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
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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.
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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.
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