Windenergie und Photovoltaik liefern elektrische Energie nach Wetterlage. Für die Betreiber der Stromnetze sind detaillierte Vorhersagen daher essentiell. Um die Versorgungsqualität und Netzstabilität aufrecht zu erhalten, müssen sie aber noch weit mehr kennen als die lokale Wetterlage. Fraunhofer-Forscher entwickeln gemeinsam mit Wetterdienst und Netzbetreibern ein umfassendes Prognosesystem, das für jedes Umspannwerk die Einspeiseleistung berechnet – auch unter Berücksichtigung von Faktoren wie Eigenstromverwendung oder dem temporären Abschalten einzelner Windkraftanlagen.

Schon seit Jahrtausenden wollen die Menschen wissen, wie das Wetter wird – für die Landwirtschaft oder für Arbeiten im Freien ebenso wie zur Vorsorge vor Unwettern oder einfach nur, um ein Picknick zu planen. War anfangs die Vorhersage noch das Metier von Geisterbeschwörern und Orakeln, ist Meteorologie längst eine ernsthafte wissenschaftliche Disziplin. Jedes Wetterphänomen wird akkurat beobachtet und ausgewertet. Mächtige Wettermodelle sammeln die Erfahrungen der Wetterbeobachtungen und errechnen Prognosewerte für die nächsten Stunden und Tage für Sonnenscheindauer, Windgeschwindigkeiten, Wolkenentwicklung, Regenwahrscheinlichkeit und mehr. Trotz des hohen Aufwands reichen die üblichen Vorhersagen aber nicht aus, um Stromnetzbetreiber ausreichend mit detaillierten und lokalen Prognosen zu versorgen. Denn der Ausbau der regenerativen Energieerzeugung aus Windkraft und Sonnenenergie stellt die Versorger massiv vor neue Herausforderungen: Mit jeder Wetteränderung kann die Einspeiseleistung von Windkraftwerken und Photovoltikanlagen an einem oder mehreren Netzknoten in Deutschland innerhalb von wenigen Minuten gravierend ansteigen oder abfallen. Um Versorgungssicherheit und Netzstabilität aufrecht zu erhalten, müssen die Netzbetreiber dann rechtzeitig Reservekapazitäten anfordern und zusätzlichen Strom in ihr Netz bringen oder auf Abruf gehaltene Kapazitäten etwa von Gaskraftwerken aktivieren. Dazu müssen sie aber möglichst zuverlässig abschätzen können, wie viel Strom die witterungsabhängige Stromerzeugung in den vorausliegenden Stunden liefern wird. Im Projekt »EWeLiNE« haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES daher gemeinsam mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) und Stromnetzbetreibern Lösungen entwickelt, mit denen sich der Stromertrag von Wind- und Photovoltaikanlagen besser vorausplanen lässt.

Ortsgenaue Prognosen im Viertelstundentakt

Vor allem wurden dabei »Vorhersagelücken« geschlossen. Weil klassische Wettervorhersagen meist nur die Windverhältnisse in Bodennähe berücksichtigen, fehlen bislang Informationen zu den Strömungsverhältnissen in Höhen rund um 100 Metern, in denen sich die Flügel der Windkraftanlagen drehen. Und zur Vorhersage für die Produktion von Sonnenenergie ist es essentiell, die Sonneneinstrahlung möglichst »punktgenau«, also in einem Umfang von wenigen hundert Metern um eine Anlage zu kennen, um die Sonneneinstrahlung vor Ort oder beispielsweise auch »Hindernisse« wie Nebelbildung besser abschätzen zu können. »Ziel des Kooperationsprojekts war es, die bestehenden und bereits sehr präzise arbeitenden Vorhersagemethoden so zu ergänzen, dass speziell für den Bereich der wetterabhängigen Stromerzeugung bessere Leistungsprognosen möglich sind«, fasst Dr. Malte Siefert vom Fraunhofer IWES zusammen. Damit die Netzbetreiber auch auf kurzfristige Wetteränderungen rechtzeitig reagieren können, liefern die verbesserten Prognosemethoden zudem jetzt alle fünfzehn Minuten aktualisierte Wetterdaten zu Windgeschwindigkeiten und Sonneneinstrahlung.

Screenshot der Demonstrations-Plattform »EnergyForecaster« bei schwacher Windeinspeisung. Die automatisierte Erkennung von kritischen Wettersituationen warnt die Übertragungsnetzbetreiber vor besonders großen Prognosefehlern. Bild: Fraunhofer IWES

Bessere Prognosen für stabile Netze

Besonders hoch sind die Anforderungen der Netzbetreiber zudem bezüglich der Vorhersagequalität. Wichtig ist für sie, dass sie ihre Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität besser planen können. Dafür entwickelten die Projektpartner Verfahren, mit denen sich zu jeder Prognose auch der Unsicherheitsbereich der zugrundeliegenden Berechnung angeben lässt. Der Deutsche Wetterdienst rechnet dabei nicht nur nach einem Wettermodell, sondern nutzt eine ganze Reihe unterschiedlicher Modelle parallel. So lässt sich nun auch berücksichtigen, in welchen Kriterien und in welchem Ausmaß sich die Vorhersagen der verschiedenen Modelle unterscheiden und damit bewerten, inwieweit die Prognose als gesichert betrachtet werden kann. »EWeLiNE« wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und ist inzwischen abgeschlossen. Die in einer Demoversion umgesetzten Lösungen sind aktuell teils bereits beim DWD und Netzbetreibern im Einsatz, beziehungsweise werden schrittweise in die bestehenden Prognosemodelle integriert.

Vom Wetterbericht zur tatsächlichen Einspeiseleistung

Zielgerichtet eine angepasste Wettervorhersage zu erreichen, ist letztlich aber nur einer von mehreren Schritten in Richtung einer weitgehenden Verbesserung der Prognosen zur Einspeiseleistung von Wind- und Sonnenstrom. Denn wie viel Strom tatsächlich in den Stromnetzen ankommt, hängt nicht allein vom Wetter ab. Um auch hier substanzielle Verbesserungen der Prognosen zu erzielen, haben die Forschungspartner nun das Projekt »Gridcast« ins Leben gerufen. Das Ziel dabei: Möglichst sichere und exakte Einspeiseprognosen erstellen zu können. Die Basis dafür bilden die verbesserten Wettervorhersagen, die durch das Vorgängerprojekt »EWeLiNE« möglich geworden sind. Zusätzlich entwickeln die Projektpartner nun aber noch Verfahren und Methoden, um auch wetterunabhängige Kriterien für die Einspeiseleistung mit berücksichtigen zu können. Wichtig ist das unter anderem, weil Betreiber ihren selbst erzeugten Strom immer häufiger nicht verkaufen, also einspeisen, sondern ihn gleich selbst für sich nutzen. Immer mehr Haushalte verwenden die selbsterzeugte Energie ihrer Anlage beispielsweise zum Betrieb einer Wärmepumpe oder zum Laden ihres Solarstromspeichers. Aber auch bei der Einspeisung von Windenergie müssen die Projektpartner eine Reihe von Faktoren zusätzlich mit in die Kalkulationen aufnehmen: Wird beispielsweise ein Windrad zeitweise abgeregelt, fällt seine Erzeugungsleistung bei der Netzeinspeisung aus. Mit neuen Prognosemodellen und -verfahren wollen die Projektpartner auch solche »Ausfälle« künftig besser berücksichtigen können. Sie analysieren dazu kontinuierlich die gemessenen Werte der tatsächlichen Einspeiseleistung in Kombination mit den entsprechenden Wetterdaten und soweit verfügbar zusätzlichen Informationen der Anlagenbetreiber. »Unser Ziel ist es, für jedes beliebige Umspannwerk im deutschen Stromverbundnetz, die maximal mögliche, die tatsächliche und die in den nächsten Stunden bis Tagen zu erwartende Wind- und PV-Stromeinspeisung bestimmen zu können«, resümiert Siefert. Allen Prognosen zufolge dürften die Forscher diesem Ziel recht nahekommen. (stw)

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