Wie werden Windstromprognosen gemacht?

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1 Wie werden Windstromprognosen gemacht? Eine Einführung Daniel Zedel Mai 2008 Neue Entwicklungen auf dem Energiemarkt TU-Berlin SoSe2008

2 Inhaltsverzeichnis 1 Welche Methoden zur Prognose gibt es? Methoden die als Input Wetterdaten benötigen 2 Wie genau sind diese Prognosen?

3 Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 3/ 40 Inhaltsverzeichnis Methoden 1 Welche Methoden zur Prognose gibt es? Methoden die als Input Wetterdaten benötigen 2 Wie genau sind diese Prognosen?

4 Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 4/ 40 Methoden - statistisch Methoden stellt Zusammenhang her zwischen dem Klima a und der Energieeinspeisung aus Vergangenheit, beruht auf Regressionsanalyse, WYSIWYG-Ansatz b, wird als Referenzmethode benutzt, ist einfach zu implementieren, für Vorhersagen von 4 6 Stunden sehr genau. a Wetter gemittelt über mehrere Jahre b What you see is what you get: Der nächstfolgende Wert ist gleich dem zuletzt gemessenen Wert.

5 Methoden - mit Wetterdaten Numerische Wettervorhersage Mathematische/physikalische Modelle zur Prognose von meteorologischen Variablen (von Instituten) Vorhersageprogramm Rechnet meteorologische Variablen auf konkreten Standort und Nabenhöhe um und erzeugt daraus die Leistungsprognose für repräsentative Anlagen/Parks (von Unternehmen) Produktionsvorhersage Datenbank mit prognostizierten Leistungswerten für Anlagen/Parks Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 5/ 40

6 Methoden - mit Wetterdaten - Produktionsvorhersage Zielsetzung möglichst genaue Leistungsvorhersage für einzelne Windkraftanlagen, gesamte Parks, deutschlandweit, europaweit Quelle: EnSys Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 6/ 40

7 Methoden - mit Wetterdaten - Wetterdaten Quelle: DWD Modelle Fluid-/thermodynamische Berechnungen Input: Messungen von Wetterdaten (Variablen) Output: Voraussage von Wetterdaten (Variablen) Hauptlauf + Ensemble Ensemble: Durchlauf mit leicht variiertem Input (dann Vergleich) Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 7/ 40

8 Methoden - mit Wetterdaten - Wetterdaten Auswahlkriterien für Modelle Vorhersageareal Zeitliche & örtliche Auflösung Laufzeit & Genauigkeit der Vorhersage Dauer der Berechnung Quelle: DWD Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 8/ 40

9 Methoden - mit Wetterdaten - Wetterdaten Globale Modelle komplette Erde, keine Randwerte, nur große Strukturen (Auflösung 40 km), bis zu 16 Tage im Voraus (Auflösung, ein Wert pro 12 Stunden). Quelle: ISET Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 9/ 40

10 Methoden - mit Wetterdaten - Globale Modelle Quelle: DWD GME - Globales Modell Ersatz des DWD Basis: vollständig den Globus umspannendes Dreiecksgitter in Erdkugel platzierter Ikosaeder, Eckpunkte mit Großkreisabschnitten verbunden 20 sphärische, gleichseitige Dreiecke (Kantenlänge km durch sukzessive Unterteilung (z.b. Halbierung) wird gewünschte Auflösung erzeugt Auflösung beträgt zurzeit 40 km, das entspricht Sechsecken und genau 12 Fünfecken bei mittlerer Fläche von km 2 Wetterparameter bis zu sieben Tage im Voraus Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 10/ 40

11 Methoden - mit Wetterdaten - Globale Modelle Dreiecksnetz; Quelle: DWD Singularitätsproblem an den Polen Flächenaufteilung ungleichmäßig Geographisches Netz; Quelle: Klett Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 11/ 40

12 Methoden - mit Wetterdaten - Globale Modelle Modellvariablen wie Luftdruck, Temperatur, Wind,..., sind Mittelwerte über Gitterelemente, dies gilt auch für Orographie (Höhenstruktur auf der natürlichen Erdoberfläche) Gebiet um den Mont Blanc; Quelle: DWD 40 Atmosphärenschichten bis 31 km Höhe 14,7 Millionen Gitterpunkte bis zu 7 Tage im Voraus 15 Minuten Rechenzeit am Großrechner Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 12/ 40

13 Methoden - mit Wetterdaten - Globale Modelle Welche globalen Modelle gibt es noch? GFS Global Forecast System (NOAA a ) GEM Global Environmental Multiscale Model (Meteorological Service of Canada) IGCM Intermediate General Circulation Model a National Oceanic and Atmospheric Administration Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 13/ 40

14 Methoden - mit Wetterdaten - Lokale Modelle Regionale/lokale Modelle nur bestimmte Regionen, benötigen Randwerte durch globale Modelle, haben feinere Auflösung ( 7 km), bei Kürzestzeit-Modellen bis zu 2, 8 km Voraussagebereich von bis zu Stunden. Quelle: ISET Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 14/ 40

15 Methoden - mit Wetterdaten - Lokale Modelle COSMO-EU überzieht ganz Europa mit = Gitterpunkten 40 Atmosphärenschichten bis 24 km Höhe (17,5 Millionen Gitterpunkte) Fläche der quadratischen Gitterelemente beträgt 49 km 2, somit 28 mal kleiner als GME Abstand zweier Punkte etwa 7 km Wettervorhersagen bis zu drei Tage im voraus Quelle: DWD Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 15/ 40

16 Methoden - mit Wetterdaten - Lokale Modelle COSMO-DE Deutschland und Teile der Nachbarländer, horizontal, 50 vertikal, 9,7 Millionen Gitterpunkte Abstand zweier Punkte etwa 2, 8 km achtmal täglich eine achtzehnstündige Vorhersage Quelle: DWD Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 16/ 40

17 Methoden - mit Wetterdaten - Lokale Modelle Welche lokalen Modelle gibt es noch? WRF Weather Research and Forecasting Model NAM North American Mesoscale Model HIRLAM High Resolution Limited Area Model ALADIN High-resolution limited-area hydrostatic and non-hydrostatic Model Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 17/ 40

18 Methoden - mit Wetterdaten - Skalentrennung Quelle: DWD Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 18/ 40

19 Methoden - mit Wetterdaten - Wetterdaten Ergebnisse An jedem Gitterpunkt und zu jedem Zeitpunkt der Vorhersage hat man nun Werte für die Variablen (Druck, Temperatur, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Luftfeuchtigkeit,... ). Quelle: DWD Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 19/ 40

20 Methoden - mit Wetterdaten - Vorhersageprogramm Meteorologische Daten? Leistungsprofil Es existieren 2 Hauptmethoden Analytischer Ansatz: Berechnung der Windströmung im Anlagenpark auf Nabenhöhe + Leistungskurve Statistischer Ansatz: Erstellung einer Relation zwischen meteorologischen Vorhersagen und vergangenen Messungen der Leistung mit statistischen Modellen. Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 20/ 40

21 Methoden - mit Wetterdaten - Vorhersageprogramm Man muss unterscheiden zwischen Day-ahead, wo nur NWP-Daten verwendet werden und Short-term, wo NWP-Daten sowie Online-Leistungsmessungen als Input eingehen. Quelle: ISET Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 21/ 40

22 - Vorhersageprogramm - Methode I. Analytischer Ansatz Er beinhaltet mathematische Beschreibungen möglichst aller relevanten physikalischen Prozesse. Windgeschwindigkeit und Windrichtung auf Nabenhöhe Windparks liegen nicht auf Gitterpunkten Extrapolation a Spezifische Geländedaten des Windparks (Rauhigkeit, Windparkeffekte, Hindernisse) a Hierzu werden ebenfalls Computerprogramme eingesetzt Umrechnung des Windprofils in eine Leistung theoretische Leistungskurven der Konstrukteure empirische Kurven Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 22/ 40

23 - Vorhersageprogramm - Methode I. Analytischer Ansatz Beispiel: Previento von energy & meteo systems GmbH entwickelt mit Universität Oldenburg Kunden sind z.b. RWE, EnBW, EWE, Vattenfall, E.ON Vorhersage für Windparks oder Summenleistung definierbarer Regionen Daten vieler Wetterdienste als Input berechnet individuellen Vertrauenshorizont Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 23/ 40

24 - Vorhersageprogramm - Methode I. Analytischer Ansatz Quelle: energy & meteo systems GmbH Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 24/ 40

25 - Vorhersageprogramm - Methode I. Analytischer Ansatz Quelle: EnSys Leistung [MW] Windgeschwindigkeit [m/s] Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 25/ 40

26 - Vorhersageprogramm - Methode II. Statistischer Ansatz Er beruht auf angepassten Parametermodellen ohne Berücksichtigung physikalischer Phänomene. lineare und nichtlineare Modelle Strukturierte Modelle benötigen explizites Wissen Vorhersagefunktionen Blackbox-Modelle benötigen keine Expertise Künstliche Neuronale Netze (KNN) Support Vector Machines (SVM) math. Verfahren zur Mustererkennung Es existieren auch Mischungen daraus (Greybox-Modelle). Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 26/ 40

27 - Vorhersageprogramm - Methode II. Statistischer Ansatz Beispiel: Advanced Wind Power Prediction Tool AWPT Zusammenarbeit ISET (Institut für solare Energieversorgungstechnik) der Universtität Kassel mit E.ON Netz Vorhersage Windgeschwindigkeit und Windrichtung des DWD für ausgewählte Standorte Bestimmung der Zugehörigen Windleistung mithilfe KNN Hochrechnung der Windleistung auf die Gesamteinspeisung mit Transformationsmodell Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 27/ 40

28 - Vorhersageprogramm - Methode II. Statistischer Ansatz Quelle: ISET Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 28/ 40

29 Vergleich Methode I und Methode II Analytisch Fördert Verständnis physikalischer Grundlagen Messdaten sind weniger wichtig Benötigt viele Daten über Windparks Nur mit großem Aufwand erstellbar Statistisch Benötig kein physikalisches Wissen Schnelle Berechnung Kann auch Verknüpfungen erkennen die zu komplex zu erfassen sind Basiert auf hochwertigen Langzeitdaten Hat Lernzeit Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 29/ 40

30 Methoden - mit Wetterdaten - Vorhersageprogramm Welche Vorhersageprogramme gibt es noch? Analytisch Prediktor erstes Modell mit NWP-Daten SOWIE Akkreditiertes Simulationsmodell zur Online-Vorhersage der Windstrom-Einspeisung Statistisch WPMS Wind Power Management System WPPT Wind Power Prediction Tool Greybox ewind Atmosphärenmodell + KNN Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 30/ 40

31 Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 31/ 40 Inhaltsverzeichnis Methoden 1 Welche Methoden zur Prognose gibt es? 2 Wie genau sind diese Prognosen?

32 Genauigkeit der Prognosen Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 32/ 40 Alle vorgenannten Modelle sind fehlerbehaftet. Das äußert sich in Abweichungen der Prognose von der tatsächlichen Einspeisung von 10 20% Quelle: ISET

33 Genauigkeit der Prognosen - Auswirkungen der Fehler Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 33/ 40 Quelle: Universität Oldenburg

34 Genauigkeit der Prognosen - Fehler Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 34/ 40 Ermittlung der Fehler statistische Verzerrung (BIAS) mittlerer quadratischer Fehler (RMSE) Korrelationskoeffizient r a a dimensionsloses Maß für den Grad des linearen Zusammenhangs Normalisierung auf installierte Leistung auf mittlere Energieerzeugung auf aktuelle Energieerzeugung Je nach Wahl bekommt man unterschiedliche Ergebnisse. Haupsächlich: RMSE normalisiert auf installierte Leistung

35 Genauigkeit der Prognosen - Verbesserung der Vorhersage Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 35/ 40 Reagieren auf Abweichungen mit einer neuen Kurzzeitprognose. Quelle: ISET

36 Genauigkeit der Prognosen - Verbesserung der Vorhersage Beim Upscaling sind Glättungseffekte und scheinbare Fehlerreduktion zu beobachten. Quelle: ISET Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 36/ 40

37 Genauigkeit der Prognosen - Verbesserung der Vorhersage Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 37/ 40 Durch leistungsfähigere Computer können genauere Wetterprognosen erstellt werden, da die Auflösung der Modelle erhöht werden kann. Ensemble-Rechnungen und Nutzung von Daten aus verschiedenen Wetterinstituten können Prognoseergebnisse verbessern. Quelle: energy & meteo systems GmbH

38 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Gibt es noch Fragen?

39 Quellenverzeichnis I Siegfried Heier. Informationspaket Nutzung der Windenergie. BINE Informationsdienst, Dr. Bernhard Lange. Energieversorgungsstrukturen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien. Institut für Solare Energieversorgungstechnik, Kassel/Hanau, Dr. Franz Meyer. Leistungsprognosen für Windenergieanlagen. BINE Informationsdienst projektinfo 14/03, 2003.

40 Quellenverzeichnis II Daniel Zedel, Wie werden Windstromprognosen gemacht? 40/ 40 Detlev Majewski und Dr. Erland Lorenzen. Das neue Lokal-Modell-Kürzestfrist (LMK) des Deutschen Wetterdienstes und seine Möglichkeiten für die bessere meteorologische Betreuung von kommerzieller Luftfahrt und Luftsport. Deutscher Wetterdienst, Deutscher Wetterdienst. Numerische Modellierung Wikipedia. Wind power forecasting