Reallabore für die Energie- und Wärmewende

Energieeffiziente Stadtquartiere, Teil 1: EnStadt:Pfaff in Kaiserlautern

Wie kann die Energie- und Wärmewende in Deutschland erfolgreich umgesetzt werden? Wie lassen sich marktfähige, übertragbare Lösungen für mehr Effizienz finden? Die Antwort hierauf sind Reallabore in den Stadtquartieren: Hier lassen sich Lösungsansätze unter realistischen Bedingungen im industriellen Maßstab erproben. Deshalb werden inzwischen bundesweit in verschiedenen Modellprojekten die Antworten gesucht, die für das Erreichen der deutschen Klimaziele benötigt werden.

Inhaltsverzeichnis

Vom Stadtquartier zum Reallabor

Städte und ihre Vororte spielen innerhalb der Energiewende eine zentrale Rolle. Rund drei Viertel der Deutschen leben inzwischen in einem städtischen Umfeld. Diese energieeffizienter, klimafreundlicher und nachhaltiger zu gestalten, ist deshalb eine wichtige Aufgabe.

Impulsgeber für die Energie- und Wärmewende

Rund drei Viertel der Deutschen leben in Städten und der Zuzug hält weiter an. Als Lebens- und Wirtschaftsraum sowie als Arbeitsort und Zentrum des kulturellen Lebens kommt jeder Stadt eine besondere Bedeutung zu.

Das gilt ebenfalls im Zusammenhang mit dem Gelingen der Energie- und Wärmewende. Anhaltendes Wachstum, hohe Bebauungsdichte und spürbare Folgen für Klima und Umwelt in den städtischen Ballungsgebieten machen eine effizientere, umweltschonendere Gestaltung der Quartiere zu einer Notwendigkeit:

• Private Haushalte, Gewerbe, Verkehrssektor und Infrastruktur nehmen einen Großteil der in Deutschland verbrauchten Energie in Anspruch. Allein auf Gebäude entfällt nach Schätzungen des Bundesministeriums für Energie und Wirtschaft (BMWi) rund ein Drittel des gesamtdeutschen Energieverbrauchs.
• Daneben sind Gebäude außerdem für einen ebenso großen Anteil an den CO2 Emissionen in Deutschland verantwortlich.

Eine der Kernfragen aktueller Forschungsprojekte lautet daher: Wie können energieeffiziente Gebäude zur energetischen Optimierung von Stadtquartieren beitragen – und damit zur Energie- und Wärmewende? Gleichzeitig ist die Bebauung als Teil eines Gesamtsystems zu sehen, zu dem Versorgungsinfrastruktur, Mobilität und selbstverständlich die Bedürfnisse der Menschen nach einer lebenswerten Umwelt gehören.

Das Stadtquartier als Reallabor

Wie sich energieeffiziente Gebäude, klimafreundliche und neutrale Mobilitätsformen und eine nachhaltige Versorgung der Quartiere mit Strom und Wärme miteinander verbinden lassen, wird seit einigen Jahren direkt vor Ort erforscht. Sogenannte Reallabore verbinden die Forschung mit der Praxis. In einem überschaubaren, aber doch komplexen Rahmen können innovative Lösungen im industriellen Maßstab getestet werden – die Stadtquartiere werden so selbst zum „Experimentierraum“.

Das Bundesministerium für Energie und Wirtschaft (BMWi) unterstützt diesen Forschungsansatz seit 2017 mit bis zu 100 Millionen Euro. Damit sollen Forschung, Entwicklung und Innovationen für eine nachhaltige Stadtentwicklung gefördert werden.

Gemeinsam mit dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) wurde dazu die Förderinitiative „Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“ ins Leben gerufen. In den Stadtquartieren werden in diesem Rahmen neue, übertragbare Konzepte für eine „Betriebsoptimierung“ erarbeitet.

Viele Fragestellungen, unterschiedliche Ansätze

Die Aufgabenstellung ist dabei vielfältig. Sektorübergreifende Lösungen sind gefragt, um Energieeffizienz, erneuerbare Energien, emissionsarme Wärmenetze und eine smarte Verkehrsinfrastruktur miteinander zu verbinden. Eine der Grundlagen für eine funktionierende Sektorkopplung ist die Digitalisierung. Sie ermöglicht ein umfassendes Energiemanagement und ist die Voraussetzung für ein vernetztes Gesamtenergiesystem. Das schließt auch digitale Dienstleistungen für die Energieversorgung, innovative Mobilitätsangebote und andere Lebensbereiche ein.

Die Aufgaben im Rahmen der Energie- und Wärmewende sind von großer Komplexität geprägt, zu der die Stadtquartiere als „Laborraum“ zusätzlich beitragen: Von den baulichen Gegebenheiten bis zu den beteiligten Akteuren finden sich in jedem Quartier individuell verschiedene Voraussetzungen für eine nachhaltigere Um- oder Neugestaltung.

Deshalb besteht eine Herausforderung darin, die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf andere Stadtquartiere bereits im „Versuchsaufbau“ zu berücksichtigen.

Reallabore in der Praxis: Projekte für energieeffiziente Stadtquartiere

Zu den ersten sechs Leuchtturmprojekten der Förderinitiative sind inzwischen zahlreiche weitere hinzugekommen. Im Rahmen des Förderformats „Reallabore der Energiewende“ hat das BMWi 2019 einen ersten Ideenwettbewerb für mögliche Projekte gestartet. Schwerpunkte waren neben den „Energieoptimierten Quartieren“ außerdem die Bereiche „Sektorenkopplung und Wasserstofftechnologien“ sowie
„Großskalige Energiespeicher im Stromsektor“. Die Forschung in den Reallaboren wird zunächst bis 2022 gefördert.

In unserer Serie „Energieeffiziente Stadtquartiere“ werden einige dieser Projekte vorgestellt. Sie zeigen, wie unterschiedlich die Lösungsansätze hin zu einem energieoptimierten, nachhaltigen Stadtquartier sein können. Dieser erste Teil befasst sich mit dem Reallabor EnStadt:Pfaff in Kaiserlautern.

EnStadt:Pfaff | Kaiserslautern

• Laufzeit: Oktober 2017 bis September 2022
• Bewilligte Fördersumme: rund 27 Millionen Euro (für alle Teilprojekte des Verbundprojekts)
• Größe des Reallabors: rund 3,5 Hektar

Eines der sechs Leuchtturmprojekte, die im Rahmen der Initiative „Solares Bauen/ Energieeffiziente Stadt“ gefördert werden, befindet sich im rheinland-pfälzischen Kaiserslautern. Seit dem Herbst 2017 wird hier allerdings kein Quartier im Sinne der energetischen Optimierung umgestaltet. Vielmehr entsteht auf dem früheren Werksgelände der Nähmaschinenfabrik Pfaff ein gänzlich neuer Stadtteil.

Aus dem Industrieareal soll bis September 2022 ein klimaneutrales Wohn-, Gewerbe- und Technologiequartier werden. Beteiligt sind an dem Verbundprojekt mehrere Institutionen, unter denen das Referat für Umweltschutz der Stadt Kaiserslautern für die Koordination zuständig ist. EnStadt:Pfaff ist nicht nur ein Leuchtturmprojekt für energieeffiziente Stadtteile, sondern ebenso ein Beispiel für die Potenziale urbaner Brachflächen.

Die Ziele

Die Konzepte von EnStadt:Pfaff sind ganzheitlich angelegt. Das heißt, neben Energieeffizienz und Klimaneutralität gehören auch eine hohe Lebens- und Aufenthaltsqualität zu den Zielsetzungen des Projekts. Das Reallabor soll die Möglichkeiten eines intelligenten Quartiers-Energiemanagements prüfen, in dem die verschiedenen technologischen Einzelkomponenten zusammenlaufen.

Geplant ist, energieeffiziente Gebäude, erneuerbare Energien, Batterie- und Wärmespeicher sowie Mobilitätslösungen auf einer großen digitalen Plattform zusammenzuführen. Diese wiederum dient den Menschen im Quartier dazu, verschiedene Dienstleistungen – Energieversorgung, Mobilität, Verwaltung etc. – einfach und digital per App nutzen zu können.

Die Verknüpfung der unterschiedlichen Sektoren sieht dann im Ergebnis wie folgt aus: Der Energiebedarf wird vor Ort aus erneuerbaren Energien gewonnen und flexibel nach Bedarf verteilt. Ermöglicht wird dies durch Energie- und Wärmespeichertechnologien, die in ein Smart Grid-Konzept eingebunden sind. Damit werden nicht nur die Gebäude versorgt, sondern zugleich smarte, elektrische Mobilitätsangebote.

Um technologische Innovationen und gesellschaftlich relevante Entwicklungen, die sich daraus ergeben, besser in Einklang bringen zu können, verfolgt EnStadt:Pfaff einen interdisziplinären Ansatz. Vor allem durch sozialwissenschaftliche Forschungen sollen beispielsweise Nutzerbedürfnisse und Akzeptanzfragen geklärt werden. Das ist bereits für die Planungsprozesse im Quartier ein zentraler Faktor.

Die Umsetzung

Das Verbundprojekt EnStadt:Pfaff besitzt selbstverständlich nicht nur eine Forschungsperspektive. Um das Areal umgestalten zu können, wurden deshalb im Vorfeld alle notwendigen städtebaulichen Planungsprozesse angestoßen. Das Bebauungsplanverfahren, nach dem die Änderungen vor Ort vorgenommen werden, beinhaltet dabei nach wie vor die ursprüngliche Zielsetzung:

• nachhaltige Entwicklung des Quartiers unter Berücksichtigung der Nutzungsdurchmischung (Forschung, Technologie, Gesundheit und Wohnen)
• Integration ausgewählter Bestandsgebäude zur Erhaltung des industriellen Charakters
• Ausschöpfung städtebaulicher, architektonischer und freiräumlicher Gestaltungsmöglichkeiten für ein urbanes und verkehrsarmes Stadtquartier

Die Voraussetzungen hierfür sind nicht ganz einfach. Das ehemals abgeschlossene Gelände muss an die umliegenden Stadtquartiere angeschlossen werden. Erschwert wird das unter anderem durch eine Bahntrasse und eine Hangkante, die das Areal im Westen und Norden einschließen.

Um das neu entstehende Quartier erreichen zu können, werden Anschlusspunkte für verschiedene Mobilitätsformen angelegt, etwa eine Haltestelle für die Bahn samt Fußgängerunterführung oder Treppen und Rampen für Fuß- und Radverkehr. Das bestehende Wegeraster kann außerdem genutzt werden, um das Quartier für den motorisierten und den Radverkehr zu erschließen.

Besonders schwierig wird die Umsetzung durch die industrielle Vergangenheit des Gebiets:

• Boden und Grundwasser sind schadstoffbelastet, eine Folgenutzung ist daher nur nach Bodensanierungen und Flächenversiegelungen (die ein Einsickern der Schadstoffe in das Grundwasser verhindern sollen) möglich.
• Der Gebäudebestand weist neben ähnlichen Altlasten außerdem einen weitreichenden Grad an Baufälligkeit auf. Nach den Plänen bleibt eine Reihe verschiedener Gebäude jedoch erhalten (Verwaltungsgebäude, Kesselhäuser, Pforte etc.).

Neben der städtebaulichen Umgestaltung umfasst das Projekt eine Vielzahl an Inhalten und Konzepten, um die oben beschriebene Zielsetzung zu erreichen. Langfristige Konzepte befassen sich mit Energie, Mobilität, Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) sowie einer integrierten Planungs- und Monitoringsoftware für die Energieversorgung.

Die Forschungsschwerpunkte

Parallel werden sozialwissenschaftliche und ökonomische Rahmenbedingungen berücksichtigt, die sich auf die Quartiersplanung auswirken können. Hierbei geht es unter anderem um mögliche Zusammenhänge zwischen sich verändernden Lebens- und Arbeitswelten einerseits und der Planung beziehungsweise Umsetzung von städtebaulichen Maßnahmen andererseits.
Weitere Projektschwerpunkte sind:

Gebäudetechnologien

Gebäude haben, wie eingangs gezeigt, eine erhebliche Bedeutung für eine energieeffiziente Umgestaltung. Neben ihrem Anteil am deutschlandweiten Energieverbrauch gilt das auch für die veränderte Rolle in der Energieversorgung: Neubauten und energetisch sanierte Bestandsgebäude funktionieren zunehmend selbst als Energieerzeuger. Damit werden sie zu einem wichtigen Baustein für eine optimierte, dezentrale Energie- und Wärmeversorgung in den Stadtquartieren – und darüber hinaus.

Zu den erforschten Technologien zählen

• die maximale Nutzung von vorhandenen Solarpotenzialen;
• Beschichtungstechniken, die eine farbliche Anpassung von Solarfassaden ohne Leistungsverlust erlauben;
• Lüftungssysteme, die in die Fensterrahmen integriert werden;
• elektrochrome, schaltbare Fenster für Gebäude, die beispielsweise wegen des Denkmalschutzes keine außenliegenden Lösungen zur Verschattung zulassen;
• die energetische Sanierung denkmalgeschützter Bestandsgebäude sowie
• Smart Home-Technologien.

Um die Effizienz nicht nur bei der Energie- und Wärmeversorgung zu verbessern, wird außerdem eine Materialdatenbank für die Gebäude im Quartier erstellt. Sie soll unter anderem dabei helfen, Bauteile und -materialien einfacher in eine Kreislaufwirtschaft zu überführen. Für die Planung ergibt sich daraus zugleich die Möglichkeit, den Faktor „graue Energie“ von Anfang zu berücksichtigen und so zu reduzieren.

Quartierstechnologien

Auf der Quartiersebene stehen vor allem die Fragen im Fokus, die sich weitestgehend um das Energiemanagement und die Vernetzung der einzelnen Sektoren drehen. Die erforschten Lösungsansätze reichen deshalb von der schon erwähnten digitalen Quartiersplattform für verschiedene Dienstleistungen bis zum Einsatz von Sensorik, um notwendige Daten für die Steuerung eben dieser Angebote zu gewinnen.

Wichtige Technologien sind daneben ein agentenbasiertes Energiemanagementsystem, das einen automatisierten Handel von Strom und Wärme zwischen den Prosumern (da die Gebäude sowohl Produzenten als auch Konsumenten sind) ermöglichen soll – im besten Fall im gesamten Quartier. Das elektrische Smart Grid ist eine Voraussetzung hierfür, da so Daten zu Erzeugung, Verbrauch und Bedarf erfasst werden können.

Die Voraussetzungen für eine energieeffiziente Versorgung werden durch weitere Technologien geschaffen:

• Dezentrale Lithium-Ionen-Batterien verbessern die Stromversorgung in einzelnen Gebäuden, sollen aber darüber hinaus im Quartier das Stromnetz entlasten. Gegebenenfalls können sogar Bereiche außerhalb des Areals bedient werden.
• Um ausreichend erneuerbare Energien zur Verfügung zu haben, werden die Möglichkeiten der Installation von Solarflächen im öffentlichen Raum untersucht.
• Zentrale Bedeutung hat ebenfalls das Nahwärme- und Kältenetz. Hierbei geht es auch um die Frage, welches Modell sich am besten in die Sektorenkopplung integrieren lässt. Von einem Niedertemperaturnetz wird die höchste Effizienz für das gesamte Energiesystem des Quartiers erwartet.

Mobilitätslösungen

Möglichst wenig Kfz-Verkehr, möglichst wenige Emissionen: Das sind die beiden Hauptziele, die mit den Mobilitätsangeboten im Pfaff-Quartier erreicht werden sollen. Hierzu setzt das Projekt vor allem auf Elektromobilität und Sharing-Modelle.

Gesucht werden zu diesem Zweck Carsharing-Konzepte, die im gesamten Quartier integriert werden können, um die Nutzung eines eigenen Pkw überflüssig zu machen. Damit einher geht die Frage, mit welchen digitalen Services umweltfreundlichere Mobilität im Quartier gefördert werden kann.

Das schließt wiederum nicht nur das Carsharing ein, sondern genauso die Angebote des öffentlichen Nahverkehrs oder die Möglichkeiten für Bike-Sharing. Per App können Bewohner und Besucher so jederzeit Abfahrtszeiten oder verfügbare Fahrzeuge ablesen.

Um die E-Mobilität sinnvoll zu fördern, wird auf dem Areal außerdem nach Möglichkeiten gesucht, um eine optimale Ladeinfrastruktur bieten zu können. Dabei geht es einerseits darum, Ladestationen strategisch günstig auf dem Gelände zu positionieren. Andererseits werden unterschiedliche Optionen für das Laden von E-Fahrzeugen erprobt. Damit sollen beispielsweise Lastspitzen verhindert werden, falls zu viele Fahrzeuge gleichzeitig an der Ladestation stehen.

Prozessevaluierung und Monitoring

Die Gestaltung von EnStadt:Pfaff beruht auf einer Vielzahl von Planungs- und Entwicklungsprozessen. Obwohl diese unterschiedliche Schwerpunkte haben (Bebauung, Erschließung, Energie, Vermarktung etc.), greifen sie dennoch ineinander.

Ziel der Prozessevaluierung ist deshalb, genau diese Verzahnung zu verbessern. Damit sollen zum Beispiel Empfehlungen und Änderungsvorschläge rechtzeitig in die Prozesse integriert werden. Die Evaluierung dient also der Optimierung der Planung an sich.

Da das Projekt langfristig angelegt ist – der Förderzeitraum endet zwar 2022, die Fertigstellung der Konzepte für Energie, Mobilität und IKT ist aber bis 2029 vorgesehen –, wird es von einem automatisierten Monitoring begleitet. Damit lassen sich Planungsdaten und bisherige Fortschritte besser nachvollziehen.

Das ist nicht nur für den Verlauf des Projekts insgesamt wichtig, sondern macht die Prozesse beispielsweise auch für neue Investoren nachvollziehbar. Nicht zuletzt geht es außerdem darum, die Wirksamkeit der erforschten Technologien und Lösungen vor dem Hintergrund der förderpolitischen Zielsetzungen abzubilden.

Forschung und Innovation erlebbar machen

Ein wichtiges Merkmal des EnStadt:Pfaff-Projekts ist die Vermittlung zwischen Forschung und Öffentlichkeit. Das Reallabor soll nicht nur Theorie und Praxis zusammenbringen, sondern gleichzeitig Technologien, Methoden und Ergebnisse erlebbar machen.
Zu diesem Zweck entsteht in dem früheren Kesselhaus des Fabrikgeländes ein Reallabor-Zentrum, das verschiedene Funktionen erfüllt. Es ist zugleich Forschungsbereich und „Showroom“:

• Mit dem E-Mobil- und Batterielabor ist hier eine Abteilung untergebracht, die sich den Möglichkeiten des bidirektionalen Ladens von Elektrofahrzeugen widmet.
• Ebenfalls zu Forschungszwecken wird um das Reallabor-Zentrum ein Gleichstromnetz aufgebaut. Es soll Antworten darauf liefern, ob es im Vergleich zum Wechselstromnetz effizienter sein kann.
• Die Quartierswerkstatt ist gleichermaßen Demonstrations- wie Arbeitsraum. Hier stehen die notwendigen Mittel bereit, um die genutzten Quartiersysteme für Energieversorgung und -management, Mobilität etc. vorzustellen, weiter zu erforschen und zu testen.
• Eine interaktive Ausstellung bringt Besuchern das Konzept der smarten Quartiere näher. Die Technologien und Projektinhalte werden erläutert, dank Virtual Reality ist außerdem ein Blick in die Zukunft auf das fertige Quartier möglich.

Darüber hinaus wird aufgezeigt, wie smarte Haustechnik funktioniert. Mit dieser wird das Reallabor-Zentrum gesteuert, das dadurch gleichzeitig als Demonstrationsobjekt dient.

Mehr Reallabore für die Energie- und Wärmewende

EnStadt:Pfaff ist nur ein Beispiel für eine Reihe weiterer Reallabore, die sich im Rahmen des Ideenwettbewerbs des BMWi für Fördermittel qualifiziert haben. Insgesamt 20 Reallabore sollen in den kommenden Jahren unterschiedliche Möglichkeiten erforschen, um eine effizientere Strom-, Wärme- und Kälteversorgung zu schaffen.
Die Reallabore sollen in diesem Zusammenhang nicht nur dabei helfen, innovative Lösungen zu finden. Mit ihren Erkenntnissen sollen sie außerdem dafür sorgen, dass erforschte Innovationen schnellstmöglich markt- und wettbewerbsfähig werden. Da die Forschung bereits in einem industriellen Maßstab stattfinden kann, bieten die Reallabore die besten Voraussetzungen für diese nächsten Schritte.

Quellen:

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Gewinner des Ideenwettbewerbs „Reallabore der Energiewende“ – Steckbriefe.
https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/P-R/reallabore-der-energiewende-gewinner-ideenwettbewerb-steckbriefe.pdf?__blob=publicationFile
Ders.: Innovation durch Forschung. Erneuerbare Energien und Energieeffizienz: Projekte und Ergebnisse der Forschungsförderung 2017.
https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Publikationen/Energie/innovation-durch-forschung-2017.pdf?__blob=publicationFile&v=12
Ders.: Reallabore – Testräume für Innovation und Regulierung.
https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/reallabore-testraeume-fuer-innovation-und-regulierung.html
Schüring, Andreas: Energiewende im Quartier gestalten. Das KfW-Programm „Energetische Stadtsanierung“, in: Bund Deutscher Architekten (BDA): Stadtquartiere sanieren. Sozial – Ökologisch – Ästhetisch.
https://www.bda-bund.de/wp-content/uploads/2019/01/Stadtquartiere-sanieren.pdf
Yanovych, Oryna: Energetische Planung und Betrieb effizienter Stadtquartiere (TU Dresden Fakultät Architektur, Institut für Bauklimatik).
https://tu-dresden.de/bu/architektur/ibk/ressourcen/dateien/lecture/lectures_arch_dir/posters_scientific-theses/WissA_YanovychO.pdf?lang=de

Weiterführende Links:

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Reallabore der Energiewende.
https://www.energieforschung.de/spotlights/reallabore
Energiewende im Quartier: Werksgelände wird zum klimaneutralen Stadtquartier
https://projektinfos.energiewendebauen.de/forschung-im-dialog/neuigkeiten-aus-der-forschung/detailansicht/werksgelaende-wird-zum-klimaneutralen-stadtquartier/
Innovationen für nachhaltige Stadtquartiere
https://pfaff-reallabor.de/

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