Beitragsreihe FREM: Geodaten in der Energiesystemmodellierung

Mit diesem Beitrag startet die 6-teilige Reihe zum FfE-Regionalisierten Energiesystemmodell FREM. In den nächsten Wochen wird die Reihe um die Kernelemente des FREM, wie verschiedene Regionalisierungs-Modelle und Daten, erweitert.

 
Übersicht über die Themen der Beitragsreihe FREM
 
[1]  Aufbau einer energiewirtschaftlichen Geo-Datenbank
[2] Regionalisierungen für den Netzentwicklungsplan
[3] Das Windszenario-Tool WiSTl
[4] Freiflächen- und Dachflächen-Photovoltaik Zubaumodelle
[5] Wetterdaten
[6] Open Data

 

Vom Energiesystemmodell zur umfassenden Datenbank

Das 2007 als Gebäudedatensatz zur Modellierung von Wärme- und Stromverbrauch gestartete FREM wird von der FfE stetig weiterentwickelt und ausgebaut. Seit Beginn der Entwicklung wuchs die Datenbasis durch die ständige Integration neuer Daten kontinuierlich an und der Fokus wird immer wieder auf neue Anwendungen erweitert (siehe Abbildung 1). Heute bildet das FREM als umfassende Geo-Datenbank das Herzstück der FfE-Datenlandschaft. Die rasante Entwicklung in der Verfügbarkeit und den Prozessierungsmöglichkeiten von räumlichen Daten in den letzten Jahren hat geographische Informationssysteme (GIS) und Geodaten auch für die Energiesystemmodellierung immer relevanter werden lassen.



Abbildung 1: Die Entwicklung des FREM von den ersten Datensätzen bis zur umfassenden Geo-Datenbank heute.

Durch die Entwicklung von Schnittstellen zu den anderen FfE-Modellen wie ISAaR und GridSim wurde FREM in der FfE-Modelllandschaft immer vernetzter und ist als Datenmanagementsystem heute in nahezu allen Projekten der FfE ein Kernbaustein. Seit 2016 hat ebenfalls der Datenaustausch zwischen FREM und externen Datenbanken an Bedeutung gewonnen. Die verstärkte Bereitstellung von Ausgangsdaten wird darüber hinaus ein Ziel von FREM in der nahen Zukunft sein. In diesem Zusammenhang ist u.a. die OpenEnergy Platform (OEP) von zentraler Bedeutung, denn offene Daten zum Energiesystem spielen eine immer größere Rolle. Daher unterstützt die FfE durch das FREM die OEP aktiv und erweitert ebenfalls ihr eigenes Datenportal, opendata.ffe.de, stetig.

Heute ist FREM eine umfassende, auf den open source Systemen PostgreSQL und PostGIS aufgebaute Geo-Datenbank, mit räumlichen und statistischen Daten zum Energiesystem (Abbildung 2). Diese Daten stammen hauptsächlich aus offenen Datenquellen. Primär- und abgeleitete Daten werden in thematischen Schemata wie erneuerbare Energien, Wettermodelle, Zeitreihen, Kraftwerke, Statistiken und geografische Daten gespeichert. Die konsistente Struktur der Datenbank ist der Schlüssel für eine schnelle Modellierung und Szenarienberechnung zur Lösung verschiedener Energiefragen. Durch die Geo-Erweiterung PostGIS kann FREM wie ein Geoinformationssystem (GIS) verwendet werden, das Energiedaten in einen räumlichen Kontext stellt. Es ist möglich, Daten in verschiedenen regionalen Auflösungen mit SQL-Abfragen abzuleiten und die Ergebnisse in verschiedenen Datenformaten für kartographische und statistische Visualisierungen zu exportieren.



Abbildung 2: Der grundlegende Aufbau von FREM: Statistik- und Geodaten speisen die Datenbank. Diese werden mittels (räumlichem) SQL und Python direkt hier verarbeitet und analysiert und z. B. als Szenarien-Ergebnisse oder kartographische Visualisierungen ausgegeben.

 

Die IT-Struktur von FREM

Das Herzstück der FREM-IT (Abbildung 3) bildet der leistungsfähige Mercator-Server, der die Geo-Datenbank beherbergt und unter Ubuntu-Linux läuft. Geschriebener SQL-Code wird in GitLab versioniert und direkt oder parallel per SQL-Parser an Mercator gesendet, der so seine 24 Kerne voll ausnutzen kann. Eine sorgfältige physische Trennung von Betriebssystem, Geo-Datenbank, Daten und Logs auf verschiedenen Raids verkürzt die Rechenzeiten weiter. Eine umfassende Backup-Strategie mit Teil- und Volldumps schützt vor verheerenden Datenverlusten im Schadensfall. Neben seiner Funktion als Wetterdaten-Speicher fungiert Herodot, Mercators Vorgänger, als zeitversetzter Mirror der FREM-Datenbank, um kurzfristige Datenrettungen ohne aufwendige Backup- und Wiederherstellungsvorgänge zu ermöglichen. Die Anbindung an eine weitere Geo-Datenbank, die auf einem externen Server gehostet wird, stellt die FREM-Schnittstelle „nach außen“ dar und versorgt die Open Data Plattform mit Daten, die von dort über eine REST-API frei bezogen werden können.



Abbildung 3: Die FREM-IT-Struktur.

Anwendungsfälle

Die Kombination der PostGIS-Geo-Datenbank mit umfangreichen energiewirtschaftlichen Daten ergibt somit ein flexibles Energiesystemmodell mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Dieses Modell wird in den meisten Projekten der FfE als reichhaltiger Datenpool genutzt, z.B. zur Erhebung von Potenzialen für erneuerbare Energien, Stromnetzanalysen für verschiedene Spannungsebenen und zukünftige Infrastrukturen für Elektrofahrzeuge. Einige dieser Kernarbeiten von FREM werden in den kommenden Beiträgen der Reihe vorgestellt.

Weitere Informationen:

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