Vorhersagen im Viertelstundentakt

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Zuverlässigkeit ist für Holger Hermanns Herzensangelegenheit und berufliches Spezialgebiet zugleich. Hermanns ist Professor für verlässliche Systeme an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und ist vor gut zwei Jahren zum ersten Mal an ein Photovoltaikthema geraten. In einem Forschungsprojekt mit der Firma Luxea in Saarbrücken und den Stadtwerken Sulzbach an der Saar hat er ein Prognosetool für kurzfristige Ertragsschwankungen entwickelt. „Während in manchen Ländern die Stromproduktion oft komplett unkontrolliert läuft und etwa der Kühlschrank erst wieder runtergekühlt wird, wenn gerade mal Strom zur Verfügung steht, erwarten wir, dass auf Knopfdruck immer das Licht angeht“, sagt Hermanns. „Dafür müssen aber Stromerzeugung und -verbrauch immer im Gleichgewicht sein, und dieses Gleichgewicht ist durch die mitunter von Minute zu Minute schwankenden Erträge aus Photovoltaikanlagen zunehmend gefährdet.“ Zwar gibt es schon lange durchaus verlässliche Jahresertragsprognosen für die Planung von Photovoltaikerträgen. Doch diese profitieren unter anderem davon, dass sich Abweichungen von Wettermittelwerten über den langen Vorhersagezeitraum ausgleichen. Das funktioniert bei kurzfristigeren Prognosen naturgemäß nicht und betrifft auch die Veröffentlichung von Vortagsprognosen an die Übertragungsnetzbetreiber, zu der die Stadtwerke schon heute verpflichtet sind (siehe photovoltaik 05/2011, Seite 86). Auch diese sind für Hermanns‘ Aufgabe noch zu ungenau. So kann selbst eine kleine Wolkenfront darüber entscheiden, ob etwa zur Mittagszeit im Sommer wahre Solarstromfluten in das Netz gespeist werden oder eher Ebbe herrscht. Geraten Stromangebot und -nachfrage durch solche Ereignisse aus dem Gleichgewicht, drohen Frequenzschwankungen und schlimmstenfalls ein Blackout. Abweichungen durch unvorhergesehene Wetterereignisse, die den Einsatz von Regelenergie nach sich ziehen, müssen die Stadtwerke deshalb nachträglich bezahlen. Abgerechnet wird dabei im Viertelstundentakt.

Die Bundesnetzagentur hatte schon vor gut einem Jahr dringenden Handlungsbedarf angemeldet, vor allem angesichts des voraussichtlich weiterhin stark steigenden Photovoltaikanteils am Gesamtstrommix. In einem Positionspapier heißt es: „So kommt es systematisch zu erheblichen Abweichungen zwischen der von den Übertragungsnetzbetreibern an der Börse vermarkteten Solarstrommenge und der tatsächlichen Solarstromeinspeisung mit bereits spürbaren Auswirkungen auf die Systemsicherheit.“ Die Pflicht zur Vortagesprognose war ein erster Schritt, um hier Abhilfe zu schaffen.

Nur fünf Prozent Abweichung

Der Informatiker Hermanns arbeitet mit Radarbildern des Deutschen Wetterdienstes. Seine Prognosen haben eine zeitlich und räumlich deutlich höhere Auflösung als die klassischen Wettervorhersagen für die Vortagesprognosen. „Wir können damit Erträge in einem 15-Minuten-Raster recht genau vorhersagen“, sagt der Forscher. „Die aktuellsten Prognosen weichen maximal fünf Prozent von der Realität ab.“ Auch Angaben in kürzeren Zeitabständen sind Hermanns zufolge möglich, werden dann aber nur interpoliert. Stadtwerke könnten mit dem neuen Prognosetool genauere Vortagesprognosen liefern oder, und das ist Hermanns zufolge das Ziel, Vorhersagen vorzeitig aktualisieren. Noch aber ist das Programm nicht einsatzbereit. „Wir kalibrieren gerade eifrig“, berichtet Hermanns. Dazu arbeiten die Wissenschaftler eng mit den Stadtwerken in Sulzbach an der Saar zusammen. In das Stromnetz der Stadtwerke Sulzbach speisen Photovoltaikanlagen mit einer Gesamtleistung von mehr als 600 Kilowatt ein. Die Anlagen wurden im Rahmen des Projektes erstmals vermessen.

Um die Sonneneinstrahlung, die bei wechselhaftem Wetter regional und zeitlich stark schwanken kann, vorhersagen zu können, betrachten die Forscher aus dem Saarland einen bestimmten Fleck der Erde mit einem Durchmesser von rund zweieinhalb Quadratkilometern und errechnen, wie viele Wolken über diesem Ort in ein, zwei und fünf Kilometern Höhe zu erwarten sind. „Etwas komplexer wird das Ganze dadurch, dass die Sonne auch schräg einstrahlt und wir deshalb benachbarte Himmelsbereiche betrachten müssen, nicht nur jenen senkrecht über dem Zielort“, berichtet der Informatiker. Zudem sind manche inhaltlichen Zusammenhänge noch nicht ganz klar. Zum Beispiel beziffern Meteorologen die Durchlässigkeit der Wolkendecke mit Werten zwischen Null und Eins. Für die Leistung einer Solaranlage dagegen ist die Beleuchtungsstärke Lux ausschlaggebend. „Zurzeit arbeiten wir mit Schätzwerten, um hier übertragen zu können. Wir entwickeln aber ein System, das die Abweichungen von der Realität, die sich daraus ergeben, registriert und sich immer weiter der Wirklichkeit annähert“, sagt Hermanns. Learning by Doing hieße diese Vorgehensweise wohl beim Menschen. In der Informationstechnik wird sie maschinelles Lernen genannt.

Ausgleichszahlungen vermeiden

Hermanns‘ Projektpartner und Luxea-Geschäftsführer Martin Ney meint, dass von der neuen Kurzfristprognose besonders Netzleitwarten und die Kraftwerkseinsatzplanungen profitieren können. „Schließlich müssen Stromangebot und -nachfrage auch bei wechselhaftem Wetter in jeder Sekunde übereinstimmen“, betont er. Zudem verbessert eine genauere Vorhersage die Wirtschaftsbilanzen von Stadtwerken. „Sie können damit Engpässe oder Überproduktionen schnell erkennen und teure Ausgleichszahlungen an die vorgelagerten großen Netzbetreiber vermeiden“, erklärt Ney. Solche Zahlungen sind fällig, wenn die großen Netzbetreiber wegen falscher Ertragsvorhersagen kurzfristig zusätzliche elektrische Energie bereitstellen müssen oder, im umgekehrten Fall, überschüssigen Strom loswerden müssen. Auch Strommakler wollen die Möglichkeiten der neuen Prognosesoftware nutzen. „Wir haben dazu schon einige Anfragen bekommen“, sagt Ney. Und Holger Hermanns kann sich sogar vorstellen, dass in Zukunft Hausbesitzer – vorausgesetzt, sie wollen ihren Solarstrom auch selbst verbrauchen – die zeitlich hochauflösenden Ertragsprognosen für ein intelligentes Strommanagement nutzen. „Denkbar ist außerdem, dass sich Nachbarn mit und ohne Photovoltaikanlagen zu einer Art Mikromarkt zusammenschließen“, erklärt der Wissenschaftler. Bei vorhersehbarer Überproduktion könnte zum Beispiel Solarstrom für den Rasenmäher, die Waschmaschine oder eine Klimaanlage angeboten werden.

Zweifel, dass die Prognoseprogramme das Zeug zum Kassenschlager haben, plagen die Prognose-Experten ohnehin nicht. „Andere Länder werden die gleichen Probleme bekommen und wir haben die Lösungen dann schon parat“, erklärt Ney. So seien die Ertragsschwankungen in Südeuropa oder in anderen Regionen mit intensiver Sonneneinstrahlung und damit die Belastung für die Stromnetze sogar noch größer.

Während Hermanns‘ Software noch in der Entwicklung ist, hat der Service-Anbieter Meteocontrol aus Augsburg ein Produkt mit ähnlich hoher Auflösung schon am Markt. Das Programm,dessen Grundlagen im Rahmen einer Doktorarbeit an der Universität Oldenburg entwickelt wurden, arbeitet mit Satelliten- statt mit Radardaten. „Wir können für jeden Ort in Europa mit einer maximalen räumlichen Auflösung von einem Kilometer zuverlässige Prognosen erstellen“, berichtet Daniela Gütter, Klimatologin bei Meteocontrol. Bei den großen Transportnetzbetreibern, die das Unternehmen allerdings zurzeit noch nicht namentlich nennen möchte, ist die Software schon seit dem letzten Herbst im Einsatz, und seit kurzem auch bei kleineren Energieversorgungsunternehmen. „Anfang des Jahres wurde das Marktprämienmodell eingeführt, das auch die Direktvermarktung von Solarstrom attraktiv macht“, erklärt Gütter. „Seitdem ist der Bedarf an Kurzfristprognosen auch bei den Direktvermarktern sprunghaft gestiegen.“ Das eingesetzte Programm liest aus Wolkenbildern, die der geostationäre Satellit Meteosat alle 15 Minuten aufnimmt, wie schnell und in welche Richtung die Wolken ziehen und setzt diese Bewegung über Vektoren in die Zukunft fort. Dann errechnet es für einen bestimmten Ort, wie viel Licht trotz Feststoffteilchen oder Flüssigkeitströpfchen in der Atmosphäre voraussichtlich bis an die Erdoberfäche gelangen wird, berücksichtigt noch anlagespezifische Daten wie etwa Modulneigung und -ausrichtung und gibt schließlich viertelstündlich Prognosen für Photovoltaikleistungen heraus.

„In diesem Rhythmus können wir Entwicklungen bis zu acht Stunden vorhersagen“, sagt die Klimatologin. Dass die Prognosefehlerrate heute deutlich unter fünf Prozent liegt, haben Messungen des Unternehmens an 18.000 Referenz-Photovoltaikanlagen mit einer installierten Gesamtleistung von mehr als 2,5 Gigawatt gezeigt. Leistungsdaten dieser Anlagen werden ebenfalls viertelstündlich erfasst und fließen online in die Vorhersagen ein.

Das Potenzial des Satelliten als Datenlieferant ist Gütter zufolge aber noch nicht ausgeschöpft. „Zurzeit erfasst er nur Wellenlängen im sichtbaren Bereich. Als Nächstes werden auch Daten aus dem Infrarotbereich erhoben und ausgewertet“, berichtet sie. Die Partner an der Universität Oldenburg arbeiten schon daran, das Verfahren dahingehend zu erweitern. Sobald erste Wärmebilder aus dem All ausgewertet werden, bleiben die Wolken auch nachts im Blickfeld der Energiemeteorologen. Und die Prognosen, insbesondere für die frühen Morgenstunden, werden dann noch genauer.

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