Die Kraft der Sonne besser nutzen
Die Erzeugung von Photovoltaikstrom unterliegt wetterbedingten Schwankungen, deren genaue Vorhersage eine große Herausforderung für den Betrieb der Stromnetze darstellt. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE erforscht daher gemeinsam mit Partnern (etwa der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg) im Verbundprojekt MetPVNet die Auswirkungen von Wolken auf die Sonneneinstrahlung und die Stromproduktion von PV-Anlagen, um neue energie-meteorologische Methoden und Computermodelle zu erforschen, die eine bessere Vorhersage der Einspeisung aus Photovoltaikanlagen ins Stromnetz erlauben. Das BMWi fördert das Projekt mit rund zwei Millionen Euro.
Messgeräte an deutschen PV-Anlagen können auch für Wetter- und Solarleistungsprognosen genutzt werden – Foto © Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, Christopher Schirrmeister
Der steigende Anteil der dezentralen Einspeisung von Strom aus PV-Anlagen erfordert eine effektivere Anpassung des Managements der Stromnetze an die Wetterabhängigkeit bei der Stromeinspeisung. „Insbesondere die dezentrale Einspeisung von Strom aus PV-Anlagen stellt die Betreiber der Verteilnetze vor neue Herausforderungen bei Ausbau und Betrieb der Netze der Zukunft“, erklärt Projektleiterin Prof. Dr. Stefanie Meilinger vom Internationalen Zentrum für Nachhaltige Entwicklung (IZNE) der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS). Wenn es gelänge, die wetterbedingten Schwankungen bei der Stromproduktion in einzelnen Photovoltaik-Anlagen besser vorherzusagen, ließe sich der Ausbau besser planen und der Betrieb könnte optimiert werden. Im dem disziplinübergreifenden Forschungsprojekt arbeiten Expertinnen und Experten für Atmosphärenforschung und erneuerbare Energien zusammen. Mit einer Messkampagne im Allgäu wollen die Projektpartner die Basis für die Modellierung zweier wichtiger Prozesse schaffen:
- zum einen die natürliche Einstrahlung des Sonnenlichts in Abhängigkeit von der Wettersituation und andererseits
- die Stromerzeugung je nach technischen Werten der Anlage.
Dazu werden zwei umfangreiche Messstationen auf dem Dach der Hochschule Kempten sowie in einem südlich gelegenen PV-Park errichtet, ergänzt durch rund 20 weitere kleinere Stationen in und um Kempten. Zum Einsatz kommen u.a. ein Spektrometer (Foto re.) zur Strahlungsmessung, eine Wolkenkamera und ein Solar-Tracker, der sich nach der Sonne ausrichtet und unterschiedliche Vergleichsmessungen vornimmt. So können die Energieausbeute bei bewölktem Himmel und bei voller Sonneneinstrahlung bestimmt und mit Hilfe von Strahlungsübertragungsrechnungen Rückschlüsse gezogen werden, wie stark beispielsweise Aerosolpartikel und Wolken in der Luft die Sonnenenergie dämpfen.
Das Fraunhofer ISE unterstützt die Messkampagne mit eigenen Sensoren, entwickelt im Projekt aber vornehmlich zwei Modelle, mit denen PV-Anlagen zukünftig als Sensor für die eintreffende Solarstrahlung eingesetzt werden können. „Die inzwischen mehr als 1,7 Millionen PV-Anlagen in Deutschland werden immer häufiger mit Messgeräten ausgerüstet, die es erlauben, ihre Stromerzeugung in Echtzeit zu verfolgen. Gelingt es uns, diese Messungen als Indikator für die solare Strahlung im Projekt zu nutzen, können wir das sehr dünne Netz an Wetterstationen erheblich erweitern und mittelfristig Wetterprognosen für ‚den Fußgänger‘ oder die solare Stromerzeugung verbessern“, erklärt Dr. Sven Killinger, Senior Scientist am Fraunhofer ISE. Durch die hohe Anzahl von Messgeräten an PV-Anlagen kann der Einfluss der Bewölkung zeitlich und räumlich hochaufgelöst erfasst werden.
Projektbeschreibung Verbundvorhaben MetPVNet:
„Entwicklung innovativer satellitengestützter Methoden zur verbesserten PV-Ertragsvorhersage auf verschiedenen Zeitskalen für Anwendungen auf Verteilnetzebene“
FKZ: 0350009A-G, Förderzeitraum: 01.11.2017-31.10.2020
Im MetPVNet-Verbundprojekt werden innovative energiemeteorologische Methoden zu satellitenbasierten Vorhersagen von Einstrahlung und PV-Leistung auf Anlagenebene (weiter-) entwickelt, und deren Anwendung im Rahmen eines innovativen Energiemanagements auf Verteilnetzebene getestet.
Das Vorhaben wird durch einen Verbund von fünf inhaltlichen Arbeitspaketen (AP) erreicht, die in sich bereits innovative Teilziele verfolgen und stark untereinander verknüpft sind. Hinzu kommt ein Arbeitspaket (AP6) mit Projektmanagementaufgaben:
- AP1: Ableitung hochaufgelöster Globalstrahlung aus Satelliten- und Bodenbeobachtungen
- AP2: Assimilation und Vorhersage von PV-relevanten Wolkeninformationen
- AP3: Strahlungstransport- und PV-Leistungsmodellierung
- AP4: Bodenmessungen – Globalstrahlung aus Pyranometerdaten und PV-Leistung
- AP5: Prognosebasierte Produkte für die Verteilnetzbetriebsführung
- AP6: Projektkoordination
Für die Verbesserung der satellitenbasierten energie-meteorologischen Vorhersagen auf Verteilnetzebene wird an einer Verbesserung der Gesamtmodellkette und hier insbesondere im Hinblick auf die bewölkungsabhängige Fluktuation von Strahlungsfeldern gearbeitet. Dies soll u.a. durch die Verknüpfung wissenschaftlicher Expertise aus den Bereichen Atmosphärenwissenschaft und Erneuerbare Energien und den dadurch entstehenden Synergien erreicht werden sowie durch den transdisziplinären Austausch im Rahmen von AP5.
->Quellen: