Das Vorhaben COP4EE
Das Vorhaben COP4EE ist ein Forschungsvorhaben, bei dem die Potenziale aufgezeigt werden sollen, die die Erdbeobachtung auf Basis von Satellitenbilddaten in Bezug auf eine Unterstützung von Maßnahmen der Energiewende liefern kann. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Fragestellungen, die die Erneuerbaren Energien betreffen. Die zu der Analyse verwendeten Satellitenbilddaten werden im Rahmen des Copernicus – Programms zur Verfügung gestellt. Das Forschungsvorhaben hat deswegen das Akronym „COP4EE“ als Abkürzung für „Copernicus für Erneuerbare Energien“.
Eingrenzung der potenziellen Handlungsfelder der Erdbeobachtung
Mit einem Anteil von ca. 30 % in 2015 haben erneuerbare Energiequellen einen signifikanten Anteil an der Deckung des Stromverbrauchs in Deutschland (http://bmwi.de/DE/Themen/Energie/Energiedaten-und-analysen/energiedaten.html). Wind- und Solarenergie stellen rund zwei Drittel der Stromerzeugung aus Erneuerbarer Energien in 2015 bereit. Zukünftig wird der Anteil dieser Technologien weiter stark steigen, da sie das größte Ausbaupotenzial in Deutschland aufweisen.
Allerdings ist der zeitliche Verlauf der Einspeisung von Wind- und Solarenergie ist durch starke Fluktuationen gekennzeichnet und von den Wetterbedingungen sowie der Tages- und Jahreszeit abhängig. Diese Schwankungen können kurzfristig zu einer Überproduktion an Energie, aber auch zu kurzfristigen Mangelsituationen führen. Derartige Mangelsituationen können im Zuge eines effizienten Last- und Einsatzmanagements mit Energie aus Bioenergie-Anlagen (Biomasse) oder aus konventionellen Kraftwerken ausgeglichen werden.
Darauf aufbauend wurden für das Vorhaben COP4EE zwei Szenarien definiert. Im ersten Szenario – der Unterstützung von Planungen – werden Erdbeobachtungsdaten analysiert, um mit diesen die Potenziale von Flächen für die unterschiedlichen Erneuerbaren Energien räumlich differenziert zu ermitteln. Die Fernerkundungsdaten werden zusammen mit bestehenden Informationen (Katastern, Anlageninformationen, Stromversorgungsnetzen, etc.) bewertet, um daraus Vorschläge für die weitere Entwicklung der Erneuerbaren Energien abzuleiten.
Im zweiten Szenario – dem Last- und Einsatzmanagement der Energie – werden die Erdbeobachtungsdaten verwendet, um Aussagen über die zeitliche Entwicklung der Energiearten treffen zu können. Dazu werden die kontinuierlich verfügbaren Satellitenbilddaten ausgewertet und in Biomassemodelle integriert. Diese Informationen fließen in ein Energie-Nachfragesystem ein und unterstützen das Lastmanagement der entsprechenden Akteure.
Strom- und Wärmeverbrauch, Deckung durch Erneuerbare Energien
Die Energienachfrage kann sowohl nach Strom und Wärme, als auch nach den verschiedenen Sektoren (private Haushalte (PHH), „Gewerbe, Handel und Dienstleistungen“ (GHD), Industrie und Verkehr) differenziert werden. Die Nachfrage variiert über den Tag, die Woche und das Jahr mit einem charakteristischem Profil. In Abbildung 1 u. 2 ist der elektrische Lastgang für Rheinland-Pfalz am Beispiel einer Woche und in der Jahresübersicht dargestellt. Zu erkennen sind das tageszeitliche Profil (geringe Last in der Nacht, starker Anstieg am Morgen), Unterschiede an den Wochentagen (geringe Lasten am Wochenende) und eine saisonale Schwankung mit einem Maximum im Februar, geringer Last im Sommer und sehr geringer Last zum Jahreswechsel.
Die Wärmenachfrage kann sowohl durch leitungsgebundene Energieträger (Gas, Nah- und Fernwärme) als auch durch nicht leitungsgebundene Energieträger (Öl, Flüssiggas, Holz, Pellets) gedeckt werden. Auch die Deckung der Wärmenachfrage mit elektrischer Energie (Speicherheizung, Wärmepumpe) ist möglich. Nachfolgende Darstellung fokussiert sich auf die leitungsgebundene Versorgung durch Nah- und Fernwärme. Die Wärme wird hier überwiegend mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)-Anlagen zur Verfügung gestellt, womit sie für das Einsatzmanagement von besonderem Interesse sind.
Die Differenzierung der Nah- und Fernwärmeversorgung erfolgt in industrielle und öffentliche Wärmenetze. Industrielle Wärmenetze bedienen wärmeintensive Prozesse und sind durch eine konstante Wärmenachfrage mit geringer tageszeitlicher und saisonaler Schwankung charakterisiert, siehe Abbildung 3 u. 4. Öffentliche Wärmenetze versorgen überwiegend die Sektoren PHH und GHD. Die Wärmenachfrage ist durch ein tageszeitliches und insbesondere saisonales Profil charakterisiert. Die größte Wärmenachfrage korreliert mit den kältesten Tagen im Jahr.
Erneuerbaren Energien leisten mit 30 % bereits einen großen Anteil zur Deckung der Stromnachfrage. Die Stromerzeugung ist dabei abhängig von der aktuellen Wettersituation. In Abbildung 5 u. 6 ist eine Woche mit einem hohen Anteil an solarer Stromerzeugung und eine Woche mit hoher Windstromerzeugung. Die solare Stromerzeugung sinkt nachts auf null, mittags erreicht sie ihr Maximum. Die Windstromerzeugung kann über viele Tage sehr gering ausfallen, mit steigenden Windgeschwindigkeiten aber auch über mehrere Tage einen großen Teil der elektrischen Nachfrage decken.
Bei der Betrachtung des saisonalen Erzeugungsprofils in Abbildung 7 u. 8 wird deutlich, dass die solare Stromerzeugung ihr Maximum in den Sommermonaten erreicht, die Windstromerzeugung im Herbst und Frühjahr und die elektrische Last aktuell nur in sehr wenigen Stunden durch die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien gedeckt werden kann. Bis 2030 werden die Erneuerbaren Energien zunehmend häufiger die Last decken können. Damit steigen jedoch auch die Anforderungen an das Einsatzmanagement der Erneuerbaren Energien.
Die Differenz zwischen Last und Erzeugung aus Erneuerbaren Energien muss mit konventionellen Kraftwerken oder Speichern gedeckt werden. Man bezeichnet diese Differenz auch als residuale Last oder kurz Restlast. Die Jahresdauerlinie (JDL) ist eine nach der Höhe der Last absteigend sortierte Kurve. In Abbildung 9 u. 10 sind die JDL der Last und Restlast für die Jahre 2012 und 2030 dargestellt. In 2012 schwankt die Last zwischen 1.500 und 4.000 MW. Die Restlast schwankt zwischen 0 und 3.500 MW. Durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien bis 2030 wird die JDL der Last nicht verändert. Die JDL der Restlast für 2030 schwankt zwischen 3.500 und -3.000 MW.
Aus den Extremwerten der JDL können erste Rückschlüsse auf die Anforderungen an den Kraftwerkspark und an das Übertragungsnetz abgeleitet werden. Die maximale Restlast muss durch Kraftwerke bzw. Stromimporte gedeckt werden. Die minimale Restlast ist - für den Fall eines negativen Wertes – durch den Export bzw. die Speicherung von Strom gedeckt. Alternativ können Überschüsse auch abgeregelt und somit verworfen werden.
Erfordernis der Absenkung der Spitzen
Die Prognose zur Entwicklung der Restlast (Abbildung 5) hat gezeigt, dass in Zeiten mit hoher Last weiterhin Kraftwerke in fast gleichem Umfang benötigt werden. Gleichzeitig steigen die regenerativen Überschüsse (negative Restlast) auf sehr hohe Werte an. Eine systemdienliche Bereitstellung von Regelenergie kann zum Ziel haben, die Extremwerte der Restlast zu minimieren. Der Einsatz von Biomasse kann hier einen wichtigen Beitrag leisten.
Bei der Bereitstellung von Regelenergie aus Biomasseanlagen ist die zeitliche Verfügbarkeit dieser zu beachten. Die JDL der Wärmenachfrage ist in Abbildung 11 dargestellt. Unter Annahme einer Stromkennzahl von 2 ergibt sich auch im Sommer eine gesicherte Leistung von 200 MW. Bei einer Bereitstellung von elektrischer Regelleistung kann es zu einer zeitlichen Verschiebung von Wärmeerzeugung und –nachfrage kommen. Diese muss durch Speicher oder reine Wärmeerzeuger (Heizwerke) ausgeglichen werden.
Bei einer perfekten Entkopplung von Nachfrage und Erzeugung durch thermische Speicher und unter Annahme einer Stromkennzahl von 2 kann eine elektrische Leistung bis zu 2 GW flexibel eingesetzt werden um die Extremwerte der Restlast zu minimieren.
Durch einen Ausbau der Nah- und Fernwärmeversorgung kann nicht nur der Anteil der Erneuerbaren Energien im Wärmesektor erhöht werden, sondern auch die Bereitstellung von Regelenergie durch Biomasse erhöht werden.
Szenario 1: „Unterstützung von Planung zur Energiewende“
Die Zielstellung in diesem Szenario wird in einer Veröffentlichung des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) treffend zusammengefasst: „International, national und regional sind zunehmende Kapazitäten zur Bioenergiebereitstellung zu erwarten. Um regionale „hotspots“ der Landnutzungsänderungen und der Biomasseproduktion zu ermitteln, sollte ein Monitoring mittels Fernerkundung aufgebaut werden. Regional könnten Indikatoren helfen, den Umsetzungsstand und das weitere Potenzial der Bioenergienutzung zu beschreiben und aus der Vielzahl der regional verfügbaren Informationen zielgerichtete Bewertungsparameter für die regionalen Strategien und Handlungsansätze zu erhalten.“ (BMVBS, 2010).
Bei der Entwicklung von regionalen Strategien und Handlungsansätzen sind neben den regionalen Potenzialen auch die regionale Energienachfrage und die benötigte regelbare Leistung sowie die Einbindung der Region in ein europäisches Versorgungssystem zu berücksichtigen. Die Definition einer Zielfunktion darf somit nicht auf einem Streben nach Energie- und Leistungsautarkie basieren, sondern soll eine effiziente Einbindung in das gesamte Versorgungssystem ermöglichen. Die Definition der Zielfunktion und die Vorgehensweise bei der Umsetzung des Szenarios werden nachfolgend vorgestellt.
Definition der Zielfunktion
Die Definition einer nur regional gültigen Zielfunktion bedarf in einem europäischen Versorgungssystem besonderer Umsicht. Eine Kostenoptimierung kann zum Beispiel auch durch den Bau von küstennahen Windkraftanlagen erfolgen, eine möglichst günstige Bereitstellung von Regelenergie durch bestehende Gasturbinen. Autarkiebestrebungen – insbesondere die Leistungsautarkie – führen zudem in der Regel zu steigenden Kosten im gesamten Versorgungssystem und können durch den deutschen bzw. europäischen Markt auch nicht abgebildet werden.
Im Rahmen des vorgestellten Szenarios wird eine Zielfunktion entwickelt, die die regionale Strom- und Wärmeerzeugung forciert, eine möglichst konforme Einbindung in das gesamte Versorgungssystem erlaubt und auch Kriterien wie Biodiversität und die Bereitstellung von Nahrungsmitteln mit aufnimmt.
Die regionalen Potenziale für die unterschiedlichen Erneuerbaren Energieformen werden bewertet und basierend auf der Zielfunktion ausgebaut. Das Szenario wird somit von einem rein kostenoptimierten Ausbau abweichen. Die Bereitstellung von Regelenergie durch Biomasse wird das Potenzial haben, Last- und Erzeugungsspitzen zu glätten; die konkrete Bereitstellung von Biomasse folgt weiterhin den Anforderungen des Versorgungssystems in Deutschland.
Die Zielfunktion muss in verschiedenen regionalen Betrachtungsebenen unterschiedliche Ziele erfüllen. Diese werden nachfolgend aufgezählt und erläutert:
Gemeindeebene
Die Gemeinde stellt den kleinsten bilanzierten Raum dar. Die Wärmeversorgung der Gemeinde muss autark erfolgen, da angenommen wird, dass kein Wärmeaustausch mit den benachbarten Gemeinden erfolgt. Die eingesetzten Energieträger für die Wärmebereitstellung müssen nicht regional erzeugt werden. Die regionale Erzeugung von Energieträgern zur Wärmebereitstellung muss kleiner gleich dem Potenzial sein und zum Beispiel Schutzräume berücksichtigen.
Im Sektor Strom könnten folgende Ziele definiert werden:
- Minimaler Anteil am Verbrauch, der aus Erneuerbaren Energien gedeckt werden soll (nachfolgend „Verbrauchskriterium“)
- Minimaler Anteil des Potenzials für Erneuerbare Energien, der genutzt werden soll (nachfolgend „Potenzialkriterium“)
Das Verbrauchskriterium kann in Städten nur selten erfüllt werden. Das Potenzialkriterium kann in ländlichen Gebieten zu hohen Überschüssen führen. Als Randbedingungen für die Zielfunktion wird somit der kleinere Wert von beiden Kriterien als untere Grenze angesetzt.
Landkreisebene
Für den Bereich Wärmeversorgung gelten die Vorgaben der Gemeindeebene. Die Bereitstellung der regenerativen Energieträger kann durch einen Austausch zwischen den Gemeinden realisiert werden. Als zusätzliche Randbedingung wird auf Landkreisebene angesetzt, dass das Produkt aus transportierter Energiemenge und zurückgelegter Strecke im Landkreis eine bestimmte obere Grenze nicht überschreiten darf. Somit wird gewährleistet, dass die regenerativen Energieträger regional genutzt werden.
Für die Stromversorgung werden die Kriterien der Gemeindeebene übernommen. Die zu erreichenden Anteile werden auf Landkreisebene höher gewählt. Somit besteht ein Bedarf, weitere, günstige Standorte für Erneuerbare Energien im Landkreis zu erschließen. Dieser Ausbau wird auf die Energieträger Solar und Wind so verteilt, dass die Extremwerte der Restlast minimiert werden. Dadurch werden die Leistungen für den maximal auftretenden Im- und Export verringert und eine konforme Einbindung in das deutsche und europäische Versorgungssystem gewährleistet.
Als neuer Aspekt wird auf Landkreisebene die Biodiversität betrachtet. Die Nutzung von Biomasse muss auf Ebene des Landkreises diesen berücksichtigen und eine Artenvielfalt durch Wahl unterschiedlicher Nutzpflanzen gewährleisten.
Bundeslandebene
Die größte betrachtete Ebene ist das Bundesland. Für die Wärmeversorgung gelten auch hier die bereits für die Gemeindeebene definierten Ziele.
Die Stromversorgung im Bundesland ergibt sich aus den Erneuerbaren Energien und den konventionellen Kraftwerken. Die Stromversorgung im Bundesland soll zu jeder Stunde des Jahres aus eigenen Erzeugungskapazitäten möglich sein, um eine hohe Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Unabhängig von der Möglichkeit, sich selbst zu versorgen, erfolgt die Stromversorgung im deutschen und europäischen Versorgungssystem.
Auf dieser Ebene wird als neuer Aspekt die Verfügbarkeit von landwirtschaftlichen Flächen für die Bereitstellung von Nahrungsmitteln betrachtet. Somit wird eine übermäßige Nutzung dieser Flächen für die Energiebereitstellung vermieden.
Die Zielfunktion sind die Kosten für die Strom- und Wärmebereitstellung. Das Ziel sind minimale Kosten unter Einhaltung aller zuvor definierten Randbedingungen.
Vorgehensweise
In dem Szenario 1 werden drei Arbeitsschritte durchlaufen. In einem ersten Schritt werden die theoretischen, physikalisch möglichen Energieertrags-Potenziale für die unterschiedlichen Energiearten auf Basis von Satellitenbilddaten und weiteren Daten ermittelt und daraus im Kontext zu den zur Verfügung stehenden weiteren Informationen aus der Region (z.B. Restriktionen, technische Rahmenparameter, vorhandene Anlagen) auf die technisch möglichen Energieertragspotenziale geschlossen.
Die Potenziale lassen sich unterteilen in:
- Potenzial Biomasse von Forstflächen und Kurz-Umtriebs-Plantagen (KUP)
- Potenzial Biomasse von Landwirtschaftsflächen
- Potenzial Sonnenenergie
- Potenzial Windkraft
- Potenziale für Nahwärmenetze und Fernwärmenetze
- Potenzial Geothermie
- Potenzial weitere Erneuerbare Energien
Als Ergebnis dieser Gesamtschau können auch mehrere Varianten entstehen, die für einzelne Flächen mehrere Optionen erlauben. Dazu werden die Ergebnisse kombiniert mit Daten der Raumordnung (bestehende Flächennutzungspläne), mit vorhandenen Anlagen (Daten der Energieagenturen und Raumordnungskatastern) sowie mit existierenden Planungen, aber auch mit dem Energieverbrauch, indem auf Basis der Einwohnerzahlen und vorhandener Statistiken der Verbrauch räumlich differenziert beschrieben wird. Die Bewertung mündet in einer räumlich differenzierten Planung, die in mehrere Gesprächen mit Akteuren der Energiewende erörtert werden sollen.
Im dritten Schritt wird ein auf Basis von Satellitenbildern basierendes Konzept zum Monitoring definiert, mit dem der Fortschritt und die Änderungen analysiert werden können.
Szenario 2: „Last- und Einsatzmanagement der Bioenergie“
Monitoring der Entwicklung der Biomasse
Die etablierten Last- und Einsatzmanagementverfahren bieten heute schon die Möglichkeit, auf der Grundlage von Wetterprognosen räumlich differenziert die Entwicklung der Energiegewinnung auf Basis von Wind und Sonne in den jeweils folgenden Tagen zu prognostizieren. Da eine Steuerung der Lasten auf absehbare Zeit nicht an die aktuelle Erzeugung durch Wind und Sonne gekoppelt sein wird, müssen für die Kompensation von Mangelsituationen intelligente Lösungen gefunden werden.
In dem Szenario 2 wird deswegen von der Hypothese ausgegangen, dass Biomasse aus forstwirtschaftlicher oder landwirtschaftlicher Produktion eine regionale Lösung im Sinne von „Ausgleichs- und Regelenergie“ sein kann, um die Mangelsituationen kurzfristig zu kompensieren. Dazu wird ein regionales Modell entwickelt, in dem die Erzeugung und die Lagerung von Biomasse als Komponenten einfließen.
Grundlage für die Untersuchungen in dem Modell werden regional und zeitlich differenzierte Lasten sein, die mit Erneuerbaren Energien kompensiert werden sollen. Anhand von den Potenzialen, die sich für Windenergie, Sonnenenergie und Biomasse ergeben (Methodik siehe Szenario 1) wird die jeweils aktuelle Entwicklung beobachtet und dadurch Rückschlüsse auf die Lagerhaltung und auf den Einsatz der Biomasse gewonnen. Ziel dieses Modells ist es, Schwankungen und mehrtägige Ausfälle bei Wind und Solar (kein Wind, Wolken) ausgleichen zu können. Gleichzeitig muss der Einsatz sowie der Neuaufbau des Lagers kontinuierlich überwacht werden, um die zukünftige Einsatzmöglichkeit sicherstellen zu können.
Mit den kontinuierlich zur Verfügung stehenden Fernerkundungsdaten (Zeitreihen basierend auf meteorologischen Daten, optischen Daten, Radardaten) wird ein regional differenzierendes Energie-Bilanz-Prognose-Modell aufgebaut, das folgende Aussagen erlaubt:
- Aktuelle Energiebilanz (tagesaktuelle Berechnung)
- Kurzzeitprognose (bis 3 Tage)
- Mittelfristige Prognose (bis 3 Monate)
- Jahresprognose.
Vorschläge für ein Monitoringkonzept
Die Energiewende-Planungsansätze in einer Region können in der Regel nicht statisch über eine längere Zeit festgeschrieben werden, weil oftmals Änderungen, die nicht unbedingt mit der Energiewende zu tun haben, stattfinden und somit geplante Maßnahmen beeinflussen könnten.
Auf Basis der Ergebnisse aus den Untersuchungen des Szenarios 2 werden Vorschläge ausgearbeitet, welche Satellitenbilddaten mindestens herangezogen werden müssen und wie diese ausgewertet werden sollten, um ein effektives Monitoring der Bioenergie vornehmen zu können. Diese Vorschläge sollen in Indizes münden, mit denen schnell eine Aussage getätigt werden kann.