Nachhaltiges Leben in Städten von morgen – Teil 2

Energie in der Morgenstadt

Nach der Vorstellung der Morgenstadt-
Initiative – ein breit aufgestelltes Verbundforschungsprojekt der Fraunhofer Gesellschaft für die Stadt der Zukunft – setzen wir unsere Themenreihe „Nachhaltiges Leben in Städten von morgen“ mit dem Schwerpunkt „Energie“ fort.
Im Gespräch mit Prof. Dr. Eicke R. Weber, Leiter des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE, sind wir der Frage nachgegangen, wie eine nachhaltige Energieerzeugung und -versorgung in Zukunft aussehen kann.

Energieversorgung für Städte von morgen

Sonne, Wind und Biomasse als Energielieferanten

Die Morgenstadt als Vision einer nachhaltigen und lebenswerten Stadt wird zu einem Großteil ihrer Energieprozesse CO2-frei sein und auf fossile Brennstoffe vollständig verzichten. Dieses ambitionierte Ziel setzt voraus, den Energiebedarf stark zu senken und die dann benötigte Energie regenerativ zu erzeugen. Wichtige Strom- und Wärmequellen zukünftiger Städte sind daher Sonne, Wind und Biomasse.
Auch Deutschland setzt im Rahmen der Energiewende zunehmend auf regenerative Energien: Mit einem Anteil von 30 Prozent im Jahr 2015 sind sie laut Bundesverband der Deutschen Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) zur wichtigsten Energiequelle im deutschen Strommix aufgestiegen.
Um langfristig eine nachhaltige Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien für Städte und Kommunen zu gewährleisten, bedarf es einer weitsichtigen Umstellung von Energie-systemen – weg von fossilen Brennstoffreserven hin zur effizienten Nutzung von erneuerbaren Energien. Pionierarbeit auf diesem Gebiet leistet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg – das größte Solarforschungsinstitut in Europa.

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Anwendungsorientierte Forschung für zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE erforscht und entwickelt neue Technologien für eine umweltfreundliche Energieversorgung in der Stadt der Zukunft. Die Lösungen und Konzepte werden unter anderem im Rahmen der Morgenstadt-Initiative praxisnah getestet.
Mit Forschungstätigkeiten in den Schwerpunkten Energiegewinnung, Energieeffizienz, Energieverteilung und Energiespeicherung entwickelt das Institut weltweit gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft, Politik und Gesellschaft Produkte, Verfahren und konkret umsetzbare technische Lösungen für ein nachhaltiges, wirtschaftliches, sicheres und sozial gerechtes Energieversorgungssystem.

Interview mit dem Leiter des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE

Über die klimaangepasste Energieerzeugung und -versorgung in der Stadt von morgen und wie Städte und Kommunen davon profitieren können, haben wir in einem Experteninterview mit
Prof. Dr. Eicke R. Weber erörtert.

1. Herr Weber, wie lautet Ihre Energie-Vision für die Morgenstadt?

Die Morgenstadt hat eine nachhaltige Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien, sie ist versorgungssicher und schützt das Klima. Dies wird erreicht durch eine hohe Effizienz in Erzeugung, Verteilung und Verbrauch von Energie, z.B. durch Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung, sehr gut gedämmten Gebäuden und Elektromobilität. Die Potenziale an erneuerbaren Energien in der Stadt werden weitgehend ausgeschöpft, dabei stellt die Solarenergie zur Strom- und Wärmeerzeugung die Hauptsäule dar, soweit vorhanden werden aber auch Geothermie, Biomasse und Wasserkraft genutzt.
Größere Städte werden auf Grund unzureichender Potenziale eine Kooperation mit umliegenden Regionen eingehen und von dort Energie aus Sonne, Wind oder Biomasse beziehen. Im intelligenten Energiesystem der Morgenstadt gibt es so genannte Smart Grids, die Erzeugung und Verbrauch dezentral und intelligent koordinieren durch steuerbare Lasten, Strom- und Wärmespeicher sowie auch eine gezielte Be- und Entladung von Elektromobilen. Smart Homes, die den Bewohnern nicht nur Strom, Wärme, Kälte und temperierte Frischluft zur Verfügung stellen, sondern auch Bedienungskomfort, Sicherheit und Kommunikation bieten, sind eine Selbstverständlichkeit.

2. Die Morgenstadt-Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft behandelt das Thema Energie als ein zentrales Forschungsfeld. Ihre Zukunftsvision beruht auf einer „CO2-neutralen, energieeffizienten und klimaangepassten Stadt“, wie es die Bundesregierung in ihrer Hightech-Strategie 2020 formuliert. Was bedeutet das für Städte von morgen?

Die Städte werden sich zunehmend bewusst darüber, dass sie für etwa drei Viertel unseres Energieverbrauchs und des Klimagasausstoßes verantwortlich sind, und sie erkennen, dass die Umsetzung eines nachhaltigen Energiesystems – wie z.B. die Nutzung der Solarenergie auf Dächern und in Fassaden und die Realisierung von Smart Grids und Smart Homes – vor allem in den Städten stattfinden wird. Deshalb beschäftigen sich diese zunehmend mit der Frage, wie ein Masterplan für eine solche Transformation aussehen kann, wie Niedrigstenergie- und Plusenergiegebäude und -quartiere gestaltet werden können, und wie auf städtischer Ebene die Umstellung auf Elektromobile voran getrieben wird. Die Fraunhofer-Institute unterstützen sie dabei.

3. Welche Schlüsselfaktoren prägen eine nachhaltige energetische Stadtentwicklung im Sinne der Morgenstadt?

Die Schlüsselfaktoren sind einerseits die Energieeffizienz, das heißt möglichst geringer Energieverbrauch in Form von Strom, Wärme, Kälte und Treibstoffen pro Einwohner, und andererseits der Anteil erneuerbarer Energien am Energieversorgungssystem. Dabei müssen alle Sektoren, von privaten Haushalten über Gewerbe, Handel und Dienstleistungen bis hin zu Industrie und Mobilität einbezogen werden.

4. Wie müssen Gebäude und Quartiere in Zukunft beschaffen sein, um die hohen Ansprüche an Energieeffizienz und Energieverbrauch zu erfüllen?

Städtische Gebäude sind für ca. 40% unseres Energieverbrauchs verantwortlich. Durch vernünftige Gebäudedämmung kann ihr Komfort erhöht und der Energieverbrauch minimiert werden, sowohl im Neubau als auch durch Renovierung. Die Integration von Solarenergie macht Gebäude auch zu Energieerzeugern und durch Energiespeicher können sie aktiv die Einspeisung und den Bezug von Strom oder auch Wärme aus dem Netz steuern. Die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung unserer Energiesysteme macht dies möglich.
Auch auf Quartiersebene werden Energiesysteme künftig optimiert. Zum Beispiel kann ein Blockheizkraftwerk mit Biogas betrieben und die Wärme über ein Wärmenetz verteilt werden. Ein Wärmespeicher ermöglicht es, dass der Betrieb des Blockheizkraftwerks so erfolgt, dass die fluktuierende Erzeugung von Solarstrom und der schwankende Bedarf von Gebäuden und Elektromobilen optimal ausgeglichen werden. Die Steuerung von sogenannten netzreaktiven Gebäuden kommuniziert mit der Quartierssteuerung und trägt ebenso zum Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch bei. So wird die Versorgungssicherheit erhöht und die Kosten werden reduziert.

5. Wind und Sonne werden als Strom- und Wärmequellen für zukünftige Städte immer wichtiger. Wie könnte ein Energiemix im Jahr 2020 aussehen?

Solarenergie und Windkraft haben die größten Potenziale in Deutschland und werden die wichtigsten Energiequellen sein, ergänzt durch Biomasse, Wasserkraft und Geothermie, die auch aufgrund ihrer Erzeugungsprofile notwendig sind. Der künftige Energiemix wird für jede Stadt unterschiedlich sein, entsprechend ihres jeweiligen Potenzials an erneuerbaren Energien und ihrer Verbrauchsstrukturen. Für Frankfurt am Main hat das Fraunhofer ISE zum Beispiel errechnet, dass mit einem Mix aus 22% Wind, 20% Solarstrom, 12% Solarwärme, 23% Energie aus Abfall und 23% Biomasse aus der Stadt und dem Umland eine Vollversorgung zu jeder Stunde im Jahr möglich ist. Allerdings werden dazu noch Stromspeicher und 10% Stromimport aus Nachbarländern, der auch erneuerbar sein wird, benötigt.

6. Eine nachhaltige Energieversorgung auf der Grundlage erneuerbarer Energien verlangt nach innovativen Speichertechnologien, die überschüssige Energie auffangen. Auf welche Lösungen und Konzepte werden Städte zurückgreifen können?

Es werden Stromspeicher auf Basis von Lithium-Ionen und sogenannte Redox-Flow-Speicher eingesetzt werden. Wärme- und Kältespeicher werden deutlich ausgebaut werden und auch Gasspeicher mit Methan oder Wasserstoff werden eine Rolle spielen.

7. Die Informations- und Kommunikationstechnologie spielt im Energiesektor eine zunehmend wichtige Rolle. In der Morgenstadt werden Stromnetze zu intelligenten Energieinformationsnetzen – sogenannten „Smart Grids“ – ausgebaut. Wie funktionieren diese und welche Vorteile ergeben sich daraus für die zukünftige Energieversorgung in Städten?

Die IKT spielt, wie bereits angesprochen, in der Tat eine zentrale Rolle in der Morgenstadt. Sie koordiniert die effiziente Steuerung von Energie-Einspeisung und Verbrauch sowie die externe Vernetzung. Durch Smart Grids wird eine kostengünstige und stabile Energieversorgung mit fluktuierender Einspeisung und darauf bestmöglich angepassten Lasten ermöglicht.

8. Welche Maßnahmen können Städte und Kommunen in die Wege leiten, um den notwendigen energetischen und klimagerechten Umbau urbaner Lebensräume bürgernah zu gestalten?

Die Städte stehen vor der Herausforderung einer umfassenden Transformation der Energieversorgung, der Gebäudetechnik und des Verkehrs, die sehr stark beeinflusst wird von einer zunehmenden Digitalisierung. Allerdings geht es auch um Nachhaltigkeit in Bezug auf Ressourcen und Abfall und um Anpassung an den Klimawandel.
Generell ist es wichtig, gemeinsam mit den Bürgerinnen und Bürgern, aber auch den Unterneh-men und Institutionen in einer Stadt ein Ziel zu definieren und zu erarbeiten, wie dieses Ziel erreicht werden kann. Da es um einen Transformationsprozess geht, der 20 bis 40 Jahre dauern wird, muss es einen Konsens geben, wohin der Weg gehen soll und welches die Schritte in den jeweils nächsten fünf bis zehn Jahren sind. Dieser Masterplan sollte die Leitplanken bieten für die Entwicklung, aber auch flexibel an aktuelle Entwicklungen angepasst werden können.
Ein Masterplan ist besonders wichtig, um die besten Infrastrukturentscheidungen zu treffen, welche die erforderlichen Entwicklungen erst ermöglichen. Infrastrukturelle Veränderungen müssen aber auch langfristig sinnvoll sein, um sich zu refinanzieren. Solche Prozesse mit intensiver Bürgerbeteiligung finden vielfach statt. Wichtig ist hier eine fachliche Begleitung, um fundierte Beschlüsse fassen und Pläne mit einem breitest möglichen Konsens verabschieden zu können.
Vielen Dank für das Gespräch.

Entwicklung neuer Technologien im Rahmen internationaler Forschungsprojekte

Gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung arbeitet das Fraunhofer ISE an wegweisenden Projekten zum gesamten Spektrum der Solarenergieforschung. Wir stellen Ihnen ausgewählte Beispiele vor. 

Seoul Energy Dream Center: Leuchtturmprojekt für die Nutzung erneuerbarer Energien

Mit dem Energy Dream Center hat die Stadtregierung von Seoul in Südkorea gemeinsam mit dem Fraunhofer ISE ein Zentrum für Erneuerbare Energien realisiert, das sich diesem Thema mit Ausstellungen und einem breiten Informationsangebot auf einer Fläche von 3500 Quadratmetern widmet. Am Entwurf und Bau des Nullenergiegebäudes sowie an der Entwicklung des Energiekonzeptes war das Fraunhofer ISE federführend beteiligt.
Um den Energiebedarf auf ein Minimum zu senken, verfügt das Gebäude über zahlreiche energiesparende Elemente, darunter eine Erdsondenanlage, die ganzjährig als Wärmequelle für eine Wärmepumpe dient, eine Lüftungsanlage mit zweistufiger Wärmerückgewinnung sowie eine Turbokompressor-Kältemaschine zur Luftentfeuchtung. Durch diese gebündelten Maßnahmen konnte der Wärme- und Kühlenergieverbrauch des Gebäudes im Vergleich zum Standard in Korea um 70 Prozent gesenkt werden.
Der verbleibende Energiebedarf des Energy Dream Center wird in der Jahresbilanz durch regenerative Energieträger bereitgestellt. Neben der Nutzung geothermischer Energie für Heizung und Kühlung erzeugen netzgekoppelte Photovoltaikanlagen auf dem Dach, den Vordächern und einer kleiner Freifläche die Gesamtmenge an benötigter elektrischer Energie (rund 280 000kWh/a). Damit ist das Gebäude in der Jahresbilanz energie- und klimaneutral. Es erfüllt darüber hinaus den Passivhausstandard sowie die koreanischen Standards „Korean Green Building Certification KGBC“ und „Building Energy Efficiency“.
Bild 1: Das Energy Dream Center in Seoul wurde unter der Federführung des Fraunhofer ISE als Nullenergiegebäude konzipiert.
Bild 2: Die keilförmigen Vordächer an der Fassade des Energy Dream Center in Seoul dienen als Witterungs- und Sonnenschutz.
 

Construct PV: Gebäudeintegrierbare Photovoltaikmodule

Im europäischen Verbundforschungsvorhaben Construct PV wird die effiziente und kosten-günstige gebäudeintegrierte Photovoltaik für Dach und Fassade anwendungsorientiert entwickelt. Herzstück des Projektes sind Photovoltaikmodule, die bei Neubau- und Sanierungs-vorhaben neben der Funktion der Stromerzeugung auch Funktionen der Gebäudehülle übernehmen, wie beispielsweise Witterungs- und Schallschutz. 
Bei der Entwicklung wird großer Wert auf eine ansprechende Ästhetik, einen hohen Ertrag sowie niedrige Herstellungs-, Planungs- und Betriebskosten gelegt.
Bild 1: Die komplex aufgebauten Photovoltaik-Module mit hocheffizienten Solarzellen können Dachziegel oder eine Fassadenverschalung ersetzen. Die Module sind auf Bitumenschindeln fixiert und werden einfach auf eine Holz-Unterkonstruktion befestigt.
Bild 2: An der Nationalen Technischen Universität in Athen ist eine dachintegrierte Pilotinstallation der neuen Photovoltaik-Schindeln geplant.
 

Fellbach ZEROplus – Elektromobilität im privaten Alltag

Solarstrom vom eigenen Dach, energieeffizientes Eigenheim, Elektroauto in der Garage – im wegweisenden Modellprojekt Fellbach ZEROplus untersucht das Fraunhofer ISE, wie Konzepte des Passivhauses um den Aspekt der elektrischen Mobilität erweitert werden können. Zielsetzung des Projektes ist es, konkrete Ansätze für die Vision von Wohnen und Mobilität ohne Energiekosten und CO2-Belastung zu entwickeln.
In Stuttgart-Fellbach wurde dafür eine Siedlung von Reihenhäusern mit großen Photovoltaik-Anlagen im Passivhausstandard und Ladepunkte für E-Autos errichtet. Der Sonnenstrom liefert mehr als genug Energie für die Haushalte und für die tägliche Mobilität mit privaten Elektrofahrzeugen.
Für fünf Häuser wurde vom Fraunhofer ISE ein ganzheitliches Heim-Energie-Management-System (HEMS) entwickelt. Die Systeme sind mit einer intuitiven Benutzeroberfläche ausgestattet, die eine Echtzeitanzeige der Energieflüsse pro Haus und eine Steuerung des gesamten Energiemanagements zur Ladung der Elektrofahrzeuge ermöglicht. Die Erprobung des Managementsystems wurde bis Juni 2016 wissenschaftlich begleitet, um weitere Optimierungspotenziale zu erforschen.
Kernelement hierbei ist die automatische Anpassung der Ladezeiten des Fahrzeugs an die Prognose der Sonneneinstrahlung und die Verbräuche im Haushalt. Somit kann der Anteil der direkten Eigennutzung des selbsterzeugten Stroms erhöht, Kosten und CO2-Emission dadurch gesenkt werden.
Bild 1 und 2: Zur Aufladung des Elektroautos mit Eigenstrom verfügt jedes Passivhaus über eine eigene Ladestation (AC, bis 22kW).
Bild 3: Die benutzerfreundliche Oberfläche des Energiemanagement-Systems mit unterschiedlichen Anzeigen visualisiert Energieflüsse im Haus und informiert über den aktuellen Ladestatus des Elektrofahrzeugs. 
 

Umbau der Energiesysteme sichert Zukunftsfähigkeit der Städte

Der hohe  Ressourcen- und Energieverbrauch in Städten weltweit und die damit verbundenen negativen Einflüsse auf das Klima und die Umwelt erfordern in den nächsten Jahrzehnten ein Umdenken bei der Gestaltung der globalen Energiesysteme. Gefragt sind innovative Technologien zur effizienten und nachhaltigen Nutzung natürlicher Energieträger wie Wind, Sonne, Biomasse und Wasserkraft. Städte übernehmen hier eine Vorreiter-Rolle: Unter Einbeziehung von Bürgern, Institutionen und Unternehmen können sie vorausschauende kommunale Energiekonzepte auf den Weg bringen, um urbane Lebensräume auch für nachfolgende Generationen lebenswert zu gestalten.

Weitere Informationen

Auf der Website des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme erfahren Sie mehr über die Geschäftsfelder und Forschungsprojekte: https://www.ise.fraunhofer.de
Weitere Informationen zu den vorgestellten Projekten finden Sie unter: