ForschungsVerbund Sonnenenergie
Energiemeteorologie
2. November 2006 in Berlin
ForschungsVerbund S o n n e n e n e r g i e
FVS
Sonnenenergie
Workshop
Energiemeteorologie
2. November 2006 in Berlin
Herausgeber:
Dr. Detlev Heinemann, Carsten Hoyer-Klick, vIEM virtuelles Institut für Energiemeteorologie Gerd Stadermann,
ForschungsVerbund Sonnenenergie (FVS)
Veranstalter: vIEM virtuelles Institut für Energiemeteorologie
FVS • Workshop 2006
4 Vorwort D. Heinemann C. Hoyer-Klick
6 Wege zu einer nachhaltigen Energieversorgung – die Bedeutung der Energiemeteorologie J. Luther
14 State of the Art and Challenges in Wind Power Meteorology E.L. Petersen
16 Energiemeteorologie: Ein Überblick D. Heinemann
22 Meteorologische Informationen für die Planung erneuerbarer Energiesysteme C. Hoyer-Klick
Ch. Schillings F. Trieb Y. Scholz
31 Meteorological Models for Prediction and Simulation of Wind Power L. von Bremen
N. Saleck U. Gräwe J. Tambke D. Heinemann
44 Meteorologische Aspekte der Netzintegration von Windenergie B. Lange
47 Nutzung von Windleistungsvorhersagen in der Energieversorgung B. Ernst
49 Möglichkeiten der Erdbeobachtung für die Energiewirtschaft M. Schroedter-Homscheidt
56 Solarstrahlungsvorhersage und ihre Anwendung in der Solarenergie E. Lorenz
66 Nutzung von Solarstrahlungsdaten in der Praxis G. Heilscher
S. Bofinger M. Schneider
Inhalt
2
77 Zeitlich/räumliche Eigenschaften meteorologischer Felder zur Charakterisierung einer verteilten Erzeugung aus regenerativen Quellen
H. G. Beyer E. Lorenz S. Bofinger
84 Klimaschwankungen und deren Einfluss auf das Solarenergieangebot S. Lohmann
92 Forschungsbedarf in der Energiemeteorologie Workshopergebnis aller Teilnehmer
97 Verzeichnisse Referentenverzeichnis
Standorte der Mitgliedsinstitute FVS Anschriften der Mitgliedsinstitute FVS Standorte der Mitgliedsinstitute vIEM Anschriften der Mitgliedsinstitute vIEM Impressum
3
Die Energieversorgung steht vor großen Heraus- forderungen. Knapper werdende fossile Res- sourcen und die Gefahren des Klimawandels verlangen nach einer grundsätzlichen Umge- staltung in Richtung auf ein deutlich weniger CO2-intensives Energiesystem. Erneuerbare Energien werden hierzu einen wesentlichen Beitrag liefern müssen und sind dazu techno- logisch bereit. Die Europäische Union hat sich jüngst zum Ziel gesetzt, diesen Anteil bis 2020 auf mindestens 20 % zu steigern. Für die Strom- erzeugung allein wird dies sogar noch höhere Anteile bedeuten.
Das bestehende, auf fossile Energieträger basie- rende System hat die komfortable Eigenschaft, lagerfähige und gut transportierbare Brenn- stoffe zu besitzen, die räumlich und zeitlich fle- xibel genutzt werden können. Das bestehende Energiesystem ist daher wesentlich am Bedarf orientiert.
Diese Situation verändert sich, wenn die Ener- gieversorgung zu großen Teilen auf die Nutzung von erneuerbaren Energien, speziell Wind und Sonne, setzt. Sie lassen sich nur in begrenztem Umfang speichern und transpor- tieren, ihre Umwandlung und Nutzung sollte daher – idealerweise – orts- und zeitnah zu deren Dargebot geschehen. Informationen über die räumliche und zeitliche Verfügbarkeit dieser Energiequellen werden in einem solchen Ener- giesystem somit notwendig und entsprechend wertvoll sein.
Das Angebot erneuerbarer Energien wird dabei wesentlich von Wetter und Klima bestimmt. An dieser Schnittstelle setzt das neue, interdiszipli- näre Forschungsfeld der Energiemeteorologie an: Sie beschäftigt sich mit der Übersetzung meteorologischer Größen in energiewirtschaft- liche Parameter, damit sie für die Planung und den Betrieb von Energiesystemen nutzbar gemacht werden können. Dazu gilt es z. B.
bestehende meteorologische Informationen über physikalisch-technische Modelle in
energiespezifische Größen zu übersetzen (z. B.
Windgeschwindigkeit in elektrische Leistung an einem Netzeinspeisepunkt) oder meteorologi- sche Parameter in der erforderlichen Genauig- keit und Auflösung aus meteorologischen Modellen oder Erdbeobachtungssystemen abzuleiten (z. B. die direkte solare Einstrahlung aus Satellitendaten).
Vor diesem Hintergrund wurde mit Unterstüt- zung der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren 2004 das virtuelle Institut für Energiemeteorologie (vIEM) gegründet. Mit dem Ziel, Forschungskapazitäten aus unterschied- lichen Institutionen zielgerichtet zu bündeln, wurden die Kompetenzen der Arbeitsgruppe Energiemeteorologie an der Universität Olden- burg mit der von drei Instituten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusam- men gebracht. Vom DLR sind die Institute für technische Thermodynamik, das Institut für Physik der Atmosphäre und das Deutsche Fern- erkundungsdatenzentrum beteiligt. Zusammen deckt das vIEM ein weites Spektrum von den Grundlagen der Atmosphärenphysik über ener- giespezifische Modellierung bis zur Anwendung in der Energiesystemanalyse ab.
Im Rahmen des virtuellen Instituts für Energie- meteorologie wurde dieser Workshop gemein- sam mit dem Forschungsverbund Sonnenener- gie (FVS) durchgeführt. Ziel des Workshops war es, die bereits bestehende Bandbreite in diesem neuen Forschungsgebiet zu zeigen, Beispiele für aktuelle Anwendungen der Energiemeteoro- logie zu geben und den Bedarf für künftige Forschungsaktivität zu analysieren.
Das Forschungsfeld der Energiemeteorologie lässt sich dazu in zwei große Themenbereiche gliedern. Der eine ist die Bereitstellung für die Energiewirtschaft angepasster meteorologischer Information, der zweite ist die Modellierung der Leistungsabgabe bzw. des Leistungsbedarfs von Energiesystemen auf der Basis meteorologischer Information. Das Spektrum der Forschungs- D. Heinemann
Sprecher des virtuellen Instituts für Energie- meteorologie vIEM Universität Oldenburg detlev.heinemann@
uni-oldenburg.de
C. Hoyer-Klick DLR
carsten.hoyer@dlr.de
Vorwort
4
arbeiten reicht dabei von grundlegenden Methoden, z. B. in der Erdbeobachtung durch Satelliten, bis hin zur Entwicklung von Dienst- leistungen, wie der Ertragsüberwachung von Solarenergiesystemen und der Vorhersage des Energieangebots aus Solar- und Windenergie.
Der erste Themenkomplex zielt auf die Bereit- stellung von Informationen über langfristig zur Verfügung stehende Ressourcen (Planung) so- wie von eher kurzfristigen Vorhersageinforma- tionen zum Wind- und Sonnenenergieangebot (Betrieb).
Zur Bestimmung der verfügbaren Ressourcen (Potenzialanalyse) werden in der Energiemeteo- rologie vielfach Erdbeobachtungssysteme und nummerische Modelle eingesetzt. Die daraus abgeleiteten meteorologischen Informationen haben meist für die Nutzung im Energiesektor nur eine ungenügende räumliche und zeitliche Auflösung oder eine unzureichende Genauigkeit – andere Größen wiederum fehlen völlig (z. B.
direkte Solarstrahlung, spektrale Verteilung der Strahlung, Windgeschwindigkeit auf spezifischen Höhen) und müssen neu abgeleitet werden.
In der Verbesserung der Verfahren zur Bereit- stellung dieser Informationen liegt einer der Forschungsschwerpunkte der Energiemete- orologie.
Die kurzfristige Vorhersage des Wind- und Sonnenenergieangebots zeigt ähnliche Defizite.
Vorhandene Modelle müssen verfeinert und um energiespezifische Aspekte ergänzt werden, um den Anforderungen der Energieversorgung gerecht zu werden. Vorhersagen über wenige Stunden nutzen Beobachtungsdaten (z. B. Satel- litenbilder) und statistische Verfahren und extra- polieren aus der Veränderung der letzten Stun- den die Entwicklung in den nächsten Stunden.
Vorhersagen für die kommenden Tage nutzen ein oder mehrere nummerische Vorhersage- modelle. Auch hier müssen die Ergebnisse der Modelle weiter verarbeitet werden, um die im Energiesektor benötigten Größen abzuleiten.
Wesentliches Augenmerk in diesem Bereich liegt auf der Kombination dieser Ansätze zur Korrek- tur der Vorhersagen und der Bestimmung der zu erwartenden Genauigkeit der Vorhersage, die – abhängig von der Wettersituation – deutlich schwanken kann, für eine effiziente Einbindung
dieser fluktuierenden Energiequellen in die Ener- gieversorgung aber von hoher Bedeutung ist.
Energiemeteorologische Forschung endet nicht bei der Modellierung von Windgeschwindig- keitsfeldern oder der solaren Einstrahlung.
Entscheidend für die Anwendung ist eine hinrei- chend genaue Beschreibung des Verhaltens von Energiesystemen unter dem Einfluss des wetter- abhängigen Angebots. Ein besonderer Fokus liegt in der Energiemeteorologie daher auch auf der Kombination der meteorologischen Infor- mation mit physikalisch-technischen und öko- nomischen Modellen. Hier reicht die Bandbreite von detaillierten physikalischen Modellen für Solarzellen, um deren spektrales Verhalten zu beschreiben, bis zu einfachen Simulationen großflächiger Erzeugung zur Verwendung in ökonomischen Modellen oder geografischen Informationssystemen.
Aktuelle Forschungsthemen in diesem Bereich sind die Modellierung der Energieerträge im Rahmen von Vorhersagesystemen, die Analyse von Potenzialen erneuerbarer Energieerzeugung, die Optimierung von Betriebsstrategien und die Wechselwirkung verschiedener Energieträger über räumliche und zeitliche Ausgleichseffekte in einer heterogenen Energieversorgungs- struktur.
Energiemeteorologische Forschung bedarf einer intensiven Zusammenarbeit von Experten mit einer insgesamt großen Bandbreite des wissen- schaftlichen Hintergrunds. Das virtuelle Institut für Energiemeteorologie als interdisziplinärer Zusammenschluss ist entsprechend ausgerich- tet, weitere Schritte einer fachübergreifenden Kooperation werden folgen. Auf diesem Weg wird die Energiemeteorologie einen deutlichen Beitrag leisten, erneuerbare Energien langfristig wirkungsvoll zu nutzen und deren Einbindung in die Energieversorgung bestmöglich zu gestalten.
5
Einleitung
Zukünftige nachhaltige Energieversorgungs- systeme werden im Wesentlichen auf drei Säulen basieren: (i) effiziente Bereitstellung und Verwendung von Energie, (ii) umfangreiche, aber nachhaltige Nutzung erneuerbarer Ener- giequellen, (iii) hocheffiziente Restnutzung fossiler Energieträger. Punkt (i) schließt insbe- sondere eine verteilte Stromerzeugung und die Realisierung „intelligenter“ Stromnetze mit ein.
Detaillierte meteorologische Informationen über orts- und zeitabhängige Flüsse erneuerbarer Energiequellen sowie über wetterabhängige Energiebedarfsmuster sind insbesondere in nachhaltigen Energiesystemen von höchstem Wert. Wie allgemein in der Technik gilt auch hier: Informationen können sehr effektiv helfen, den in der Regel kostenintensiven Einsatz von Hardware deutlich zu reduzieren – Information ersetzt Hardware.
Der folgende Beitrag soll in diesem Kontext relevante Charakteristika nachhaltiger Energie- systeme aufzeigen, um mögliche Einsatzfelder der Energiemeteorologie zu identifizieren und um ihr beträchtliches Potenzial zu verdeutlichen.
Nachhaltige Energiesysteme
Unsere heutigen Energiesysteme sind nicht nachhaltig. Ihre Transformation in Richtung Nachhaltigkeit hätte unter anderem folgende entscheidende Vorteile:
• Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen der Menschheit,
• Beseitigung der Energiearmut in Entwicklungsländern und
• Reduktion von geopolitischen Konfliktpoten- zialen.
Vom Technischen und Ökonomischen her sind solche Systeme global realisierbar. Abb. 1zeigt als Beispiel den „Exemplarischen Pfad“ des
„Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen“, WBGU aus dem Jahr 2003. Dieses Szenario geht außerdem von einem extrem hohen weltweiten Wirt- schaftswachstum aus. Die Analyse zeigt, dass selbst unter einer solchen Annahme ein Energie- system realisierbar ist, bei dem die Temperatur auf der Erde nach heutigem Wissen nicht stärker als 2 oC gegenüber dem vorindustriellen Wert ansteigt. Der gezeigte „Exemplarische Pfad“
erfüllt darüber hinaus einen umfassenden Satz weiterer Nachhaltigkeitskriterien [1].
Eine Grundlage für das in Abb. 1gezeigte Szenario bildet die Analyse der nachhaltigen Potenziale [1]erneuerbarer Energiequellen.
Diese Potenziale unterscheiden sich teilweise beträchtlich von den technischen und ökonomi- schen Potenzialen. Nach heutigem Wissen wird die Nutzung der Sonnenenergie langfristig den größten Anteil an einer nachhaltigen Energie- versorgung liefern: Ihr nachhaltiges Potenzial ist – an menschlichen Maßstäben gemessen – unbegrenzt. Dies macht es notwendig, einige solare Energieversorgungstechnologien auch dann dezidiert voranzutreiben, wenn ihre aktu- ellen Kosten vergleichsweise hoch anzusetzen sind. (Ein Hinweis zum nachhaltigen Potenzial der Windkraft: Sollte sich herausstellen, dass sich Windenergie günstig auch in tiefem Wasser einsetzen lässt, liegt in dem gezeigten Szenario eine gewisse Unterschätzung des entsprechen- den Potenzials vor).
Das Modell basiert auf folgenden Maßnahmen:
(i) deutliche Steigerung der Effizienz der Ener- gienutzung, (ii) intensive Nutzung erneuerbarer Energiequellen, (iii) verstärkter Einsatz solarer und energieeffizienter Gebäude, (iv) CO2– Sequestrierung und Speicherung bis etwa 2100, J. Luther
Fraunhofer ISE und Universität Freiburg, Fakultät für Mathematik und Physik
joachim.luther@
ise.fraunhofer.de
Wege zu einer nachhaltigen
Energieversorgung – die Bedeutung der Energiemeteorologie
6
(v) verteilte Stromerzeugung und optimierte Stromnetze.
Bei gehandelten Energieformen ergibt sich eine starke Zunahme des Elektrizitätsbedarfs (evtl.
auch mit Wasserstoff als Energieträger) sowie eine deutliche Abnahme des Brennstoffbedarfs für den Gebäudebereich. Im Transportbereich werden Treibstoffe, Wasserstoff (oder Wasser- stoffderivate) und elektrische Energie aus erneu- erbaren Quellen und einer Restnutzung fossiler Energieträger eingesetzt.
Energiemeteorologie im Bereich der Bereitstellung elektrischer Energie
Es ist offensichtlich, dass in derartigen Energie- systemen Kenntnisse über die Energieflüsse von Wasser (z. B. Niederschlag), Wind, solarer Strah- lung und abgeleiteter Biomasseproduktion von höchstem Wert sind. Dies umfasst insbesondere:
• klimatische (langfristig gemittelte), räumlich aufgelöste Informationen zur Potenzial- abschätzung und Standortauswahl von Energiekonversionsanlagen
• zeitlich hoch aufgelöste Informationen zur technischen Auslegung von Energiekonver- tern und zur verfeinerten Standortauswahl (insbesondere der Analyse von Extrem- werten der Energieflüsse kommt eine wichtige Bedeutung zu)
• kurz- und mittelfristige, räumlich hoch auf- gelöste Prognoseinformationen zur Steue- rung und Regelung von Energiesystemen
• orts- und zeitaufgelöste Messwerte zu den tatsächlichen Energieflüssen, um das Verhal- ten der (räumlich verteilten) Energiekonver- ter zu überwachen und zu analysieren
Im Folgenden werden aus den Bereichen Solar- energienutzung und Windenergiekonversion einige weitere Detailanforderungen an die Ener- giemeteorologie aufgeführt, die über die oben
7 Abbildung 1
Ein exemplarisches Szenario zur
Transformation unseres globalen Energiesystems in Richtung
Nachhaltigkeit [1]
Abbildung 2 Windenergiekonverter Öl
Kohle Gas Kernenergie Wasserkraft
Biomasse (traditionell) Biomasse (modern) Solarstrom (PV und solarthermische Kraftwerke)
Solarthermie (nur Wärme) Andere Erneuerbare Geothermie
Wind
2000 2020Jahr 2040
200 600 1000 1400
2100 EJ/a
0 10 30 40 50
20 TW
2000 2020Jahr 2040
200 600 1000 1400
2100 EJ/a
0 10 30 40 50
20 TW
genannten generellen Anforderungen hinaus- gehen. Entsprechendes gilt – mit gewissen Abwandlungen – auch für die Bereiche Wasser- kraft und energetische Nutzung von Biomasse.
Windenergie (Abb. 2)
Die zeitlichen und räumlichen Variationen in den Windenergieflüssen sind beträchtlich und stellen eine besondere Herausforderung an die Technologie von Windturbinen und Windkon- vertersystemen dar. Der Vorhersage von räum- lich gemittelten Leistungen von Systemen, der Prognose zur optimalen Regelung entsprechen- der Einheiten und zur Erfassung von Extremwer- ten kommt daher eine besondere Bedeutung zu. Vorabinformationen zu einer möglichen Ver- eisung von Rotorblättern, zu vorteilhaften War- tungsperioden etc. können darüber hinaus von hohem Wert sein. Ein besonderer Fortschritt in der Windenergiemeteorologie könnte erreicht werden, wenn es gelänge, Informationen über bodennahe Windfelder mit hinreichender
Genauigkeit aus Satelliteninformationen abzu- leiten.
Photovoltaische Energiekonversion Flache Photovoltaikmodule (Abb. 3)wandeln direkte und diffuse Solarstrahlung gleicherma- ßen in elektrische Energie. Die Erfassung dieser Summenstrahlung (der „globalen“ Strahlung) gelingt derzeit bereits befriedigend gut sowohl über Bodenmessungen und Interpolationsmo- delle wie über Satellitenmessungen. Es ist anzu- streben, vor allem bei den Fernerkundungsver- fahren die zeitliche und räumliche Auflösung noch deutlich zu erhöhen, um die Prognose- und Steuerungsmöglichkeiten rechtzeitig im Bereich der stark wachsenden Photovoltaik gezielt zu erhöhen.
Photovoltaische Konversion mit optischer Konzentration (Abb. 4)
Wegen des Einsatzes optischer Konzentratoren kann bei diesem Verfahren der Solarenergie-
8
Abbildung 3 Photovoltaische Energiekonversion. Links Solarzelle, rechts photo- voltaische Flachmodule auf dem Dach der Messe München
Abbildung 4
Photovoltaische Energie- wandlung unter optischer Konzentration:
Bei diesem Verfahren fokussieren Linsen oder Spiegel das Sonnenlicht (in der Regel) auf kleine, quadratmillimetergroße, höchst effiziente Solar- zellen (Bild links).
Bild rechts: 5 kW-System der Firma Concentrix Solar GmbH. Nachführ- bare Anlage, die dem Sonnenstand folgt.
nutzung nur die direkte Solarstrahlung genutzt werden. Es ist daher wichtig, die gekapselten Einheiten aus Zelle und Optik dem Sonnenstand mit hoher Präzision nachzuführen. Des Weiteren beeinflusst aufgrund der Struktur der haupt- sächlich verwendeten Solarzellen das Spektrum der Solarstrahlung merklich den Wirkungsgrad.
Durch den hohen Wirkungsgrad der eingesetz- ten photovoltaischen Elemente (etwa 35 %) lassen sich Systemwirkungsgrade von gut 25 % erreichen.
Derartige Systeme werden aller Voraussicht nach in Zukunft im Sonnengürtel der Erde in großem Umfang eingesetzt werden. Es wäre hochinter- essant, wenn es gelänge, zuverlässige energie- meteorologische Verfahren zu entwickeln, die die direkte Solarstrahlung (im Gegensatz zur globalen Solarstrahlung) erfassten. Dies gilt sowohl bezüglich der Potenzialabschätzung als auch im Hinblick auf Prognoseinformationen.
Darüber hinaus wären zeitlich und räumlich auf- gelöste Informationen über das solare Spektrum von hohem Wert.
Solarthermische Kraftwerke (Abb. 5) Diese Kraftwerke nutzen wie die Konzentrator- Photovoltaik nur die direkte Solarstrahlung. Mit Hilfe linearer Parabolspiegel wird die solare Strahlung auf lang gestreckte Absorberrohre fokussiert. In diesen befindet sich ein Wärme- transportmedium, das auf etwa 400 oC erwärmt wird. Die Wärmeenergie wird anschließend in einem weitgehend konventionellen Turbinen-/
Generatorprozess zentral in mechanische/elek- trische Energie umgesetzt. Varianten mit sphäri- scher Konzentration sind Turm- und „Dish“- Kraftwerke. Solarthermische Kraftwerke haben unter anderem den Vorteil, dass sich in sie leicht thermische Energiespeicher integrieren lassen.
Die Anforderungen an die Energiemeteorologie sind mithin ähnlich. Zur leichteren Beherrschung kritischer Betriebszustände im thermischen Teil der Systeme wäre es vorteilhaft, im ausgespro- chenen Kurzzeitbereich eine zuverlässige Strah- lungsprognose zu realisieren. Spektralinforma- tionen werden für den Betrieb dieser Kraftwerke nicht benötigt.
Status der Wind- und Solarstromerzeugung
Eine kurze exemplarische Darstellung der der- zeitigen Stromerzeugung auf der Basis von Son- nen- und Windenergie soll zeigen, wie sinnvoll bereits heute Methoden der Energiemeteorolo- gie in der Anwendung sind bzw. sein könnten.
Abb. 6zeigt die Entwicklung des globalen Mark- tes für Windenergiekonverter. Das globale finan- zielle Marktvolumen lag 2006 bei deutlich über 15 Milliarden Euro. Weltweit waren Ende 2006 Turbinen mit einer Gesamtleistung von 70.000 MW installiert, davon in Deutschland gut 20.000 MW. Die Windenergie deckte 5,7 % des deutschen Strombedarfs. In einigen Regionen Deutschlands liegt dieser Wert im Bereich von
über 30 %[2]. Den Methoden der Energie- 9
Abbildung 5
Solarthermisches Rinnen- kraftwerk
meteorologie kommt bereits heute eine hohe Bedeutung zu. Durch den Ausbau dieser Analyse- und Prognoseverfahren – siehe oben – kann die Nutzung der Windenergie noch weiter optimiert und vor allem die Netzeinbindung und der Transport der Energieflüsse weiter erleichtert werden.
Die entsprechende Marktwachstumsstatistik der Photovoltaik ist in Abb. 7dargestellt. Kumuliert waren Ende 2006 weltweit 7.300 MW Photo- voltaik installiert. Das finanzielle Marktvolumen für Photovoltaiksysteme betrug 2006 etwa 9 Milliarden Euro. Beeindruckend und notwen- dig (Abb. 1)sind die hohen und weitgehend konstanten Wachstumsraten. Die Abnahme bei den Wachstumsraten im Jahr 2006 wird durch einen Mangel an hoch reinem Silizium auf dem Weltmarkt verursacht. Durch den Aufbau neuer Produktionsstätten für Solarsilizium wird dieser Engpass in zwei bis drei Jahren behoben sein.
Der Beitrag der Photovoltaik zur Deckung des Strombedarfs in Deutschland liegt derzeit noch bei etwa 0,3 %. In einigen Regionen wie Bayern wird bereits ein Wert im Bereich von 1,5 % erreicht – dies bedeutet, dass bei voller Sonnen- strahlung etwa 10 % des Stroms aus solaren Quellen geliefert wird. Wie im Bereich der Windenergienutzung unterstreichen diese Zahlen die Wichtigkeit der Energiemeteorologie im Rahmen der photovoltaischen Energie- konversion. Diese Bedeutung wird auf diesem Feld in den nächsten Jahren noch beträchtlich wachsen.
Solarthermische Kraftwerke haben derzeit welt- weit eine installierte Nennleistung von 350 MW, etwa 200 MW sind im Bau. Photovoltaische Kraftwerke mit optischer Konzentration befin- den sich in der Erprobungsphase, etwa 5 MW werden Ende 2007 am Netz sein. Für beide Technologien werden sehr starke Wachstums- raten angesetzt. Die Märkte liegen dabei kurz- fristig in Spanien und in den USA. Wie oben dargelegt setzt ein optimaler großmaßstäblicher Betrieb dieser Technologien eine dezidierte Nutzung energiemeteorologischer
Technologien voraus.
Verteilte Stromerzeugung
Parallel zur zentralen Stromerzeugung und zum Import von Elektrizität wird in Zukunft verstärkt eine verteilte Stromerzeugung realisiert werden (Abb. 8). Die Hauptgründe für diese Evolution unserer Netze sind folgende:
• Erhöhung der Energieeffizienz durch einen sehr breiten Einsatz der Kraft-Wärme-Kopp- lung (in Zukunft auch Kraft-Wärme-Kälte- Kopplung),
• Einbindung von Elektrizität aus verteilten Stromerzeugern auf der Basis erneuerbarer Energiequellen in großem Umfang (Abb. 9) und
• Erhöhung der Sicherheit der Stromversor- gung durch teilweise Dezentralisierung der Strombereitstellung.
Eine verteilte Stromversorgung wird mit einer verstärkten Implementierung von elektronischer 10
Abbildung 6
Zeitliche Entwicklung des globalen Marktes für Windenergiekonverter [2]. Die angegebenen Leistungen sind Nenn- leistungen. Die mittleren Leistungen sind deutlich standortabhängig.
Abbildung 7 Zeitliche Entwicklung des globalen Marktes für photovoltaische Flachmodule [3]. Die angegebenen Leistungen sind Nennleistungen.
Die mittleren Leistungen sind standortabhängig.
15000
12500
10000
7500
5000
2500
0 1996 MW
1998 2000 2002 2004 2006
2000
1500
1000
500
0
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 MWp/ a
Intelligenz – sowohl zentral als auch dezentral – in den Versorgungsstrukturen einhergehen. Um bei einer hohen Anzahl von Stromeinspeiseein- heiten einen stabilen und hoch qualitativen Netzbetrieb zu ermöglichen, ist sowohl dezen- trale elektronische Intelligenz als auch eine zen- trale Steuerung notwendig. Dem Lastmanage- ment wird eine entscheidende Bedeutung zukommen. Die Energiemeteorologie wird in diesem Umfeld bei der Bereitstellung von Daten und bei der Entwicklung von Algorithmen eine entscheidende Rolle spielen. Wichtige Punkte sind also:
• intensives Lastmanagement – teilweise Anpassung des Energiebedarfs an die Erzeugung
• Regelung der Stromerzeugung – Abregeln von Leistungsspitzen aus Wind- und Solar- energieanlagen, Bereitstellung von Blindleistung, Spannungsunterstützung, Beherrschen von Netzfehlern
• Prognosen von dezentralem Energiebedarf und dezentraler Energiebereitstellung
• ökonomische und ökologische Optimierung von Betriebstrategien in Erzeugung und Verbrauch
Größere, z. B. kontinentale Netze führen zu bedeutend stärkeren Ausgleichseffekten. Durch die räumlich verteilte Einbindung der Stromge- neration aus Windenergie – die sich teilweise komplementär zu den solaren Energieflüssen verhält – wird eine weitere Dämpfung der
Variationen erreicht. Der verbleibende Trend in der Stromproduktion aus solaren und windelek- trischen Quellen wird in zukünftigen Netzen durch intensives Lastmanagement und eine geeignete Steuerung der komplementären Stromerzeuger (evtl. inklusive Speicher) ausge- glichen (Abb. 1). Aufgabe der Energiemeteoro- logie ist es unter anderem, diese Effekte sicher zu quantifizieren, Anforderungen an zukünftige Netzstrukturen zu formulieren und bei deren Betrieb die notwendigen Prognoseinformatio- nen zu liefern.
In all diesen Feldern wird die Energiemeteorolo- gie offensichtlich einen entscheidenden Beitrag zur Optimierung des Betriebs der Energiesysteme
liefern. 11
Abbildung 8
Das Konzept der verteil- ten Stromerzeugung:
Charakteristisch ist, dass in solchen Versorgungs- strukturen die Energie- flüsse auf allen Spannungsebenen bidirektional werden.
Abbildung 9 Mit Hilfe der verteilten Stromversorgung gelingt es, kurz- und mittel- fristige Fluktuationen in der Stromerzeugung aus Wind- und Solarquellen in großflächigen Netzen effektiv auszugleichen.
Als einfaches Beispiel ist der Ausgleichseffekt bei der Kopplung von ledig- lich 100 Photovoltaik- anlagen – verteilt über Deutschland – gezeigt.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 12 24 36 48 60 72
Stunden Leistung/installierte Leistung; Juni 1995
100 Systeme einzelnes System
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 12 24 36 48 60 72
Stunden Leistung/installierte Leistung; Juni 1995
100 Systeme einzelnes System Leitwarte,
Verteilnetzbetrieb
Intelligente Netzbetriebs- führung
Prognose:
Erzeugung und Verbrauch
Import / Export
Leitwarte
400 V
110 / 220 / 380 kV
10 / 20 kV
Energiemeteorologische Informationen werden in zunehmendem Umfang nicht nur Informatio- nen über die zu erwartenden räumlichen und zeitlichen Muster der Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen enthalten, sondern auch belastbare Aussagen über die Unsicherhei- ten der entsprechenden Prognosen beinhalten.
Dies wird es (größeren) Erzeugern ermöglichen, konditionierte Zusagen über die Lieferung von Strom auch aus Wind- und Solarquellen an pro- fessionelle Kunden zu machen.
Wärme- und Kältebereitstellung
Wie bereits oben erwähnt wird in zukünftigen nachhaltigen Energieversorgungssystemen der thermische Energiebedarf von Gebäuden aller Voraussicht nach über die Kraft-Wärme-Kälte- Kopplung und über Verfahren des solaren und energieeffizienten Bauens gedeckt werden. In Abb. 10 wird gezeigt, wie das thermische und das elektrische System des Gebäudes über eine Kraft-Wärme-Kopplung oder eine Wärmepumpe verbunden sind. Stromerzeugung und Wärme- bedarf können dabei zeitlich über thermische Speicher zumindest weitgehend entkoppelt werden. Als „externe Energieträger“ können z. B. Erdgas, Biobrennstoffe oder Wasserstoff eingesetzt werden. Zur optimalen Steuerung derartiger Gebäudesysteme (gestrichelte Linie
in der Abbildung) sind Informationen aus der Energiemeteorologie von hohem Wert. Darüber hinaus kann der Bedarf an „externen Energieträ- gern“ (z. B. Erdgas) mit Hilfe von einschlägigen Prognosen, die das Wärme- und das elektrische System umfassen, abgeschätzt werden. Sollten in Siedlungen mehrere der in Abb. 10gezeigten Einheiten auf der Wärme- und Kälteseite mitein- ander gekoppelt werden, ermöglichen energie- meteorologische Daten einen optimierten Betrieb solcher Gesamtsysteme – z. B. über die Steuerung der Energieinhalte der thermischen Speicher.
Drei abschließende Bemerkungen
(i) Die Energiemeteorologie ist eine anwendungs- orientierte Disziplin. Sie muss sich daher dezi- diert an den Anforderungen, die sich aus dem jeweiligen Anwendungszusammenhang erge- ben, orientieren. Im Bezug auf die generierten Informationen und Datensätze heißt dies:
• am Anwendungsfall orientierte Parameter- sätze
• hohe Aktualität der Daten – möglichst Echtzeit
• gute Vorhersagequalität der Parameter mit Angabe der Prognoseungenauigkeit
• an die Fragestellung angepasste Präzision von Daten mit Fehlerangabe
• gute Verfügbarkeit von Daten (Internet)
• einheitliche Datenformate
• Kosteneffizienz
(ii) Für zukünftige großräumige Stromversor- gungsnetze, die auf dem Konzept der verteilten Erzeugung basieren, wird es notwendig sein, Sattelitentechnologien, die es gestatten, weit- räumige Felder (f(r,t)) von energierelevanten Parametern mit hoher Präzision zu erfassen, ein- zusetzen und zielgerichtet weiterzuentwickeln.
Es sollte in Erwägung gezogen werden, hier spezielle für die Energiemeteorologie geeignete Sensorsysteme für Erdsatelliten zu entwickeln und in Satelliten für andere Anwendungen zu integrieren bzw. sogar gesonderte Satelliten- systeme für Zwecke der Energiemeteorologie zu realisieren.
12
solarthermische Kollektoren solare Fassaden (solar optimierte Fenster) Wärmespeicher
(auch Bauteil Kühlung
Heizung Warmwasser
Externe Energie träger Elektronik,
Kommunikation, mech. Energie, Kunstlicht, K
Solarzellen Stromnetz
Kraft -Wärme- Kopplung oder Wärmepumpe
solarthermische Kollektoren solare Fassaden (solar optimierte Fenster) Wärmespeicher
(auch Bauteilintegriert) Kühlung
Heizung Warmwasser
Externe Energie- träger Elektronik,
Kommunikation, mech. Energie, Kunstlicht, Kühlung
Solarzellen Stromnetz
Kraft-Wärme- Kopplung oder
Wärmepumpe
Abbildung 10 Energieflüsse in einem energieeffizienten
„solaren“ Gebäude.
Die Abbildung zeigt eine Möglichkeit der Energieversorgung im Rahmen eines nach- haltigen Energiever- sorgungssystems.
(iii) Energiemeteorologie ist ein interdisziplinäres Arbeitsfeld. Wichtige Einzeldisziplinen sind:
• Meteorologie,
• Energietechnologie mit den Unterschwer- punkten Energiekonverter, Verbraucher, Netze, Elektronik, Speicher und
• Informations- und Kommunikationstechno- logien.
Die Energiemeteorologie wird als anwendungs- orientierte Gesamtdisziplin in Zukunft nur dann erfolgreich sein und weithin sichtbar werden, wenn sie in stärkerem Maße als bisher über die Grenzen der Einzeldisziplinen hinaus hoch kooperativ voranschreitet.
Literatur
[1] Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregie- rung Globale Umweltveränderungen: Welt im Wandel – Energiewende zur Nachhaltig- keit. Hauptgutachten 2003. Internet:
www.wbgu.de. Berlin, Heidelberg, New York: Springer. ISBN 3-540-40160-1
[2] Deutsches Windenergieinstitut GmbH, DEWI, www.dewi.de.
[3] Projektgesellschaft Solare Energiesysteme GmbH, PSE, www.pse.de.
13
A definition of Wind Power Meteorology can be found in [1]. It can formally be described as applied geophysical fluid dynamics resting on a combination of meteorology and applied clima- tology. It concerns itself with three main areas:
micro-siting of wind turbines, estimation of regional wind energy resources, and short-term prediction of the wind power potential, hours and days ahead.
Micro-siting is defined as estimation of the mean power produced by a specific wind turbine at one or more specific locations. In addition, proper methods for calculating the turbulence conditions, the extreme wind conditions, and the effects of rotor wakes are needed.
Regional assessment of wind energy resources means estimating the potential output from a large number of turbines distributed over the region. Ideally, this results in detailed, high- resolution and accurate resource maps, showing the wind resource (yearly and seasonal), the wind resource uncertainty, and areas of enhanced turbulence.
Forecasting of the meteorological fields, hours and days ahead is one of the great challenges of meteorology. The tremendous increase in com- puter power and of the observational density – by satellites in particular – and quality have con- tributed to a marked increase in forecasting skills over the last couple of decades. This, in turn, has made it possible to construct a metho- dology by combining numerical weather prediction models with micro-siting models to predict the power output from specific wind farms up to 48 hours ahead.
The guiding star for almost all research and development in wind energy is “bring down costs (per kW hour) and bring down uncertain- ties (on wind energy projects). When, in the future, the wind turbines are more reliable than aircrafts and operation and maintenance costs
are negligible, the challenges in wind power meteorology still exist.
The guiding principle for improving wind power meteorology output is straight forward: the more relevant physics that can be implemented in the methods, the more general and realistic the models and the more accurate and reliable the results.
Today we see a rapid development in the three main areas of wind power meteorology. In micro-siting and regional assessment we are approaching the point where giving the coor- dinates at any spot an Earth, we can calculate the wind resource and the design wind climate – and with a reasonably well known uncertainty.
This is possible due to the model development where now linear micro-siting models are com- bined with adapted CFD models again com- bined with meso-scale meteorological models.
This together with the amount of accessible high resolution databases advances the development. Among the most useful data- bases are NCRP/NCAR/ECMWEF reanalysis data, SRTM30 elevation data, GLCC land cover data and Google Earth.
The greatest challenge is still to make reliable predictions in very complex terrain and/or very complex climatology. Other challenges are rela- ted to the prediction of the turbulence con- ditions and extreme winds (50 years return design wind) at specific sites. As an example:
the problems of determining the design wind in areas with occurrences of hurricanes. Another challenging problem in siting is that of wind farm wakes. We have a reasonable hold on calculating the wake effects from one wind turbine to another. But the wake climate inside a very large wind farm and the wake influence from one large wind farm to another is still a subject for intense research. Especially at off- shore, these effects can have large economical consequences if not handled right.
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E. L. Petersen Risø National Labora- tory, Technical Univer- sity of Denmark, Wind Energy Department erik.lundtang@risoe.dk
State of the Art and Challenges
in Wind Power Meteorology
For the short term prediction much progress have been made after the researchers have combined several of the global weather predic- tion models and further have made use of the ensemble predictions. For example, for the Nordic system in has been shown that the use of the models reduces the cost of regulation by approximately 40% and further, that the ability to predict the uncertainty of the short term prediction gives another 40% reduction in regulation costs.
A very large challenge in wind power meteoro- logy is verification. Having predicted the wind resource and the turbulence conditions at a site, how do we know how realistic the predictions are? In situ measurements are the only – but costly solution. Up to today, it has been neces- sary to erect a mast that reaches at least hub height. But a laser anemometer that can measure up to 100 meters as reliable as a cup anemometer is now a fact and soon reliable turbulence measurements will be added.
Wind power meteorology is a scientific discipline that today embraces a fast growing number of scientists around the world. As argued above it is also a very important discipline for the global advancement of the utilization of wind energy.
The amount of papers in this field, that every year is submitted to The European Wind Energy Conference, is stunning and ever increasing.
Readers that want to learn more about wind power meteorology are recommended to look through a number of the conference proceed- ings and e. g. the journal Wiley Wind Energy.
Literature
[1] E. L. Petersen et al., Wind Power Meteoro- logy, by Wiley Wind Energy, Vol. I 1997.
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Einleitung
Die spezifischen Eigenschaften der Energie- wandlung aus erneuerbaren Quellen macht meteorologische Information zunehmend zu einem Produkt mit stark wachsendem Wert für die Energieindustrie. Abschätzungen des verfüg- baren Potenzials, Bereitstellung zeitnaher Infor- mation zur Wind- und Solarenergieproduktion und Vorhersagen der erwarteten Leistung in unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen sind Gegenstand verstärkter Forschung und Entwicklung im neuen Forschungsbereich Energiemeteorologie.
Der kürzlich veröffentlichte 4. Bericht des Inter- governmental Panel on Climate Change (IPCC) hat zweifellos die Notwendigkeit der Einführung erneuerbarer Energien als ein Schlüsselelement einer globalen Klimaschutzstrategie überaus deutlich werden lassen.
Aber bereits die jüngste rasante Entwicklung der erneuerbaren Energien hat einen bislang eher verborgenen Einfluss auf die Energieversorgung zu Tage treten lassen: Wetter und Klima bestim- men wegen des räumlich und zeitlich schwan- kenden Angebots der neuen „Brennstoffe”
Sonne und Wind zunehmend größere Anteile am Energieangebot. Somit werden meteorolo- gische Informationen eine Schlüsselrolle für die künftige und wirtschaftlich erfolgreiche Entwick- lung dieser neuen Technologien einnehmen.
Die Planung künftiger Solar- und Windkraft- werke erfordert detailliertes Wissen über die potenziell verfügbare Energie an einem be- stimmten Standort, der wirtschaftliche Betrieb dieser Anlagen bedarf präziser Vorhersagen über das aktuelle Energieangebot und die Entwicklung kommender Generationen von Anlagen wird nicht ohne eine detaillierte Spezifikation der relevanten meteorologischen Bedingungen auskommen.
Diesem Bedarf an Know-how und Information stellt sich das interdisziplinäre Forschungsgebiet Energiemeteorologie. An der Schnittstelle zwischen Atmosphärenphysik und der Energie- systemforschung angesiedelt, behandelt sie grundsätzlich die vielfältigen Einflüsse von Wetter und Klima auf Umwandlung, Übertra- gung und Nutzung von Energie.
Merkmal der Energiemeteorologie ist die Verknüpfung von meteorologischen mit physikalisch-technischen Fragestellungen zur Entwicklung neuer, angepasster Methoden und zur Bereitstellung anwendungsspezifischer meteorologischer Information für den Energie- sektor. Die Aufgaben reichen von der Kartierung erneuerbarer Ressourcen über die Vorhersage verschiedener energierelevanter meteorologi- scher Parameter bis hin zur regionalen Klimamodellierung und der saisonalen Vor- hersage. Energiemeteorologie ist dabei ein hochgradig interdisziplinäres Forschungsfeld, bei dem unterschiedliche Disziplinen wie Meteorologie, Physik, Ingenieurswissenschaften, Informatik und Ökonomie zusammenarbeiten.
Das kürzlich gegründete virtuelle Institut für Energiemeteorologie (vIEM)1hat sich die Bear- beitung dieses neuen Bedarfs zum Ziel gesetzt.
Energie und Wetter
Kein Zweifel, erneuerbare Energien werden künftig in großem Umfang zur globalen Ener- gieversorgung beitragen – lediglich der zeitliche Ablauf ihrer Einführung ist unklar. Dadurch werden jedoch auch wesentliche Charakteristika der Energieversorgung beeinflußt. Auf der Angebotsseite wird die starke Abhängigkeit von D. Heinemann
Universität Oldenburg, und virtuelles Institut für Energiemeteoro- logie (vIEM) detlev.heinemann@
uni-oldenburg.de
Energiemeteorologie: Ein Überblick
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1vIEM ist eine gemeinsame Einrichtung der Universität Oldenburg und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR und wird von der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren gefördert.
der zeitlichen und räumlich schwankenden Erzeugung aus den neuen Energiequellen Wind und Solarstrahlung bemerkbar.
Der Energieversorgungssektor ist darüber hinaus durch weitere strukturelle Veränderungen gekennzeichnet. Entflechtung, Stromhandel, Dezentralisierung mit vielfältiger Erzeugungs- struktur, Last- und Netzmanagement sind wesentliche Neuerungen im Strombereich.
Diese Veränderungen stellen zusätzliche Anfor- derungen an die Bereitstellung und Verteilung von energiebezogener Information.
Der Schnittstelle zwischen Kraftwerk und verfügbaren Brennstoffen kommt nun eine neue Bedeutung zu: War in konventionell arbeitenden, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwer- ken die Verfügbarkeit des Rohstoffs kein wesent- licher Betriebsparameter, so beeinflusst dies bei erneuerbaren Energien das Betreibsverhalten wesentlich. Der Charakterisierung des Verhaltens von Energiesystemen, die Wind- und Solarener- gie nutzen, unter dem Einfluss dieser fluktuie- renden Energieflüsse, muss daher eine hohe Aufmerksamkeit gewidmet werden. Dies erzeugt einen hohen Bedarf an energiespezifischen meteorologischen Daten und Methoden für Planung, Analyse und Betrieb dieser Systeme.
Grundsätzlich lassen sich energiemeteorologi- sche Methoden entsprechend der Anwendung einordnen: Verfahren der Ressourcenabschätzung mit ihrem Bedarf an klimatologischen Zeit- räumen; hier können nummerische Modelle als auch Fernerkundungsdaten herangezogen werden. Dagegen verlangt der operationelle Betrieb von Energiesystemen zeitnahe Informa- tionen aus der Atmosphäre für Vorhersage und Überwachung. Spezielle Informationen sind wiederum nötig, um die Technologie der Energiewandler weiter zu optimieren (hoch aufgelöste Turbulenzdaten in der Windenergie, spektral aufgelöste Solarstrahlung). Eine großräumig optimierte Integration verteilter Solar- und Windenergie-Kraftwerke schließlich bedarf statistischer Analysen der fluktuierenden Leistung aus den verschiedenen Quellen und Standorten.
Die Anforderungen an meteorologische Infor- mationen sind dabei durch die Anwendungen
bestimmt: räumliche Auflösung (Gebiets- oder Punktinformation), zeitliche Verfügbarkeit (z. B.
Near-Real-Time für den Betrieb, Langzeitdaten für die Planung), Vorhersagen, Information zur Unsicherheit der Daten, Kopplung verschiedener Datenquellen (Satelliten- und Bodendaten, nummerische Modelle).
Langzeiteinflüsse (z. B. von Vulkanausbrüchen auf die Direktstrahlung) sind ebenso Gegen- stand der Energiemeteorologie wie eine Abschätzung von langfristigen klimabedingten Änderungen der Potenziale von Wind- und Solarenergie. Mögliche Veränderungen des lokalen Klimas durch die Energieerzeugung selbst (u. a. durch Reflektion an großen Solaranlagen, Reduzierung der Windgeschwindigkeit im Lee großer Windparks) zeigen einen weiteren Bedarf energiemeteorologischer Forschung auf.
Spezifische Anforderungen an meteorologische Information, die sich aus der Anwendung im Bereich der erneuerbaren Energien ergeben, sind:
• hohe räumliche Auflösung (gleichzeitig Gebiets- und Punktinformation)
• Nahe-Echtzeit-Daten (15 min) für den Betrieb
• Langzeit-Daten (10 - 20 Jahre) für die Planung
• Vorhersagen der erwarteten Solar- und Windenergieflüsse
• Angaben zu den Unsicherheiten
• Kopplung verschiedener Datenquellen (Satelliten- und Bodendaten, nummerische Modelle).
Beispiele aus der Sonnen- und Windenergie
Fernerkundung der Solarstrahlung Satellitendaten sind für Meteorologie und Klimatologie neben Bodendaten die wesentliche Informationsquelle. So liefern sie auch für die Bestimmung der Strahlungsbilanz in der Atmosphäre die entscheidenden Daten. Über die gemessene Rückstreuung der solaren Einstrahlung am Oberrand der Atmosphäre und
der Anwendung der Prinzipien des Strahlungs- 17
transportes lässt sich grundsätzlich die Strahlungs- flussdichte am Erdboden berechnen. Die hierzu erforderliche genaue Kenntnis über Zusammen- setzung und Zustand der Atmosphäre macht weitere Satellitendaten, aber auch Annahmen und Vereinfachungen zur „Modellphysik“ nötig.
Mit diesen Verfahren gelingt es, aus den Daten geostationärer Satelliten Abschätzungen des Solarenergieangebotes am Erdboden zu machen, deren Genauigkeit z. B. für Monatsmittelwerte mit Bodenmessungen vergleichbar ist. Die räumliche Auflösung der Satelliteninformation (typisch: 5 km) ist jedoch der der Bodenmess- netze weit überlegen.
Neueste Verfahren wie zum Beispiel das HELIO- SAT-3 Verfahren2nutzen Daten der neuen Generation geostationärer Satelliten (ab METEOSAT-8) mit deutlich erhöhter spektraler Auflösung, die neben der Rückstreuung im sichtbaren Spektralbereich durch geeignete IR-Kanäle vielfältige weitere Information – ins- besondere über die Bewölkung – bereit stellen und ein genaueres Bild der Atmosphäre liefern.
Dieser Zuwachs an Information ist verbunden mit einer gegenüber den Vorgängersatelliten verdoppelten räumlichen und zeitlichen Auflösung. Dies sind gute Voraussetzungen um vielfältige, für die Anwendungen wichtige Solar- strahlungsinformation zu gewinnen.
Satellitendaten in der Solarenergie
Eine nahe liegende Anwendung von satelliten- basierten Solarstrahlungsdaten sind Kartierungen des Solarenergiepotenzials (Abb. 1).
Die hohe räumliche Auflösung liefert Daten- produkte, zum Beispiel für die sonnenreichen Länder Afrikas, in denen verlässliche Boden- messdaten meist nicht existieren.
Diese Datenquelle erlaubt darüber hinaus die Untersuchung der räumlich-zeitlichen Variabilität der Solarstrahlung in bisher nicht zugänglichem Maße, die für eine statistische Betrachtung der gleichzeitigen Erzeugung in räumlich verteilten, vernetzten Systemen notwendig ist. Zusammen mit kleinskalig verfügbaren Bodenmessungen lässt sich auf diese Weise ein umfassendes Bild der
statistischen Eigenschaften der Solarstrahlung gewinnen.
Satellitendaten dienen auch zur Sicherstellung eines dauerhaft effizienten Betriebs von Solar- anlagen (PVSAT3). Auf der Grundlage dieser Daten wird die Solarstrahlung auf die Solar- module in zum Beispiel stündlicher Auflösung bestimmt. Mit den einmalig bestimmten Anlagendaten, wie Geometrie, Modultyp und Wechselrichter, wird die entsprechende Anlagenleistung simuliert. Ein automatisierter Vergleich mit dem jeweiligen Ertrag gibt Auskunft über die Qualität des Anlagenver- haltens und mithilfe eines Fehlererkennungs- algorithmus’ über Ursachen einer möglichen Abweichung (Abb. 2).
Hochaufgelöste Solarstrahlungsdaten vom Satellit sind die Grundlage für so genannte GIS4-basierte Standortanalysen. Dabei erhält man Informationen über das Strahlungsmikro- klima, die zusammen mit Infrastrukturdaten, geografischer und ökonomischer Daten zu einer umfassenden Darstellung der technischen und ökonomischen Performance von zum Beispiel solarthermischen Kraftwerken verwendet werden (STEPS5). Dies ist eine wichtige Voraussetzung
18
2Verfahren zur Berechnung der solaren Einstrahlung am Erd- boden aus Satellitendaten
3Das PVSAT-(PhotoVoltaicSATellite-)Verfahren ermöglicht eine Berechnung der Energieerträge von netzgekoppelten PV-Anlagen auf der Basis von Satellitendaten.
4GIS – geographisches Informationssystem
5STEPS – Evaluation System for Solar Thermal Power Stations
Abbildung 1 Solarstrahlungskarte für Europa (April 2005)
kWh/m2 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
für eine systematische Projektentwicklung und Standortwahl für größere Solarkraftwerkspro- jekte.
Vorhersage von Wind- und Sonnenenergie Die zeitliche Verfügbarkeit von Energie ist ein wesentlicher wertbestimmender Faktor. Die schwankenden Beiträge aus Wind- und Sonnen- energie erfordern daher Maßnahmen diese Unsicherheiten grundsätzlich zu reduzieren, indem präzise Informationen über die zu erwartende Erzeugung – anwendungsabhängig in unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen – bereitgestellt wird.
Für die Windenergie sind operationelle Vorher- sagesysteme bereits im Einsatz und ermöglichen zunehmend deren effiziente Einbindung in die Stromnetze. Die enormen Zuwachsraten von Photovoltaik mit über 2 GW bislang installierter Leistung in Deutschland machen zuverlässige
Vorhersageverfahren auch in diesem Bereich zu einer Notwendigkeit. Die Einstrahlungs- abhängigkeit von Beleuchtung, Heizung und Kühlung im Gebäudebereich macht Vorhersage- information auch dort zu einer zunehmend bedeutenden Größe in entsprechenden Steuerungsalgorithmen.
Wind- und Solarleistungsvorhersagen im Bereich von 1-3 Tagen basieren durchweg auf numme- rischen Wettervorhersagen, verwenden jedoch unterschiedliche Verfahren, die Ergebnisse die- ser Wettermodelle in entsprechende Leistungen der Solar- und Windenergiesysteme zu über- tragen. Dies kann durch Ausnutzung von statistischen Zusammenhängen oder auch über weitergehende physikalische Modellierungen geschehen.
Aktuelle Entwicklungen zielen auf die Bestim- mung und Einbeziehung der Vorhersage-
unsicherheiten, die intelligente Verwendung 19 Abbildung 2
Schema der Ertrags- überwachung von Photovoltaikanlagen (PVSAT)
einmal Anlagen- beschreibung
PV-Anlage
Informationen für den Betreiber tägliche automatische
Leistungskontrolle
Strahlungs- daten
Berechnung des Energieertrags und automatische
Fehlererkennung 0.8
1.9 kWh/m2
unterschiedlicher Vorhersageinformation und von Ensemble-Vorhersagen, sowie auf die Verbesserung der Methoden zur nachträglichen Bearbeitung von Analysedaten (Post-Processing- Methoden). Im Fall der Solarstrahlung ist die Wolkenvorhersage ein Schlüssel zur
Verbesserung.
Solarstrahlungsvorhersagen basieren weitest- gehend auf Ansätzen zur automatisierten klein- räumigen Wetterprognose, um möglichst genau Vorhersagen „vor Ort“ liefern zu können (MOS – Model Output Statistics). Dabei werden die gewünschten Größen über statistische Regres- sionen aus den Ergebnissen nummerischer Vorhersagemodelle und weiterer Variablen bestimmt.
Solarstrahlungsvorhersagen für kurze Zeiträume von wenigen Stunden können wiederum aus Satellitendaten gewonnen werden, indem die zeitliche Entwicklung der die Strahlung wesent- lich bestimmenden Wolkenstrukturen extra- poliert wird. Aus dem vorhergesagten Satelliten- bild kann dann mit dem Heliosat-3-Verfahren die Solarstrahlung berechnet werden.
Offshore-Windenergie
Die Windverhältnisse in Offshore-Regionen sind weit weniger bekannt als dies für Standorte an Land mit entsprechend zahlreichen Messungen
gegeben ist. Eine präzise Potenzialbestimmung für die Planung großer Offshore-Anlagenparks sowie die sichere Vorhersage der Strom- erzeugung für den Betrieb sind somit sichtlich erschwert. Veränderte Turbulenzeigenschaften der Offshore-Winde erfordern ein verändertes Anlagendesign, das die veränderte mechanische Belastung der Anlagen berücksichtigt.
Atmosphärische Strömungen in der Grenzschicht über dem Meer verhalten sich abweichend von den Verhältnissen über Land. Die geringe, aber variable Rauhigkeit der Wasseroberfläche mit entsprechenden Wechselwirkungen zwischen Wind und Wellen sowie die thermischen Eigen- schaften des Wassers sind wesentlich dafür verantwortlich, dass vertikale Flüsse von Impuls und Wärme in der Atmosphäre über dem Wasser verändert sind und zu einem ebenfalls veränderten vertikalen Profil der Windgeschwin- digkeit führen (Abb. 3). Die abrupte Änderung dieser Eigenschaften entlang der Küstenlinie verursacht weitere Störungen der Strömung beim Übergang von Meer zum Land.
Wesentliche Voraussetzung für eine gesicherte Beschreibung der Windverhältnisse sind hoch- wertige vertikal aufgelöste Messungen. Für die Deutsche Bucht steht seit 2005 mit FINO1 eine Messplattform zur Verfügung, die diesen Ansprüchen genügt. Eine weitere Plattform ist in Vorbereitung.
Die Erweiterung existierender Ansätze auf die Windenergie, wie zum Beispiel das LIDAR-Mess- verfahren6für eine differenziertere Erfassung des Windfeldes und die Large Eddy Simulation (LES7) für eine hochaufgelöste Strömungsmodellierung zum Beispiel in Windparks versprechen künftig zu einer wesentlichen Verbesserung der Kennt- nisse der Windverhältnisse gerade in Offshore- Regionen beizutragen. Aktuelle Entwicklungen in der Turbulenzforschung werden ein optimier- tes Design künftiger Anlagen ermöglichen.
20
6LIDAR – Light Detection and Ranging. Strömungs-Mess- verfahren, das sich zu einem bedeutenden Verfahren in der Umwelt- und Atmosphärenforschung entwickelt hat.
7LES ist ein Verfahren zur nummerischen Berechnung von turbulenten Strömungen.
Abbildung 3 Das Höhenprofil der Windgeschwindigkeit bestimmt maßgeblich das Verhalten großer Windenergieanlagen.
160 140 120 100 80 60 40 20
6 8 10 12 14
Windgeschwindigkeit [m/s]
Höhe[m]
Zusammenfassung und Ausblick
Meteorologische Randbedingungen werden künftig die Energieversorgung weitaus stärker beeinflussen als bislang. Dabei wird der zeit- und ortsgenauen Verfügbarkeit hochwertiger Information über unterschiedliche Aspekte der neuen Energien aus Sonne und Wind eine besondere Rolle für einen effizienten Einsatz dieser neuen Technologien zukommen. Neben der Bereitstellung anwendungsspezifischer Daten steht die Neu- und Weiterentwicklung von Methoden zur Integration meteorologischen und systemtechnischen Wissens im Vordergrund.
Hierfür sind weitere Forschungsanstrengungen notwendig sowohl im anwendungsnahen als auch im Grundlagenbereich.
Wesentliche kurz- und mittelfristge Ziele sind zuverlässige Vorhersagen für Wind- und Solar- strahlung in Zeitbereichen von einigen Stunden bis zu drei Tagen, verbesserte räumliche und zeitliche Auflösung der Daten, einfachere Verfügbarkeit der Information für Nutzer sowie Standardisierung der Verfahren. Am Ende ist eine deutliche Steigerung des Wertes der aus den Energiequellen Solarstrahlung und Wind zur Verfügung gestellten Energie das Ziel sämtlicher Forschung und Entwicklung in der Energiemeteorologie.
Literatur
[1] E.D. Dunlop, L. Wald, M. Súri (Eds.): Solar Energy Resource Management for Electri- city Generation from Local Level to Global Scale. Nova Science Publishers, Hauppauge (2006).
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Remote Sensing of Environment, 86, 423–432 (2003).
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Physikalische Blätter, 55 (4), 47–50 (1999).
[4] B. Lange: Offshore Wind Power Meteoro- logy, In: J. Peinke, P. Schaumann und S.
Barth (Eds.): Wind Energy – Proceedings of the Euromech Colloquium (2007).
[5] R.W. Mueller et al.: Rethinking Satellite- based Solar Irradiance Modelling: The SOLIS Clear-sky Module. Remote Sensing of Environment, 91, 160–174 (2004).
[6] R. Perez et al.: Solar Resource Assessment: A Review. In: J.M. Gordon (Ed.): Solar Energy – The State of the Art: ISES Position Papers.
James & James, S. 497–575 (2001).
[7] E.L. Petersen et al.: Wind Power Meteoro- logy. Part I: Climate and Turbulence. Wind Energy, 1, 2–22 (1998), Part II: Siting and Models. Wind Energy, 1, 55–72 (1998).
21
Die solare Einstrahlung und die Windgeschwin- digkeit sind der „Brennstoff“ der Solar- und Windenergie. Deren Verfügbarkeit bestimmt entscheidend die Wirtschaftlichkeit eines Kraft- werksprojektes. Wann scheint wo wie viel Sonne oder wann weht wo wie viel Wind? Dies sind zentrale Fragen bei der Planung von erneuer- baren Energiesystemen und deren Integration in die bestehende und zukünftige Energiever- sorgung.
Bevor erneuerbare Energien in nennenswertem Maßstab zur Energieversorgung beitragen können, durchläuft ihre Entwicklung in der Regel mehrere Stufen. Am Anfang steht die Abschätzung der potenziellen Märkte und Technologien, d. h., welche Technologien sind in welchem Umfang geeignet, zur Energiever- sorgung beizutragen. Hier stehen die Fragen im Vordergrund, welche Ressourcen sind in welchem Umfang vorhanden und zu welchen Kosten kann mit diesen Ressourcen Energie bereitgestellt werden, d. h., welche technischen und ökonomischen Potenziale sind vorhanden.
Sind geeignete Technologien gefunden, müssen in einer zweiten Stufe Strategien entwickelt werden, wie diese in den Markt eingeführt und wie Rahmenbedingungen geschaffen werden können, damit Investoren bereit sind in den Ausbau zu investieren. Solche Rahmenbindun- gen sind zum Beispiel die Schaffung von garantierten Einspeisevergütungen, Quoten- regelungen, Investitionshilfen usw. Sie helfen einer Technologie ihre Lernkurve zügig zu durchlaufen und so langfristig Kosten zu reduzieren und wettbewerbsfähig zu werden.
Ebenso helfen meteorologische Informationen optimale Standorte für erneuerbare Energie- systeme zu finden und damit die Energiekosten durch hohe Erträge zu senken.
Wenn eine größere Anzahl von Systemen instal- liert ist, beginnt die optimierte Integration in
das Gesamtsystem eine größere Rolle zu spielen.
Hier spielen Fragen nach dem Mix verschiede- ner Energieträge, nach notwendigen Transport- kapazitäten, nach Speicherbedarf und möglichen Ausgleichseffekten zwischen verschiedenen Regionen und Technologien eine Rolle.
Dieser Artikel orientiert sich an diesen drei Stufen. Der erste Abschnitt erläutert die Entwicklung von Markteinführungsstrategien und welche Rolle meteorologische Informa- tionen zur Abschätzung der verfügbaren Ressourcen darin spielen. Als Beispiel werden hier große solarthermische Kraftwerke genom- men. Beispielhaft wird das Potenzial in Spanien, Portugal und Marokko abgeschätzt. Im zweiten Abschnitt geht es um die Entwicklung konkreter Kraftwerksprojekte von der Standortsuche bis zur Entwicklung eines geeigneten Standortes.
Der dritte Abschnitt beschäftigt sich mit der Integration erneuerbarer Energieerträge in das Energiesystem. Er zeigt die Auswirkungen von Ausgleichseffekten und das Zusammenspiel verschiedener Energieträger bei der Deckung der Gesamtlast.
Markteinführung erneuerbarer Energiesysteme
Erneuerbare Energiesysteme sind wie fast alle Energiesysteme am Beginn ihrer Markteinfüh- rung teurer als die bestehenden Systeme, die bereits eine längere technologische Entwicklung am Markt erfahren haben und dadurch ihre Kosten senken konnten. Markteinführungs- strategien setzen ökonomische Rahmen- bedingungen, die dazu beitragen, dass sich Investitionen bereits am Anfang dieses techno- logischen Lernens lohnen. Ein Beispiel für solche Rahmenbindungen ist die Einspeisevergütung im deutschen „Erneuerbare Energien Gesetz“
(EEG). Die Höhe der Einspeisevergütung sichert 22
C. Hoyer-Klick Ch. Schillings F. Trieb Y. Scholz
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR
carsten.hoyer@dlr.de
Meteorologische Informationen
für die Planung erneuerbarer
Energiesysteme
an einem geeigneten Standort die Amortisation der Investition in einem angemessenen Zeit- rahmen, die sinkende Höhe der Vergütung abhängig vom Baujahr der Anlagen fordert technologische Entwicklungen, die zu sinken- den Kosten für die Anlagen führen. Langfristig soll sich diese Förderung damit erübrigen. Die Förderung ist somit eine gemeinsam getragene Investition in zukünftige Energiesysteme, im Falle des EEG aller Stromkunden.
Diese gemeinsame Investition soll die notwen- digen finanziellen Ressourcen möglichst effizient einsetzen, d. h., es sollten vorrangig Technologien gefördert werden, die die Energieversorgung sicherstellen und Wirtschaftlichkeit erreichen können. Hier spielt die Analyse der erneuerbaren Ressourcen eine wichtige Rolle. Abb. 1zeigt eine Kaskade zur Entwicklung von Markeinfüh- rungsstrategien für erneuerbare Energien. Am Anfang steht die Analyse der verfügbaren Ressourcen: Wie viel Sonnenstrahlung ist wo vorhanden, wo weht wie viel Wind, wie viel Wasser fließt durch die Flüsse, wo gibt es Wärme führende Schichten in welcher Tiefe und mit welcher Temperatur, wie viel Biomasse steht für energetische Zwecke zur Verfügung?
Die Erstellung von Karten der verfügbaren Ressourcen ist der erste Schritt zur Entwicklung erneuerbarer Energien in einer Region. Doch allein die Information über die Ressource ist nicht ausreichend, vielmehr sind auch technische, ökologische und sozioökonomische Restriktionen bei der Bestimmung der Potenziale zu
beachten. Verfügbare Flächen, Infrastruktur und weitere Faktoren bestimmen die tatsächlich nutzbaren Energiemengen. Mit Informationen zu Ressourcen, technologischen und ökono- mischen Modellen können in einem zweiten Schritt technische und ökonomische Potenziale abgeschätzt werden. Hier zeigt sich, welche Technologien in einer Region in welchem Umfang zur Energieversorgung beitragen können. Der Beitrag der Energiemeteorologie zur Analyse und Entwicklung von Märkten für erneuerbare Energien ist die Abschätzung dieser Potenziale auf Basis meteorologischer Daten und technologischer Modelle, die daraus die potenziellen Erträge modellieren können.
Basierend auf den Potenzialen können Szenarien erstellt werden, die Wege aufzeigen, in welcher Form und in welchem Zeitrahmen erneuerbare Energien zur Energieversorgung beitragen kön- nen. Diese Szenarien können dann zur Entwick- lung von Strategien und letztendlich Instrumen- ten wie dem EEG genutzt werden. Mit den Instrumenten werden dann die politischen und ökonomischen Rahmenbedingungen gesetzt, die zu Investitionen in erneuerbare Energie- systeme führen.
Beispiel: Abschätzung der Potenziale für solarthermische Kraftwerke
Große konzentrierende Solarkraftwerke benö- tigen die Komponente der solaren Einstrahlung, die direkt aus der Richtung der Sonne kommt.
Denn nur diese lässt sich in optischen Systemen konzentrieren. Konzentrierende thermische Solarkraftwerke haben typischerweise eine Leistung von mehreren MW und benötigen dafür entsprechend große Flächen für das Kollektorfeld. Für eine Markteinführung müssen also ein entsprechendes Niveau der Direkt- strahlung sowie genügend geeignete Flächen zur Verfügung stehen. Die Frage, welche am Anfang steht, lautet: Wie viele geeignete Stand- orte gibt es (technisches und ökonomisches Potenzial)? Abb. 2zeigt die Summe der Direkt- normalstrahlung im Jahr 2002 im Mittelmeer- raum. Solarthermische Kraftwerke brauchen in der Regel ein Strahlungsniveau von mindestens 1.800 kWh/Jahr. Dieses wird in einigen südeuro- päischen Regionen aber vor allem im nord-
afrikanischen Raum erreicht. 23
Abbildung 1 Kaskade zur Entwicklung von Markteinführungs- strategien für erneuerbare Energien
Geeignete Flächen müssen hinreichend eben (z. B. unter 1 % Steigung), von einer festen Bodenbeschaffenheit und keiner konkurrieren- den Nutzung unterlegen sein. Daher werden unebene Landschaften, Feuchtgebiete, Wüsten mit Wanderdünen, Siedlungsgebiete, Natur- schutzflächen und Ähnliches ausgeschlossen.
Aus diesen Kriterien kann eine Ausschlussmaske erstellt werden, die nur noch geeignete Stand- orte übrig lässt. Abb. 3zeigt eine solche Maske für die Länder Spanien, Portugal und Marokko.
Auf der Iberischen Halbinsel werden viele Stand- orte aufgrund der vorhanden Landnutzung, zu großer Hangneigung und ihres Schutzstatus ausgeschlossen. In Marokko sind die Hänge des Atlasgebirges der Hauptgrund für den Ausschluss.
Die Karten in Abb. 2und Abb. 3können zu einer Karte des technischen Potenzials zusammen- geführt werden. Abb. 4zeigt dies für Spanien, wo nur noch die Einstrahlung an geeigneten Standorten dargestellt ist.
24
Abbildung 2 Jährliche Summe der Direktnormal- strahlung im Jahr 2002 in kWh/m2a[5]
Abbildung 3 Ausschlussmaske für große solarthermische Kraftwerke in
Spanien, Portugal und Marokko[3]
<600 738 875 1013 1150 1288 1425 1563 1700 1838 1975 2113 2250 2388 2525 2663>=2800 kWh/m2/a
no exclusion criteria
industrial, infrastructural and military use hydrographic exclusion feature protected area
land cover as exclusion feature geomorphologic exclusion feature slope as exclusion feature
