Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und
Energiesystemtechnik
Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und
Energiesystemtechnik

Energiemeteorologie und Geoinformationssysteme

Unsere Forschungsfrage

Welchen Einfluss haben Wetter und Klima auf das Energiesystem und wie lassen sich erneuerbare Erzeugung und variierender Verbrauch auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen mit intelligenten Methoden und detaillierten Daten planen?

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Unsere Stärken

  • Data Science, Data Fusion and Analytics
  • GIS basierte Modellierung
  • Einsatz moderner KI / Machine Learning
  • Verarbeitung umfangreicher Wettermodell- und
    Erdbeobachtungsdaten
  • Entwicklung digitaler Zwillinge
  • Detaillierte Standortanalysen
  • Entwicklung von WebGIS-Anwendungen
  • Meteorologische Messkampagnen

Forschungsthemen

  • Flächenanalysen und Ausbauszenarien von Erzeugung und Verbrauch
  • Sektorenübergreifende
    Systemmodellierung
  • Prognosen von Erzeugung, Verbrauch, Leistungsflüssen, Blindleistung und Flexibilitätspotentialen (von intraday bis saisonal)
  • Adaptiver Freileitungsbetrieb
  • Digitale Zwillinge urbaner Strukturen
  • Optimierung von Wetterdaten für den Einsatz in Energiesystemanwendungen
  • Standortbewertung mittels innovativer LIDAR-Messkampagnen

Anwendungen

Labore und Entwicklungsumgebungen

Projekte und
Veröffentlichungen

Wetter – der Treibstoff der Energiewende

Das Wetter hatte schon immer einen großen Einfluss auf die Planung und den Betrieb des deutschen Energiesystems. In der Vergangenheit umfassten diese Einflüsse primär den Energieverbrauch in den Sektoren Strom und Wärme, der stark durch die Temperatur, aber auch durch die Helligkeit bedingt ist. Gleichzeitig können extreme Wetterbedingungen wie Trockenperioden und Sturmereignisse seit jeher sicherheitskritische Effekte im konventionellen Kraftwerkspark verursachen.

Durch die Transformation des Energiesystems hin zu hohen Anteilen wetterabhängiger Energieträger hat sich die Wetterabhängigkeit deutlich gesteigert. Im Jahr 2020 wurden im Mittel bereits mehr als 37 % der Nettostromerzeugung in Deutschland durch Wind- und PV-Anlagen gedeckt, was die weiterhin wachsende Rolle des Wetters noch einmal deutlich unterstreicht. Hinzu kommt, dass verschiedenste sektorenübergreifende Flexibilitätsoptionen in der Erzeugung, im Verbrauch, aber auch in der Auslastung von Energieversorgungsstrukturen stark vom lokalen Wettergeschehen abhängen.

Die Meteorologie und Geoinformatik und darauf aufbauende Methoden, Modelle und Messkampagnen erhalten somit direkten Eingang in die Energiewirtschaft. Die Genauigkeit der in diesen Themenfeldern entwickelten Verfahren hat folglich einen direkten Einfluss auf die Sicherheit der Energieversorgung und die Wirtschaftlichkeit der Energiewende.

Geoinformationssystem-basierte
Systemmodellierung (GIS)

Um energiesystemanalytische Fragestellungen auf größeren Raum-Zeit-Skalen beantworten zu können, werden neben den Wetterbedingungen zusätzliche Informationen über die standortgenaue Erzeugungs- und Verbrauchslandschaft benötigt. Dies umfasst einerseits die Verortung der bereits installierten Anlagen, aber auch die Abschätzung der in der Zukunft zu erwartenden Zubauten. Folglich betrifft es nicht nur die große Anzahl zusätzlich geplanter EE-Anlagen, sondern im Besonderen auch die standortspezifische Entwicklung steuerbarer Lasten wie Elektrolyseure, Wärmepumpen, Ladesäulen und Speichersysteme.

Neben den meteorologisch bedingten Standortpotentialen spielen somit auch detaillierte Informationen über die Energienetze, die Gebäudelandschaft sowie sozioökonomische Effekte eine wichtige Rolle, um zukünftige Entwicklungen genauer abschätzen zu können. Zur Verknüpfung verschiedener georeferenzierter Datensätze werden Methoden der Geoinformatik sowie Geoinformationssysteme (GIS) eingesetzt und weiterentwickelt.

Prognosen für Energiesysteme

Echtzeitsysteme zur Prognose der Energieerzeugung und des -verbrauchs für die nächsten Minuten bis Tage in die Zukunft sind bereits seit mehreren Jahren im Tagesgeschäft der Energieversorgung etabliert, wobei die Anforderungen an die Güte dieser Systeme mit weiteren Zubauten kontinuierlich steigen. In diesem Themenbereich haben sich vermehrt Verfahren der Künstlichen Intelligenz (KI) als nützlich erwiesen, da diese oftmals die Anforderungen hinsichtlich Automatisierung und Skalierung bedienen.

Standortspezifische Analysen

Zur Erstellung standortspezifischer Analysen werden bestehende Datensätze mit aktuellen Messdaten aus Fernerkundungsverfahren angereichert, um konkrete Einflussfaktoren wie lokale Wetterphänomene, Ab- und Verschattungen, Turbulenzen, etc. besser erfassen zu können. Moderne standortspezifische LIDAR-Messverfahren zur Windfeldvermessung sowie großräumige Erdbeobachtungsdaten kommen hierbei zum Einsatz.

Adaptiver Freileitungsbetrieb

Der Seil-Nennstrom wird unter den in der Norm EN 50182 angegebenen meteorologischen Bedingungen von 35 °C Lufttemperatur, 900 W/m² Globalstrahlung und 0,6 m/s Windgeschwindigkeit senkrecht zum Leiterseil bestimmt. Sehr oft ist jedoch eine stärkere Kühlung des Leiterseils gegeben, z.B. durch niedrigere Lufttemperaturen oder eine geringere Globalstrahlung. Diese Kühlungseffekte werden durch indirekte, auf Wetterdaten basierende Verfahren adressiert. Im Grundsatz werden die meteorologischen Parameter Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur und Globalstrahlung mit einem Konversionsmodell in die Dauerstrombelastbarkeit überführt.

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