Satelliten- und Meteorologie-unterstützte Vorhersage der Energieerzeugung von PV-Anlagen auf Verteilnetzebene: Entwicklung, Validierung, Anwendung (MetPVNet)

Forschungsprojekt zur (Weiter-)Entwicklung innovativer energiemeteorologischer Methoden zu satellitenbasierten Vorhersagen von Einstrahlung und PV-Leistung auf Anlagenebene.

Projektbeschreibung

Bis 2050 soll im Rahmen der Energiewende der Anteil der erneuerbaren Energieträger in Deutschland auf 80% des Bruttostromverbrauchs ansteigen. Dies erfordert eine effektivere Anpassung des Netzmanagements an die erhöhte Wetterabhängigkeit der Stromeinspeisung ins Netz. Insbesondere die dezentrale Einspeisung von Strom aus Photovoltaikanlagen stellt die Verteilnetzbetreiber vor neue Herausforderungen hinsichtlich des Netzausbaus, des Netzbetriebs und der Marktintegration. Hier haben verbesserte Prognosen der wetterabhängigen Variabilität von Photovoltaik(PV)-Erträgen auf Anlagenebene als wichtige Determinante der Energiemarktkosten, sowohl für Regelenergie und im Redispatch, direkte wirtschaftliche Konsequenzen. Darüber hinaus ermöglicht eine verbesserte Prognose das Ausnutzen von Optimierungspotentialen bei der Spannungshaltung und in der Blindleistungskompensation.  Der vorliegende Antrag stellt sich diesen Herausforderungen, indem er 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 testet.

Das Vorhaben soll durch einen Verbund von 5 inhaltlichen Arbeitspaketen (AP) erreicht werden, die in sich bereits innovative Teilziele verfolgen und wie folgt beschrieben wechselseitig verknüpft sind:

Das erste Arbeitspaket (AP1) beschreibt die Ableitung hochaufgelöster Globalstrahlung aus Satelliten- und Bodenbeobachtungen und ist verknüpft mit den Arbeitspaketen AP3, AP4 und AP5.
Die Arbeitspakete AP3 und AP4 sind wechselseitig eng verknüpft und stehen als Einheit wiederum mit dem Arbeitspaket AP2 in Verbindung.
Das vierte Arbeitspaket AP4 beinhaltet Messkampagnen im Allgäu und die Ableitung atmosphärischer Informationen aus Messdaten.
Das Arbeitspaket AP3 befasst sich mit dem Strahlungstransport sowie mit der Photovoltaik-Leistungsmodellierung.
Das Arbeitspaket AP2 umfasst die Assimilation und Vorhersage von Photovoltaik relevanten Wolkeninformationen und steht wiederum in Verbindung mit dem Arbeitspaket AP5 Prognosebasierte Produkte für die Verteilnetzbetriebsführung. Diese Verknüpfung dient der Feststellung von Anforderungen an Prognosen sowie der Erlangung von Prognosedaten für Fallstudien.
Das erste und fünfte Arbeitspaket sind ebenfalls verbunden, um Anforderungen an Beobachtungsdaten zu erkennen und Kurzfristprognosen für Fallstudien zu erstellen.
Daneben befindet sich außerhalb des inhaltlichen Verbundes noch die Projektkoordination als sechstes Arbeitspaket.

Für die Verbesserung der satellitenbasierten energiemeteorologischen Vorhersagen auf Verteilnetzebene wird an einer Verbesserung der Gesamtmodellkette und hier insbesondere im Hinblick auf die bewölkungsabhängige Fluktuation von Strahlungsfeldern gearbeitet. Dies soll unter anderem durch die Verknüpfung wissenschaftlicher Expertise aus den Bereichen Atmosphären-Wissenschaft und Erneuerbare Energien und den dadurch entstehenden Synergien erreicht werden sowie durch den transdisziplinären Austausch.

Zusammenspiel der Arbeitspakete im Forschungsprojekt „Satelliten- und Meteorologie-unterstützte Vorhersage der Energieerzeugung von Photovoltaik-Anlagen auf Verteilnetzebene: Entwicklung, Validierung, Anwendung (MetPVNet)“.
Abbildung illustriert das Zusammenspiel der Arbeitspakete

Projektleitung an der H-BRS

Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
E-Mail: 
stefanie.meilinger [at] h-brs.de

Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Projektergebnisse

Anhand detaillierter Netzanalysen für ein reales Mittelspannungsnetzgebiet konnte gezeigt werden, dass sowohl die Einbindung von Prognosedaten auf Basis von Satelliten und Wetterdaten, als auch die Verbesserung von Folgetagsprognosen auf der Basis numerischer Wettermodelle einen deutlichen Mehrwert für ein prognosebasiertes Engpassmanagement bzw. Redispatch und Blindleistungsmanagement im Verteilnetz aufweisen. Auch Kurzfristprognosen auf der Basis von Satellitendaten haben einen positiven Effekt. Ein weiterer wichtiger Mehrwert des Projektes ist auch die Rückmeldung der kritischen Prognosesituationen aus Sicht der Anwendungsfälle, so dass wie bereits im Projekt gezeigt und darüber hinaus, Prognosen zielgerichteter auf die Anwendung im Verteilnetzbetrieb ausgelegt und optimiert werden können. Weiterhin konnten Prognoseverbesserungen für das Vorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes durch die Assimilation von sichtbaren Satellitenbildern erreicht werden. Darüber hinaus wurden Wolken- und Strahlungsprodukte aus Satelliten verbessert und somit die Datenbasis für die Kurzfristprognose als auch für die Assimilation. Darüber hinaus wurden verschiedene Methoden entwickelt, die zukünftig zu einer weiteren Prognoseverbesserung, insbesondere für Wettersituationen mit hohen Prognosefehlern, führen könnten. Solche Situationen wurden aus Sicht des Netzbetriebs und mithilfe von satellitenbasierten Analysen der Gesamtwetterlage für die Perioden der MetPVNet Messkampagnen identifiziert. Hierbei handelte es sich insbesondere um Situationen mit starker oder stark wechselhafter Bewölkung. Für die MetPVNet Messkampagnen wurde auf der Basis eines Trainingsdatensatzes und in Abhängigkeit der Variabilitätsklasse die Abweichung der bodennahen Einstrahlung von Satellitendaten oder von Strahlungsprognosen quantifiziert. Diese Art der Informationen bietet zukünftig die Möglichkeit zur Bewertung der Prognosegüte.

Publikationen

MetPVNet - Entwicklung innovativer satellitengestützter Methoden zur verbesserten PV-Ertragsvorhersage auf verschiedenen Zeitskalen für Anwendungen auf Verteilnetzebene (DE/BMWi/0350009A)

2022 | 2021 | 2020 | 2019 | 2018

2022

James Barry, Stefanie Meilinger, Klaus Pfeilsticker, Felix Gödde, Bernhard Mayer, Hartwig Deneke, Jonas Witthuhn, Leonhard Scheck, Marion Schroedter-Homscheidt, Philipp Hofbauer, Matthias Struck: Irradiance and cloud optical properties from photovoltaic power data under variable atmospheric conditions.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.5194/ems2022-713 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-63047 BibTeX | RIS

Abdullah Altayara, Markus Kraiczy, Friederike Wenderoth, Kevin Winter, Philipp Hofbauer, Stefanie Meilinger, Martin Braun: Techno-Economic Assessment of PV Forecast Accuracy for a Predictive Congestion Management at the Distribution Level.
doi:10.1049/icp.2021.1663 URL BibTeX | RIS

2021

Stefanie Meilinger, Anna Herman-Czezuch, Nicola Kimiaie, Christopher Schirrmeister, Rone Yousif, Stefan Geiss, Leonhard Scheck, Martin Weissmann, Felix Gödde, Bernhard Mayer, Tobias Zinner, James Barry, Klaus Pfeilsticker, Markus Kraiczy, Kevin Winter, Abdullah Altayara, Christian Reise, Mariella Rivera, Hartwig Deneke, Jonas Witthuhn, Jethro Betcke, Marion Schroedter-Homscheidt, Philipp Hofbauer, Bernhard Rindt: Development of innovative satellite-based methods for improved PV yield prediction on different time scales for distribution grid level applications (MetPVNet).
PDF Download doi:10.18418/978-3-96043-094-0 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-60399 BibTeX | RIS

Stefanie Meilinger, Anna Herman-Czezuch, Nicola Kimiaie, Christopher Schirrmeister, Rone Yousif, Stefan Geiss, Leonhard Scheck, Martin Weissmann, Felix Gödde, Bernhard Mayer, Tobias Zinner, James Barry, Klaus Pfeilsticker, Markus Kraiczy, Kevin Winter, Abdullah Altayara, Christian Reise, Mariella Rivera, Hartwig Deneke, Jonas Witthuhn, Jethro Betcke, Marion Schroedter-Homscheidt, Philipp Hofbauer, Bernhard Rindt: Entwicklung innovativer satellitengestützter Methoden zur verbesserten PV-Ertragsvorhersage auf verschiedenen Zeitskalen für Anwendungen auf Verteilnetzebene: Schlussbericht.
PDF Download doi:10.18418/opus-5955 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-59554 BibTeX | RIS

Jonas Witthuhn, Anja Hünerbein, Florian Filipitsch, Stefan Wacker, Stefanie Meilinger, Hartwig Deneke: Aerosol properties and aerosol–radiation interactions in clear-sky conditions over Germany.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.5194/acp-21-14591-2021 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-59535 BibTeX | RIS

Markus Kraiczy, Abdullah Altayara, Friederike Wenderoth, Kevin Winter, Philipp Hofbauer, Stefanie Meilinger, Martin Braun: Benefits of advanced PV power forecasts for congestion management and reactive power management at the distribution level.
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Stefanie Meilinger, Rone Yousif, Marion Schroedter-Homscheidt: Wolkentypbedingte Abweichung zwischen der gemessenen Strahlungsvariabilität und satellitengestützten Vorhersagemodellen.
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James Barry, Anna Herman-Czezuch, Daniel Fischer, Stefanie Meilinger, Rone Yousif, Felix Gödde, Alexander Bergenthal: Photovoltaic-battery systems as irradiance sensors: first results of a prototype study.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.5194/ems2021-392 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-58175 BibTeX | RIS

Jonas Witthuhn, Anja Hünerbein, Florian Filipitsch, Stefan Wacker, Stefanie Meilinger, Hartwig Deneke: Aerosol properties and aerosol–radiation interactions in clear sky conditions over Germany.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.5194/acp-2021-517 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-56606 BibTeX | RIS

James Barry, Dirk Böttcher, Johannes Grabenstein, Klaus Pfeilsticker, Anna Herman-Czezuch, Nicola Kimiaie, Stefanie Meilinger, Christopher Schirrmeister, Felix Gödde, Bernhard Mayer, Hartwig Deneke, Jonas Witthuhn, Philipp Hofbauer, Matthias Struck: Irradiance and atmospheric optical properties from photovoltaic power data: model improvements and first results.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.5194/egusphere-egu21-7581 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-54013 BibTeX | RIS

2020

James Barry, Dirk Böttcher, Klaus Pfeilsticker, Anna Herman-Czezuch, Nicola Kimiaie, Stefanie Meilinger, Christopher Schirrmeister, Hartwig Deneke, Jonas Witthuhn, Felix Gödde: Dynamic model of photovoltaic module temperature as a function of atmospheric conditions.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.5194/asr-17-165-2020 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-50017 BibTeX | RIS

2019

Stefanie K. Meilinger, Anna Herman-Czezuch: Impact of atmospheric parameters on the performance of photovoltaic systems – study of spectral effects.
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Felix Gödde, Bernhard Mayer, Tobias Zinner, Jonas Witthuhn, Hartwig Deneke, Christopher Schirrmeister: Predicting variability of horizontal surface solar irradiance using machine learning.
PDF Download (CC BY 4.0) urn:nbn:de:hbz:1044-opus-49959 BibTeX | RIS

James Barry, Dirk Böttcher, Klaus Pfeilsticker, Anna Herman-Czezuch, Stefanie Meilinger, Christopher Schirrmeister, Hartwig Deneke, Jonas Witthuhn: Photovoltaic system calibration with dynamic temperature model as a function of atmospheric conditions.
PDF Download (CC BY 4.0) urn:nbn:de:hbz:1044-opus-49940 BibTeX | RIS

Anna Herman-Czezuch, Stefanie Meilinger, Susanne Crewell: Impact of atmospheric parameters on the performance of photovoltaic systems - study of spectral effects.
PDF Download urn:nbn:de:hbz:1044-opus-49932 BibTeX | RIS

2018

C. Schirrmeister, J. Barry, T. Buchmann, H. Deneke, B. Ernst, S. Geiß, F. Gödde, A. Hermann-Czezuch, P. Hofbauer, S. Killinger, B. Mayer, B. Müller, I. Neher, K. Pfeilsticker, B. Rindt, M. Schroedter-Homscheid, J.-L. Tirpitz, M. Weissmann, J. Witthuhn, T. Zinner, S. Meilinger: Messkampagnen im Projekt METPVNET zur Verbesserung der PV- Erzeugungsprognose auf Verteilnetzebene.
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Kooperationspartner