Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle
für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger

Teilprojekt 2: Generierung und Bereitstellung probabilistischer Wetter- und Leistungsprognosen

Der Schwerpunkt der Arbeiten in Teilprojekt 2 liegt bei der Erstellung, Aufbereitung, Evaluierung und Kalibrierung von probabilistischen Produkten für Wetter- und Leistungsprognosen.

Unvermeidbare Quellen für Vorhersageunsicherheiten können zum einen unscharfe Beschreibungen der Anfangs- und Randbedingungen und zum anderen auch Unsicherheiten im Modell selbst wie z.B. Parametrisierungen der subskaligen Prozesse oder Approximierungen der zugrunde liegenden physikalischen Gleichungen sein. Zur Abschätzung der Vorhersageunsicherheiten bietet sich die Nutzung eines „Ensemble Prediction Systems“ (EPS) an. Mit Hilfe eines EPS werden mehrere Modellläufe gerechnet, die im Rahmen der genannten Quellen für Vorhersageunsicherheiten - und damit im deterministischen Sinne - nicht unterscheidbar sind. So erhält man eine stichprobenhafte Schätzung der Vorhersagestatistik, aus der sich wiederum probabilistische Produkte ableiten lassen. Diese Produkte können sich z.B. direkt auf atmosphärische Eigenschaften beziehen, aber auch abgeleitete probabilistische Leistungsprognoseprodukte sein. Typische probabilistische Produkte für eine umfassende Beschreibung der Vorhersagestatistik sind Ensemblemittel und Variabilität, Überschreitungswahrscheinlichkeiten, Quantile und Extremszenarien. Solche Produkte liefern gegenüber der deterministischen Prognose wertvolle Zusatzinformationen, die für die zukünftige Netzintegration erneuerbarer Energien benötigt werden.

Als geeignetes, hochauflösendes meteorologisches Ensemblesystem steht das vom DWD entwickelte und seit 2012 operationell betriebene COSMO-DE-EPS zur Verfügung. Durch den hohen Updatecycle von 3 Stunden sowie einem Vorhersagehorizont von 21 Stunden eignet sich das COSMO-DE-EPS für die kurzfristigen Intra-Day Prognosen. Für die längerfristigen Dayahead-Prognosen wird für ausgewählte Starttermine der Vorhersagezeitraum des COSMO-DE-EPS verlängert - längerfistig bietet sich auch die Nutzung des beim DWD geplanten ICON-EPS an. Speziell für die Anforderungen und Anwendungen der Energiewirtschaft wird das Ensemblevorhersage-System des DWD zur Erzeugung und Aufbereitung probabilistischer Produkte für die Wetter- und Leistungsprognose evaluiert und optimiert.

Da die Wind- und PV-Leistungsprognosefehler keiner exakten theoretischen Verteilung unterliegen, werden zur Erstellung probabilistischer Leistungsprognosen Verfahren der Quantilen Regression zum Einsatz kommen, welche mit Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) oder Data-Mining Methoden gekoppelt werden. Dies stellt eine deutliche Erweiterung der bisher am IWES entwickelten Leistungsprognosen dar, welche im Windleistungsbereich auf künstlichen neuronalen Netzen beruhen und sich operationell bewährt haben. Weiterhin haben sich im Bereich der Meteorologie Verfahren wie beispielsweise Kerndichteschätzer, 'Ensemble Dressing' oder 'Bayesian Model Averaging' als nützlich erwiesen. Deren Anwendbarkeit für die Leistungsprognose wird in diesem Arbeitspaket auch evaluiert.

cdeps modelchain.png

Die Erstellung der Ensemble Member umfasst Variationen der Anfangsbedingungen, der seitlichen Randbedingungen und der Modellphysik. Für die Störung der Anfangsbedingungen und der seitlichen Randbedingungen werden die Vorhersagen 4 verschiedener Globalmodelle genutzt. Für die Störung der Modellphysik werden zur Zeit 5 verschiedene Konfigurationen des COSMO-DE verwendet. Quelle: DWD



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