Gastautor Kai Mainzer (Karlruher Institut für Technologie)

20.06.2017

Urban Energy Talks: Innovative Ansätze zur Entwicklung von städtischen Energiekonzepten

Ein Großteil des deutschen Energiebedarfs entsteht in Städten. Insbesondere die Versorgung der Gebäude mit Wärme verursacht mehr als die Hälfte des gesamten Energiebedarfs und damit verbunden auch einen Großteil der Treibhausgas-Emissionen. Zahlreiche effiziente Technologien zur Wärme- und Stromversorgung stehen schon heute zur Verfügung, werden aber aus verschiedenen Gründen oft nicht genutzt. Wenn die Energiewende gelingen soll, müssen Städte und Gemeinden Konzepte erarbeiten, um diese Technologien sinnvoll einzusetzen. Die Urban Energy Talks am 29.06.2017 in Stuttgart bringen dieses Themenfeld auf die Bühne.

Innovative Technologien zur lokalen Energieeinsparung und -erzeugung

In Städten bieten sich erhebliche Potenziale zur Energieeinsparung und Emissionsminderung. Bei etwa der Hälfte der ca. 19 Mio. Wohngebäude in Deutschland stehen in den kommenden 20 Jahren ohnehin Sanierungen an. Dabei können, praktisch als Nebeneffekt, der Wärmebedarf und die Heizkosten durch den Einsatz moderner Dämmstoffe deutlich reduziert werden. Wenn alte Heizungsanlagen durch effizientere Technologien, wie beispielsweise Wärmepumpen, ersetzt werden, könnte der Primärenergiebedarf zusätzlich verringert werden.

Das PV-Flächenpotenzial in den Städten ist immens groß - und noch lange nicht ausgeschöpft.

Das PV-Flächenpotenzial in den Städten ist immens groß – und noch lange nicht ausgeschöpft.

Gleichzeitig kann die benötigte Energie immer günstiger lokal und regenerativ bereitgestellt werden. So stehen noch immer viele ungenutzte Dachflächen für Photovoltaik zur Verfügung, deren Stromgestehungskosten unter den Verbraucherpreisen liegen. Im Gegensatz zu anderen Technologien ist die Akzeptanz bei der Bevölkerung hoch, da es für diese Flächen praktisch keine Nutzungskonkurrenz gibt. In vielen Gegenden bestehen zudem gute Voraussetzungen zur wirtschaftlichen Nutzung der Windkraft.

Die zeitlichen Fluktuationen der Stromerzeugung könnten durch grundlastfähige Geothermie, Energiespeicher oder durch flexible Biomasse-Heizkraftwerke ausgeglichen werden. Smarte Lösungen wie Demand Side Management oder die intelligente Steuerung der Verteilnetze können zusätzlich die Integration der Erneuerbaren in das städtische Energiesystem unterstützen.

Um Städten ihre Handlungsspielräume aufzuzeigen, müssen die Potenziale sichtbar gemacht werden

Zahlreiche Städte haben ihre Bedeutung im Kampf gegen den Klimawandel erkannt und engagieren sich, z.B. in Form von Energiegenossenschaften. Auch die Bürgermeister und Gemeinderäte sind meist gewillt, für mehr Nachhaltigkeit aktiv zu werden. Insbesondere in kleineren Städten fehlen meist jedoch detaillierte Informationen als Planungsgrundlage. Um schlüssige und umsetzbare Energiekonzepte entwerfen zu können, sind wesentliche Kenntnisse zum aktuellen Zustand des Energiesystems, sowie zu den bestehenden Potenzialen im Bereich der Erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz nötig.

Viele Daten, z.B. über die Struktur des Gebäudebestands und das lokale Klima, sind zwar frei verfügbar, bieten jedoch für sich genommen noch keine wertvolle Aussagekraft. Um relevante Erkenntnisse abzuleiten, müssen die verschiedenen Informationsquellen miteinander verknüpft und unter Verwendung entsprechenden Fachwissens analysiert werden. So können beispielsweise Geodaten zum Gebäudebestand mit Globalstrahlungsdaten verknüpft werden, um die verfügbaren Dachflächen und die mögliche Stromerzeugung aus Photovoltaik in einer Stadt gebäudescharf zu berechnen. Durch die zusätzliche Auswertung von Satellitenbildern kann der Detailgrad verbessert und bspw. auch der bisherige Bestand an PV-Anlagen bilanziert werden. Damit Entscheidungsträger diese Methoden auch in ihrer Gemeinde nutzen können, sollten diese automatisiert und z.B. in Form eines Software-Tools verfügbar gemacht werden.

Die Komplexität städtischer Energiesysteme lässt sich durch Modellierung beherrschen

In städtischen Energiesystemen kommen viele verschiedene Technologien zum Einsatz und immer häufiger gibt es Kopplungen, z.B. zwischen dem Strom- und Wärmesektor durch die Nutzung von Wärmepumpen. Dadurch entstehen zum einen technische Abhängigkeiten, z.B. sollte eine PV-Anlage im besten Fall immer dann Strom liefern, wenn die Wärmepumpe läuft. Andererseits ergeben sich auch Konkurrenzeffekte: Beispielsweise können sowohl Gebäudedämmung, als auch die Investition in ein neues Heizsystem als Einzelmaßnahmen ökonomisch sinnvoll sein. Wenn in einem Gebäude jedoch eine der Maßnahmen bereits durchgeführt wurde, kann dies dazu führen, dass die jeweils andere dadurch unrentabel wird.

Für den einzelnen Gebäudeeigentümer ist es anhand der begrenzten Anzahl an Alternativen noch möglich, die für ihn individuell beste Entscheidung durch sorgfältige Planung zu bestimmen. Geht es jedoch um die langfristige Gestaltung des gesamten Energiesystems einer Stadt, sind die möglichen Maßnahmen und die Anzahl ihrer Kombinationen schier unüberschaubar. Wenn dabei noch unterschiedliche, möglicherweise gegensätzliche Ziele (z.B. Kosten- und Emissionsminderung) verfolgt werden sollen, lässt sich die optimale Lösung nicht mehr intuitiv bestimmen.

Mit mathematischen Modellen, die das System aus einer übergeordneten Perspektive optimieren, können all diese Abhängigkeiten berücksichtigt und mögliche Entwicklungspfade in eine nachhaltige Zukunft berechnet werden. Dabei können verschiedene Ziele und Nebenbedingungen bestimmt werden, z.B. die Minimierung der Kosten bei fest vorgegebener Emissionsminderung. Alternativ lässt sich damit auch zeigen, welche Emissionsminderung theoretisch möglich wäre, um Leitplanken für die Erstellung von Energiekonzepten zu liefern.

Im Fokus: Innovationen für die Energiewende in der Stadt bei den Urban Energy Talks

Trotz der Möglichkeiten, die sich durch die Nutzung dieser Technologien ergeben, sollte berücksichtigt werden, dass stets der Mensch im Mittelpunkt aller Betrachtungen stehen sollte. Es ist daher wichtig, dass die Bürger einer Stadt in den Prozess mit einbezogen werden und ihre Bedenken und Präferenzen, z.B. im Rahmen von Workshops, einbringen können. Somit kann verhindert werden, dass die Energiewende als Zwang empfunden wird und dass das Projekt aufgrund von fehlender Akzeptanz in der Bevölkerung scheitert.