„Moderat“ ist das neue „Extrem“: Auswirkungen des Wetters auf den wachsenden Betrieb erneuerbarer Energien

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Wie eine veränderte Wahrnehmung von Extremwetterereignissen die Planung eines zuverlässigen, wind- und solarbetriebenen Energiesystems erleichtern kann

Von schweren Stürmen bis hin zu den jüngsten beispiellosen Kälte- und Hitzewellen – extreme Wetterereignisse wirken sich wie nie zuvor auf Stromversorger, Netzbetreiber und letztlich auch auf die Kunden aus. Gleichzeitig entwickeln sich die Energiequellen, die das Netz mit Strom versorgen, weiter und integrieren immer mehr erneuerbare Quellen.

Diese Entwicklung sowohl des Wetters als auch des Stromnetzes wirft neue Fragen über die Schnittstelle zwischen Extremwetter und Stromnetz auf – und darüber, wie die Netzzuverlässigkeit aufrechterhalten und verbessert werden kann, wenn der Anteil wetterbedingter erneuerbarer Energien zunimmt. In einer einzigartigen Studie haben Analysten des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und Sharply Focused Szenarien modelliert, um die Antworten auf diese Fragen zu verstehen und unsere Definition von „Extremwetter“ zu ändern.

„Unsere Studie untersuchte zwei Fragen“, sagte Marty Schwarz, Energiesystemingenieur bei NREL und Mitautor des Berichts. „Erstens untersuchten wir, ob die zunehmende Nutzung von Wind- und Solarenergie den zuverlässigen Betrieb des Stromnetzes bei extremen Wetterereignissen schwieriger macht. Zweitens untersuchten wir, ob diese erneuerbaren Technologien die Art von Wetterereignissen ändern, die wir aufgrund ihrer Auswirkungen auf den Netzbetrieb als ‚extrem‘ betrachten.“

Die Zukunft durch die Vergangenheit verstehen

Zur Entwicklung der in der Studie verwendeten Szenarien griffen die Analysten auf das öffentlich zugängliche Flaggschiff-Kapazitätsplanungsmodell des NREL für den Energiesektor zurück – das Regionales Energiebereitstellungssystem (ReEDS)– das die Entwicklung des Großstromsystems simuliert. ReEDS modellierte, wie das System für die Jahre 2024, 2036 und 2050 aussehen könnte, und zeigte variable Erzeugungsniveaus erneuerbarer Energien von 17 %, 50 % bzw. 65 % des jährlichen Bedarfs.

Die Analysten sammelten außerdem historische Wetterdaten und Aufzeichnungen ausgewählter Wetterereignisse zwischen 2007 und 2013 sowie die Verfügbarkeit von Wind- und Solarressourcen, die aus den Modellen des NREL Toolkit zum nationalen Windintegrationsdatensatz (WIND), Nationale Solarstrahlungsdatenbank (NSRDB)und historische elektrische Lastprofile. Diese Daten identifizierten Wetterereignisse, die für Modellierer, Versorgungsunternehmen und Regulierungsbehörden bei ihrer langfristigen Planung unbedingt berücksichtigt werden müssen.

Wetterereignisse aus den historischen Daten wurden in zwei breite Kategorien eingeteilt: 1) „Ereignisse mit großer Auswirkung“ wie Kältewellen, Stürme in mittleren Breiten, Hitzewellen und tropische Systeme; und 2) „Ereignisse, die Planungsherausforderungen darstellen“, darunter Perioden mit geringer Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen und hohem Strombedarf sowie mit vielen Ressourcen und geringem Bedarf.

Mit ihren zukünftigen Netzszenarien und einer Vielzahl historischer Wetterdaten machten sich die Analysten daran, zu testen, wie die beiden interagieren könnten.

Eine neue Wahrnehmung von „Extrem“ entwerfen

Wenn wir heute an Extremwetter denken, stellen wir uns natürlich Ereignisse vor, die unser tägliches Leben stark beeinträchtigen und Schlagzeilen wert sind – und das ist jetzt, wo wir in die Hurrikansaison eintreten, auch der Fall. Das NREL hat jedoch festgestellt, dass die Auswirkungen extremer Wetterereignisse auf das Stromnetz nicht zunehmen, wenn mehr Wind- und Solarenergie in das Netz eingespeist wird.

Das liegt daran, dass Wind- und Solarenergie aufgrund der Meteorologie der Ereignisse selbst bei extremen Wetterereignissen verfügbar bleiben. Eine Hitzewelle, die durch den Einsatz von Ventilatoren und Klimaanlagen eine höhere Netzbelastung auslöst, fällt außerdem oft mit sonnigen Tagen zusammen, die eine hohe Solarstromerzeugung ermöglichen. Ebenso bringt eine starke Kaltfront im Winter, die den Heizbedarf erhöht, auch starke Windböen mit sich, die die Windenergieerzeugung zur Deckung dieses Bedarfs antreiben können.

Andererseits stellten Analysten fest, dass mäßig schwere, aber nicht extreme Hitze-/Kältebedingungen, die zusammen mit längeren Perioden schwacher Wind- und Solarenergie auftreten, das neue „Extremwetter“ sein könnten, wenn es um die Auswirkungen auf den Betrieb von Stromnetzen geht.

„Diese Erkenntnisse sind spezifisch und auf das Wetter beschränkt, das im historischen Datensatz vorkam, und auf die betrachteten zukünftigen Netzinfrastrukturen, aber sie führen zu einer übergreifenden Schlussfolgerung“, erklärte Schwarz. „Nämlich, dass die Wetterereignisse, die für das zukünftige Netz am besorgniserregendsten sind, sich von den besorgniserregenden Ereignissen von heute unterscheiden.“

Die Analyse ergab letztlich acht wesentliche Erkenntnisse, die in der Studienbericht.

Die Ruhe nach dem Sturm meistern

Die veränderte Wahrnehmung extremer Wetterereignisse, die sich aus den Ergebnissen ergab, wird durch die Windflaute veranschaulicht, die oft folgt, wenn eine Kaltfront durch eine Region gezogen ist. Während der Wintermonate, wenn die Sonneneinstrahlung bereits gering ist, wird das zukünftige Stromnetz stärker auf Windenergie angewiesen sein. Im Allgemeinen ist die Windenergieerzeugung in unmittelbarer Nähe von Kaltfronten reichlich vorhanden, aber auf diese Fronten folgt oft eine Windflaute von unterschiedlicher Stärke, wobei die anhaltende Kälte zu anhaltend hoher Belastung führt, da die Menschen ihre Häuser heizen und beleuchten müssen.

Die Stichprobengröße der in der Studie untersuchten Wetterereignisse lässt darauf schließen, dass die ruhigen Tage nach dem Einsetzen einer Kältewelle zu den wichtigsten Wetterbedingungen gehören, die Planer bei der Bestimmung des Kapazitätsbedarfs für zukünftige Systeme berücksichtigen sollten, die in hohem Maße auf die Erzeugung variabler erneuerbarer Energien angewiesen sind.

Systemplaner, politische Entscheidungsträger und Forscher können die Ergebnisse nutzen, um die Wetterbeständigkeit und Ressourcenangemessenheit der zukünftigen Stromnetzinfrastruktur zu testen. Die Analyse kann auch verwendet werden, um die Leistung integrierter Ressourcenpläne zu testen oder Kompromisse und Vorteile zwischen verschiedenen politischen Optionen zu erkunden.

Blick zum Horizont

Die hinter der Studie stehenden Analysten weisen darauf hin, dass die Erkenntnisse trotz ihrer Einschränkungen wichtig seien, um die Auswirkungen extremer Wetterereignisse ganzheitlich zu verstehen – also nicht nur, was während des Sturmhöhepunkts passiert, sondern auch danach, und um für Zeiten mit geringer Produktion erneuerbarer Energien vorzusorgen, wenn das Netz stärker von erneuerbarer Energie gespeist wird.

Diese ersten Ergebnisse sollten auf zusätzliche Szenarien für Stromnetze und noch mehr Wetterbedingungen angewendet werden, die über die begrenzte Stichprobe von Wetterereignissen aus den Jahren 2007 bis 2013 hinausgehen, die in der Studie untersucht wurde. Die Analysten sind insbesondere an der Untersuchung jüngerer Wetterereignisse interessiert, die den Einfluss des Klimawandels auf Wettermuster erfassen können.

„Wir hoffen, dass diese erste Studie dazu beitragen wird, unser Verständnis von extremen Wetterereignissen in dem zunehmend erneuerbaren Stromnetz zu verbessern“, sagte Schwarz, „und uns für weitere Arbeiten zur genauen Planung und robusten Zuverlässigkeit des Stromsystems von morgen rüstet.“

Zugang die vollständige Studie um alle acht Ergebnisse zu erkunden und mehr über NRELsEnergieanalyse Und Netzmodernisierung Forschung.

Diese Arbeit wurde vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Strategic Analysis Team und dem Water Power Technologies Office des US-Energieministeriums finanziert.

Mit freundlicher Genehmigung von NREL.