Hintergrundmaterial

Ein wichtiges Element der Marktsimulation für den Netzentwicklungsplan (NEP) 2025 ist die stündlich variierende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen. Die wetterabhängige Einspeisung aus bspw. Windenergie oder Photovoltaik beeinflussen die Menge des Kraftwerkseinsatzes der konventionellen Kraftwerke in erheblichem Maße und sind auch für die zukünftige Entwicklung des Übertragungsnetzes ein wichtiger Einflussfaktor.

Für die Modellierung der Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie sind grundsätzlich zwei Eingangsgrößen notwendig: Die im betrachteten Szenario regionale Verteilung der installierten Kapazitäten und das jeweils korrespondierende stündliche Erzeugungsprofil. Dieses Profil gibt an, wie viel elektrische Energie (regional) in jeder Stunde gemittelt erzeugt wird. Für die Entwicklung der Wind- und Solarerzeugungsprofile wird eine Datenbank mit Angaben zum Wind- und Globalstrahlungsdargebot herangezogen. Diese enthält Daten für eine Vielzahl von Standorten in ganz Europa und eine Auswahl an historischen Jahren. Zusammen mit den im Szenariorahmen festgelegten und in einem weiteren Schritt regionalisierten installierten Leistungen der erneuerbaren Energien kann so die zukünftige regionale Erzeugung abgebildet werden.

Die folgenden Abschnitte beschreiben die Methodik und die verwendeten Daten zur Erstellung der Wind- und Solarerzeugungsprofile.

 

Stromerzeugung aus Windenergie

Das verwendete Modell nutzt konsistente historische Wetterdaten aus dem Jahr 2011 für die Modellierung der Einspeisung erneuerbarer Energien im NEP 2025. Die Wetterdaten basieren dabei auf einer satellitengestützten Auswertung von Wetterprofilen. Die Daten umfassen dabei alle europäischen Länder und ermöglichen so eine konsistente Methodik für die Modellierung der Windenergieerzeugung im gesamten europäischen Stromsystem.

Die Windprofile liegen stundenscharf und mit einer räumlichen Auflösung von 20 km2 vor. Die Angaben werden zusätzlich anhand anderer Quellen zu historisch gemessenen Windgeschwindigkeiten und lokalen Simulationen mit feineren zeitlichen und räumlichen Auflösungen validiert.

Karte mit durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten in Europa (Quelle: Anemos Gesellschaft für Umweltmeteorologie mbH)

Die Windgeschwindigkeitsprofile werden im nächsten Schritt mit Hilfe typischer Leistungskennlinien in Erzeugungsprofile konvertiert. Leistungskennlinien stellen die Energieerzeugung einer Windenergieanlage bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten dar und erlauben daher die Ableitung stündlicher Winderzeugungsprofile auf Basis des Wetterjahres 2011.

Die verwendeten Leistungskennlinien werden aus einer Analyse typischer Windenergieanlagen ausgewählt. Dabei werden u. a. spezifische Charakteristika wie Nabenhöhe, windüberstrichener Rotorfläche, Rotordurchmesser, Jahr der Inbetriebnahme und der Unterscheidung von onshore und offshore für alle Windenergieanlagen berücksichtigt. Darüber hinaus werden Skalierungsfaktoren zugrunde gelegt, um die Konsistenz mit der aufgezeichneten Winderzeugung sicher zu stellen und durchschnittliche Ausfälle abzubilden.

 

Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen

Die verwendeten Daten für die Sonneneinstrahlung liegen stundenscharf und in einer räumlichen Auflösung von 45 km2 vor. Dabei werden die Werte für die bodennahe Sonneneinstrahlung mit Hilfe von Beobachtungen meteorologischer Satelliten approximiert. Die Einstrahlungsdaten werden anhand von linearen Leistungskennlinien in Solarstromerzeugungsprofile konvertiert. Dabei wird unterstellt, dass Photovoltaikanlagen ihre volle Leistung bei einer Lichtintensität von 1 kW/m2 erreichen. In diesem Schritt werden zudem saisonale Anpassungen vorgenommen, um bspw. Effizienzverluste bei höheren Temperaturen abzubilden und elektrische Systemverluste, Batterieverluste, Kippeffekte und andere erzeugungsrelevante Faktoren zu berücksichtigen.

Karte mit durchschnittlicher Sonneneinstrahlung in Europa (Quelle: Transvalor)

 

Standorte von Windenergie- und Solaranlagen in europäischen Ländern ausserhalb Deutschlands

Um die Standorte von gegenwärtigen Windenergieanlagen und geplanten Neubauten in Europa zu identifizieren, werden diverse interne und externe Quellen herangezogen. Ein Zubau von Kapazitäten wird insbesondere an bereits existierenden Standorten von Onshore-Windenergieanlagen erwartet, sofern keine spezifischen Gründe für Wachstumseinschränkungen in dieser Region vorhanden sind. Zusätzlich werden anhand verfügbarer Daten über geplante Projekte neue Standorte hinzugefügt. Da im Bereich der Offshore-Windenergie derzeit nur vergleichsweise wenige  Referenzanlagen existieren, wurde der Offshore-Zubau an geeignet erscheinenden Entwicklungsstandorten angenommen (z. B. in vorgemerkten Entwicklungszonen oder Standorten mit hohen Windgeschwindigkeiten in Küstennähe).

Die regionalen stündlichen Winderzeugungsprofile werden anschließend zu nationalen Winderzeugungsprofilen unter Berücksichtigung der geographischen Kapazitätsverteilung in dem jeweiligen europäischen Land aggregiert. Die Verwendung der gleichen Datenquelle (Anemos) für das gesamte europäische Stromsystem stellt die Konsistenz zwischen verschiedenen Standorten und Erzeugungsmengen sicher. Die stündlichen nationalen Erzeugungsprofile für alle europäischen Marktgebiete basierend auf dem Wetterjahr 2011 werden schließlich mit den installierten Leistungen kombiniert, um die Einspeisung der Windenergieanlagen in jeder Stunde zu bestimmen.

Für die Bestimmung von zukünftigen Solarstandorten (Photovoltaik und Solarthermie) wird eine ähnliche Methodik angewendet: Auf Basis der existierenden Verteilung und regionalen Konzentration installierter Solaranlagen werden die Verteilungen für den künftigen Zubau von Solaranlagen abgeleitet.

Ebenso wie für Windkraft werden die regionalen stündlichen Solarerzeugungsprofile anhand der geographischen Kapazitätsverteilung kumuliert und anschliessend im Modell mit den der installierten Kapazität kombiniert, um die stundenscharfe Einspeisung für Solarstrom basierend auf dem Wetterjahr 2011 zu erhalten.

 

Standorte von Windenergie- und Solaranlagen innerhalb Deutschlands

Die Standorte der regenerativen Erzeugungsanlagen in Deutschland werden im Rahmen der Regionalisierung (siehe Kapitel 2 des Netzentwicklungsplans 2025) ermittelt.

Aufgrund der spezifischen Anforderungen an die Marktsimulation des NEP 2025 wird für Deutschland eine höhere Detailierung als für die europäische Modellierung angewandt.

Für Wind onshore wird differenziert nach dem Alter von existierenden Anlagen, einem möglichen Repowering und dem technologischen Fortschritt bei neuen Windenergieanlagen eine Vielzahl von regionalen Winderzeugungsprofilen ermittelt. Zur Auswahl geeigneter Leistungskennlinien werden die Windenergieanlagen mit ihren installierten Leistungen in vier Kategorien aufgeteilt, jeweils unterschieden nach zwei Merkmalen: Inbetriebnahme vor oder nach dem Jahr 2002 und Repowering bis zum betrachteten Zieljahr des Szenarios. Für Standorte mit Repowering und neuen Anlagen wird eine technische Weiterentwicklung der Turbinen angenommen. Die in diesem Prozess als adäquat identifizierten Leistungskennlinien werden anschliessend mit den stündlichen Windgeschwindigkeiten kombiniert, um hieraus stündliche Erzeugungsprofile für jede 20 km2 - Nabenhöhe - Turbinen - Kombination zu berechnen. Abschlieβend werden diese Winderzeugungsprofile mit der installierten Anlagenleistung gewichtet und auf die Netzknotenpunkte aggregiert.

Für Wind offshore werden die Koordinaten der zukünftigen Anlagen- und Konverterstandorte mit dem oben genannten Anemos Windgeschwindigkeitsatlas abgeglichen und durch Anwendung geeigneter Leistungskennlinien das Erzeugungsprofil errechnet.

Ferner werden die installierten Photovoltaikleistungen den einzelnen Bundesländern zugeordnet und deren Erzeugungsprofil anhand der oben beschriebenen Methode abgeleitet.

Hierdurch konnten regionale Unterschiede der stündlichen Erzeugung von Windenergie- und Photovoltaikanlagen im NEP 2025 mit hohem Detaillierungsgrad erfasst werden.