchsplanung bedeutet das: PV-Anlagen liefern in dieser Zeit deutlich geringere, aber nicht null Erträge, und ein Batteriespeicher kann tagsüber erzeugten Diffus-Strom besser über den Abend verteilen. Sinnvoll ergänzt wird das durch eine intelligente Steuerung von Verbrauchern wie einer Wärmepumpe in Kombination mit Photovoltaik, die im Sommerhalbjahr PV-Überschüsse thermisch puffert und im Winter stärker auf Netzstrom oder gespeicherte Energie zurückgreift. Geneigte Module helfen zusätzlich: Durch die Kombination aus Direkt- und Diffusstrahlung erhalten sie im Schnitt rund 15 % mehr Einstrahlung als eine horizontale Globalstrahlungsmessung, was sich in spezifischen Jahreserträgen von etwa 900 bis 1.150 kWh pro kWp, in besonders guten süddeutschen Lagen bis etwa 1.200 kWh pro kWp, niederschlägt.
Häufige Fragen zu diffuser Strahlung
Was ist der Unterschied zwischen diffuser Strahlung und Albedo-Strahlung?
Diffuse Strahlung entsteht durch Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre, bevor es den Boden erreicht. Albedo-Strahlung dagegen ist Licht, das bereits vom Erdboden oder von Oberflächen wie Schnee reflektiert wurde – Schnee reflektiert bis zu rund 80 % des einfallenden Lichts. Bifaziale PV-Module nutzen diese Reflexion zusätzlich über ihre Rückseite und erzielen dadurch je nach Untergrund einen Mehrertrag von etwa 5 bis 25 %.
Lohnt sich eine Nachführung (Tracking) trotz des hohen Diffusanteils in Deutschland?
Ein-achsige Ost-West-Nachführungen steigern in erster Linie den Ertrag aus Direktstrahlung, weil sie der Sonne über den Tag folgen; zweiachsige Systeme erschließen zusätzlich den maximalen Einfallswinkel. Da diffuses Licht isotrop aus dem gesamten Himmel kommt, profitiert dieser Anteil kaum von einer Nachführung. Für die meisten Aufdachanlagen in Deutschland ist eine feste Aufständerung deshalb wirtschaftlicher als ein mechanisches Nachführsystem, das primär für Freiflächenanlagen mit hohem Direktstrahlungsanteil interessant bleibt.
Warum wirkt der Himmel bei einem Saharastaub-Ereignis gelblich statt blau?
Bei Saharastaub-Ereignissen wie im März 2024 gelangen große Mengen mineralischer Staubpartikel mit Durchmessern von etwa 1 bis 10 Mikrometern in die Atmosphäre über Deutschland. Diese Partikel streuen Licht per Mie-Streuung nahezu wellenlängenunabhängig, absorbieren aber bevorzugt blaues Licht, sodass der Taghimmel milchig-gelblich statt kräftig blau erscheint und Sonnenuntergänge besonders orange-rot wirken.
Werden Direkt- und Diffusstrahlung bei der Einspeisevergütung getrennt erfasst?
Nein. Der Netzbetreiber misst ausschließlich die eingespeiste elektrische Energie in kWh; ob diese aus direkter oder diffuser Einstrahlung stammt, spielt für die Vergütung keine Rolle. Die Aufteilung in Direkt- und Diffusstrahlung ist eine rein meteorologische Größe, die vor allem für Ertragsprognosen und die Anlagenplanung relevant ist.
Wie berücksichtigen PV-Ertragsprognose-Tools den Diffusanteil des Himmels?
Einfache Modelle wie das Liu-Jordan-Modell behandeln diffuses Himmelslicht als gleichmäßig (isotrop) aus allen Richtungen kommend. Präzisere Modelle wie das Perez-Modell, das unter anderem in PVGIS oder PVsol verwendet wird, berücksichtigen zusätzlich, dass der Himmel nahe der Sonne und am Horizont etwas heller ist als der übrige Himmel, was die Prognosegenauigkeit verbessert.
Kann diffuses Licht Solarzellen sogar spektral begünstigen?
Ja, in gewissem Maß. Weil Rayleigh-Streuung kurzwelliges blaues Licht bevorzugt streut, ist das Spektrum der diffusen Strahlung etwas zu blau verschoben im Vergleich zum vollen Sonnenspektrum der Direktstrahlung. Da Silizium blaues Licht mit höherem Absorptionskoeffizienten aufnimmt als rotes, wird dieser spektrale Unterschied von Solarzellen tendenziell gut genutzt, auch wenn der Effekt gegenüber der insgesamt geringeren Intensität diffusen Lichts von untergeordneter Bedeutung bleibt.
Für wen ist das Wissen über diffuse Strahlung bei der PV-Planung entscheidend?
Hausbesitzer in Nord- und Mitteldeutschland
Wer in Regionen mit überdurchschnittlicher Bewölkung plant, etwa an der Küste oder im Mittelgebirge, sollte einkalkulieren, dass der prozentuale Diffusanteil an der Globalstrahlung dort häufiger über 50 % liegt, während die absolute Diffusstrahlung regional typischerweise bei etwa 450 bis 650 kWh/m² liegt und damit deutlich weniger stark schwankt als die Globalstrahlung selbst. Eine realistische Ertragsprognose auf Basis von Globalstrahlungsdaten statt Optimalannahmen verhindert Enttäuschungen.
Käufer von Dünnschicht-Modulen
Für Standardanlagen auf deutschen Hausdächern bleibt kristallines Silizium trotz des hohen Diffusanteils meist die wirtschaftlichere Wahl, weil moderne Module je nach Typ bereits etwa 80 bis 95 % Schwachlichtleistung erreichen. CIGS- oder CdTe-Module lohnen sich eher in Nischenanwendungen mit extremer Dauerbewölkung oder wenn Gewicht und Flexibilität wichtiger sind als der Flächenertrag.
Betreiber, die über Nachführsysteme nachdenken
Da diffuses Licht isotrop ist und kaum von Nachführung profitiert, lohnt sich ein mechanisches Tracking-System in Deutschland meist nur für große Freiflächenanlagen mit entsprechendem Direktstrahlungsanteil, nicht für typische Aufdachanlagen.
Anlagenplaner und Energieberater
Für professionelle Ertragsprognosen ist die getrennte Betrachtung von Direkt- und Diffusstrahlung essenziell, etwa um Perez-basierte Simulationsmodelle korrekt zu parametrieren oder die Auswirkungen von Sondereffekten wie Saharastaub-Episoden auf die Jahresprognose richtig einzuordnen.
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