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Das Auge im Himmel: Wolkenkameras sagen die Sonneneinstrahlung voraus

© DLR
Mit Wolkenkameras beobachten Meteorologen den Himmel © DLR

| Kira Crome |

Mit Wolkenkameras wollen Wissenschaftler die Vorhersage der Solarleistung verbessern. Das Eye2Sky-Messnetz wird in der Weser-Ems-Region erprobt. Die Technik erlaubt es, die Sonneneinstrahlung im Minutentakt pro Straßenzug der Region abzuschätzen – und damit die zu erwartende Solarstrommenge. Das könnte künftig die Netzstabilität verbessern.

Die Sonneneinstrahlung ist in der Geschichte der Wetteraufzeichnungen eine vergleichsweise junge Messgröße. Die Lufttemperatur wird in Deutschland schon seit 1881 regelmäßig erfasst. Erst seit 1937 messen die Meteorologen, wie intensiv die Sonne scheint. Für die Solarenergienutzung ist die Intensität der Sonneneinstrahlung ein wichtiger Wert. Denn schon der Durchzug weniger Wolkenfelder wirkt sich auf den Energieertrag von PV-Anlagen aus. Der Schattenwurf führt zu kurzfristigen Fluktuationen in der Stromeinspeisung. Wächst mit dem Ausbau der Solarenergie die Zahl der PV-Anlagen, könnten diese Schwankungen die Netzstabilität zunehmend belasten. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wollen deshalb die Wolkenvorhersage mit einer neuen meteorologischen Messtechnik präzisieren. Damit ließe sich die zu erwartende Solarstrommenge besser abschätzen.

Wolkenkameras liefern bessere Auflösung als Satellitenaufnahmen
„Die bislang verwendeten Prognosetools, die auf Satellitenbildern oder den klassischen Wettermodellen basieren, werden perspektivisch nicht mehr ausreichen“, sagt Thomas Schmidt, Projektleiter am Oldenburger Institut für Vernetzte Energiesysteme des DLR. Weil die Einflüsse auf die Wolkenbildung so komplex sind, ist man bis dato auf erfahrene Wissenschaftler angewiesen, die den Himmel beobachten und kurzfristige Entwicklungen für eine Region abschätzen. Diese Aufgabe soll nun die Technik übernehmen.

„Eye2Sky“ nennen die DLR-Wissenschaftler ihr kamerabasiertes meteorologisches Messnetz, das Kurzfristvorhersagen zur Sonneneinstrahlung mit einzigartiger Auflösung ermöglichen soll. „Im Vergleich zu Satellitenaufnahmen sehen wir mit den Kameras die Wolken zeitlich wie räumlich in einer viel höheren Auflösung“, erklärt Schmidt. Zudem ist für die Vorhersage der Energieleistung von PV-Anlagen nicht die Position von aufkommenden Wolken entscheidend, sondern vielmehr ihr Schattenwurf.

Pilot-Netzwerk in der Weser-Ems-Region schießt Himmelsfotos im Halbminutentakt
Um Licht und Schatten präziser voraussagen zu können, haben die DLR-Wissenschaftler 34 Messstationen mit sogenannten Wolkenkameras in einer Pilotregion im Nordwesten Deutschlands zwischen Oldenburg, der Nordseeküste und der niederländischen Grenze errichtet. Die Kameras scannen den Himmel über ihrem Standort in einem Radius von durchschnittlich vier Kilometern. Ausgestattet sind sie mit einem sogenannten Fischaugenobjektiv, das einen 360-Grad-Rundumblick ermöglicht. Die Kameras schießen alle 30 Sekunden ein Foto vom Himmel, das automatisch an einen Großrechner gesendet wird. Dieser errechnet aus allen erfassten Daten eine Vorhersage über den Wechsel von Licht und Schatten am Boden, die sich im Maßstab von Metern und Sekunden auf jede einzelne Solaranlage in der Region projizieren lässt. Einige der 34 Wolkenkamera-Stationen sind zusätzlich mit weiteren meteorologischen Instrumenten ausgestattet. Sie messen unter anderem die direkte und diffuse Sonneneinstrahlung sowie die Lufttemperatur.

 Das Eye2Sky-Messnetz umfasst 34 Stationen in der Pilotregion © DLR

Das Eye2Sky-Messnetz umfasst 34 Stationen in der Pilotregion © DLR

Neue Methode bestimmt die Höhe der Wolken
Um die Sonneneinstrahlung örtlich möglichst exakt pro Straßenzug in der Pilotregion vorhersagen zu können, ist die genaue Position der Wolkenkamera-Messstationen wichtig. Denn die Verschattung am Boden durch vorüberziehende Wolken hängt auch davon ab, in welcher Höhe die Wolken sich bewegen. Die lässt sich allerdings nur schwer bestimmen. Um dieses Problem zu lösen, hat das Eye2Sky-Projektteam in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Solarforschung eine neue Methode zur Höhenmessung von Wolken entwickelt. „Wir haben das Messnetz im Oldenburger Stadtgebiet deutlich engmaschiger geplant, um eine Überlappung der Kamerabilder zu erreichen“, erklärt Schmidt das Konzept. „Dadurch erfassen wir die Bewölkung zum gleichen Zeitpunkt aus unterschiedlichen Perspektiven und können die Wolkenhöhen somit geometrisch bestimmen. Dabei gilt: Je präziser die Messung der Wolkenposition, desto besser können wir die Genauigkeit des Wolkenschattens am Boden ermitteln.“

Netzwerkcharakter der Messtechnik verhilft zu robustem Betrieb von Stromnetzen
Diese geografisch exakte Bestimmung der erwarteten Bewölkung sei entscheidend für eine gute örtliche und zeitliche Vorhersage der Verschattung von PV-Anlagen – und damit der Verteilung der eingespeisten Solarenergie im Stromnetz. „Mit Eye2Sky können wir präzise vorhersagen, an welchem Ort, zu welcher Zeit und in welchem Umfang Solarenergie erzeugt werden wird“, sagt der Meteorologe. Weil die einzelnen Wolkenkameras in einem Stationsnetzwerk zusammengeschlossen sind und sich die Datenerfassung überschneidet, versprechen sich die DLR-Wissenschaftler eine hohe Verlässlichkeit der neuen Messtechnik. Die innovative Eye2Sky-Messarchitektur könne Netzbetreibern dabei helfen, das Einspeisemanagement mit steigenden Anteilen erneuerbarer Energien noch genauer zu steuern und Stromnetze robuster zu betreiben.

Die DLR-Wissenschaftler sind außerdem davon überzeugt, dass die neue Messtechnik auch für Betreiber größerer Solaranlagen oder PV-Freiflächenanlagen interessant ist. „Hier erlauben die Wolkenkameras hochaufgelöste Simulationen, um so die Produktion zum Beispiel mittels Fehlerdiagnose oder Verschattungsanalyse zu optimieren“, erklärt Schmidt. Auch Stromhändler könnten von der neuen Kurzfristvorhersage profitieren, glauben die DLR-Wissenschaftler. Nicht zuletzt aber auch private Anlagenbetreiber, die ihren Solarstrom vom Hausdach selbst verbrauchen. Sie nutzen zum Beispiel stromintensive Geräte genau dann, wenn die Eye2Sky-Prognose intensive Sonneneinstrahlung verspricht.