22. Mai 2012
Präzise Prognose: Wetterfrösche für Solarstrom
Foto: dpa
Windräder und Solarzellen erzeugen heute mehr als acht Prozent unseres Stroms – Tendenz stark steigend. Zwar hilft der Boom, den CO2-Ausstoß zu mindern. Doch die Rotoren und Fotovoltaikanlagen belasten zunehmend das Stromnetz. Der Grund: Beide Energieformen hängen von den Launen und Unwägbarkeiten des Wetters ab. Eine unvorhergesehene Flaute kann ganze Windparks lahmlegen, plötzliche Wolkenfelder die Produktion von Sonnenkraftwerken drosseln – Ausfälle, die im Extremfall das Stromnetz zusammenbrechen lassen können. Deshalb versuchen Experten, die wetterbedingten Stromschwankungen per Computer zu berechnen. Das Ziel: eine präzise Wind- und Solarstromprognose.
Windräder decken derzeit mehr als sechs Prozent unseres Strombedarfs, Solarzellen etwa zwei Prozent. In den kommenden Jahren soll der Anteil drastisch steigen. Dann könnten Windräder an Land und auf See ein Viertel des bundesdeutschen Stroms liefern, Fotovoltaikanlagen immerhin sieben Prozent. 2050 schließlich soll die Energiewende geschafft sein. Die Vision: Sämtlicher Strom wird regenerativ erzeugt – mit einem Wind-Anteil von rund 50 Prozent, während Solarzellen ein Drittel des Bedarfs decken.
Das Netz selbst kann kaum Strom speichern. Deshalb müssen die Kraftwerke zu jedem Augenblick immer genauso viel Energie liefern wie gerade verbraucht wird. Kommt es zu unerwarteten Ausfällen, droht der Blackout: Einen Moment lang übersteigt die Nachfrage das Angebot, das Netz kollabiert unter der übermächtigen Last. Kraftwerke, die von den Launen der Witterung abhängen, erhöhen dieses Risiko. Für die Windenergie setzen die Experten deshalb schon seit Jahren Computerprogramme ein, die berechnen, wie viel Strom zum Beispiel ein großer Windpark am Folgetag liefern wird.
Die Sonne scheint nur tagsüber und der Himmel ist nicht immer wolkenlos. Auch der Wind bläst mal stärker und mal schwächer. Strom wird aber immer gebraucht. Energie muss also für Zeiten hoher Nachfrage gepuffert werden, damit Wind und Sonne den geplanten hohen Anteil am Stromverbrauch garantieren können.
Um Schwankungen wirkungsvoll auszugleichen, sind Energiespeicher nötig. Mit überschüssigem Strom aus Windkraftwerken sollen Kompressoren betrieben werden, die Luft in die Hohlräume pressen. Wenn man später Strom braucht, leitet man die Druckluft aus dem Speicher auf eine Turbine, die mit einem Generator verbunden ist.
Um die Ausbeute zu verbessern, ist es sinnvoll, nicht nur die Druckluft, sondern auch die Wärme zu speichern, die bei deren Kompression entsteht. Hierzu benötigt man einen Wärmespeicher. Bei der Stromerzeugung wird dann die kalte Druckluft im Wärmespeicher aufgeheizt, ehe sie die Turbine antreibt. 2013 soll eine Demonstrationsanlage namens Adele (Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung) in Betrieb gehen.
Damit wird der Windstrom, wenn er schon nicht stetig fließt, zumindest berechenbar: Ist eine Flaute angesagt, weiß das Stromunternehmen, dass es andere Kraftwerke dazuschalten muss, etwa Gaskraftwerke. Weht dagegen eine steife Brise, kann manches Gaskraftwerk abgeschaltet bleiben. Da die Zahl der Rotoren in ganz Deutschland stetig steigt, wird diese Windstromvorhersage für Netzbetreiber und Energieversorger immer wichtiger.
Als Ausgangspunkt für ihre Vorhersagen nehmen die Fachleute die normalen Wetterberichte. Computer rechnen die darin prognostizierten Windgeschwindigkeiten in die Leistung um, die ein Windpark am nächsten Tag liefern sollte. Bei dieser Umrechnung sind verschiedene Größen wichtig, etwa der Anlagentyp, aber auch die Anordnung der Rotoren im Windpark.
„Die Anlagen beeinflussen sich gegenseitig“, erläutert Lüder von Bremen vom Zentrum für Windenergieforschung ForWind in Oldenburg. „Stehen die Rotoren dicht an dicht, klauen sie sich den Wind.“ Das kann bei einem Windpark zu einem Abschlag von zehn Prozent führen.
Das Hauptproblem bei der Windstromvorhersage ist die Qualität der Wetterberichte – schließlich liegen die Wetterfrösche gelegentlich mit ihren Prognosen kräftig daneben. Deshalb ist die Windstromvorhersage für den nächsten Tag mit deutlichen Fehlern behaftet. „Bei den heutigen Verfahren liegt der mittlere Fehler bei fünf Prozent“, sagt von Bremen. „Bei den insgesamt 27 Gigawatt, die derzeit an Windenergie in Deutschland installiert sind, kommt eine Unsicherheit von über einem Gigawatt heraus – so viel wie ein Großkraftwerk.“ Um diese Unsicherheit auszugleichen, muss die Strombranche immer genug Reserveleistung in der Hinterhand halten – ein kostspieliges Unterfangen.
Kopfzerbrechen bereiten vor allem instabile Wetterlagen, wie sie in Deutschland immer wieder auftreten. An bestimmten Tagen kann das Wetter plötzlich kippen, und selbst die Meteorologen sind überrascht. Dann steigt der Prognosefehler von 5 auf bis zu 25 Prozent. Die Folge: Ein Windpark liefert womöglich ein Viertel weniger Strom als geplant, und die Stromunternehmen müssen auf die Schnelle teure Reservekraftwerke aktivieren. Da sich in Zukunft immer mehr Rotoren in Deutschland drehen sollen, wird sich das Problem drastisch verschärfen.
Deshalb bemühen sich die Fachleute darum, die Prognosemethoden deutlich zu verbessern. Angewiesen sind sie dabei auf die Unterstützung der Wetterdienste. Die sind gefordert, genauere Windprognosen zu erstellen – Vorhersagen maßgeschneidert für die Energiebranche. „In der Vergangenheit fühlten sich die Wetterdienste dafür nicht verantwortlich“, beklagt Lüder von Bremen. „Doch das ändert sich allmählich.“
Ungenaue Wetterberichte in punkto Wolken
Immerhin: Windstrom-Vorhersagen nutzt die Energiewirtschaft schon seit Jahren. Anders sieht es bei der Solarenergie aus. Bislang war ihr Anteil am Strommix schlicht zu klein, als dass man sich um wetterbedingte Schwankungen gekümmert hätte. Mittlerweile aber gibt es so viele Solarzellen auf deutschen Dächern, dass die Solarstrom-Prognose zum Thema wird. „In wenigen Jahren werden wir solche Systeme im Betrieb sehen“, hofft Marion Schroedter-Homscheidt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen. „Dann werden wir sie auch wirklich brauchen.“
Relevant für eine präzise Sonnenstrom-Prognose ist vor allem die Frage, wie viele Wolken sich über eine Solaranlage schieben. Daran aber hapert es im Moment: Was die Wolken anbelangt, sind die Wetterberichte bislang nicht detailliert genug. „Bisher macht die Wettervorhersage nur relativ vage Aussagen über den Grad der Bewölkung“, sagt Schroedter-Homscheidt. „Für eine Solarstrom-Prognose brauchen wir künftig deutlich genauere Angaben, auch über die Art der Wolken.“
Durch eine dünne Wolke nämlich dringt mehr Sonnenlicht als durch eine dicke, was sich unmittelbar auf die Leistung der Fotovoltaik-Anlage auswirkt. Deshalb sollten Wetterberichte künftig detaillierte Auskünfte über die Wolkendicke geben, fordert Schroedter-Homscheidt. Doch allein auf die Wettervorhersage will sie sich nicht verlassen. „Wenn wir wissen wollen, was in den nächsten zwei bis vier Stunden passiert, nehmen wir Satellitenbilder dazu“, sagt sie. „Die liefern uns den aktuellen Wetterfilm.“
Derzeit arbeiten die Experten an Rechnerprogrammen, die diesen Film quasi vorspulen, eine präzise Kurzzeit-Prognose erstellen und dadurch die Netzbetreiber vor unangenehmen Überraschungen schützen sollen. Zusätzlich können spezielle Kameras, aufgestellt am Rand eines Sonnenkraftwerks, den Himmel beobachten und vor unvermittelt herannahenden Wolkenfronten warnen.
Solche Kurzfrist-Prognosen werden umso wichtiger, je mehr Solaranlagen am Netz sind. Sie können helfen, das Stromnetz stabil zu halten. Marion Schroedter-Homscheidt arbeitet daran, ein neues solarthermisches Kraftwerk in Spanien mit einer Prototyp-Software auszurüsten – ein Programm, das Wetterberichte und Satellitendaten kombiniert und dadurch eine verlässliche Sonnenstrom-Vorhersage schaffen soll.
