Wie Solarparks das lokale Klima und die Vegetation in trockenen Regionen beeinflussen

Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben den durch Photovoltaikanlagen verursachten Cool-Island-Effekt (CIE) in Trockengebieten untersucht und herausgefunden, dass er die umgebende Vegetation erheblich beeinflusst, wobei Richtung und Ausmaß seiner Auswirkungen vom geografischen Kontext und saisonalen Faktoren bestimmt werden.

CIE bezieht sich auf einen Zustand, in dem ein bestimmter Bereich aufgrund von Unterschieden in den Oberflächeneigenschaften und der Energiebilanz kühler ist als seine Umgebung. Bei PV-Anlagen kann dies auf die Verschattung der Module, eine verringerte Sonnenabsorption auf Bodenhöhe, die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität und eine verbesserte konvektive Wärmeableitung zurückzuführen sein.

„Wir haben acht PV-Anlagen in den Trockengebieten Chinas mithilfe der Landoberflächentemperatur Landsat-8, des Kernel-normalisierten Differenzvegetationsindex, der Pufferanalyse und der partiellen Strukturgleichungsmodellierung nach der Methode der kleinsten Quadrate (PLS-SEM) analysiert“, erklärte die Gruppe. „Für diese Studie wurden acht PV-Kraftwerke ausgewählt, die in den Trockengebieten Chinas liegen, konkret in Xinjiang, der Inneren Mongolei, Gansu und Qinghai.“

Die Wissenschaftler verwendeten Daten zur Landoberflächentemperatur (LST) aus dem Jahr 2022, die aus saisonalen Bildern von Landsat 8 abgeleitet wurden. Diese LST-Datensätze wurden verwendet, um den durch Photovoltaikanlagen (PV) verursachten Kühlinseleffekt anhand von zwei Schlüsselmetriken zu quantifizieren: Kühlintensität (XD), definiert als Temperaturunterschied zwischen dem Bereich der PV-Anlage und ihrer Umgebung, und Kühlentfernung (Dist), die beschreibt, wie weit sich der Kühleinfluss von der Anlage nach außen erstreckt.

Darüber hinaus wurden dieselben Fernerkundungsdaten zur Berechnung von Vegetationsindizes, insbesondere des normalisierten Kernel-Differenz-Vegetationsindex (kNDVI), verwendet, um Vegetationsreaktionen sowohl innerhalb der gekühlten Zone als auch in angrenzenden Gebieten außerhalb ihres Einflussbereichs zu bewerten. Dadurch konnten die Forscher nicht nur das räumliche Ausmaß des Kühleffekts beurteilen, sondern auch seine ökologischen Auswirkungen auf die Dynamik des Pflanzenwachstums in verschiedenen Zonen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Kühlintensität (XD) im Sommer in der Stadt Wuzhong (WZ) ihren höchsten Wert von 3,1 °C erreichte, während der niedrigste Wert von 0,02 °C im Herbst in der Stadt Hongshagang, Kreis Minqin, Provinz Gansu (HSG) beobachtet wurde. Darüber hinaus war der Cool-Island-Effekt (CIE) zu bestimmten Jahreszeiten an mehreren Standorten nicht vorhanden, darunter Urad Banner (WLTQ) im Frühling, Huanghuatan Town (HHT) im Herbst und Hami (HM) im Winter.

Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass im Sommer im Allgemeinen erhöhte XD-Werte auftraten, darunter 2,1 °C in Dalad Banner (DLT) und ein Spitzenwert von 3,1 °C in Wuzhong City. Im Gegensatz dazu zeigten die Winterbedingungen eine größere räumliche Variabilität: Gonghe County (GH) verzeichnete einen relativ hohen XD von 2,6 °C, während Huanghuatan Town und Dalad Banner mit 0,31 °C bzw. 0,9 °C deutlich niedriger blieben.

Es wurde festgestellt, dass die Abkühlungsentfernung an allen acht Untersuchungsorten erheblich schwankte und zwischen 120 m und 540 m lag, was große standortspezifische Unterschiede in der räumlichen Ausdehnung des Kühlinseleffekts verdeutlicht.

Die partielle Strukturgleichungsmodellierung nach der Methode der kleinsten Quadrate (PLS-SEM) ergab außerdem, dass die morphologische Komplexität der dominierende Treiber des Kühleffekts ist, während größere Photovoltaikanlagen einen starken unterdrückenden Einfluss haben. Es wurde festgestellt, dass auch die klimatischen Bedingungen einen positiven Beitrag leisten, wenn auch in geringerem Maße. Zusammengenommen erklärten diese Faktoren etwa 63 % der beobachteten Schwankungen in der Intensität und dem Ausmaß der Abkühlung.

Die Analyse ergab außerdem, dass die Reaktionen der Vegetation je nach Standort und Jahreszeit sehr heterogen sind und sowohl von den lokalen klimatischen Bedingungen als auch von der Stärke des Kühleffekts abhängen.

„Wir haben ein geografisch differenziertes ‚PV CIE-Vegetationsreaktions‘-Framework vorgeschlagen. Mittlere -dezentrale Anlagen mit überlegener Formkomplexität sind in relativ trockenen und warmen Regionen vorzuziehen“, schlussfolgerten die Wissenschaftler. „In kalten, hochgelegenen Gebieten können jedoch die Anpassung der Neigung und die Reduzierung der Plattendichte die Vegetationsrisiken mindern.“

Ihre Ergebnisse erschienen in „Quantifizierung des durch Photovoltaikkraftwerke verursachten kühlen Inseleffekts und der Vegetationsreaktion in ariden Regionen“, veröffentlicht in Ecological Indicators. Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der chinesischen Huadian Gansu Energy Corporation, der PowerChina Beijing Engineering Corporation und der britischen University of Reading haben zu der Studie beigetragen.