Wenn das Wetter das Netz beutelt

„Im Grund hat die Meteorologie die Energiewirtschaft schon immer mit Wetterdaten beliefert“, sagt Marion Schroedter-Homscheidt, Expertin für Vernetzte Energiesysteme am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oldenburg, das Projektpartner von „WindRamp“ ist. Energiehändler mussten beispielsweise wissen, wie kalt es wird, um für die kommenden Wochen und Monate den Wärmebedarf von Gebäuden abzuschätzen. „Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien ist aber vor allem der Strommarkt viel komplexer geworden – deshalb muss die Energiemeteorologie heute viel mehr in der Vorhersage der kommenden Stunden und Tage leisten.“ Derzeit werden in Deutschland Solarparks mit mehreren Hundert Megawatt Leistung errichtet, etwa der „Energiepark Witznitz“ bei Leipzig, der es auf 650 Megawatt bringen soll – so viel wie ein Reaktorblock eines Atomkraftwerks. Wenn eine solche Leistung auf einen Schlag wegbricht, weil eine Wolkenfront oder ein Gewitter über den Park hinwegzieht, dann muss das Stromnetz so etwas ausgleichen.

Das DLR in Oldenburg hat deshalb in den letzten Jahren zwischen Emden und Oldenburg das „Eye2Sky“-Netzwerk aus rund 30 Kameras aufgebaut, deren Fischaugenobjektive permanent die vorüberziehenden Wolken beobachten. Ein Computer legt die Kamerabilder übereinander und berechnet etwa 20 Minuten im Voraus, wohin die Wolkenschatten ziehen und welche Solarparks sie abdunkeln werden. Künftig soll er sogar eine Stunde in die Zukunft blicken können. „Je genauer wir den Zug der Wolken analysieren, desto besser lassen sich die Schwankungen dämpfen“, sagt Eye2Sky-Projektleiter Jonas Stührenberg.

Minutengenaue Prognosen

Es ist beeindruckend, was die Energiemeteorologie heute schon leistet. So können Prognose-Experten mehr als 48 Stunden im Voraus auf wenige Minuten genau vorhersagen, wie viel Strom ein Solar- oder Windpark liefern wird. Manchmal liegen die Prognosen aber auch ein Stück daneben. Der Stoff, aus dem diese Prognosen errechnet werden, sind vor allem die meteorologischen Daten, die die europäischen Wetterdienste sammeln – hierzulande der Deutsche Wetterdienst (DWD). Der DWD trägt Werte zu Windgeschwindigkeit, Temperatur und Strahlung von mehreren Hundert Messstationen in Deutschland zusammen. Hinzu kommen Messwerte von Wetterballons – oder sogar von Verkehrsflugzeugen, die die Daten nebenbei auf ihren Reisen sammeln und zum DWD funken. Da die Flugzeuge große Teile der Atmosphäre durchfliegen, liefern sie ein umfassendes Bild der Wettersituation.

Wie wertvoll diese Daten sind, wurde während der Corona-Pandemie deutlich. „Weil viele Flugzeuge am Boden blieben, fehlten uns die Messwerte – die Wettervorhersagen wurden messbar schlechter“, berichtet Frank Kaspar, Leiter des Bereichs „Hydrometeorologie“ beim Deutschen Wetterdienst. Wertvoll seien auch die Informationen der Meteosat-Wettersatelliten. Aus einer Höhe von 36.000 Kilometern haben sie den besten Überblick über die Wetterküche Europas. Die Geräte auf den Satelliten können die Sonnenstrahlung am Erdboden, den Wasserdampf in der Atmosphäre oder auch die Größe und die Geschwindigkeit von Wolkenfronten messen. Die Auflösung der Messgeräte liegt heute bei ungefähr einem Kilometer. Kleinere Wolken und vor allem auch deren Wolkenschatten können die Satelliten jedoch nicht erkennen.

Alle diese Daten fließen in die Großrechner der Wetterdienste. Sie treiben mathematische Wettermodelle an, die mehrere Tage in die Zukunft blicken. „Unser Ziel ist es, so viele Wetterdaten wie möglich zu sammeln, um die Wettermodell-Rechnungen mit einem möglichst genauen Abbild der Realität zu starten“, sagt Kaspars Kollegin Vanessa Fundel, Leiterin des Sachgebietes „Meteorologische Verfahrens- und Produktentwicklung“.

Für eine Leistungsprognose braucht es aber mehr als den Wetterbericht. Man benötigt Experten, die die meteorologische Information in Megawattstunden übersetzen – etwa die Firma energy & meteo-systems in Oldenburg. Sie schickt ihre Informationen an Stromhändler oder auch an die Stromnetzbetreiber. „Letztlich liefern wir für einen bestimmten Zeitpunkt und Ort einfach nur Zahlenwerte. Allerdings ist das für viele unserer Kunden sehr wichtig“, sagt Geschäftsführer Matthias Lange. Denn im Strommarkt geht es um viel Geld.

Der Stromhandel ist in Europa ein Termingeschäft. Kraftwerksbetreiber und Stromhändler bieten einen Tag im Voraus Strommengen an, die sie am nächsten Tag voraussichtlich liefern können. Produzieren die Solar- oder Windparks 24 Stunden später dann aber weniger Strom, muss der Händler kurzfristig Strom von anderen Kraftwerken oder Händlern nachkaufen, um seine garantierte Strommenge liefern zu können.

Doch solche spontanen Zukäufe können sehr teuer werden. Insofern müssen die Leistungsprognosen sehr zuverlässig sein. Matthias Lange sammelt Daten aus vielen verschiedenen Quellen, um die eigene Leistungsprognose zu schärfen. „Eine falsche Prognose geht schnell in die Zehntausende Euro pro Tag“, sagt Lange. Neben den Wetterdaten laufen im Oldenburger Büro auch ständig Messwerte aus den Solar- und Windparks seiner Kunden ein.

Blitzschnelle Reaktion erforderlich

Trotzdem bleibt vor allem die kurzfristige Vorhersage für die Energiemeteorologen eine Herausforderung, weil es viele Wetterphänomene gibt, die plötzlich auftreten. Im Frühjahr und im Herbst bildet sich oft unerwartet Hochnebel. Reißt er auf, steigt die Leistung von Photovoltaikanlagen sprunghaft an. Dann wieder kommt es vor, dass die Frühlingssonne den Schnee schmilzt, der viele Tage lang Photovoltaikanlagen bedeckt hatte. Rutscht die Schneedecke um die Mittagszeit fast zeitgleich von Tausenden von Solaranlagen ab, versetzt auch das dem Stromnetz einen Stoß.

Solche kurzfristigen Schwankungen wollen die Energiemeteorologen besser vorhersagen. Die Rede ist vom sogenannten Nowcasting, ein Begriff, der vom englischen Wort Forecast, Vorhersage, abgeleitet ist. Da Wind- und Sonnenstrom einen immer größeren Anteil am deutschen Strommix haben, führen plötzliche Schwankungen zu immer größeren Ausschlägen im Stromnetz. Wenn die Stromproduktion eines großen Solarparks wegbricht, muss ein anderes Kraftwerk blitzschnell seine Leistung hochfahren. Es ist hilfreich, wenn ein Netzbetreiber so früh wie möglich darüber informiert ist. Das Problem mit dem schmelzenden Schnee auf den Photovoltaikanlagen soll künftig mit Kameras gelöst werden, die einige repräsentative Photovoltaikanlagen in einer Region überwachen. Beginnt der Schnee dort zu rutschen, könnte das Überwachungssystem eine Meldung an die Prognose-Firmen schicken.

„Wir versuchen auch, aus dem Verhalten der Solaranlagen und Windräder dazuzulernen“, sagt Matthias Lange – etwa beim Thema Eisregen. Auch dieser ist schwer vorherzusagen. Zwar lässt sich aus meteorologischen Daten über Luftfeuchtigkeit und Temperatur schon heute vorhersehen, dass es Eisregen geben könnte. Doch ob am nächsten Tag tatsächlich welcher fällt, weiß niemand genau. Geht dann tatsächlich Eisregen nieder, der die Rotorblätter der Windräder überzuckert, lässt sich das direkt aus den Leistungsdaten der Anlage ablesen.

Manche Anlagen verfügen über Heizungen, mit deren Hilfe sie den Eispanzer abschütteln. Andere Windparks aber müssen dann abgeschaltet werden. Derzeit versucht Matthias Lange, die Leistungsdaten der Anlagen aus vergangenen Eisregenereignissen mit meteorologischen Daten zu verknüpfen, um besser abschätzen zu können, in welchen Situationen und in welchen Regionen tatsächlich Eisregen auftritt und wie stark das die Stromproduktion drosselt. Auch die Windrampen auf der Nordsee hat Matthias Lange im Blick. Er arbeitet im Projekt „WindRamp“ mit.

In der aktuellen Forschung geht es aber nicht nur um große Solar- und Windparks. Wichtig ist es auch, die Leistung der kleinen Photovoltaikanlagen besser abzuschätzen, die auf immer mehr Häusern installiert werden. Denn auch sie bringen es mittlerweile in Summe auf eine große Leistung. Schiebt sich etwa Hochnebel über die Schwäbische Alb, dann können in wenigen Minuten Hunderte Megawatt Strom wegbrechen.

Die Physikerin Stefanie Meilinger von der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg hat einen ungewöhnlichen Weg gefunden, um das Nowcasting – die Kurzfristvorhersage – für diese Photovoltaikanlagen zu verbessern: Sie macht die Anlagen zum Strahlungssensor. „Photovoltaikanlagen nutzen ja permanent die Sonnenstrahlung, um Strom zu produzieren“, sagt die Professorin für Nachhaltige Technologien. „Da kann man diese Stromdaten zugleich nutzen, um die Intensität der Sonnenstrahlung zu messen – und diese Information für die Leistungsprognose verwenden.“ Dafür hat sie mit ihrem Team untersucht, wie Solarzellen bei unterschiedlichem Wetter auf die Sonnenstrahlung reagieren.

Solarzellen als Messfühler

Es gibt viele verschiedene Solarzellen-Typen, die aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind und die auf unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts ansprechen. Daher mussten die Forscher zunächst messen, wie viel Strom welche Solarzelle bei bestimmten Lichtverhältnissen produziert – etwa auch, wenn die Luft viel Staub oder viel Wasserdampf enthält. Dank dieser Vorarbeit lassen sich Photovoltaikanlagen nun tatsächlich als Sonnensensor betreiben. Sonnensensor, LIDAR und Wolkenkameras werden das Nowcasting sicherer machen. Das ist gut so, denn der Anteil des Ökostroms soll weiter wachsen. Derzeit liegt der Anteil am Stromverbrauch in Deutschland bei 46 Prozent – bis 2040 sollen es 80 Prozent sein.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…