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Sonne, Wind und Wasser: Klimadaten als Katalysator für die grüne Energiebranche

Sonne, Wind und Wasser: Klimadaten als Katalysator für die grüne Energiebranche
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Nach der Pandemie führt der Weg zum Wiederaufbau und zur Kohlenstoffneutralität der Wirtschaft über erneuerbare Energien. Deshalb interessieren sich immer mehr Industriebeteiligte und Netzbetreiber für Klimadaten, um die Energieproduktion zu optimieren.

2019 war ein strahlendes Jahr für Europa – mindestens seit den 1980er-Jahren hatte der Kontinent nicht mehr so viele Sonnenstunden gehabt. Es war auch ein gutes Jahr für die Solarstromindustrie. Die Solargenerationskapazität hatte sich im Vergleich zu 2018 mehr als verdoppelt – der größte Zuwachs des gesamten Jahrzehnts. Erneuerbare Energien werden immer wichtiger: 2019 machten sie einen Rekordanteil von 34,6 Prozent am EU-Strommix aus. Und obwohl die COVID-19-Pandemie die Entwicklung von neuen Anlagen im Bereich der erneuerbaren Energien gebremst hat, wird grüne Energie beim wirtschaftlichen Neustart und bei den kürzlich überarbeiteten Plänen, die Emissionen bis 2030 um 50-55 Prozent zu senken, zum Schlüsselfaktor für die EU. Die Branche verfolgt also gleich eine doppelte Mission: Sie soll schnell den Großteil des Strommix ausmachen und gleichzeitig verlässlicher und effizienter werden, besonders wegen des Klimawandels, der an sich schon die Risiken verschiebt.

Quellen: EUROSTAT-Daten zu 2017; Berechnungen von Agora Energiewende und Sandbag für 2018 und 2019; 2030 Projektionen zur Langzeitstrategie der Europäischen Kommission 2018.

„Der Wandel zu erneuerbaren Energien ist eine der Hauptsäulen des Aufbaupakets, das die [Europäische] Kommission Ende Mai vorgeschlagen hat“, so EU-Kommissarin für Energie Kadri Simson. „Der European Green Deal ist unsere Strategie für das Erreichen der Klimaneutralität bis 2050 und sorgt gleichzeitig dafür, dass unsere Wirtschaft kompetitiver wird“, erklärt sie. Die EU kann laut der Internationalen Organisation für erneuerbare Energien (IRENA) den Anteil erneuerbarer Energien im Strommix signifikant erhöhen und Gewinne erwirtschaften. Sinkende Technologiekosten stützen dieses Szenario, und obwohl die rekordverdächtigen Vorhersagen im Bereich erneuerbare Energien für 2020 abgeschwächt wurden, soll sich die Industrie Vorhersagen zufolge auch aufgrund der niedrigeren Nachfrage nach Öl und Gas erholen. Diese Entwicklung soll auch nach der Pandemie anhalten.

Doch neben der Resilienz gegenüber wirtschaftlichen Tiefschlägen müssen erneuerbare Energien auch resilient gegenüber Veränderungen der Klimamuster und der Häufung von Extremwetterereignissen werden. Änderungen von Temperatur, Niederschlagsmengen, Strahlung, Meeresspiegel, Luftpartikeln und Extreme wie Hitzewellen, Überschwemmungen oder Dürren können sowohl die Leistung und Infrastruktur der erneuerbaren Energien als auch die Stromnachfrage beeinflussen.

Aufgrund der geringeren Niederschläge und des wärmeren Wetters verzeichnet Europas Wasserkraft weiterhin sinkende Leistungen – laut Agora Energiewende war die Leistung letztes Jahr insgesamt 6 Prozent geringer. Hitzewellen und der damit zusammenhängende Niederschlagsmangel in Frankreich, Spanien, Italien und Portugal haben im Frühling und Sommer zu einer Abnahme der Pegelstände geführt. Zu diesem Ergebnis kommt auch die Flussabflussmengenanalyse des Europäischen Klimaberichts 2019. Einige Forschende schätzen, dass sich verschiebende Niederschlags- und Temperaturmuster die Leistung der Wasserkraft in Nordeuropa erhöhen und in Südeuropa senken könnten.

Datenquelle: Vom Copernicus-EMS-Modell abgeleitete Flussabflussmengen. Credit: Copernicus Katastrophen- und Krisenmanagementdienst (Copernicus EMS)/EZMW

Vorhersagen zu den Windgeschwindigkeiten bleiben weiterhin unsicher, aber bereits kleine Veränderungen können einen großen Einfluss auf die Stromleistung haben. 2018 sorgte der geringe Wind während des Sommers für eine Verringerung der Stromproduktion um bis zu 20 Prozent. Extremwetterereignisse und der Anstieg des Meeresspiegels können die Infrastruktur von Windkraftanlagen an Land als auch von Offshore-Windparks beeinträchtigen. Auch die Solarenergie wird von unsicheren Klimavariablen beeinflusst. Einige Studien prognostizieren Europa eine Zunahme an Strahlung (um bis zu 10 Prozent), was zu einer höheren Leistung führen würde, allerdings nimmt die Effizienz von Fotovoltaikanlagen mit höheren Temperaturen ab.

Quelle: EUMETSAT Satelliten-Auswertungszentrum Klimaüberwachung (CM SAF), Klimadatenbericht zur Sonnenscheindauer. Credit: Copernicus-Klimawandeldienst (C3S)/EUMETSAT CM SAF/DWD.

„Die Klimaforschung sagt uns, dass Wetterextreme häufiger werden – aber wie häufig ist häufiger? Das sind wichtige Fragen, wenn wir verlässliche erneuerbare Energien zur Verfügung stellen wollen“, sagt Colin McKinnon, CEO des Institute of Environmental Analytics (IEA). „Klimadaten sind unerlässlich in der Bewertung unserer Energiebedürfnisse und der Produktionskapazitäten, insbesondere im erneuerbaren Sektor“, so EU-Kommissarin Simson.

Beim Management klimatischer Unsicherheiten im Laufe der Projektlebenszeiten im Bereich der erneuerbaren Energien wird das Vorhandensein von Klimadaten immer wichtiger, um den Anteil von grünem Strom im Mix zu erhöhen. Auch Netzbetreiber haben einen Bedarf an Vorhersagen zu Wetterextremen, die Stromleitungen beeinträchtigen (beispielsweise Überschwemmungen, starker Wind, Hitzewellen, Schnee) und müssen Nachfrage und Angebot je nach Klimabedingungen und den damit einhergehenden Einflüssen auf Stromproduktion und -verbrauch ausgleichen.

„Klimadaten sind kritische Informationen, die während verschiedener Projektphasen Teil der Entscheidungsfindung sind“, meint das Klimateam des spanischen Unternehmens Iberdrola, dessen Portfolio verschiedene Projekte im Sektor erneuerbare Energien in ganz Europa umfasst. Das Unternehmen kombiniert Messungen vor Ort mit kurzfristigen und langfristigen Klimainformationen zum jeweiligen Projektstandort. Im Fall von Windenergie beispielsweise nutzt Iberdrola Klimadaten und Wettermodelle, um die besten Standorte für Turbinen zu identifizieren und ihre Produktionskapazität im Laufe ihrer Lebensdauer abschätzen zu können.

„Klimadaten werden in Modellen verwendet, die den Stromverbrauch und die Produktion von Solar-, Wind-, Wasser- und Wärmekraftwerken berechnen. Diese Daten werden wiederum in Modelle des Stromsystems eingespeist, um die Adäquatheit des Strommix zu beurteilen“, erklärt Dr. Gabriel Bareux, stellvertretender Direktor für Informations- und Kommunikationssysteme bei RTE, dem französischen Stromnetzbetreiber. „Bei der Infrastruktur, deren Komponenten für bis zu 80 Jahre installiert werden, gibt es einen großen Bedarf, zukünftige potenzielle Risiken für bestehende und zukünftige Installationen, die unter anderen Klimabedingungen arbeiten werden, akkurat zu evaluieren“, so Dr. Bareux.

„Stellen Sie sich vor, Sie möchten ein neues Solarkraftwerk bauen“, beginnt Dr. Etienne Wey, Generaldirektor bei Transvalor, einem Unternehmen, das unter anderem Dienstleistungen für Daten zu Sonnenstrahlung und meteorologischen Daten bietet. „Die Finanzierung der Bank basiert auf Schätzungen, wie viel Energie Sie in den nächsten 20 Jahren produzieren werden“, fährt er fort. „Vor 5 Jahren war die Unsicherheit beim Bau eines Solarkraftwerks nicht so wichtig, weil die Kosten, für die die Regierungen oder Netzbetreiber eine Kilowattstunde kauften, im Vergleich zu jetzt sehr hoch waren. Heute ist der Markt sehr kompetitiv und deshalb können große Unsicherheiten zwischen Profit und Verlust entscheiden.“

„Die Nutzung von Klimadaten in der Strombranche ist in den letzten 5 Jahren immer alltäglicher geworden“, sagt Dr. Alberto Troccoli, Gründungsdirektor des World Energy and Meteorological Council (WEMC). Der Council leitet den operationellen Dienst für den Energiesektor des Copernicus-Klimawandeldiensts (C3S). Das Projekt stellt an der Energiebranche Beteiligten nutzbare Klimadaten beinahe in Echtzeit bereit.

Klimabeobachtungen aus der Vergangenheit sind eine der häufigsten Datenquellen für Energiesystemmodelle. Zurückliegende Ereignisse wie Kälte- oder Hitzewellen und ihre Einflüsse auf Wind- und Solarenergie können beispielsweise Hinweise darauf geben, was in einer ähnlichen Situation in der Zukunft passieren wird. „Dieser Ansatz ist geeignet für die nächsten Jahre, aber angesichts der zunehmenden Beweise des Klimawandels schließt die Nutzung von Daten aus der Vergangenheit für Vorhersagen der Zukunft wichtige Informationen aus“, sagt Dr. Bareaux. „Beispielsweise könnte die Hitzewelle von 2003, zu der es keinen Vergleich in der Vergangenheit gab, 2050 die neue Norm sein. Solche Überlegungen sollte man bei Simulationen zukünftiger Energiesysteme unbedingt in Betracht ziehen.“

Der C3S-Dienst bietet neben historischen Daten, saisonalen Vorhersagen und Projektionen über mehrere Jahre hinweg auch Energieindikatoren. „Wir haben Modelle, die sich ansehen, wie das Klima die Nachfrage beeinflusst“, erklärt Dr. Troccoli. „In Europa werden die Temperaturen in den meisten Ländern steigen, wodurch auch der Bedarf steigt. Nutzungsmuster werden sich allerdings unterscheiden“, sagt er. „Das Ausmaß der Klimavariabilität verändert sich ebenfalls, und Klimamodelle können Informationen zu den Perioden geben, in denen eine Energiequelle variabler ist als andere.“

Der Dienst zeigt die Variabilität von Klima und Energie auf dem gesamten Kontinent. Klimadaten helfen der Energiebranche dabei, klimabedingte Veränderungen für die Industrie (bspw. Kälte- und Hitzewellen, Dürren) zu antizipieren, aber auch, den Einfluss der Temperatur auf den Energiebedarf des Kontinents und die Beziehung zur Variabilität der Produktion erneuerbarer Energien zu analysieren.

Ein Beispiel, wie Solarstromszenarien der nächsten Jahrzehnte innerhalb des voroperationellen C3S-Energie-Demonstrators abgebildet werden.

Klimadaten können Regierungen und Stromproduzenten dabei helfen, über den richtigen Mix von erneuerbaren Energien in ihren Energiesystemen zu entscheiden. Im Vorfeld des Diensts ging 2017 das Projekt European Climatic Energy Mixes Demonstrator des C3S an den Start. „Es hilft bei der Einschätzung, wie gut verschiedene Strommixe in Europa die Nachfrage erfüllen werden können. Dabei fokussiert es sich auf den Einfluss, den das Klima auf die Kombination von Energiequellen hat“, erklärt McKinnon vom IEA, welches das Projekt für den C3S entwickelt hat. Die neue Zusammenarbeit mit dem C3S konzentriert sich auf die Entwicklung klimaresilienter Infrastrukturstandards. Das Projekt soll Ingenieurinnen und Ingenieuren, Fachkräften aus der Architektur sowie Aufsichtsbehörden dabei helfen, sicherzustellen, dass ihre Projekte – beispielsweise Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien – es mit den Herausforderungen Klimavariabilität und Extremwetterereignissen aufnehmen können.

„Mit der Zunahme des Anteils an erneuerbaren Energien und mit der Elektrifizierung weiterer Branchen (Transportwesen, Heizung und Kühlung usw.) gibt es weitere Anwendungsbereiche, in denen Klimadaten wichtig werden“, so das Team von Iberdrola. Die Daten könnten beispielsweise bei der Analyse helfen, wie verschiedene Stromspeichertechnologien während einer Hitzewelle kombiniert werden können, um die Produktion zu maximieren und die steigende Energienachfrage zu decken.

Der nächste Schritt auf dem Weg der Klimasicherheit der Stromproduzenten und Netzbetreiber? „Stündliche Klimadaten sind wichtig für das Energiesystem“, so Dr. Bareux. „Energiesystemmodelle funktionieren auf stündlicher Basis.“ Da Klimasimulationen auf täglicher oder mehrstündiger Basis zur Verfügung stünden, erklärt er, könnten Nutzende die Klimadaten selbständig interpretieren, obwohl sie dazu vielleicht nicht die ausreichenden Werkzeuge hätten – eine standardisierte Prozedur für alle Nutzenden könnte die Lösung sein.