Sääennusteet energiajärjestelmän tukena

13.6.2016

1.6.2016 Sami Niemelä, Ilmatieteen laitos, VaGe-projekti(VTT ja Ilmatieteen laitos)

Energiasektori on murroksessa. Tätä kehitystä omalta osaltaan ajaa globaalit tavoitteet hiilidioksiidipäästöjen vähentämiseksi. Siksi myös energiantuotannossa siirrytään yhä enemmän uusiutuviin energialähteisiin, kuten tuulivoimaan ja aurinkoenergiaan. Uusiutuvien energialähteiden liittäminen kustannustehokkaasti osaksi sähköjärjestelmää on kaikkea muuta kuin helppo tehtävä. Sekä tuulivoima että aurinkoenergia ovat molemmat säästä riippuvia. Niiden vaihtelut viikoittain, päivittäin ja yhden päivän aikana rasittavat energiajärjestelmää. Tämän vuoksi tuuli- ja aurinkoenergian määrää pitää voida ennakoida etukäteen, jotta energiajärjestelmän toimintaa voidaan tehostaa vaihtelevan energian saatavuuden mukaan.

Haaste

Numeeriset säämallit ovat modernin säänennustamisen perusta. Säämalli on koko ilmakehäjärjestelmän kuvaus, joka perustuu fysikaalisiin säilymislakeihin, joiden pohjalta muodostettu yhtälöryhmä pyritään ratkaisemaan numeerisesti. Tehokkaiden tietokoneiden avulla voidaan laskea erilaisten sääsuureiden, kuten lämpötilan, kosteuden, tuulennopeuden tai auringonsäteilyn muutoksia seuraavina tunteina, päivinä, viikkoina ja nykyään jopa kuukausina eri puolilla ennustealuetta aina merenpinnasta kymmenien kilometrien korkeuteen. Miksi kuitenkin säästä riippuvan energian tuotannon ennustaminen on silti haastavaa?

Tuulen nopeuden ja tuulienergian tuotannon välinen riippuvuus on voimakkaasti epälineaarinen. Meteorologisesti hyvinkin pieni systemaattinen poikkeama ennustetussa tuulen nopeudessa voi aiheuttaa suuren virheen ennustetussa tuulivoiman tuotannossa. Pienet virheet kertaantuvat. Vaikka nykyisten numeeristen sääennusteiden laatu on meteorologisesta näkökulmasta erittäin hyvä, niin energiantuotannon kannalta kehitettävää riittää. Säämalleja parannetaan jatkuvasti, mutta energiajärjestelmiin liittyvissä sovelluksissa on lähes yhtä tärkeää oppia ymmärtämään ja hyödyntämään itse ennusteeseen liittyvää epävarmuutta.

Ratkaisu

Uusi Energia akatemianohjelman hanke VaGe pyrkii edistämään tuulivoiman ja aurinkosähkön hyödynnettävyyttä Suomen sähköjärjestelmässä. Yksi keskeinen tavoite on kehittää menetelmiä säästä riippuvan energian tuotantoennusteen epävarmuuden arvioimiseen. Tätä tehtävää varten tarvitaan ns. parviennustejärjestelmää. Säämalliennuste tarvitsee alkutilan, joka muodostetaan yhdistämällä käytettävissä oleva havaintoinformaatio ja lyhyt malliennuste optimaalisella tavalla. Vaikka alkutilaan käytettäisiin kaikki olemassa olevat havainnot, niin siitäkin huolimatta alkutila sisältää pieniä epävarmuuksia, jotka ennusteen edetessä kasvavat suuremmiksi virheiksi. Toisaalta myös paras numeerinen malli aina sisältää yksinkertaistuksia, jotka johtavat ennustevirheisiin. Parviennustetekniikassa näitä molempia virhelähteitä pyritään simuloimaan ja hyödyntämään, jotta itse ennusteen liittyvää säästä riippuvaa epävarmuusjakaumaa voidaan arvioida (kts. kuva 1).

Vaikka parviennuste pystyisikin kuvaamaan realistisesti ennusteen epävarmuusjakauman, niin ennuste voi sisältää systemaattista virhettä, jotka haittaavat ennusteen hyödynnettävyyttä energiajärjestelmämalleissa. Tämän vuoksi kehitämme parviennusteille soveltuvia ennusteen kalibrointimenetelmiä, joiden avulla ennusteen harha pienentyy tai parhaimmassa tapauksessa poistuu kokonaan.

Kuva 1: Parviennustejärjestelmän periaate. Punainen viiva kuvaa perinteistä determinististä ennustetta. Siniset viivat edustavat häirittyjä ennusteita, joiden avulla määritetään ennusteeseen liittyvä epävarmuusjakauma (oikealla). 

Missä mennään?

VaGe-projekti on ollut käynnissä hieman yli vuoden. Toistaiseksi tutkimustyö on keskittynyt sekä sää- että energiamallijärjestelmien kehitykseen. Lähestymme päivä päivältä sitä hetkeä, jolloin voimme yhdistää molemmat kehityslinjat. Tulee olemaan erittäin mielenkiitoista nähdä miten säämallien kehitysaskeleet vaikuttavat energiajärjestelmään ja mikä on paremmista ennusteista saatava taloudellinen hyöty. Elämme projektin kannalta jännittäviä aikoja.

Viimeksi muokattu 13.6.2016
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »