Waar weersverwachtingen vandaan komen: NWP-modellen

Elke opbrengstprognose voor zonnepanelen is in de kern een weersverwachting met een paar extra stappen. Je kunt het meest geavanceerde PV-model ter wereld hebben, maar als de weerdata “zonnig” zegt terwijl het regent, klopt je prognose niet.

Waar komt die weerdata dan vandaan? En waarom geven verschillende weerbronnen verschillende uitkomsten?

De wereldwijde weermachine

Moderne weersverwachtingen draaien op numerieke weersvoorspelling (NWP): enorme computersimulaties die de hele atmosfeer modelleren met natuurkundige vergelijkingen. Dat zijn geen simpele extrapolaties van de huidige situatie. Het zijn complete stromingssimulaties die de Navier-Stokes-vergelijkingen voor luchtstromen oplossen, gekoppeld aan thermodynamica, stralingsfysica en vochtprocessen.

Het proces begint met data-assimilatie: miljarden waarnemingen van satellieten, weerstations, radiosondes (weerballonnen), vliegtuigen, schepen en boeien gaan het model in om een momentopname van de huidige atmosfeer te maken. Daarna rekent het model de tijd vooruit en berekent het minuut voor minuut hoe de atmosfeer zich ontwikkelt.

De belangrijkste mondiale modellen achter de meeste zonneprognoses zijn:

GFS (Global Forecast System) — beheerd door NOAA (VS). Gratis en open. Rasterresolutie: ~13 km (0,25°). Wordt elke 6 uur ververst. Voorspelt tot 16 dagen vooruit. GFS is het werkpaard van gratis weerdata. Relevante uitvoer voor zonne-energie: totale bewolking, temperatuur, windsnelheid en neerwaartse kortgolvige stralingsflux (in feite de GHI aan het oppervlak).

ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) — algemeen gezien als het beste mondiale model ter wereld. Rasterresolutie: ~9 km (0,1°). Wordt elke 6 uur ververst. Verwerkt Europese weerpatronen beter. ECMWF-data is deels commercieel: de volledige resolutie vereist een betaalde licentie, al zijn producten met lagere resolutie gratis beschikbaar.

ICON (Icosahedral Nonhydrostatic) — beheerd door de DWD (Duitse weerdienst). Open data sinds 2023. De mondiale versie heeft ~13 km, het Europese nest ~6,5 km en het Duitse nest ~2,2 km. Bijzonder goed voor Midden-Europese verwachtingen, dus relevant als je in Polen, Duitsland of de buurlanden woont, en ook in Nederland.

Wat NWP-modellen precies opleveren

Voor zonneprognoses zijn dit de belangrijkste uitvoervariabelen:

Bewolking — meestal als totale bewolkingsfractie (0-100%) en soms uitgesplitst naar hoge, middelhoge en lage wolkenlagen. Dit is de belangrijkste variabele voor PV-prognoses en ook de moeilijkste om nauwkeurig te voorspellen.

Temperatuur — luchttemperatuur op 2 meter, gebruikt om de celtemperatuur te schatten en het temperatuureffect op het paneelvermogen te berekenen.

Windsnelheid en windrichting — beïnvloedt de celtemperatuur via convectieve koeling. Een winderige dag betekent koelere panelen en een iets hoger rendement.

Zonnestraling aan het oppervlak — sommige modellen geven direct de globale horizontale instraling (GHI) of de componenten ervan. Dat is de meest direct bruikbare variabele, maar ze wordt in het model berekend met dezelfde wolken- en atmosfeerdata en erft dus dezelfde onzekerheden.

Luchtvochtigheid en aerosolbelasting — bepalen hoe doorzichtig de atmosfeer is en de verhouding tussen directe en diffuse straling.

Het resolutieprobleem

Als we zeggen dat GFS een “resolutie van 13 km” heeft, betekent dat dat elke rastercel ongeveer 13 km × 13 km groot is. Het model berekent voor dat hele gebied één set atmosferische omstandigheden.

Jouw zonnestroominstallatie beslaat misschien 40 vierkante meter.

Die schaalkloof heeft echte gevolgen. Een cumuluswolk van 2 km breed kan je panelen 20 minuten lang beschaduwen, maar als hij in een rastercel hangt die verder helder is, meldt het model misschien 10% bewolking voor de hele cel. Dat vertaalt zich naar een zachte, gemiddelde afname van de instraling, niet naar het scherpe aan-uitpatroon dat je in werkelijkheid ervaart.

Hogere resolutie helpt. Het Duitse nest van ICON met 2,2 km kan losse convectiecellen al beginnen op te lossen. Maar zelfs 2 km is enorm vergeleken met jouw dak.

Daarom heeft elke zonneprognose een ondergrens aan onzekerheid die geen enkele verfijning van het PV-model kan wegnemen. Het weermodel kan simpelweg niet zien wat er op jouw locatie gebeurt met de precisie die je panelen ervaren.

Prognosehorizon en afnemende nauwkeurigheid

De nauwkeurigheid van NWP neemt af met de tijd, en de snelheid verschilt per variabele:

Temperatuurverwachtingen zijn relatief stabiel. Voorspellingen voor de volgende dag zitten meestal binnen 1-2°C, en zelfs verwachtingen voor 3 dagen vooruit zijn redelijk. Temperatuur verandert langzaam en wordt goed bepaald door grootschalige atmosferische patronen.

Bewolking verslechtert veel sneller. Wolkenverwachtingen voor de volgende dag zijn bruikbaar, maar vaak niet juist in timing en bedekking. Op dag 3 zijn concrete wolkenvoorspellingen onbetrouwbaar: het model kan “half bewolkt” melden, maar niet of de wolken om 14:00 boven je dak hangen.

Zonnestraling erft de onzekerheid van bewolking. Dagtotalen voor de volgende dag zitten gemiddeld misschien binnen 15-20%. Uurwaarden kunnen bij halfbewolkt weer 50% of meer afwijken.

Dat patroon bepaalt hoe je een prognose gebruikt. Een dag vooruit: plan je verbruik. Drie dagen vooruit: alleen grove planning. Een week vooruit: hooguit de algemene trend.

Updatecycli van modellen

Mondiale NWP-modellen draaien meestal elke 6 uur (00, 06, 12, 18 UTC). Elke run duurt 1-3 uur rekenen, dus tegen de tijd dat de data beschikbaar is, is hij al een paar uur oud. Een prognose uit de run van 00 UTC is misschien pas om 03-04 UTC beschikbaar.

Voor zonneprognoses betekent dit dat ochtendverwachtingen voor “vandaag” gebaseerd zijn op atmosferische data van enkele uren eerder. De omstandigheden kunnen veranderen, vooral bij convectieve wolken die in lente en zomer snel ontstaan in de middag.

Sommige regionale modellen draaien vaker (elk uur of elke 3 uur) en geven verser data, maar dan voor een kleiner gebied.

Waarom meerdere modellen ertoe doen

Geen enkel NWP-model is overal en altijd het beste. GFS kan beter presteren dan ECMWF bij een bepaalde stormbaan. ICON kan de Midden-Europese bewolking raak voorspellen terwijl GFS hem mist. De kwaliteit van een model verschilt per seizoen, weertype en locatie.

Geavanceerde prognosesystemen gebruiken multimodel-ensembles: ze combineren de uitvoer van meerdere NWP-modellen om systematische afwijkingen te verkleinen. Sommige draaien ook ensembleverwachtingen binnen één model: je verstoort de beginvoorwaarden een klein beetje en draait de simulatie meerdere keren om de onzekerheid van de verwachting te schatten.

De praktische les voor wie een zonneprognose gebruikt: vertrouw nooit blind op één weerbron. De beste prognose gebruikt de beste beschikbare weerdata voor jouw regio en tijdshorizon, en erkent bij voorkeur de onzekerheid die in die weerinvoer zit.

Weten waar de weerdata vandaan komt maakt je prognose niet nauwkeuriger, maar je begrijpt wel waarom de prognose de ene dag raak is en de andere dag mist. Het PV-model is niet de zwakke schakel. De atmosfeer is dat.