FREM – FfE Regionalisiertes Energiesystem-Modell

Das FfE Regionalisierte Energiesystemmodell „FREM“ ist eine umfassende, auf den open source Systemen PostgreSQL und PostGIS aufgebaute Geo-Datenbank, mit räumlichen und statistischen Daten zum Energiesystem. Mit Hilfe von SQL-Abfragen können diese Daten in verschiedenen regionalen Auflösungen abgeleitet und die Ergebnisse in unterschiedliche Datenformate für kartographische und statistische Visualisierungen exportiert werden.

Die Historie

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 2009 bis 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.

Wie ist das FfE-Regionalisierte Energiesystemmodell FREM heute aufgebaut?

Heute ist FREM eine umfassende, auf den open source Systemen PostgreSQL und PostGIS aufgebaute Geo-Datenbank, mit räumlichen und statistischen Daten zum Energiesystem (siehe Abbildung 2). Diese 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: FREM Übersicht

Wie ist die FREM IT-Infrastruktur aufgebaut?

Das Herzstück der FREM-IT 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 Rechenzeit 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 das Open Data Portal der FfE mit Daten, die von dort über eine PostgREST-API frei bezogen werden können.

Wofür eignet sich das FfE-Regionalisierte Energiesystemmodell FREM?

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.

Potenzielle erneuerbare Stromproduktion pro Land/NUTS-3 und Energieträger

Um das Potenzial für erneuerbare Stromproduktion in Europa zu bewerten, wurde im Rahmen des eXtremOS Projektes eine umfassende Analyse für die Energieträger Dachflächen- und Freiflächen-Photovoltaik (PV) sowie On- und Offshore Wind durchgeführt. Dabei ergab sich für alle vier Energieträger ein europaweites Potenzial von 31,5 PWh (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Potenziale Erneuerbarer Energie-Produktion in Europa
a) Eigenverbrauchsquote vs. b) Überschussquote

Woher kommt der Strom, wenn er möglichst regional bezogen werden soll? Aufschluss darüber gibt die Eigenverbrauchs- sowie Überschussquote deutscher Gemeinden, also der Anteil, der innerhalb einer Gemeinde durch erneuerbare Energien erzeugt und im selben Zeitraum direkt wieder verbraucht wird (Eigenverbrauch) bzw. der Anteil, der nicht direkt verbraucht werden kann (Überschuss).

Potenzial von Windenergie in Bayern in Abhängigkeit der Entfernung zur nächsten Siedlung

Mit FREM wurde das Potenzial der Windenergie in Bayern, das durch die 10H Regel vorgegeben wird, analysiert. Dieses Potenzial wird durch die Größenordnung des vorgegebenen Abstandes zur nächsten Siedlung maßgeblich beeinflusst.