2010 leben erstmals mehr als 50 % aller Menschen weltweit in Städten. Im Jahr 2020 werden es voraussichtlich mehr als 60 % sein. In Deutschland liegt der Anteil der Stadtbewohner sogar schon jetzt bei über 85 %. Die Entwicklun-gen in Städten wirken sich daher signifikant auf den Energieverbrauch aus und sind richtungwei-send für ganze Generationen. Dies betrifft auch technologische Neuerungen, die dort oft genug ihren Ausgangspunkt nehmen. Neben der ener-getischen Optimierung einzelner Gebäude bietet vor allem die ganzheitliche Betrachtung
städtischer Siedlungsräume großes Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz.
Städte und Kommunen sind wichtige Akteure für mehr Energieeffizienz. Sie bestimmen über Bebauungspläne und Versorgungsstrukturen, sind Besitzer zahlreicher Gebäude und Anteilseigner von Stadtwerken und Wohnungsbaugesellschaf-ten. Sie entscheiden über den Ausbau von Wärmenetzen und darüber, welche Rolle Energie-effizienz bei der Sanierung öffentlicher Gebäude spielt. Und sie informieren und beraten ihre Bürgerinnen und Bürger. Obwohl sich in Deutschland mittlerweile viele Kommunen mit Klimaschutz und Energiesparen beschäftigen, sind die Fortschritte in der Praxis eher gering. Das liegt
meist nicht an mangelnder Technik oder zu gerin-ger Wirtschaftlichkeit von ambitionierten
Projekten. Was oft schlicht fehlt, ist das konkrete Wissen über die vor Ort am besten geeigneten Maßnahmen.
5.2.1 Forschungsfelder 5.2.1.1 Grundlagenforschung
Modellierungs- und Steuerungswerkzeuge Auf kommunaler Ebene werden häufig Entschei-dungen gefällt, die den künftigen Energiebedarf wesentlich prägen können, ohne dass zum Zeit-punkt der Entscheidung ausreichende Detailinfor-mationen zur energetischen Bewertung verfügbar sind. Und in der anschließenden Planungs- und Dimensionierungsphase von Projekten werden häufig aufgrund der komplexen Zusammenhänge die energetischen Konsequenzen mangels ad-äquater Planungstools nicht ausreichend erkannt.
Die Abbildung der komplexen Systemzusammen-hänge auf Quartiers- und Stadtebene steckt in Bezug auf Energiesysteme noch in den Anfängen.
Für einen richtungssicheren Umbau der vorhan-denen Energiestrukturen im Rahmen des Transfor-mationsprozesses spielt die Vorhersage von Auswirkungen aufgrund von bestimmten Übersicht
Forschungsbedarf Zielsetzungen • Entwicklung von angepassten und
optimier-• Aktivierung der Städte als Leuchttürme für ten Wärme- und Kälteversorgungslösungen eine nachhaltige Energieversorgung für diversifizierte Bedarfsstrukturen auf
• Erschließung von Effizienzpotenzialen im Q uartiersebene S
anierungsbereich durch Quartierslösungen • Entwicklung von Systemen und
Systemkom-• Erschließung von energetischen Synergie - ponenten zur Verknüpfung von Strom- und effekten durch Abwärmenutzung und Wärmeversorgungssystemen zur
Kaskadierung E rschließung von Effizienzpotenzialen
• Verbesserung der Gesamtversorgungseffi- • Entwicklung von Planungs- und Steuerungs-zienz auf Quartiers- und Stadtebene instrumenten zur Entwicklung von für die
j eweilige Stadt optimierte nachhaltige
Forschungsthemen Energiekonzepte und Überwachung der
• Entwicklung von Technologien, Systemkom- Umsetzungsfortschritte
ponenten und Steuerungsinstrumenten für • Entwicklung von Konzepten zur Steuerung eine höhere Sanierungseffizienz und -rate des Übergangs heutiger Städte zu sowie Werkzeuge und modulare Technik- energetisch nachhaltig versorgten Städten konzepte zum Einsatz im Rahmen von im R ahmen der Transformationsforschung
„
Sanierungsmasterplänen“
Entwicklungen eine wichtige Rolle, insbesondere da es sich beim Umbau der Energiesysteme und bei der Gebäudesanierung um langfristige Maß-nahmen mit einer hohen Kapitalbindung handelt.
Forschungsaufgaben sind deshalb wie folgt.
• Entwicklung von IKT-Technologien und Definition von Schnittstellen zum systemati-schen Austausch von energierelevanten Daten in den verschiedenen Planungsebenen von Kommunen
• Entwicklung von Modellierungs- und Planungsinstrumente für die Abbildung von System- und Wirkungszusammenhänge inner-halb des Energiesystems unter Berücksichti-gung von nicht-technologischen Größen wie dem Einfluss des demografischen Wandels sowie dem Strukturwandel im ländlichen Raum
• Entwicklung von Steuerungs- und Monito-ringinstrumenten zur Koordination und Steue-rung des Transformationsprozesses einer Stadt und zur Erfolgsüberwachung
Stadtmikroklima
Grundlegende Forschungsaufgaben sind im Bereich des Stadtmikroklimas und seiner Einflüsse auf die Energiebilanzen und -systeme zu leisten.
Geht man von einer steigenden Zahl Extrem-wetterlagen aus, so gewinnen passive und aktive Strategien an Bedeutung, die diese für städtische Ballungsräume abmildern und handhabbar machen können. Die entsprechenden Forschungsaufgaben sind wie folgt.
• Untersuchungen von Faktoren, die das Stadt-mikroklima beeinflussen vor dem Hintergrund des steigenden Urbanisierungsgrads, einer starken Verdichtung im städtischen Raum und den damit vermehrt auftretenden „Heat Islands“, den abnehmenden Wärmespeicher-kapazitäten von Plätzen und Straßenzügen und die sich verändernde Durchlüftung der Gebiete
• Entwicklung von Modellierungswerkzeugen zur Abschätzung der Entwicklung des Stadt-mikroklimas unter Annahme des zunehmen-den Klimawandels und zur Erarbeitung von Lösungsansätzen zur Minderung der Konse-quenzen, z. B. durch Grün- und Wasserflächen, Dachbegrünungen, Frischluftschneisen und Nutzung des Strahlungsaustauschs mit dem Himmel zur Nachtauskühlung
• Untersuchung der Konsequenzen, die der breitflächige Einsatz von Klimageräten auf das Stadtklima hätte
• Entwicklung von Konzepten zur Integration mikroklimatischer Fragestellungen in die Stadtplanungskonzepte
5.2.1.2 Vorlaufforschung
Verknüpfung der Systeme Strom und Wärme auf Quartiers- und Stadtebene
Bei einem kontinuierlich steigenden Anteil fluktu-ierender erneuerbarer Energien im Stromnetz der Zukunft steigt zukünftig der Bedarf an regelbaren robusten Energiespeichern beziehungsweise zeitvariablen Bedarfselementen. Hocheffiziente sanierte Gebäude kommen während ihrer verkürzten Heizperiode mit geringen Systemtem-peraturen aus. Dies macht den Einsatz von Wär-mepumpensystemen für diese Gebäude attraktiv.
Gleichermaßen sind Gebäude in ihrem thermi-schen Verhalten träge und in gewissen Grenzen zeitflexibel. Es besteht somit die Möglichkeit in einem vernetzten und intelligenten Stromnetz auch Gebäude mit ihren Wärmepumpen und Speichern zur Lastverschiebung zu nutzen. Hier-aus leitet sich folgender Forschungsbedarf ab.
• Entwicklung von Gebäude- und Anlagensyste-men, welche sich für eine Lastverschiebung durch gezielte Kombination von erneuerba-rem Stromerzeugern und Wärmeerzeugern eignen, hierfür sind Nutzungsrandbedingun-gen, Steuerungskonzepte sowie eine ange-passte Wärmepumpen-, Wärmeverteil- und Speicherkonfiguration zu entwickeln
• Entwicklung von Konzepten für eine
„Schwarmtechnologie“ als negative wie auch positive Regelenergie für ein erneuerbares Stromnetz der Zukunft auf Basis des Gebäude-wärmebedarfs und seinem thermischen Verhalten entsprechend dem Konzept der dezentralen KWK-Anlagen
• Konzepte zur Überwindung von Umsetzungs-hemmnissen, Entwicklung von intelligenten Steuerungssystemen und Nutzerschnittstellen sowie robusten und wirtschaftlichen Betrei-ber modellen
FVEE-Beitrag zum 6. Energieforschungsprogramm•5.2 Energiesystem Stadt – Smart Cities
Energieversorgungssysteme für langfristige
„Hochbedarfs-Quartiere“
Der Umbau von Quartieren und Städten kann nicht ausschließlich nach energetischen Gesichts-punkten erfolgen. Städtebauliche, kulturhistori-sche und wirtschaftliche Aspekte begrenzen die energetische Sanierung von bestimmten Gebäu-den, Ensembles oder Quartieren in ihrer Umset-zungseffizienz. In einem Energiesystem auf Basis erneuerbarer Energien müssen für diese Fälle Lösungen entwickelt werden, die trotzdem ein Höchstmaß an Gesamteffizienz des Systems bei langfristig tragbaren Kosten erbringen. Daraus ergeben sich die folgenden Forschungsaufgaben.
• Entwicklung von Versorgungssystemen auf Basis erneuerbarer Energien zur Wärmeversor-gung von Quartieren mit geringen Sanie-rungspotenzialen beziehungsweise hohem Wärmebedarf sowie von Strategien zur Einbindung von dezentralen Nahwärmever-sorgungen und Abwärmenutzungen in das Gesamtversorgungskonzept
• Strategieentwicklung für einen modularen Umbauprozess dieser Systeme in Richtung eines verminderten Energiebedarfs bei fortschreitender Technologieentwicklung im Sinne von „no-regret“-Strategien
Intelligente Wärme- und Kältenetze auf Quartiersebene
Zur Nutzung von niedrigexergetischen erneuer-baren Wärmeangeboten wie Geothermie, Solar-wärme oder AbSolar-wärme ist es erforderlich, Wärme unterschiedlicher Temperaturniveaus in das Netz einbinden und exergieeffizient verteilen zu kön-nen. Hierfür müssen Systeme für bi-direktionale Wärmenetze und eine dezentrale Einspeisung auch fluktuierender Energiequellen entwickelt werden (siehe auch Kapitel 3.2). Der Forschungs-bedarf ist wie folgt.
• Entwicklung von Wärme- und Kältenetzen zur dezentralen Einspeisung niedrigexergetischer Quellen
• Entwicklung von Steuerungssystemen und Gebäudeschnittstellen zur Wärme- bezie-hungsweise Kälteübergabe sowie von Kaskadenschaltungen für unterschiedliche Exergiebedarfe in Abhängigkeit der Lastverlaufskurven
• Entwicklung von effizienten Technologien zur bedarfsgerechten hygienischen Erzeugung von Trinkwarmwasser innerhalb von Nieder-temperaturnetzen und von nicht-thermischen Verfahren zur Sicherstellung der hygienischen Trinkwarmwasserqualität für Einzelgebäude beziehungsweise Ensembles, z. B. zum Legio-nellenschutz
5.2.1.3 Pilot- und Demonstrationsvorhaben Notwendig ist die Demonstration von optimier-ten vervielfältigungsfähigen integralen Lösungen für unterschiedliche Siedlungsstrukturen. Es müssen sowohl kleine Städte ab 2.000 Einwoh-ner, mittlere, große und sehr große Städte über 500.000 Einwohner Berücksichtigung finden. Eine geeignete Typologie sollte als Entscheidungskrite-rium für die Auswahl von Demonstrationsvorha-ben dienen. Eine Synergie ließe sich über die Integration von singulären Projekten in größere Maßstäbe realisieren. Der Rahmen ist um weitere Verbraucher zu ergänzen, die bisher nicht in der Bilanzierung integriert waren. Hierzu gehört z. B.
die Straßenbeleuchtung, für die noch ein erhebliches Verbesserungspotenzial sowohl in der Lampentechnologie als auch in dem Reflexions-verhalten der Straßenbeläge erschließ-bar scheint.
Abbau von Umsetzungshemmnissen auf Quartiers- und Stadtebene
Eine wesentliche Voraussetzung für die
erfolgreiche Implementierung eines erneuerbaren Energiesystems ist die Sanierung des Gebäudebe-stands. Aktuell bleibt jedoch sowohl die Sanie-rungsrate als auch die Sanierungseffizienz hinter den Notwendigkeiten zurück. Im Rahmen ange-wandter Forschung gilt es Konzepte und Strate-gien zu entwickeln, wie diese erreicht werden kann. Neben Maßnahmen auf der Ebene von Ein-zelgebäuden können Ansätze auf Quartiersebene Beiträge zu einer Effizienzsteigerung und gleich-zeitig zur gezielten Umstrukturierung leisten.
Forschungsaufgaben sind wie folgt.
• Entwicklung von Steuerungs- und Planungs-instrumenten, die Investoren und Eigentümer-gemeinschaften in die Lage versetzen, zielgerichtete und langfristig effiziente und wirtschaftliche Maßnahmen in der Gebäude-sanierung und dezentralen erneuerbaren Energieversorgung zu entwickeln.
• Analyse von systemischen Umsetzungshemm- • Aufbau eines systematischen Monitorings nissen und Barrieren sowie Konzepte zu deren bestehender und laufender Pilotvorhaben
Auflösung unter besonderer Berücksichtigung des
Gesamtsystems Stadt FVEE-Beitrag zum 6. Energieforschungsprogramm•5.3 Elektromobilität
Übersicht
Forschungsbedarf
Zielsetzungen Forschungsthemen
• Deutschland wird Technologie- und • Innovative Fahrzeugkonzepte, -systeme und M
arktführer für Elektromobilität -komponenten
• Nachhaltige Erschließung des • Intermodale, kooperative Assistenz, Elektromobilitätsmarktes kehrsmanagement und Umweltwirkungen
• Wirtschaftliche, wettbewerbsfähige und • Zukunftsfähige Mobilitäts- und Nutzungs-u
mweltverträgliche Elektrofahrzeuge konzepte
• Langfristige Sicherung der Mobilität • Integration von Elektromobilität in „Smart Grids“-Konzepte zur gezielten Pufferung von erneuerbaren Energien
• Konzepte zur Maximierung des Fahrstroms aus erneuerbaren Quellen
• Integrierte Verkehrs- und Energiesystem-analyse