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\n", "
\n", "
\n", "

Hausarbeit Data Science 1

\n", "

Sommersemester 2025

\n", "
" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-0", "metadata": { "editable": true, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "# Bearbeitet von:\n", "\n", "Bitte fügen Sie hier eine Zelle mit den Informationen ein, wer an der Hausarbeit\n", "mitgewirkt hat!\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-1", "metadata": { "editable": true, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [] }, "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-2", "metadata": { "editable": false, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-3", "metadata": { "editable": false, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "# Aufgabe (Python Basics)\n", "\n", "Solar Energie ist eine wichtige Energiequelle bei der Transformation hin zu\n", "einer Reduktion des CO2 Ausstoßes. Dabei gab es in den letzten Jahren sowohl\n", "technische Entwicklungen, z.B. Effizienzsteigerungen bei den Solarpanelen,\n", "als auch politische Entwicklung, z.B. in Bezug auf die Förderung von Solarenergie.\n", "\n", "Seit ca. 2017 gibt es die Möglichkeit, kleinere Solaranlagen ({\\em \n", "Balkonkraftwerke}) ohne großen Aufwand aufzustellen und über einen Stecker\n", "an das Hausnetz anzuschließen. Diese Anlagen sind auf eine Leistung von 800 W\n", "beschränkt.\n", "\n", "In Deutschland müssen diese Balkonkraftwerke allerdings im sogenannten\n", "*Marktstammdatenregister* angemeldet. Dieses Register ist öffentlich\n", "einsehbar und dient als Datengrundlage für diese Hausarbeit.\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-4", "metadata": { "editable": false, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "## Vorbereitung\n", "\n", "Laden Sie die Dateien `Hausarbeit-Solar.ipynb` und `solar.py`\n", "in Ihr Verzeichnis auf dem Jupyter-Server hoch. Die Datei `solar.py`\n", "ist ein kleines Modul, dass für diese Aufgabe benötigt wird. Beide Dateien\n", "müssen sich im gleichen Verzeichnis auf dem Jupyter-Server befinden.\n", "\n", "Sobald Sie die Dateien hochgeladen haben, können Sie in Ihrem Jupyter-Notebook\n", "die ersten zwei Zellen ausführen, die das Modul `solar` importieren\n", "die Funktion für die Liste der Solaranlagen zeigt:\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 1, "id": "cell-5", "metadata": { "editable": true, "execution": { "iopub.execute_input": "2025-07-06T20:16:35.382082Z", "iopub.status.busy": "2025-07-06T20:16:35.381742Z", "iopub.status.idle": "2025-07-06T20:16:35.385903Z", "shell.execute_reply": "2025-07-06T20:16:35.385533Z", "shell.execute_reply.started": "2025-07-06T20:16:35.382064Z" }, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [] }, "outputs": [], "source": [ "import solar" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-6", "metadata": { "editable": false, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 2, "id": "cell-7", "metadata": { "editable": true, "execution": { "iopub.execute_input": "2025-07-06T20:16:36.526690Z", "iopub.status.busy": "2025-07-06T20:16:36.526318Z", "iopub.status.idle": "2025-07-06T20:16:36.528831Z", "shell.execute_reply": "2025-07-06T20:16:36.528480Z", "shell.execute_reply.started": "2025-07-06T20:16:36.526675Z" }, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [] }, "outputs": [], "source": [ "liste = solar.anlagen()" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-8", "metadata": { "editable": false, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "\n", "Die Funktion `anlagen()` liefert eine Liste der installierten Balkonkraftwerke\n", "in der Stadt Bochum. Jeder Eintrag der Liste ist ein Tupel in folgendem Format:\n", "\n", "
(nr, name, status, brutto, netto, datum, plz, ort, anzahl)
\n", "\n", "Dabei bezieht sich die Komponente `name` auf die Bezeichnung der Anlage,\n", "die vom Besitzer gewählt wurde. Die Werte in `status`, `brutto`\n", "und `netto` geben an, in welchem Status sich die Anlage aktuell befindet\n", "und wie hoch die Brutto- bzw. Nettoleistung der Anlage ist.\n", "\n", "Das `datum` ist der Tag der Inbetriebnahme und `anzahl` die\n", "Anzahl der einzelnen Module, die zur Anlage gehören. `plz` und `ort`\n", "geben natürlich die Postleitzahl und den Ort an.\n", "Hier ist ein kleines Beispiel, wie die Daten zu benutzen sind:\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-9", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "import solar" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-10", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-11", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "liste = solar.anlagen()" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-12", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-13", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "anlage24 = liste[23]" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-14", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-15", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# (24, 'WAT-Garage-740Wp', 'Vorübergehend stillgelegt', 0.6, 0.6, '2022-03-01', 44866, 'Bochum', 2.0)" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-16", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "\n", "\n", "Die Anlage an der Position 23 hat die Nummer 24 und den Status `Vorübergehend stillgelegt`. \n", "Die Anlage hat 0.6 kWp, also 600 Watt maximale Leistung und wurde\n", "am 1.3.2022 in Betrieb genommen. Sie besteht aus 2 Modulen und ist irgendwo im PLZ\n", "Bereich 44866 in Bochum aufgestellt worden.\n", "\n", "Der Name `WAT-Garage-740Wp` klingt ein wenig so, als wäre Sie auf einer Garage\n", "installiert worden. Dieser Namen kann allerdings vom Benutzer beliebig ausgefüllt\n", "werden.\n", "\n", "\n", "Für eine derartige Liste sollen Sie die folgenden Aufgaben lösen:\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-17", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 1.1\n", "\n", "Schreiben Sie eine Funktion `plzs(liste)`, die als Parameter \n", "die obige Liste bekommt und die Menge der Postleitzahlen zurückgibt, für die \n", "es Anlagen in der Liste gibt. \n", "\n", "Das bedeutet insbesondere, das jede PLZ nur einmal im Ergebnis vorkommt.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-18", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 1.1:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-19", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-20", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 1.2\n", "\n", "Schreiben Sie eine Funktion `anlagen_plz(liste, plz)`, die für \n", "die gegebene Liste und eine angegebene Postleitzahl die Liste der Anlagen mit\n", "dieser Postleitzahl zurückliefert.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-21", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 1.2:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-22", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-23", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 1.3\n", "Geben Sie eine Funktion `anzahl_plz(liste)` an, die die Liste \n", "von Anlagen bekommt und eine Liste mit Tupeln der folgenden Art berechnet:\n", "\n", "
\n", "[ (plz, anzahlAnlagen), ...]\n", "
\n", "\n", "D.h. jedes Tupel besteht aus der PLZ und der Anzahl der Anlagen, die in diesem\n", "PLZ-Gebiet aufgestellt wurden. \n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-24", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 1.3:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-25", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-26", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 1.4\n", "Schreiben Sie ein Funktion `nettoleistung_plz(liste, jahr)`, \n", "Summe der installierten Nettoleistung aller Anlagen für das angegebene\n", "Postleitzahlengebiet berechnet.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-27", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 1.4:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-28", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-29", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 1.5\n", "\n", "Schreiben Sie eine Funktion `nettoleistung_pro_plz(liste)`, \n", "die eine Liste von Tupeln berechnet, wobei jedes Tupel die Form\n", "
\n", "(plz, summeNettoleistung)\n", "
\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-30", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 1.5:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-31", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-32", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 1.6\n", "\n", "Ursprünglich waren Balkonkraftwerke mit einer Leistung von 600 Watt\n", "erlaubt. Dies wurde später auf 800 Watt erhöht. Schreiben Sie eine Funktion\n", "mit dem Namen `anlagen_groessen(liste)`, die ein Tupel mit 3 Werten zurückliefert:\n", "\n", "
\n", "(anzahlBis300, anzahlBis600, anzahlUeber600)\n", "
\n", "\n", "Der erste Wert soll die Anzahl der Anlagen mit maximal 300 Watt Nettoleistung\n", "enthalten, der zweite Wert, die Anzahl der Anlagen mit mehr als 300 Watt\n", "und maximal 600 Watt und der letzte Wert die Anzahl der Anlagen über 600 Watt\n", "Nettoleistung.\n", "\n", "Die Summe der Werte soll der Gesamtanzahl der Anlagen in der Liste entsprechen,\n", "d.h. eine Anlage mit 500 Watt wird nur im zweiten Wert mitgezählt.\n", "\n", "**Hinweis:** Die Netto- und Bruttoleistung in der Liste ist in Kilowatt angegeben!\n", "\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-33", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 1.6:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-34", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-35", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "# Aufgabe 2\n", "\n", "Über das Marktstammdatenregister sind noch ein Vielzahl weiterer Informationen\n", "erhältlich. Unter der URL {\\ttfamily https://data.hsbo.de/solaranlagen.csv}\n", "finden Sie ein recht große Datei (ca. 250 MB) mit alle registrierten Solaranlagen\n", "und Batteriespeichern in NRW.\n", "\n", "Die folgende Tabelle enthält einen gekürzten Ausschnitt der Daten (der Datensatz selbst\n", "enthält natürlich noch weiter Zeilen und Spalten). \n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "
MaStR_NrEnergieträgerBruttoleistungNettoleistungInbetriebnahmedatumPostleitzahlOrtHauptausrichtung_SolarModuleSpeicherkapazität_in_kWh
SEE905808760517Speicher0.80.82025-05-1746535Dinslakennan1.7
SEE974955965786Speicher0.80.82025-05-1453173Bonnnan1.6
SEE966245238847Solare Strahlungsenergie9.69.62025-04-0342857RemscheidSüdnan
SEE996777995970Speicher1.60.82025-05-1758332Schwelmnan1.36
SEE917078398369Solare Strahlungsenergie8.88.82025-05-1640593DüsseldorfOst-Westnan
SEE995208370003Solare Strahlungsenergie7.06.0nan53842TroisdorfWestnan
SEE955484636125Speicher0.80.82025-05-1847475Kamp-Lintfortnan1.6
SEE918545312802Solare Strahlungsenergie8.08.02024-11-0553909ZülpichSüd-Westnan
SEE912711884681Speicher0.80.82025-05-1652531Übach-Palenbergnan2.0
SEE925354188740Solare Strahlungsenergie14.7210.02025-05-1548431RheineOst-Westnan
\n", "\n", "Die Bedeutung der Spalten ist weitestgehend selbsterklärend. Mit *Hauptausrichtung_SolarModule*\n", "ist z.B. die Himmelsrichtung\n", "gemeint, in die die Module hauptsächlich ausgerichtet sind.\n", "\n", "Natürlich sind für einige Datensätze bestimmte Spalten leer, bzw. enthalten den Wert *nan*,\n", "was für einen leeren Wert steht. Dies liegt z.B. daran, dass ein Datensatz, der einen Energiespeicher\n", "(Batterie) darstellt, keine Himmelsrichtung hat, in die die Batterie ausgerichtet ist.\n", "\n", "\n", "\n", "Wir sind in dieser Aufgabe auf der Suche nach Antworten auf Fragen wie z.B.:\n", "\n", " - Wie hat sich die Gesamtleistung der Solaranlagen in NRW über die Jahre entwickelt?\n", " - Welche Städte haben den meisten Zuwachs in Solar-Kapazitäten?\n", " - Wie hat sich parallel dazu die Batterie-Kapazität entwickelt?\n", "\n", "\n", "Hintergrund dieser Aufgabe ist es, dass Sie sich mit einem unbekannten Datensatz\n", "vertraut machen und mit Hilfe von Pandas untersuchen, welche Informationen aus den\n", "Daten herausgesucht werden können.\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-36", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 2.1\n", "\n", "Zunächst sollen ein paar generelle Informationen berechnet werden:\n", "\n", " - Wieviele verschiedene Anlagen gibt es in dem Datensatz? Über welchen Zeitraum sind überhaupt Daten verfügbar?\n", " - Gibt es ungewöhnliche Werte? Welche min/max Werte gibt es z.B. bei den numerischen Spalten? Sind irgendwelche Wert ggf nicht schlüssig?\n", " - Wieviele verschiedene Städte sind in dem Datensatz mit aufgeführt?\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-37", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 2.1:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-38", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-39", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 2.2\n", "\n", "Berechnen Sie die Anzahl der in Betrieb genommenen Solaranlagen pro Jahr. Welchen Zeitraum\n", "würden Sie sinnvollerweise dazu betrachten? Lesen Sie dazu ggf. nochmal die Einleitung zu Aufgabe 1.\n", "Erstellen Sie einen Plot, der die Entwicklung der in Betrieb genommenen Anlagen zeigt.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-40", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 2.2:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-41", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-42", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 2.3\n", "\n", "Erstellen Sie auch einen Plot, der Summe der Nettoleistungen pro Jahr. Was fällt Ihnen dabei auf?\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-43", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 2.3:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-44", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-45", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 2.4\n", "\n", "Berechnen Sie auch die Anzahl und die Gesamtkapazität der in Betrieb genommenen Batterie-Speicher.\n", "Die Preise für Batterie-Speicher sind in den letzten Jahren ja stetig gefallen. Erstellen Sie einen\n", "Plot, der die Summe der Speicherkapazitäten pro Jahr zeigt.\n", "\n", "Ist mit den gesunkenen Preisen auch die Kapazität der installierten Batteriespeicher stark gestiegen?\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-46", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 2.4:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-47", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-48", "metadata": { "editable": false, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 2.5\n", "\n", "Betrachten Sie nochmal nur die Solaranlagen. Dort wird für jede Anlage die Nettoleistung und die Anzahl\n", "der Module angegeben. Man könnte nun als Kennzahl für die Effizienz von Modulen die Nettoleistung durch\n", "die Anzahl der Module teilen. \n", "\n", "Berechnen Sie basierend auf dieser Überlegung die durchschnittliche Effizienz der Module pro Jahr\n", "und erstellen Sie einen Plot dazu. Wie hat sich die Effizienz der Module über die Jahre entwickelt?\n", "\n", "Gibt es Probleme bei dieser Rechnung (vgl. die generellen Informationen aus 2.1)?\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-49", "metadata": { "editable": true, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [] }, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 2.5:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-50", "metadata": { "editable": true, "slideshow": { "slide_type": "" }, "tags": [] }, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-51", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 2.6\n", "\n", "Interessant ist natürlich auch die unterschiedliche Entwicklung in den einzelnen Städten.\n", "Welche Städte haben die größte installierte Leistung (Nettoleistung) von Solarmodulen?\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-52", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 2.6:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-53", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-54", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 2.7\n", "\n", "Nehmen Sie zwei Städte ihrer Wahl und vergleichen Sie die Entwicklung über die vergangenen\n", "zehn Jahre. Gibt es dort Unterschiede in der Zunahme der Solar-Leistung?\n", "\n", "\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-55", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 2.7:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-56", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] }, { "cell_type": "markdown", "id": "cell-57", "metadata": { "editable": false, "tags": [ "aufgabe" ] }, "source": [ "### Aufgabe 2.8\n", "\n", "Betrachten Sie die Anlagen der Stadt Bochum. Wieviele Anlagen gibt es insgeamt in der\n", "Stadt? In welchem Stadtbezirk finden Sie die meisten Anlagen? Wo finden Sie die größten Anlagen (Nettoleistung)?\n", "Wie teilen Sie das auf?" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-58", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [ "# Hier ist Platz fuer ihre Loesung zu Aufgabe 2.8:\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": null, "id": "cell-59", "metadata": {}, "outputs": [], "source": [] } ], "metadata": { "kernelspec": { "display_name": "Python 3 (ipykernel)", "language": "python", "name": "python3" }, "language_info": { "codemirror_mode": { "name": "ipython", "version": 3 }, "file_extension": ".py", "mimetype": "text/x-python", "name": "python", "nbconvert_exporter": "python", "pygments_lexer": "ipython3", "version": "3.12.11" } }, "nbformat": 4, "nbformat_minor": 5 }