»UrbanReNet« – AnalyseWerkzeug für bestehende Stadtquartiere und deren energetische Optimierung

Vernetzungsmöglichkeiten ausloten

Die energetischen Strategien von Städten und Kommunen tragen entscheidend zum Klimaschutz und dem Gelingen der Energiewende bei. Konzepte zu einer ganzheitlichen und regenerativen Quartiersentwicklung werden jedoch durch die Komplexität und Heterogenität urbaner Strukturen sowie einer oftmals nur unvollständigen Datengrundlage erschwert. Eine solide Abschätzung des energetischen Bedarfs und Potenzials eines Stadtviertels wird zukünftig eine Software bieten, die die TU Darmstadt federführend im Rahmen der Forschungsinitiative »EnEff:Stadt« des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie erarbeitet.

Text: Bettina Gehbauer-Schumacher

Das Projekt »UrbanReNet« will Architekten, Stadtplanern, Wohnungsbaugesellschaften, Stadtverwaltungen und Kommunen ein praxisnahes Werkzeug zur Analyse und Simulation von Energiekonzepten für Quartiere zur Verfügung stellen. Diese können damit Stadtstrukturen sowohl quantitativ als auch qualitativ beschreiben und hinsichtlich ihrer Potenziale zur Energieerzeugung, -speicherung und sogenannten smarten Vernetzung sowie zum Lastspitzenausgleich überprüfen. Dabei ist ihnen eine Software mit einem Rechenmodell behilflich, die sowohl eine schnelle erste Abbildung des Bestands als auch eine Simulation energetischer Entwicklungsszenarien auf Quartiersebene ermöglicht, indem integrierte Strategien und Synergien im Siedlungsverbund dargestellt werden.
Der modulare Aufbau und der Zugriff auf voreingestellte Standardwerte erlaubt ein relativ genaues Abbild des Gebäudebestands, ohne dabei jeden Einzelbau betrachten zu müssen. Durch variable Parameter wie beispielsweise die Korrektur der Geschossigkeit, des Bebauungsgrads oder die Zuweisung einer bestimmten Baualtersklasse kann der Betrachtungsraum individuell an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden.
Die erste Projektphase von 2009 bis 2012 führte zu Grundlagen, die den deutschen Gebäudebestand repräsentativ und IT-gestützt abbilden. Beteiligt war dabei eine interdisziplinäre Forschungsgruppe aus den Architekturfachgebieten »Entwerfen und Energieeffizientes Bauen«, »Entwerfen und Freiraumplanung« sowie der Mathematikbereich »Diskrete Optimierung« der TU Darmstadt. Teil des Verbunds waren auch die Forschungsstelle für Energiewirtschaft in München und die Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden. In einer zweiten Phase entwickeln die beiden Architekturfachgebiete der TU Darmstadt seit September 2012 und noch bis Dezember 2014 ein Simulations- und Vernetzungsmodell, um die Daten des ersten Projekts in einer benutzerfreundlichen Softwareoberfläche greifbar und modulierbar zu machen. Schwerpunkt ist nun die energetische Vernetzung sowie die Integration von Speichertechnologien in das mathematische Rechenmodell.
Auch andere Forschungsvorhaben der Initiative »EnEff:Stadt« oder Computerprogramme wie die der TU München (Fakultät für Architektur) versuchen, entsprechende Planungsinstrumente bereitzustellen. Der Schwerpunkt liegt hier allerdings meist auf einer bestimmten Energieform oder Technik, auf der Effizienz von Einzelgebäuden/Siedlungen oder auf dem Informationsmanagement. Werkzeuge, die aus stadtplanerischer Sicht für dezentrale Versorgungssysteme im Bestand erstellt werden, gibt es bislang nur in Ansätzen. Eine energetische Vernetzung innerhalb von Bestandsvierteln bringt aber ein erhebliches Maß an Energieeinsparung mit sich, was die Notwendigkeit für ein solches Tool unterstreicht. Darüber hinaus können durch den Zusammenschluss von Quartieren zu Energieverbünden Energiequellen erschlossen werden, die auf der Ebene von Einzelgebäuden nicht zur Verfügung stehen oder nur schwer nutzbar sind.
Die möglichen Energieeinsparungen hängen allerdings von der jeweiligen Situation ab und sind nicht pauschal bezifferbar. Konkret lässt sich aber sagen, dass das »UrbanReNet«-Tool recht genau arbeitet: Bei einem Test mit zehn Quartieren auf dem Gebiet der »InnovationCity« in Bottrop ergaben sich Abweichungen in der Größenordnung von maximal 10 % zwischen realen Verbräuchen und berechneten Bedarfswerten.
Grundlagen und Schritte
Um ein nachhaltiges, ortspezifisches Energiekonzept auf Quartiersebene zu erstellen, wird zunächst der gewählte Stadtraum hinsichtlich seiner Bebauung, des Freiraums und der Nutzung betrachtet und in kleine, baustrukturell vergleichbare Einheiten unterteilt. Die erste Projektphase identifizierte hierzu 13 »Energetische Stadtraumtypen« (EST) (Abb. 2). Zur Datenerhebung dienten dabei u. a. bestehende Studien wie die von Dagmar Everding, Ueli Roth und die AGFW Hauptstudie von 2001 [1]. Weitere Voruntersuchungen, u.a. bei eigenen städtebaulichen Projekten des Fachgebiets »Entwerfen und Energieeffizientes Bauen«, anhand derer typische energetische, baustrukturelle und freiräumliche Kenngrößen je EST ermittelt wurden, ergänzten diese. ›
› Bauten, die zwar für die energetische Vernetzung wichtig sind, jedoch räumlich keinen EST bilden, gehören zu den »Energetischen Einzelelementen« (EE). Diese umfassen 26 Gruppen mit insgesamt 40 EE, z. B. Schulen, Bäder und Krankenhäuser. Die baulichen und energetischen Kenngrößen der einzelnen EST und EE wurden grafisch aufbereitet und in Steckbriefen zusammengefasst.
Basierend auf den Richtlinien für die Anlage von Stadtstraßen gibt es zudem noch die Straßenraumtypen (SRT) Wohn- und Sammelstraßen, Hauptgeschäfts- und Einfahrtsstraßen, Gewerbe- und Industriestraßen.
Die Einteilung in EST, EE und SRT ist die Basis, um das Quartier energetisch zu bewerten und seine Vernetzungspotenziale aufzuzeigen.
In einem zweiten Schritt erfolgt dann die Festlegung von Kenndaten, Charakteristika und Spezifikationen. Außerdem kann durch die ermittelte Größe der Flächen anhand der Steckbriefe die genaue Höhe der Potenziale und Bedarfe ermittelt werden, beispielsweise:
  • Energiebereitstellung – Passive oder aktive Solarenergienutzung, oberflächennahe Geothermie, Biomasseanbau, Abwasserwärme
  • Energiespeicherung – Erdsonden- und Kieswasserspeicher, Stromspeicher
  • Energieeinsparung – Sanierung der Gebäudehülle, Modernisierung der Anlagentechnik
  • Lastenspitzenausgleich – Blockheizkraftwerk, Dachbegrünung.
Ergänzend stehen separate »Technologie-Steckbriefe« zur Verfügung, in denen typische Systeme der Energiebereitstellung – Anlagentechniken inkl. Systemkennzahlen, Berechnungsmethoden, Nebenbedingungen und mögliche Synergieeffekte – beschrieben und grafisch aufbereitet sind.
Im dritten Schritt, der Simulation, werden die energetischen Vernetzungspotenziale sichtbar gemacht, denn das Tool bildet alle Energieflüsse – von der Energiequelle bis zur Bedarfsdeckung – mit den momentan zur Verfügung stehenden Technologien zur Energiesammlung, Umwandlung und Speicherung ab.
Bei der weiteren Verfeinerung kann der Anwender gezielt einzelne Komponenten ausschließen und sich so auf bestimmte regenerative Maßnahmen fokussieren, etwa auf die alleinige Nutzung von Biomasse oder Solarenergie. Ebenso ist die Anbindung von Neubaugebieten simulierbar. Damit wird deutlich, welche Potenziale in Quartieren für eine maßgeschneiderte Lösung, bei der alle Komponenten miteinander vereinbar sind, aktiviert werden können. Auch soll der Planer zukünftig die genauen Daten seiner individuellen Situation eingeben und die Profile entsprechend anpassen können. Ausschlaggebend für unverfälschte Ergebnisse ist jedoch die Eingabe der korrekten Baualtersklasse und des richtigen EST: Eine fehlerhafte Angabe kann zu Abweichungen von bis zu 10 % führen. Eine Ungenauigkeit in der Anlagentechnik bringt hingegen nur etwa 3 % Fehler mit sich.
Verfügbarkeit noch in diesem Jahr
Im Sommer werden die EST-Steckbriefe im Rahmen der »EnEff:Stadt«-Schriftenreihe veröffentlicht. Dann stehen Fachplanern auch ohne Benutzung der Software die energetischen Charakteristika einzelner Stadträume zur Verfügung. Nach Abschluss des Projekts gegen Ende des Jahres ist beabsichtigt, für Interessierte eine vereinfachte Version der Software bereitzustellen, wobei Vertriebskanäle und Kosten derzeit noch ungeklärt sind. Klar ist aber schon jetzt: Das Programm bietet eine solide Basis zur Erstellung eines integrativen Energiekonzepts – auch wenn es selbstverständlich nicht die zur späteren Realisierung notwendige Datenaufnahme vor Ort ersetzen kann. •
Weitere Informationen:
[1] Pluralistische Wärmeerzeugung – Strategien und Technologien einer pluralistischen Fern- und Nahwärmeversorgung in einem liberalisierten Energiemarkt unter besonderer Berücksichtigung der Kraft-Wärme-Kopplung und regenerativer Energien, Band 2, Arbeitsgemeinschaft Fernwärme e.V. (AGFW) im Auftrag des BMWi, Frankfurt, 2001 Everding, Dagmar, Leitbilder und Potenziale eines solaren Städtebaus, Zusammenfassung der Forschungsergebnisse, 2004 Everding, Dagmar, Solarer Städtebau: vom Pilotprojekt zum planerischen Leitbild, Kohlhammer, Stuttgart, 2007 Roth, Ueli, Wechselwirkung zwischen der Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssystemen, Zweiter Zwischenbericht: Teilarbeiten 1 – 4 Quantitative Verknüpfung von Siedlungsszenarien mit Wärmeversorgungsszenarien, Bundesminister für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau (Hrsg.), Bonn, 1979

Energetisch sanieren (S. 128)
Bettina Gehbauer-Schumacher
1973 in Darmstadt geboren. Architekturstudium an der TU Darmstadt, Diplom 2001. Berufsbegleitendes Fernstudium bei PR+plus, 2004 Abschluss als PR-Beraterin (DPRG). Seit 2001 kontinuierlich in der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit tätig, seit 2006 freie Journalistin, Autorin und Leiterin des Büros »Smart Skript – Fachkommunikation für Architektur und Energie«.