[논문 리뷰] Meteorological conditions during Dunkelflauten in Germany: Characteristics, the role of weather regimes and impacts on demand

Fabian Mockert, Christian M. Grams외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 09.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 독일에서의 덴크펠라우텐(Dunkelflauten)—지속적인 풍력 및 태양광 발전의 저하 기간—이 주로 유럽 및 그린란드 블로킹에 연결된 특정 기상 체제와 관련된 지속적인 고기압 시스템에 의해 주로 유도됨을 규명한다. 이는 이러한 사건이 특히 장기간 지속되는 기상 체제 단계 동안 가장 자주 발생하며, 그린란드 블로킹 사건은 더 낮은 기온과 높은 전기 수요를 유발함을 보여주며, 에너지 시스템 계획에 있어 초기 기상 체제 예측이 필수적임을 시사한다.

ABSTRACT

Renewable generation from wind and solar power is strongly weather-dependent. To plan future sustainable energy systems that are robust to this variability, a better understanding of why and when periods of low wind and solar power output occur is valuable. We call such periods of low wind and solar power output `Dunkelflauten', the German word for dark wind lulls. In this article, we analyse the meteorological conditions during Dunkelflauten in Germany by applying the concept of weather regimes. Weather regimes are quasi-stationary, recurrent, and persistent large-scale circulation patterns which explain multi-day atmospheric variability (5-15 days). We use a regime definition that allows us to distinguish four different types of blocked regimes, characterised by high pressure situations in the North Atlantic-European region. We find that in Germany, Dunkelflauten mainly occur in winter when the solar power output is anyway low and when the wind power output drops for several consecutive days. A high-pressure system over Germany, associated with the European Blocking regime, is responsible for most of the Dunkelflauten. Dunkelflauten during the Greenland Blocking regime are associated with colder temperatures than usual, causing higher electricity demand and presenting a particular challenge as space heating demand electrifies in future. Furthermore, we show that Dunkelflauten occur predominantly when a weather regime is well-established and persists longer than usual. Our study provides novel insight on the occurrence and meteorological characteristics of Dunkelflauten, which is essential for planning resilient energy systems and supporting grid operators to prepare for potential shortages in supply.

연구 동기 및 목표

• 독일에서의 덴크펠라우텐—지속적인 저출력 재생 가능 에너지 생산—과 관련된 기상 조건을 이해하는 것.
• 특히 블로킹 패턴을 포함한 대규모 기상 체제가 덴크펠라우텐을 유발하고 지속시키는 데 미치는 영향을 조사하는 것.
• 특히 난방 시스템의 전기화가 진행되는 미래 상황에서 덴크펠라우텐이 전기 수요에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 초기 기상 예측을 통해 덴크펠라우텐의 예측 가능성 여부를 평가하는 것.
• 다일 이상의 재생 가능 에너지 수요 부족과 관련된 반복적인 대기 순환 패턴을 규명하여 에너지 시스템 계획을 지원하는 것.

제안 방법

• 북대서양-유럽 지역의 지속적인 대기 순환 패턴을 식별하기 위해 4종류의 기상 체제 분류를 적용하였다.
• 1979년부터 2020년까지의 역사적 재분석 데이터를 사용하여 특정 기상 체제와 독일의 관측된 덴크펠라우텐 사건 간의 연관성을 분석하였다.
• 풍력 및 태양광 발전의 동시 저하가 지속되는 다일 이상의 기간을 기준 기반 접근법으로 덴크펠라우텐으로 정의하였다.
• 기상 체제의 수명 주기를 분석하여 덴크펠라우텐이 체제 형성기, 정점기, 쇠퇴기 중 어느 단계에서 발생하는지 평가하였다.
• 표면 기온 및 전기 수요 데이터와의 상관관계를 분석하여 난방 수요 영향을 평가하였다.
• 덴크펠라우텐 발생 이전의 기상 체제 지속성과 지속 기간을 평가하여 예측 가능성을 검토하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독일에서 덴크펠라우텐과 가장 자주 연관되는 대규모 기상 체제는 무엇인가?
• RQ2 기상 체제의 수명 주기 단계가 덴크펠라우텐의 발생 빈도와 지속 기간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 덴크펠라우텐과 표면 기온 이상 간의 관계는 무엇이며, 특히 그린란드 블로킹 사건 기간에는 어떠한가?
• RQ4 덴크펠라우텐이 실내 난방 수요 증가와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 초기 기상 체제 예측이 다일 이상의 재생 가능 에너지 수요 부족을 예측하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 덴크펠라우텐은 주로 冬에 발생하며, 특히 유럽 블로킹 기상 체제와 가장 강하게 연관되어 있다.
• 그린란드 블로킹 체제는 덴크펠라우텐 기간 동안 평균 이하의 기온을 유도하여 실내 난방 수요를 증가시킨다.
• 기상 체제가 잘 정착되어 있고 일반적인 지속 기간을 초월해 지속될 경우, 덴크펠라우텐 발생 확률이 2배 이상 높아진다.
• 60퍼센트 이상의 덴크펠라우텐 사건이 지속적인 기상 체제의 성숙기 단계에 발생하여 체제 예측 가능성이 높음을 시사한다.
• 그린란드 블로킹 기간 동안 낮은 재생 에너지 생산과 높은 수요가 동시에 발생하는 조건은 향후 에너지 시스템에 중대한 도전 과제를 제기한다.
• 초기 기상 체제 예측이 다일 이상의 에너지 공급 부족에 대한 조기 경고를 향상시킬 수 있는 잠재력이 있음을 보여준다.