@phdthesis{Breitkreuz2008,
  author    = {Breitkreuz, Hanne-Katarin},
  title     = {Solare Strahlungsprognosen f{\"u}r energiewirtschaftliche Anwendungen - Der Einfluss von Aerosolen auf das sichtbare Strahlungsangebot},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-28200},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {F{\"u}r eine dauerhaft gesicherte und umweltgerechte Energieerzeugung kommt den erneuerbaren Energien in Zukunft eine immer gr{\"o}ßere Bedeutung zu. Dies stellt eine große Herausforderung f{\"u}r die Entwicklung zuk{\"u}nftiger Energiesysteme dar, da erneuerbare Energietr{\"a}ger zeitlich und r{\"a}umlich zumeist hoch variabel zur Verf{\"u}gung stehen. Eine effiziente Integration solar erzeugter Energie in das bestehende Energieversorgungsnetz ist daher nur m{\"o}glich, wenn verl{\"a}ssliche Nahe-Echtzeit-Vorhersagen der am Erdboden verf{\"u}gbaren Einstrahlung und ein- bis dreit{\"a}gige Vorhersagen von Energieproduktion und -nachfrage zur Verf{\"u}gung stehen. Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Vorhersage der solaren Strahlung f{\"u}r die n{\"a}chsten Tage und Stunden im Hinblick auf Anwendungen in der Energiewirtschaft. Der dominante Atmosph{\"a}renparameter f{\"u}r die Abschw{\"a}chung der solaren Einstrahlung ist die Bew{\"o}lkung. Das gr{\"o}ßte wirtschaftliche Potential der Solarenergie liegt jedoch in Zeitr{\"a}umen und Regionen, in denen wenig Bew{\"o}lkung auftritt. Im wolkenlosen Fall beeinflussen vor allem Aerosole, feste und fl{\"u}ssige Partikel in der Atmosph{\"a}re, die direkte und diffuse Strahlung am Erdboden. Aerosole sind durch eine hohe zeitliche und r{\"a}umliche Variabilit{\"a}t gekennzeichnet, die die Bestimmung ihrer raumzeitlichen Verteilung und damit ihres Einflusses auf die Strahlung erschwert und einen hohen Aufwand zu ihrer Prognose erforderlich macht. Am Beispiel eines f{\"u}nfmonatigen europ{\"a}ischen Datensatzes (Juli-November 2003) werden Prognosen der aerosoloptischen Tiefe bei 550 nm (AOT550) untersucht, die aus Aerosolvorhersagen eines Chemie-Transport-Modells stammen. Es zeigt sich, dass im Vergleich mit Bodenmessungen die Aerosolprognosen mit einer mittleren Untersch{\"a}tzung von -0,11 und einem RMSE von 0,20 die geforderte Genauigkeit nicht ganz erreichen. Dabei stellen insbesondere die unregelm{\"a}ßig auftretenden Saharastaubausbr{\"u}che {\"u}ber dem zentralen Mittelmeer eine im Modell bisher nicht erfassbare Quelle großer Ungenauigkeiten in der AOT- und damit auch in der Strahlungsvorhersage dar. Entsprechend der hohen regionalen Aerosol-Variabilit{\"a}t finden sich zudem signifikante Unterschiede zwischen den Regionen, zum Beispiel eine deutliche Untersch{\"a}tzung des Aerosolaufkommens in der stark industriell belasteten Po-Ebene Norditaliens sowie gute Entsprechungen in abgelegenen Gegenden Nordeuropas. Basierend auf dieser Aerosol-Prognose und unter Einbeziehung weiterer Fernerkundungsdaten (Bodenalbedo, Ozon) und Parametern aus der numerischen Wetterprognose (Wasserdampf, Wolken) wird ein Prototyp f{\"u}r ein Vorhersagesystem der Solarstrahlung konzipiert und vorgestellt: das AFSOL-System (Aerosol-based Forecasts of Solar Irradiance for Energy Applications). An Hand der f{\"u}nfmonatigen Testepisode wird das AFSOL-System mit Vorhersagen des Europ{\"a}ischen Zentrums f{\"u}r Mittelfrist-Wettervorhersage (ECMWF), mit satellitenbasierten Beobachtungen der Solarstrahlung (Meteosat-7) und mit Bodenmessungen der Solarstrahlung verglichen. F{\"u}r den wolkenlosen Fall erzielt das AFSOL-Modellsystem eine deutliche Verbesserung der Direktstrahlungsprognosen gegen{\"u}ber den ECMWF-Vorhersagen, mit einer Reduktion des relativen Bias von -26\% auf +11\% und des relativen RMSE von 31\% auf 19\%. Dies kann auf die verbesserte Beschreibung des atmosph{\"a}rischen Aerosols zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden, die sich im Vergleich zu den am ECMWF genutzten AOT-Klimatologien ergibt, auch wenn insbesondere bei der Behandlung von W{\"u}stenstaubepisoden weiterhin Probleme auftreten. Auch die Globalstrahlungsprognosen erreichen im wolkenlosen Fall eine h{\"o}here Genauigkeit als die operationell verf{\"u}gbaren ECMWF-Vorhersagen, was sich in einer Verringerung des relativen Bias von -10\% zu +5\% sowie des relativen RMSE von 12\% zu 7\% zeigt. Im bew{\"o}lkten Fall jedoch k{\"o}nnen die Vorhersagen des AFSOL-Systems erhebliche Ungenauigkeiten aufweisen, die sich auf Grund von Problemen bei der Wolkenprognose des zu Grunde liegenden numerischen Wettervorhersagemodells ergeben. Abschließend wird in einer Fallstudie zur Verwendung der Vorhersagen f{\"u}r die optimale Betriebsf{\"u}hrung eines solarthermischen Kraftwerks in Spanien beispielhaft gezeigt, dass die Nutzung der AFSOL-Prognose im wolkenlosen Fall eine deutliche Gewinnsteigerung bei der Einspeisung ins {\"o}ffentliche Stromnetz durch den Handel an der spanischen Stromb{\"o}rse erm{\"o}glicht.},
  subject      = {Aerosol},
  language  = {de}
}