Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/erdbeobachtung-satelliten-im-dienst-der-erneuerbaren-energien-1908-142763.html    Veröffentlicht: 19.08.2019 09:10    Kurz-URL: https://glm.io/142763

Erdbeobachtung

Satelliten im Dienst der erneuerbaren Energien

Von oben ist der Blick auf die Erde am besten. Satelliten werden deshalb für die Energiewende eingesetzt: Mit ihnen lassen sich beispielsweise die Standorte für Windkraftwerke oder Solaranlagen bestimmen sowie deren Ertrag prognostizieren.

Mit Lasern, Radar und Kameras für sichtbares oder infrarotes Licht tasten zahlreiche Satelliten permanent die Erdoberfläche ab. Diese Fernerkundung offenbart nicht nur die Folgen des Klimawandels. Auch die erneuerbaren Energien profitieren von dem immensen Datenschatz der Satelliten in ihren Umlaufbahnen um die Erde. Die besten Standorte für Wind- oder Solarparks und Biomasse-Anlagen lassen sich identifizieren, kurz- und mittelfristige Wettervorhersagen erleichtern die wirtschaftliche Betriebsführung und das Zusammenspiel mit dem Stromnetz.

Dabei werden die Beobachtungsdaten direkt oder für eine signifikante Verbesserung der Vorhersagemodelle genutzt. Europa steht mit dem intensiven Ausbau seines Satellitensystems an der Spitze dieser Entwicklung, mit der sich die Erneuerbaren immer besser und wirtschaftlicher in das komplexe Energiesystem integrieren lassen.

Knapp anderthalb Tonnen wiegt der jüngste Stolz der europäischen Raumfahrtbehörde Esa. Am 22. August 2018 brachte eine Vega-Trägerrakete von Kourou in Französisch-Guayana den Satelliten Aeolus - benannt nach dem griechischen Windgott - in seine etwa 320 Kilometer hohe Umlaufbahn um die Erde.

"Aeolus ist der erste Wind-Lidar im All", sagt Oliver Reitebuch, Aeolus-Experte am Institut für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen. "Damit sind wir einen neuen Schritt bei der aktiven Fernerkundung mit Lasern gegangen."

Weltweit - von den USA über Japan bis China - wird das Aeolus-Projekt interessiert verfolgt. Denn der Satellit soll eine wichtige Datenlücke bei der Analyse von Windfeldern schließen. Das Ziel: die deutliche Verbesserung mittelfristiger Windvorhersagen über drei bis sieben Tage im Voraus. Vielleicht sogar für noch längere Zeiträume. Davon können Windparkbetreiber rund um den Globus für den Betrieb ihrer Windkraftanlagen und für die zu erwartende und damit besser planbare Einspeisung in die Stromnetze stark profitieren.

Aeolus nutzt mit seinem Lidar-System Aladin (kurz für Atmospheric Laser Doppler Instrument) eine am Boden schon etablierte Technologie, um Winde möglichst exakt zu vermessen. Doch eine großräumige Analyse von Windstärken und -verläufen aus dem Erdorbit ist bislang einzigartig.

Aladin erstellt Windprofile

Aladin schickt kurze Laserpulse im ultravioletten Spektralbereich (Wellenlänge 355 Nanometer) zur Erdoberfläche. Dieses Licht wird an sich mit den Winden bewegenden Aerosolen, Molekülen, Wolken und Staubteilchen reflektiert und von einem Teleskop an Bord von Aeolus wieder aufgefangen. "Aus den Laufzeiten und Frequenzverschiebungen der Laserpulse lassen sich globale Windprofile vom Boden bis in 30 Kilometer Höhe ableiten", sagt Reitebuch.

Gute 90 Minuten braucht Aeolus für eine Erdumrundung. Nach 111 Rundläufen oder etwa sieben Tagen hat der Aeolus-Lidar die Windprofile rund um den Globus einmal vermessen. "Diese Lidar-Messung schneiden sich wie ein Vorhang durch die Atmosphäre", sagt Reitebuch. Die horizontale Auflösung der Windfelder beziffert er mit 100 Kilometern, bei starken Signalen von Wolken oder Staubteilchen bis hinunter auf 20 bis 30 Kilometer. In der Vertikalen lassen sich die Winde dagegen deutlich genauer auf bis zu 250 Höhenmeter exakt analysieren.

"Für eine direkte Messung der Windgeschwindigkeit in Bodennähe reicht das nicht aus", erklärt Reitebuch. Ein Messwert für einen Bereich am Erdboden pro Woche ist schlicht zu wenig. Doch für ein besseres Verständnis der Windentwicklung in den verschiedenen Stockwerken der Atmosphäre sind diese Daten ausgesprochen wertvoll.

Meteosat-Satelliten liefern Daten

"Mit vielen anderen Daten fließen die Aeolus-Messungen in Wettermodelle ein", erklärt der DLR-Forscher Reitebuch. Besonders in Höhen zwischen 8 und 15 Kilometern herrschten bei den Windmessungen bisher große Unsicherheiten. Genau diese Lücke kann Aeolus nun schließen.

Eingespeist in die Wettercomputer der Meteorologen können die Aeolus-Daten so die Modelle immer weiter verfeinern. Von dieser sogenannten Assimilation erwarten die Forscher etwa Aufschluss über die Zusammenhänge zwischen rasanten Jetstreams in der Tropo- oder Stratosphäre und den für die Windkraft wichtigen Winden in bis zu 200 Metern Höhe.

"Für Europa liegt die Wetterküche über dem Nordatlantik, von wo wir bisher kaum Messdaten haben", sagt Reitebuch. Dortige Prozesse bestimmen das Wetter in Europa drei bis fünf Tage später. Wer die Winde über dem Nordatlantik besser versteht, kann folglich die mittelfristige Vorhersage für Europa weiter verfeinern.

Seit Frühjahr 2019 können Meteorologen frei auf die Aeolus-Daten zugreifen und sie in ihre Modelle einfließen lassen. Davor überprüften die Missionsverantwortlichen Funktion und Betrieb von Aeolus. "Wir waren überrascht, wie schnell wir gute Daten von Aeolus bekommen haben", fasst Reitebuch die Testläufe zusammen. Allerdings mussten die Forscher kürzlich auf den Ersatzlaser umschalten, da der primäre sich als fehlerhaft erwiesen hatte.

Meteosat-Satelliten liefern Daten für die Wettervorhersage...

Sollten sich die hohen Erwartungen an die Aeolus-Daten bestätigen, könnten im kommenden Jahrzehnt sogar noch weitere Lidar-Satelliten folgen und noch genauere Winddaten liefern. Bis dahin verlassen sich Betreiber von Wind- und Solarparks auf die aktuellen Wettersatelliten. Vier Meteosat-Satelliten der zweiten Generation liefern die Grundlage für unsere Wettervorhersage.

Aus etwa 36.000 Kilometer Höhe über dem Äquator halten die Satelliten Europa, Afrika und den Indischen Ozean dauerhaft im Blick, da sie sich auf einer geostatiönären Flugbahn befinden.

Diese Meteosat-Satelliten der zweiten Generation verfügen über empfindliche Kameras im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Aktuell liefert der im Sommer 2015 gestartete Meteosat-11 alle 15 Minuten ein Bild unserer Erde mit einer räumlichen Auflösung von bis zu drei Kilometern. Meteosat-10, 2012 gestartet, funkt sogar alle fünf Minuten im "Rapid Scanning Service" seine Bilder, allerdings mit gröberer Auflösung. Die beiden älteren Satelliten, Meteosat-8 und Meteosat-9, dienen als Back-up.

... und für die Vorhersage der Solarstromausbeute

Auf den Bildern wird besonders die Wolkenabdeckung sehr deutlich. "So ist die Solarenergie der wichtigste Nutznießer unter den Erneuerbaren", sagt Marion Schroedter-Homscheidt vom DLR-Institut für Vernetzte Energiesysteme in Oldenburg. Die Meteosat-Daten, oft von Service-Unternehmen in kostenpflichtigen Monitoring-Paketen angeboten, erlauben mit der 15-Minuten-Taktung eine schon recht gute und zeitnahe Überwachung und Planung der Solarstromausbeute.

Die seit 2002 gesammelten Daten bieten auch eine gute Grundlage für die Auswahl geeigneter, im Mittel besonders sonnenreicher Gebiete für geplante Solarkraftwerke. Die Vorhersage der Wolkenabdeckung im Tagesrhythmus - ein wichtiger Aspekt für den Day-Ahead-Handel von Solarstrom - gestaltet sich allerdings schwieriger. Bei einer stabilen Hochdruckwetterlage mag ein klarer Himmel noch sehr wahrscheinlich sein. Doch bei wechselhafterem Wetter ist die Wolkenabdeckung und damit die solare Stromausbeute schwierig ein Tag im Voraus anzugeben.

"Für den Day-Ahead-Handel werden die Satellitendaten allein nicht ausreichen", sagt Schroedter-Homscheidt. An diesem Punkt kommen aber wieder die Wettermodelle ins Spiel. Und je mehr hochaufgelöste Satellitendaten zur Verfügung stehen, desto feiner lassen sich die Modelle anpassen.

Neue Meteosat-Generation

Um dieses Ziel leichter zu erreichen, werden auch die in den verschiedenen Atmosphärenschichten verteilten Aerosole in ihrer Konzentration und Bewegung verfolgt. Denn sie sind die Grundlage für Kondensationskeime für Wassertröpfchen, aus denen sich dann abhängig von Luftdruck, Temperatur und Feuchtigkeit wiederum Wolken bilden können.

Neben Computermodellen und Satellitenaufnahmen kommen dabei auch Messungen an künstlichen Wolken im Labor mit ins Spiel. Diese Experimente werden etwa im weltweit einzigartigen Leipziger Wolkensimulator, dem Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (Lacis), am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (Tropos) durchgeführt.

Mit seiner Meteosat-Flotte sind die Meteorologen in Europa im weltweiten Vergleich sehr gut aufgestellt. "14 Jahre lang waren wir mit Meteosat Second Generation eindeutig führend", sagt Schroedter-Homscheidt. Doch Japan schließt mit geostationären Wettersatelliten der neuen Generation auf und die USA starteten Ende 2016 den Wettersatelliten GOES-16, der in Sachen Wetterdaten aus dem Orbit für die Solarenergie nun ebenfalls europäisches Niveau erreicht und dieses sogar übertrifft.

Doch ab 2021 wird auch Europa mit noch besseren Satelliten nachziehen. Dann wird mit der neuen Generation meteorologischer Satelliten weltweit eine sehr gute Datenversorgung für die Solarenergie entstehen.

Die dritten Meteosat-Generation wird aus sechs Satelliten bestehen

Insgesamt sechs geostationäre Meteosat-Satelliten der dritten Generation werden nach und nach starten. Diese Wetteraugen im Orbit werden - grob abgeschätzt - die Leistungsfähigkeit der aktuellen Meteosat-Flotte verdreifachen. Eine räumliche Auflösung der Bilder von bis zu einem halben Kilometer ist vorgesehen. Die Taktung der Aufnahmen verkürzt sich auf zehn bis sogar zweieinhalb Minuten. Damit wird die Echtzeitvorhersage beispielsweise der Wolkenabdeckung noch genauer.

"Mit der dritten Meteosat-Generation kommt auch eine Beobachtung des blauen Anteils des sichtbaren Spektrums dazu", sagt Schroedter-Homscheidt. Damit wird die Untersuchung unterschiedlicher Aerosole, die stark voneinander variierende optische Eigenschaften haben, exakter. Das ist wichtig, da die Aerosole nach den Wolken für die Solarenergie der zweitwichtigste Bestandteil der Atmosphäre sind. "Damit werden wir die einzelnen Aerosoltypen gut voneinander unterscheiden und somit die Strahlung am Erdboden genauer bestimmen können", so die DLR-Forscherin.

Nicht nur Betreiber von Wind- und Solaranlagen können auf die Daten der wachsenden europäischen Satellitenflotte zählen.

Hinweise für Landwirte aus dem All

Auch für eine bedarfsgerechte Planung von Biomasse-Anbauflächen hilft die Fernerkundung aus dem Orbit. Im Rahmen des europäischen Copernicus-Programms tasten die Satellitenpaare Sentinel-1 und Sentinel-2 die Erdoberfläche im sichtbaren und infraroten Spektralbereich sowie mit Radar ab.

In 700 bis 800 Kilometern Höhe umkreisen die Sentinel-Satelliten den Erdball jeweils in etwa 100 Minuten, liefern hochaufgelöste Flächendaten vor allem von Europa, Kanada und den Polregionen. Ergänzend werden noch Messdaten der fünf, etwas älteren Rapid-Eye-Satelliten genutzt, die mit optischen Systemen im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich ausgestattet sind.

"Mit diesen Daten können wir ein Flächenmonitoring betreiben und dabei Menge und Art von Biomasse abschätzen", sagt Stefanie Schrader, DLR-Forscherin und Koordinatorin des Forschungsprojekts COP4EE - Satellitenbildgestützte Dienste zum Einsatz von erneuerbaren Energien.

Copernicus hilft Landwirten bei der Planung

Ein Ziel des Projekts ist es, Anbauflächen und Art der Biomasse-Kulturen für eine ausgewählte Region optimal planen zu können. Dabei spielen nicht nur die Qualität der Böden für das Wachstum, sondern auch der Wärmebedarf benachbarter Kommunen und sogar Entfernungen zum nächstgelegenen Biomasse-Kraftwerk eine wichtige Rolle. "Wir können beispielsweise Frucht- und Baumarten sowie die Wachstumsgeschwindigkeiten bestimmen", sagt Schrader.

Als Testregion für ihre auf Satellitendaten gestützte Analyse des Biomassepotenzials wählten Schrader und ihre Kollegen eine Region in Rheinland-Pfalz rund um Trier. In dem Forschungsprojekt entstanden so hochaufgelöste Karten, in denen die idealen Flächen für Wälder, Mais- oder Rapsanbauflächen, aber auch gute Standorte für Wind- und Solaranlagen zu erkennen sind.

"Die richtige Pflanze an der richtigen Stelle und nicht zu weit von einer Biogasanlage entfernt", gibt Schrader ein Beispiel, wie die bearbeiteten Satellitendaten zu nutzen wären. Für diese Analysen hat die DLR-Forscherin besonders das Zusammenspiel der verschiedenen regenerativen Energieformen einerseits und andererseits den jeweiligen Strom- und Wärmebedarf der Bevölkerung im Blick.

"Damit erhalten Kommunen wichtige Informationen, wie sie nachhaltig eine vollständige Versorgung mit erneuerbaren Energien erreichen könnten", sagt Schrader. Kommendes Jahr findet das Projekt COP4EE seinen Abschluss. Ein Nachfolgeprojekt startet direkt im Anschluss. Weiterhin sind Dialogforen mit weiteren Kommunen vorgesehen. Und es ist wahrscheinlich, dass diese satellitengestützte Methodik auf andere Regionen ausgeweitet werden wird.

Satelliten erfassen die Auswirkungen des Klimawandels

Die vielen Fernerkundungsmethoden - vom Radar über Laser bis zur Spektralkamera - unterstützen aber nicht nur den Ausbau der erneuerbaren Energien immer besser. Eigens konstruierte Satelliten werden zunehmend auch analysieren, was der Umbau der Energiesysteme für das Erdklima bringt. Im Rahmen des Copernicus-Programms zeigen die Satellitendaten etwa sich verlagernde Vegetationszonen oder die Eisschmelze an den Polen oder von Gebirgsgletschern.

Der Nasa-Satellit Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) beispielsweise analysiert seit 2014 mit eigens entwickelten Spektrometern an Bord die zunehmende CO2-Konzentration in der Atmosphäre. In Europa ist ein noch genaueres CO2-Monitoring mit einem Lidar-System ähnlich wie auf Aeolus angedacht. Und der deutsch-französische Satellit Methane Remote Sensing Lidar Mission (Merlin) soll ebenfalls mit einem Lidar-System die Konzentration des vielfach wirksameren Klimagases Methan in der Erdatmosphäre messen. Wie mit dem Wind-Lidar-Satelliten Aeolus werden damit neue Potenziale der Fernerkundung ausgelotet. Geplanter Start: 2020.  (jol)


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