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In Zukunft werden Gebäude viel stärker mit dem Stromnetz interagieren. Die Grenzen zwischen Stromerzeuger und Stromverbraucher werden dabei fließend. Daher sollen Gebäude netzdienlich werden und mit dem öffentlichen Stromnetz kooperieren, welches in immer stärkerem Maße regenerativ erzeugten Strom bereithält. Auch in der Wärmeversorgung gibt es große Veränderungen: Im urbanen Raum werden einzelne Gebäude zu größeren Energieeinheiten verbunden und in den dafür notwendigen Wärmenetzen fließt zunehmend erneuerbare Energie. Hinzu kommt, dass Strom- und Wärmesysteme immer stärker gekoppelt sind, beispielsweise über elektrisch angetriebene Wärmepumpen und thermisch aktivierte Bauteilsysteme. Es werden also zunehmend mehr komplexe Gebäude- und Quartiersenergiekonzepte und vernetzende Energiesysteme geplant und gebaut.

Unter diesen Vorzeichen will das Bundeswirtschaftsministerium mit der neuen Forschungsinitiative ENERGIEWENDEBAUEN die Forschung im Bereich Gebäude und Quartiere stärker bündeln. Der erste Auftritt der neu formierten Initiative war der 1. Kongress ENERGIEWENDEBAUEN am 30 und 31. Januar in Berlin. Rund 350 Teilnehmer aus Forschungsinstituten, Hochschulen, Architektur- und Planungsbüros, Politik, Energieversorgern, Städten und Gemeinden sowie der Immobilienwirtschaft diskutierten im energiehistorischen Ambiente des Schöneberger Gasometers, wie die Energieversorgung von Gebäuden und Quartieren zukunftsfähig gestaltet werden kann. 

Ein Veranstaltungsbericht von Uwe Friedrich und Johannes Lang
Hinweis: Zum Kongress gibt es einen umfassenden Tagungsband als PDF-Dokument.

Ort der Veranstaltung war der Schöneberger Gasometer. Vor gut hundert Jahren von den Berliner Gaswerken errichtet, versorgte er zunächst die Berliner Straßenbeleuchtung und die steigende Zahl privater Gasherde. Heute ist er das Wahrzeichen des EUREF-Campus, ein CO2-neutrales Vorzeigequartier mit dezentraler Energieversorgung und zugleich Standort von Forschungseinrichtungen und Unternehmen, welche sich mit der Energiewende befassen.

Das von der Bundesregierung gesetzte Ziel, den Gebäudebestand bis 2050 klimaneutral zu gestalten, erfordert eine Senkung des Energieverbrauchs im Gebäudesektor um 80 Prozent im Vergleich zu heute. Das erfordere gewaltige Anstrengungen, betonte Dr. Frank Heidrich vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) bei der Begrüßung der Konferenzteilnehmer. Die Energiewende sei zwar schon ein gutes Stück vorangekommen; das liege nicht zuletzt an vorbildlichen Projekten aus der Forschung. Doch bei der Überführung der in der Forschung entwickelten Konzepte und Technologien in die breite Anwendung gebe es noch großen Handlungsbedarf. „Da müssen wir noch eine Schippe drauflegen“, fügt Heidrich hinzu. Das soll mit der neuen Forschungsinitiative ENERGIEWENDEBAUEN erreicht werden. Sie fasst die Forschungsfelder Förderschwerpunkte Energieoptimierte Bauen (EnOB), Energieeffiziente Stadt (EnEff:Stadt) und Energieeffiziente Wärmeversorgung (EnEff:Wärme) unter einem Dach zusammen und ergänzt diese um die Themen thermische Energiespeicher und Niedertemperatur-Solarthermie. Auf diese Weise soll Forschung gebündelt und die Themen vernetzt werden.

Keynotes: Energiewende aus vier Perspektiven

In vier Impulsvorträgen wurden die Teilnehmer auf die mit der Energiewende verbundenen Herausforderungen eingestimmt und die Chancen und Trends benannt. Für Kamel Ben Naceur, Direktor für Sustainability, Technology and Outlooks in der Internationalen Energie-Agentur (IEA), sind in der globalen Perspektive energieeffiziente Städte der Schlüssel zur Reduktion von Klimagasemissionen. Hierbei sei der Wechsel von Verbrennungsmotoren auf elektrische Verkehrssysteme entscheidend. Aber auch Kraft-Wärme-Kopplung und städtische Wärmenetze leisteten einen ebenso wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung wie die erneuerbaren Energieformen. Im globalen Maßstab sieht Ben Naceur hierbei für die Biomasse eine dominante Rolle, wenn das Zwei-Grad-Ziel bis 2050 erreicht werden soll.

© BINE Informationsdienst

Für Christian Stolte von der Deutschen Energie-Agentur (dena) ist die Energiewende eigentlich ein gesamtgesellschaftliches Thema, das bislang zu sektorenhaft und nach spezifischen Interessen begriffen und diskutiert werde. Aus Sicht der Verbraucher gehe es um ganz pragmatische Lösungsansätze: So müssten Gebäudesanierungen einfacher durchführbar werden.
Hier will das dena-Projekt Individueller Sanierungsfahrplan für Wohngebäude ansetzen. Zusätzlich sollte die Qualifizierung von Beratern und Handwerker verstärkt und die Rahmenbedingungen durch Förderung und zuverlässige Information verbessert werden.

© BINE Informationsdienst

Um auch zukünftig eine stabile und sichere Stromversorgung zu gewährleisten, müssen die Stromnetze an die Veränderungen der Erzeugungsstruktur angepasst werden. Der Netzausbau stellt den Schlüssel zum Erfolg der Energiewende dar. Und zum Netzausbau gehören seit jeher Freileitungen, an denen sich die Menschen neuerdings mehr und mehr stören. Seit kurzem räumt der Gesetzgeber den vier Übertragungsnetzbetreibern jedoch verstärkt Möglichkeiten ein, Stromleitungen auch unterirdisch zu verlegen. Florian Bokermann vom Übertragungsnetzbetreiber Tennet TSO berichtete von den Ausbauzielen des Südlink-Projekts. Er sieht diese Stromschiene, die den Norden und Süden Deutschlands bis 2025 mit einer leistungsfähigen Stromleitung verbinden soll, als „Hauptschlagader“ der Energiewende. Doch ein solch massiver Netzausbau erfordere Akzeptanz. Als Erfolg verbucht Bokermann das beim Netzausbau inzwischen praktizierte Bürgerbeteiligungsmodell mit webbasierten Tools und Veranstaltungen vor Ort. Denn eine intensive Dialogkultur ist ein wichtiger Erfolgsfaktor bei der Planung und Umsetzung von Leitungsbauvorhaben. In der sich anschließenden Diskussion wurde die Forderung nach einheitlichen Netzentgelten und damit einer gerechteren Lastenverteilung unter den Regionen an den großen Stromtrassen angesprochen. Denn derzeit müssen auch Regionen ohne Entnahmepunkt Entgelte zahlen. Die gute Nachricht: Das BMWi plant eine schrittweise Angleichung der Netzentgelte.

© BINE Informationsdienst

Dr. Fiona Williams von dem Mobilfunk-Netzwerkausrüster Ericsson sieht mit 5G die nächste Generation des Mobilfunks in den Startlöchern. Diese Technologie sei auch für vernetzte Anwendungen in Energietechnik und Verkehr hochinteressant. Denn 5G ermögliche in wenigen Jahren extrem hohe Übertragungsraten (Faktor 1.000), bei deutlich geringerem Energieaufwand (Faktor 10), höhere Reichweiten und eine bessere Gebäudedurchdringung (20 dB) sowie extrem geringe Latenzen für Echtzeitanwendungen (< 5 ms). Der neue Mobilfunkstandard könnte daher zur technologischen Basis von Smart Grids und zukünftigen Gebäuden und Quartieren als intelligent vernetzte Energieeinheiten werden.

© BINE Informationsdienst

Modellprojekte aus der Forschung

Im weiteren Verlauf der Veranstaltung wurden mehrere modellhafte Forschungsprojekte präsentiert: Mehrere Plusenergie- und netzdienliche Gebäude, unterschiedliche dezentrale Energieversorgungskonzepte für Stadtquartiere, neue Ansätze für Wärme- und Kältenetze sowie Methoden und Werkzeuge zur Simulation und integralen Planung von Gebäuden, Quartieren und Städten.

Netzdienliche Gebäude bewerten

Prof. Antonello Monti vom Institute for Automation of Complex Power Systems (ACS) der RWTH Aachen widmete sich netzreaktiven Gebäuden und ihrer energetischen Bewertung. Die Grid-Revolution ermögliche Gebäuden eine neue Rolle – sie werden netzdienlich und damit Teil des Gesamtenergiesystems. Gebäude, die verstärkt mit dem elektrischen Netz interagieren und ihre thermische Speicherkapazität für das elektrische Netz bedarfsweise zur Verfügung stellen können, müssen mit Blick auf das energetische Gesamtsystem bewertet werden. Dabei sollten die Einflüsse der elektrischen Erzeugung und der Lasten in Gebäuden auf das Netz untersucht werden. Die dynamische Betriebsweise, welche die Interaktion mit dem elektrischen Netz fallweise erfordert, muss hierbei berücksichtigt werden. Dazu stellte Monti eine Bewertungsmethode vor, die er als ersten Schritt zu einer ganzheitlichen Bewertung sieht.

Neubau Rathaus Freiburg: Netzdienliches Netto-Nullenergie Bürogebäude?

Die Stadt Freiburg errichtet im ersten Bauabschnitt des neuen Verwaltungszentrums im Stadtteil Stühlinger eines der europaweit größten Gebäude mit der Zielsetzung "Plusenergiegebäude". Mit dem Neubau sollen 16 verschiedene Ämter jetzt an einem Standort konzentriert werden. Ab März 2017 werden hier 840 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter einziehen. Die anderen beiden Gebäude (BA 2 und 3) sollen bis 2018 fertig gestellt sein. Dr. Peter Engelmann vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) erläuterte das Gebäudeenergiekonzept und das geplante Gebäude-Monitoring. Das Energiekonzept zeichnet sich durch innovative und zugleich schlanke Gebäudetechnik bei hohen Anforderungen an den Nutzerkomfort aus.

© Stadt Freiburg

Die wissenschaftliche Evaluierung auf Basis einer umfangreichen Datenerfassung wird ab Juli 2017 starten. Hierbei wird die Frage zu klären sein, ob und wie der Betrieb des neuen Verwaltungszentrums netzdienlich gestaltet werden kann. Immerhin konnte bereits per Simulation festgestellt werden, das 100% des erzeugten Photovoltaik-Stroms im Gebäude genutzt werden kann.

Plusenergie – eine Frage der Bilanzgrenzen

Ob das neue Gebäude auch wirklich ein Plusenergiegebäude wird, ist eine Frage der Bilanzgrenzen. In diesem Fall wird für die Primärenergiebilanz der Energiebedarf für Heizung, Lüftung, Beleuchtung und Kühlung nach EnEV berücksichtigt. Nutzungsabhängige Bedarfe, etwa für Arbeitsgeräte, EDV und Kantine werden nicht einbezogen. Um eine ausgeglichene Primärenergiebilanz durch Energiegewinnung am Gebäude zu erreichen, besteht bei großen Gebäuden generell die Herausforderung, dass die Nutzfläche und damit der Energiebedarf schneller steigt als die zur Verfügung stehenden Flächen zur Energiegewinnung wie Dach und Fassaden.

Zum Ausgleich des Energiebezugs wird am neuen Verwaltungszentrum nahezu die gesamte Gebäudehülle zur Energiegewinnung genutzt. Hauptsächlich kommt Photovoltaik zum Einsatz, kombiniert mit photovoltaisch-thermischen Hybridkollektoren und einem Biogas-Kessel. Die Niedertemperatur-Wärmeversorgung basiert auf grundwassergekoppelten Wärmepumpen, Heizung und Kühlung erfolgt über Flächensysteme (Betonkernaktivierung in Kombination mit Randstreifenelementen), sodass mit niedrigen Temperaturen geheizt wird. Die Kühlung wird nahezu vollständig mit Umweltenergie aus Grundwasserbrunnen realisiert. Die Pfosten-Riegel Fassade des Gebäudes ist hochwärmegedämmt, mit Passivhauskomponenten wie Fenstern mit Dreischeibenverglasung und mechanischer Lüftung mit Wärmerückgewinnung. Aufgrund der sehr guten Wärmedämmung sind die Heiz- und Kühllasten gering.

Sanierung Berufskolleg Detmold zur Plusenergieschule

Auf dem Campus des Berufskollegs in Detmold wurden drei Schulgebäude und eine Sporthalle grundlegend saniert. Die Aufenthaltsqualität und der Raumkomfort konnten entscheidend verbessert werden. Harald Semke vom Architekturbüro pape oder semke erläutert die ehrgeizigen Ziele für das Projekt: So sollte der Energiebedarf um 75 Prozent reduziert werden, der Heizwärmebedarf sogar um 94 Prozent. Mittels Solarstromerzeugung und Nutzung von Fernwärme aus überwiegend Biomasse und Kraft-Wärme-Kopplung können die Gebäude dann Plusenergie-Niveau erreichen.

Auch bautechnisch geht man neue Wege: Zwecks Wärmedämmung werden auf die Außenwände vorgefertigte Module in Holztafelbauweise montiert, die mit Zellulose befüllt werden. Dadurch kann die Bauzeit deutlich verringert werden. Die Photovoltaik-Module auf den flach geneigten Dächern sind visuell in die Dachebene integriert. Die Gebäude sind weiterhin an das städtische Fernwärmenetz angeschlossen, was die Primärenergiebilanz günstig beeinflusst. Das Gebäude wird jetzt im Betrieb wissenschaftlich evaluiert.

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© pape oder semke Architekturbüro Detmold

SWIVT Siedlungsbausteine für bestehende Wohnquartiere

In diesem Projekt geht es um die Entwicklung einer interdisziplinären Planungsstrategie für die Einbindung von Bestandsgebäuden in ein Smart Grid. Dazu sollen innovative Energietechnologien auf Siedlungsebene miteinander vernetzt werden. Die Forscher von der TU Darmstadt, der Universität Stuttgart und der AKASOL GmbH wollen mit innovativen Technologien und auf Basis erneuerbarer Energien Strom und Wärme erzeugen, speichern und über ein intelligentes Energiemanagementsystem das komplette Wohnquartier energetisch steuern. Sie gehen davon aus, dass sich mit diesem Konzept die Energiebilanz der betrachteten Postsiedlung in Darmstadt im Vergleich zur konventionellen Sanierung um mindestens 30 Prozent verbessern kann, dabei bleiben die Sanierungseingriffe überschaubar.

© TU Darmstadt

Intelligente Steuerung der Energieflüsse

Bisher liegt der Schwerpunkt einer energetischen Sanierung oft in der Verbesserung der Gebäudehülle und in der Einbindung innovativer Einzelkomponenten in das jeweilige Energiesystem. Stromspeichertechnologien werden selten berücksichtigt, die Speicherung von Wärme beschränkt sich zumeist auf kleine Systemlösungen. Energiekonzepte mit einem gekoppelten Strom-Wärme-Netz und entsprechend eingebundenen Energiespeichern wird auf Quartiersebene bislang nicht umgesetzt.

Im Forschungsvorhaben SWIVT steht deshalb neben hochwertigem Wohnraum und einem hybriden Speichersystem vor allem die intelligente Steuerung der Energieflüsse im Fokus. Das schafft Synergien und macht weitere Energiesparpotenziale nutzbar. Durch den verringerten Bedarf von Sanierungsarbeiten an der Gebäudehülle werden Planungs- und Bauaufwand vermieden sowie Zeit und Ressourcen gespart. Und mit dem flexiblen Betrieb der Energietechnik können die Quartiere selbst Systemdienstleistungen für die Endnutzer vor Ort und darüber hinaus für Netzbetreiber oder den Stromhandel erbringen. Die Forscher entwarfen drei Energieversorgungsszenarien mit dem Ziel, eine optimale Betriebsstrategie zu finden. Sie sind modulartig angelegt und ermöglichen somit eine produktneutrale, bedarfsabhängige und flexible Einbindung innovativer Komponenten wie beispielsweise hybride Speicher für Strom und Wärme gleichermaßen. Das Konzept ist deshalb auf unterschiedliche Quartiere übertragbar.

Vernetzte Quartiere für den Zukunftsraum Wolfsburg

In Wolfsburg wird die Umsetzung energetischer Quartierskonzepte in systemisch vernetzten Quartieren erforscht. Für die dazu notwendige Konversion der städtischen und technischen Infrastrukturen wollen Wissenschaftler der TU Braunschweig zusammen mit der Stadt Wolfsburg maßgebliche Technologien im Bereich der Energieeffizienz, regenerativer Energieerzeugung und Vernetzung in integralen Planungsprozessen berücksichtigen. Dabei bewerten sie, welche technischen Komponenten und Schnittstellen für Bausteine eines Smart Grids auf verschiedenen Maßstabsebenen (Gebäude, Block, Quartier) erforderlich sind. Um dadurch die Umsetzung nachhaltiger Quartierskonzepte forcieren zu können, bringt das Projekt unterschiedliche Akteure im Bereich der Stadtentwicklung und Stadtplanung sowie der Planung technischer Infrastruktur wie Kommune, Stadtwerke, VW, Wohnbauträger und Forscher verschiedener Disziplinen zusammen. Ziel ist es, die einzelnen Projekte frühzeitig in laufende Stadtplanungsprozesse zu überführen.

© TU Braunschweig, IGS

Drei neue Wohnquartiere systemisch vernetzen

Vor dem Hintergrund des knappe Wohnungsangebots will die Stadt Wolfsburg mit dem "Masterplan Wohnen & Bauen 2020" etappenweise mindestens 6.000 Wohneinheiten innerhalb der heutigen Stadtgrenzen schaffen. Der Masterplan sieht die größten Entwicklungspotenziale im Osten des Stadtgebiets. Dort sollen im Rahmen der Stadterweiterung drei neue Wohnquartiere entstehen: Hellwinkel Ost, Steimker Gärten und Nordsteimke-Hehlingen. Für diese Quartiere werden verschiedene Konzeptvarianten durch die TU Braunschweig erarbeitet. Im Kern soll untersucht werden, welche technischen Komponenten und Schnittstellen für Bausteine eines Smart Grids auf den verschiedenen Maßstabsebenen Gebäude, Block und Quartier erforderlich sind. Diese Quartierskonzepte werden mit den Zielen des übergeordneten Energiekonzepts abgeglichen, hinsichtlich ihrer Umsetzung nach Kosten-Nutzen-Gesichtspunkten optimiert und in die laufenden Planungsprozesse der Stadt Wolfsburg eingebunden. Für die projektbegleitende Evaluierung soll neben den Monitoring-Konzepten ein Werkzeug für das Energie- und Qualitätsmanagement im Betrieb entwickelt werden.

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Flexibilisierte Kälteerzeugung spart Primärenergie

Berlin-Adlershof ist einer der größten Forschungs- und Entwicklungsstandorte Deutschlands. Auf einer Fläche von über 4,2 km² sind mehr als 1.000 Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen ansässig – rund 21.000 Menschen arbeiten, forschen und studieren derzeit hier. Für den Standort Adlershof war im Rahmen des Projekts „High Tech – Low Ex: Energieeffizienz Berlin-Adlershof 2020“ ein Energiekonzept entwickelt worden, dann nun schrittweise umgesetzt wird. Ziel ist es, den Primärenergiebedarf in Adlershof bis 2020 um 30% zu senken. Das Verbundprojekt „Energienetz Berlin Adlershof“ leistet einen wichtigen Beitrag zur Erreichung dieses Ziels und schafft die Planungsgrundlagen für die effiziente Energieversorgung von Stadtquartieren. Ausgewählte energietechnische Konzepte und Maßnahmen aus dem Energiekonzept „HighTech – Low Ex“ sollen pilothaft umgesetzt werden. 

© Adlershof Projekt

Beteiligt sind die Technische Universität Berlin (TUB), die Siemens AG und Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTWB). Prof. Dr. Kai Strunz von der TU Berlin schilderte, wie dabei die Vernetzung auf Liegenschafts- und Quartiersebene zentraler Schwerpunkt ist. Einzelmaßnahmen umfassen die „Vernetzung von Energieströmen“, eine „Smart Grid Allianz“ sowie die dazugehörige „Energieleitplanung“.

Smart Grid für Strom, Wärme und Kälte

Die Maßnahme „Vernetzung von Energieströmen“ umfasst im Projekt „Berlin-Adlershof 2020“ eine hydraulische Optimierung des bestehenden Kältenetzes am Zentrum für Photonik und Optik (ZPO), die geothermale Kälteerzeugung mit Hilfe eines Aquifers sowie die Installation eines Soleverbunds.

Die Forscher erproben auf dem Campus zudem ein für die Energiewende beispielhaftes Smart Grid, das Strom, Wärme und Kälte umfasst. Im Fokus steht die Entwicklung eines Betriebsmodells, das die energetisch verbesserte Vernetzung der Kälteerzeuger erlaubt. Ziel ist es dabei, die Kälteerzeuger mit maximal möglicher Effizienz zu betreiben und ungünstige Teillastzustände zu vermeiden. Darüber hinaus soll die Erschließung des Aquifers die ganzjährige Kälteversorgung geeigneter Verbraucher auf Basis von freier Kühlung gewährleisten. Auf diese Weise wird der Bezug maschinell erzeugter Kälte reduziert.

Maßgeblich zur Umsetzung beitragen soll der Interessenpool „Smart Grid Allianz Adlershof“. Er umfasst Liegenschaften, die sich hinsichtlich ihres Lastverschiebungspotenzials und ihrer Einsparmöglichkeiten für eine Beteiligung am Aufbau des Smart Grid eignen. Für die Etablierung der Smart Grid Allianz ist eine umfassende Einbindung unterschiedlicher Akteure wichtig.

Um die Forschungsergebnisse mit der laufenden Quartiersentwicklung abzustimmen, soll das noch neue Instrument der Energieleitplanung erstmals im urbanen Kontext für Berlin-Adlershof angewandt werden Es zielt auf die energieeffiziente Deckung des künftigen Energiebedarfs im Rahmen der Stadtentwicklung ab. Auf Grund ihres hohen Detaillierungsgrads versteht sie sich als Schnittstelle zwischen Energienutzungsplanung und konkreter Projektplanung. Dabei verknüpft sie Energieversorgungssysteme (Angebot) mit der klassischen Flächennutzungs- bzw. Bebauungsplanung (Nachfrage) der Kommunen. In Berlin Adlershof werden unter Berücksichtigung der vorhandenen und der neu geplanten Energienetze modellhafte Nutzungs- und Funktionsvarianten entwickelt. Die Energieleitplanung wurde in Bayern ursprünglich für kleinere Wohngebiete (Ismaning) entwickelt.

Erneuerbare Wärme für Fernwärme

Bisher gibt es in Deutschland noch keine Beispiele für eine Einspeisung dezentral erzeugter Solarwärme in ein großes Fernwärmebestandsnetz. Zum Nachweis der Machbarkeit soll im Forschungsprojekt SWD.SOL ein Prototyp für die Kombination einer Solaranlage und einer Fernwärmeüberstation mit Rückspeisemöglichkeit in das Netz entwickelt werden. Die besondere Herausforderung besteht darin, die eingespeiste Wärme hinsichtlich Druck und Temperatur den wechselnden technischen Bedingungen des Netzes anzupassen. Sind diese technischen Voraussetzungen erfüllt, sollen die Auswirkungen der dezentralen solaren Erzeugung auf das Gesamtsystem mit zentralen KWK-Anlagen, Spitzenlastkessel, Fernwärmenetz und angeschlossenen Kundenanlagen untersucht werden. Dabei ergeben sich folgende grundlegende Fragen: Welche Wärmepotenziale wären erschließbar? Wie kann solare Fernwärme die KWK-Erzeugung so ergänzen, dass ein Maximum an Primärenergieeinsparung und Energieeffizienz erreicht wird? Welche Wirtschaftlichkeit ergibt sich für den Fernwärmenetzbetreiber und den Solaranlagenbetreiber aus möglichen Geschäftsmodellen?

In dem Projekt SWD.Sol werden unterschiedliche Einspeise-Konzepte und innovative Komponenten in einem Modellquartier der Rheinwohnungsbau in Düsseldorf erprobt, das zugleich Erweiterungsgebiet für den Fernwärmeausbau der Stadtwerke Düsseldorf ist. Dabei geht es auch darum, die Netze der Stadtwerke für Dritte zu öffnen, damit beispielsweise industrielle Abwärme oder solare Wärme eingespeist werden können.

Vorbild Dänemark

Regenerative Energien ersetzen vermehrt die (sommerliche) Stromproduktion. Dies führt dazu, dass die vorhandenen Fernwärmesysteme, die in der Regel durch die Abwärme von Heizkraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wurden, ihre Wärmequelle verlieren. Doch zeigte sich, dass je nach technisch-wirtschaftlichen Randbedingungen der Einsatz von Wärmenetzen in Kombination mit großvolumigen Wärmespeichern und großen Solarthermie-Anlagen bereits heute machbar und wirtschaftlich sein kann. So wurden in Dänemark in den Jahren 2010 bis 2012 18 solarthermische Großanlagen mit einer Gesamtnennleistung von 120 Megawatt thermisch in Fernwärmesysteme integriert.

Ziel des Forschungsprojekts SWD.SOL ist es, die technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten zu demonstrieren, mit denen solare Wärme in ein städtisches Fernwärmesystem eingespeist werden kann. Am Beispiel des Fernwärmenetzes der Stadtwerke Düsseldorf sollen auch Entwicklungsmöglichkeiten für die gesamte deutsche Fernwärmebranche aufgezeigt werden. Hierzu erproben die Forscher von Solites und der AGFW zusammen mit den Stadtwerken und der Rheinwohnungsbau Düsseldorf neue Einspeisekonzepte, beispielsweise die reine Einspeisung solarer Wärme. Darüber hinaus testen und vermessen sie innovative Einzelkomponenten, vor allem Pilot-Übergabestationen. Geplant ist ein Messprogramm zur Betriebsoptimierung und Evaluierung der Arbeiten. Im Erfolgsfall, nämlich bei nachgewiesener Effizienz und Wirtschaftlichkeit, könnten Geschäftsmodelle für Fernwärmenetz- und Solaranlagenbetreiber entstehen.

Nahwärme und Nahkälte aus Abwasser

Abwasser stinkt und ist dreckig – aber es eignet sich dennoch zur Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden. Die Energie des städtischen Abwassers wird im neuen Stuttgarter Stadtquartier Neckarpark mittels Rinnenwärmetauscher im Abwasserkanal über ein Niedrigtemperatur-Nahwärmenetz genutzt. Dies ist die Säule des Energiekonzepts für das neue Quartier auf der Brachfläche des ehemaligen Güterbahnhofs Bad Cannstatt. Dort entwickelt die Stadt Stuttgart auf einer 22 ha umfassenden Fläche ein neues Stadtquartier mit energetisch hocheffizienter Bebauung (KfW-Effizienzhaus 55) für etwa 450 Wohnungen, einer Grundschule mit Kita, einem Sportbad, Hotels, Dienstleistungs- und Gewerbebetrieben. Die Kombination von Niedrigstenergiegebäuden und Abwasserwärme soll ein optimiertes Gesamtsystem Wärmeversorgung-Gebäude ermöglichen.

© Landeshauptstadt Stuttgart

Als alternative Wärmequelle zur Einsparung fossiler Energieträger ist die Abwasserwärme gerade für Kommunen eine interessante Option, denn sie verfügen über das alleinige Nutzungsrecht des in ihrem Gebiet anfallenden Abwassers. Um die Möglichkeiten zur Nutzung des Abwassers zur Wärme- und Kältegewinnung in Stuttgart bewerten zu können, gab die Stadt eine Studie in Auftrag. Die Analyse der Temperatur im Belebungsbecken des Stuttgarter Hauptklärwerks zeigte, dass selbst in Kälteperioden die Temperatur mindestens 12°C beträgt. Das Abwasser, das mit mindestens 1.300 Litern pro Sekunde in die Stuttgarter Hauptkläranlage strömt, bietet das Potenzial für fast 11 Megawatt Heizleistung und jährlich rund 17 Gigawattstunden Wärme.

Im Sommer ist es sinnvoll, das Kältepotenzial des Abwassers zu nutzen. Für einen wirtschaftlichen Betrieb sollten die Verbraucher im Umkreis von 300 Metern des Abwasserkanals liegen. Auf Basis dieser Kriterien wurde eine Abwasserwärme-Potenzialkarte für Stuttgart erstellt. Das Ergebnis: Sieben Prozent der Abwasserkanäle Stuttgarts sind für die Wärme- und Kältenutzung geeignet.

Das Energiekonzept Neckarpark

Eine Realisierung des Neckarparks als Niedrigenergie-Siedlung würde es erlauben, die Vorlauftemperaturen des geplanten Wärmenetzes auf 30°C oder darunter abzusenken. Das ermöglicht eine großflächige Nutzung der Abwasserwärme. Dazu sind unterschiedliche Wärmetauscher-Systeme in der Lage: kanalintegriert und als Bypass. In 2015 entschied sich die Stadt Stuttgart für den Einsatz eines Rinnenwärmetauschers, das heißt eines Wärmetauschers im Kanal mit einer Entzugsleistung von 2.100 kW. Die Einsatzbedingung: Die Fließgeschwindigkeit des Abwassers muss ausreichend hoch sein, um Ablagerungen zu verhindern oder sie abzuspülen. Dies setzt ein Gefälle von mindestens 0,1% voraus. Die Energie des Abwassers soll durch den Rinnenwärmetauscher entzogen und in ein Niedrigtemperatur-Nahwärmenetz eingespeist werden. Die Wärme zur Warmwasserbereitung soll in einer Heizzentrale mittels Blockheizkraftwerk erzeugt werden. Das Wärmenetz wird als 4-Leiter-Netz ausgeführt: Vor-/Rücklauf Niedertemperatur-Raumwärme und Vor-/Rücklauf Heißwasser zur Warmwasserbereitung. Ein so optimiertes Gesamtsystem "Wärmeversorgung-Gebäude" mit zusätzlicher Einbindung regenerativer Energien könnte auch zur flächigen Ausdehnung von Fernwärme und Nahwärme in Gebiete mit niedriger Wärmedichte genutzt werden. Die Abwasserwärmenutzung wird ab 2019 die ersten Gebäude mit Wärme versorgen.

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© Landeshauptstadt Stuttgart

Fernwärmenetz als „Wärmedrehscheibe“

Im brandenburgischen Hennigsdorf soll innerhalb von 5 Jahren durch die Nutzung industrieller und gewerblicher Abwärme, großflächiger Solarthermie und durch die Optimierung der bestehenden, mit Brennstoffen betriebenen KWK-Anlagen der erneuerbare Anteil der Wärme im Fernwärmenetz der Stadtwerke von derzeit ca. 50% auf über 80% ausgebaut werden. Erreicht wird dies durch den Einsatz eines Multifunktionswärmespeichers und die konsequente Erschließung aller Optimierungspotenziale in den Abnehmeranlagen und im Fernwärmenetz selbst. Dazu wird unter anderem eine flexible Steuerung der vorhandenen und neu zu errichtenden Wärmespeicher im Fernwärmenetz entwickelt.

Das Konzept der Wärmedrehscheibe Hennigsdorf setzt voraus, dass während der sommerlichen Schwachlastzeit alle regenerativen Wärmeerzeuger zur Verfügung stehen - Abwärme aus einem Stahlwerk, das bestehende Biomasse-Heizkraftwerk sowie die Wärmeerzeugung durch Solarthermie, die mit Hilfe eines Simulationsmodells für das Hennigsdorfer Fernwärmenetz ermittelt wurde. Daraus ergab sich eine mögliche Kollektorfläche von 20.000 m² sowie die Notwendigkeit, einen Multifunktions-Wärmespeicher mit 22.000 m³ Wasservolumen zu integrieren. Er sichert die flexible Versorgung mit erneuerbaren Energien, nimmt die Abwärmemengen auf, speichert sie saisonal und gleicht im Netz kurzzeitig Leistungsspitzen aus. Die vorbereitenden Untersuchungen werden in Kürze abgeschlossen. Die Umsetzung des Projekts „Wärmedrehscheibe“ ist für den Zeitraum von 2017 bis 2020 geplant.

Netzoptimierung sichert Abwärmenutzung

Die Stadtwerke Hennigsdorf betreiben das Fernwärmenetz in der Stadt mit 7 Heiz- bzw. Heizkraftwerken und 50 km Trassenlänge. Versorgt werden rund 9.500 Wohneinheiten von vorwiegend in den 1990er Jahren sanierten Mehrfamiliengebäuden. Hinzu kommen etwa 90 Gewerbe- und Industriebetrieben, hierunter Großindustrien der Metallerzeugung und -verarbeitung sowie kommunale Einrichtungen. Diese Strukturen bestimmen die Versorgungstemperaturen des Fernwärmenetzes - im Sommer 85°C Vorlauf- und 60°C Rücklauftemperatur, im Winter gleitende Vorlauftemperatur bis zu 108°C. Diese Temperaturen sind deutlich höher als in solar unterstützten Nahwärmesystemen, z. B. in Dänemark und in deutschen Pilotvorhaben wie Neckarsulm oder Crailsheim. Andererseits ist es ein typisches Beispiel für größere Fernwärmesysteme in Mittelstädten - und deshalb nachahmenswert.

Mit dynamischen und thermohydraulischen Simulationen des gesamten Versorgungsnetzes und einzelner Netzmaschen wurden Schwachstellen identifiziert und Optimierungsziele abgeleitet. Unter anderem soll das Speicherpotenzial des Netzes für kurze Lastspitzen der Wärmebereitstellung optimal genutzt werden. Dazu muss der Netzbetrieb flexibilisiert werden, um auch dezentrale, kundenseitige Wärmeeinspeisungen zu ermöglichen - durch automatische Netzschaltungen und Strömungsumkehr sowie durch ein Lastmanagement der Wärmespeicher im Netz. Die Simulationen bestätigten, dass eine Absenkung der Vorlauftemperatur für den Winterfall auf max. 95 °C möglich ist. Dies muss im praktischen Netzbetrieb jedoch noch nachgewiesen werden.

Eine Analyse der Abwärme-Potenziale des Stahlwerkes hat gezeigt, dass zwar große Wärmepotenziale zur Verfügung stehen. Diese aber auf einem niedrigen Temperaturniveau anfallen und starken zeitlichen Schwankungen unterworfen sind. Forscher und Stadtwerke favorisieren deshalb eine Abwärmenutzung aus dem Hubbalkenofen über einen Abgaswärmetauscher zur direkten Einkopplung in die Fernwärme.

Geographisches Wärmeinformations- und Simulationssystem Hamburg

Strategische Wärmeplanung und Stadtentwicklung müssen verzahnt werden, damit Klimaschutzpotenziale ausgereizt und Ressourcen mit hoher Kosteneffektivität eingesetzt werden können. Diesem Ziel dient die Entwicklung eines Wärmeinformations- und Simulationssystems für die Hansestadt Hamburg. Prof. Wolfgang Renz von HAW Hamburg erläuterte, wie sich dadurch städtebauliche Entwicklungen berücksichtigen und somit die strategische Wärmeplanung der Kommune unterstützen lassen.

Ziel des Forschungsprojekts GEWISS ist die Entwicklung eines Wärmeinformations- und Simulationssystems für die Hansestadt Hamburg auf Basis eines Geoinformationssystems. Mit Hilfe des Simulationssystems und des Informationswerkzeuges soll eine strategische Wärmeplanung unterstützt werden - unter Berücksichtigung städtebaulicher Entwicklungen wie Nachverdichtung, Umnutzung, Abriss und Sanierung von Gebäuden. In ihrer Wirkung auf das Wärmeversorgungssystem sollen kommunale politische Entwicklungen, externe Rahmenbedingungen und sozio-demografische Aspekte untersucht werden. Dabei zeigen die Forscher Wege zum möglichst effizienten Umgang mit Wärme auf und vergleichen verschiedene Effizienzmaßnahmen miteinander. Hinzu kommt die Einbindung erneuerbarer Energien für die Wärmeerzeugung und Maßnahmen der Kopplung von Wärme- und Stromerzeugung.

© HAW Hamburg

Prognose der Wärmebedarfsentwicklung bis 2050

Momentan erfolgt die Entwicklung des GEWISS-Planungstools als Prototyp. Dazu berechnen die Forscher im ersten Schritt den Wärmeverbrauch gebäudescharf für den gesamten Bestand. Für Wohn- und Nichtwohngebäude wurden zwei verschiedene Wege gewählt:

Im Zentrum der Wärmeverbrauchsberechnung für Wohngebäude steht das Planungsinstrument SimStadt, das im Rahmen des Projekts "SimStadt, Energiesimulation von Stadtquartieren" zur Planung, Betriebsoptimierung und Szenarienrechnung innovativer Energie- und Gebäudekonzepte mit Netzausbaustrategien entwickelt wurde. Im Rahmen von GEWISS werden die weitreichenden Funktionalitäten von SimStadt für die Berechnung der Wärmebedarfe (gem. DIN 18599) für Wohngebäude genutzt und ggf. für die Anwendung auf die Hansestadt Hamburg modifiziert - beispielsweise durch das Einlesen von Hamburger Klimadaten.

Für Nichtwohngebäude wird eine Wärmeverbrauchskennwert-Typologie mit 15 in Hamburg typischen Nichtwohngebäuden genutzt. Neben der Festlegung der Verbrauchskennwerte werden Branchen-spezifische Kennzahlen zum Prozesswärmebedarf und zu Abwärme-Potenzialen gebildet. Um die zukünftige Wärmebedarfsentwicklung bis zum Jahr 2050 abzubilden, erfolgt die Entwicklung des Planungswerkzeugs auf Basis zweier Sanierungsstufen.

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Bauwerkinformationsmodelle für Planung, Auslegung und Betriebsoptimierung

Prof. Petra von Both vom KIT in Karlsruhe argumentiert, dass Simulations- und Bewertungswerkzeuge mit Blick auf den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes eingesetzt werden müssen, um sowohl energieoptimierte Planungskonzepte entwickeln als auch im Betrieb eine gute Performance sicherstellen zu können. Allerdings existierten für Planer und Gebäudeexperten bislang noch starke Hemmnisse zur durchgängigen Anwendung solcher Instrumente. Als Ursache hierfür sieht Both eine für Architekten und Stadtplaner sehr hohe Komplexität der Softwaretools, ein enormer Aufwand zur Datenerfassung sowie eine mangelhafte Interoperabilität der verschiedenen Softwaretools aufgrund unzureichender technischer Schnittstellen.

Mit dem Verbundforschungsprojekt EnEff-BIM werden deshalb standardisierte informationstechnische Methoden für die Planung, Auslegung und Betriebsoptimierung von energieeffizienten Neu- und Bestandsbauten entwickelt, getestet und Fachplanern zugänglich gemacht. Am Projekt beteiligt sind neben dem KIT zwei Institute der RWTH Aachen, die Universität der Künste Berlin und die beiden Fraunhofer-Institute IBP und ISE. Die Modellierung, Simulation und Betriebsoptimierung erfolgt hierbei auf Basis offener Bauwerkinformationsmodelle (BIM) mit dem Ziel, ausgehend von einem digitalen semantischen 3D-Planungsmodell einen durchgängigen Datenaustausch in der Fachplanung zu erreichen. Dabei sollen zukunftsfähige Modellierungs- und Schnittstellenstandards konsequent genutzt werden.

Einheitliches digitales Format zum Datenaustausch

Im Unterschied zu singulären oder proprietären Softwarelösungen sollen die Arbeiten im Projekt EnEff-BIM auf dem offenen, objektorientierten Modellierungsansatz Modelica aufbauen. Zur Verstetigung der Standardisierung und Verbreitung dieses aus dem Maschinenbau kommenden Ansatzes im Baubereich beteiligt sich das nationale Forschungsprojekt in der Initiative des IEA EBC Annex 60, um den formalisierten Einsatz von Modelica international voranzutreiben.

Um Modelica-Modelle besser über verschiedene Planungsphasen und Anwendungsbereiche hinweg nutzen zu können, wurden im Projekt bestehende Modellbibliotheken der Partner abgeglichen, angepasst, ausgetauscht und hinsichtlich einer Wiederverwendbarkeit generalisiert. Hierauf aufbauend wurden in EnEff-BIM Möglichkeiten untersucht, die eine Instanziierung der Modelica Simulationsmodelle mit Quelldaten des internationalen lebenszyklusorientierten BIM-Standards IFC (Industry Foundation Classes) erlauben. Hierzu wurde ein einheitliches digitales Format zum Austausch von Daten für die Gebäude- und Anlagensimulation entwickelt. 

Dabei wurden Erweiterungen des bestehenden IFC-Schemas zur Beschreibung der simulationsrelevanten Elemente vorgenommen. Die Schema-Erweiterungen erfolgten in Zusammenarbeit mit buildingSMART und normativen Gremien des VDI und DIN, um eine möglichst hohe Praxisrelevanz gewährleisten zu können. Kernaspekt war somit die Entwicklung einer offenen, produktneutralen Schnittstelle zwischen IFC und Modelica-Teilmodellen sowie in einem weiteren Schwerpunkt eine Anbindung etablierter Simulationstools unter Verwendung des Functional Mockup Interface (FMI) Standards.

International Tool Development for Advanced Energy Performance Simulations

Prof. Dirk Saelens von der KU Leuven erläuterte, warum die neuen Anforderungen an Gebäude und Städte hinsichtlich Energieeffizienz und Lebensqualität auch Konsequenzen für die verwendeten Simulationsprogramme für Produktentwicklung, Design und Betrieb haben müssen. Der IEA-EBC Annex 60 zielt auf die Entwicklung und Demonstration einer neuen Generation frei verfügbarer, dokumentierter, validierter und verifizierter Rechenverfahren für städtische Energiesysteme wie Fernwärmenetze, Gebäude und Quartiere mit geringem Energiebedarf ab. Die am Annex 60 beteiligten Forscher und Organisationen sollen die Erforschung, Entwicklung und Validierung von entsprechender Simulationsmethoden koordinieren.

Die Software-Entwicklung wird auf der frei verfügbaren Modellierungssprache Modelica und der Spezifikation Functional Mockup Interface (FMI) basieren.

Weitere Infos auf einer Website des IEA Annex 60 ...

Diskussion zeigt Handlungsfelder für Forschung und Anwendung

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Mit den Vorträgen und Diskussionen beim 1. Kongress ENERGIEWENDEBAUEN kristallisierten sich folgende Erkenntnisse und Handlungsfelder heraus:

  1. Bei der Gebäudesanierung geht es in Zukunft vor allem um kostengünstige und minimalinvasive Sanierungskonzepte. Nur so kann der gesamte Gebäudebestand in der Bilanz nahezu klimaneutral werden.
  2. Die Vernetzung von Gebäuden und Quartieren zu netzdienlichen und mit Strom- und Wärmenetzen kooperierenden Einheiten ist ein qualitativ neuer Schritt, wofür es noch einigen Forschungs- und Entwicklungsbedarf gibt. Weitere, flankierende technologische Entwicklungen sind erforderlich, damit Gebäude flexibel und bedarfsgesteuert mit den Netzen interagieren und Erzeugungs-, Energiespeicher- und Verteilungsfunktionen im Energiesystem ausüben können.
  3. Auf Quartiersebene sind lokal angepasste, dezentrale Wärmeversorgungslösungen zu entwickeln und die Integration erneuerbarer Wärme zu erproben – technisch, organisatorisch und ökonomisch.
  4. Bei der Planung und dem Betrieb vernetzter Gebäude und Quartiere sind neue Planungsmethoden, Tools und Beteiligungsprozesse erforderlich, um die Effizienzpotenziale tatsächlich und qualitätsgesichert nutzen zu können.
  5. Verlässliche, weniger komplizierte und harmonisierte Rahmenbedingungen sind in vielen Bereichen notwendig, um neue Konzepte auch wirtschaftlich und praxistauglich zu machen. Beispielsweise im Bereich der Baugesetzgebung oder der Netzentgelte bei der Erbringung dezentraler Netzdienstleistungen.
  6. Forschung ist bei der Entwicklung und Erprobung neuer Ideen bis hin zur Marktreife unverzichtbar. Doch letztlich, da waren sich die Teilnehmer einig, gehe es um die breite Anwendung von Energieeffizienz und erneuerbaren Energien. Neue Konzepte und Technologien müssten also auf die Straße gebracht werden, wie Professor Norbert Fisch von der TU Braunschweig in seiner Präsentation des Zukunftsraums Wolfsburg als ein energetisch vernetztes Quartier betonte.
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