Einbindung erneuerbarer Energien in die Energieversorgung vernetzter Quartiere (E⁴Q)

Ausgangslage

Die effiziente Einbindung erneuerbarer Energieträger in die Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Strom ist ein wichtiger Baustein des nationalen Ener­gie­konzepts für eine um­weltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energie­versorgung. Im Kontext der Energie­ver­sorgung von Quartieren ist unklar, wel­che Versorgungsstrategie je nach Quar­tierstyp hin­sichtlich definierter Ziel­grö­ßen (z. B. erneuerbarer Deckungsanteil, Treibhauspotential, Ka­pi­­tal­wert) zu verfolgen ist. Bisher wurden vor allem Erneuerbare-Energien-Technologien zur Stromerzeugung durch Subventionen gefördert.

Zusammenhängende Teilgebiete mit ähnlicher Gebäude- und Nutzungsstruktur
Die Karte zeigt das Ergebnis einer zweistufigen Klassifizierung der Gebäude in Berlin Charlottenburg. Im ersten Verfahrensschritt werden die Gebäude anhand bestimmter Gebäudemerkmale (z. B. Nutzung bzw. Gebäudefunktionsklasse, Bruttogeschossfläche) in Gebäudegruppen eingeteilt. Anschließend erfolgt die Ermittlung der Häufigkeit von Gebäuden gleicher Gruppenzugehörigkeit in einem bestimmten Umkreis jedes der Gebäude. Im letzten Schritt wird eine weitere Klassifizierung auf Basis der Anzahl von Gebäuden gleicher Gruppenzugehörigkeit vorgenommen. Es werden somit Teilräume ermittelt, die eine überwiegend homogene Bebauungs- und Nutzungsstruktur aufweisen.© IWU

Insbesondere im Gebäudebereich bedarf es neben dieser Stromwende aber auch einer Wärmewende, da die für Hei­zung/Kühlung und Trinkwassererwärmung benötigte Energie in Wohngebäuden heute etwa zwei Drittel des Gesamtenergiebedarfs ausmacht. Zurzeit wird diese Wärmewende durch die Anforderungen im Energieeinsparungsgesetz bzw. in der Energieeinsparverordnung in Kombination mit dem Erneuerbare-Energien-Wärme­gesetz auf Gebäudeebene verfolgt. Bei weiteren Verschär­fun­gen des Anforderungsniveaus an das Einzelgebäude werden die Einsparungen hinsichtlich der o. g. Indikatoren jedoch zunehmend geringer. Zudem führen die genannten ordnungs­recht­lichen Steuerungs­mechanismen nicht zu dem nötigen Anschub der energetischen Moder­nisierung von Bestandsgebäuden. Auch aus diesen Gründen sehen der Koalitionsvertrag der Regierungsparteien für die 19. Legislaturperiode sowie das 7. Energie­for­schungs­pro­gramm der Bundesregierung vor, zukünftig die Bilan­zierung von CO₂-Emissionen bzw. -Einsparungen auf Quartiersebene stärker in den Fokus zu rücken und weitere Emissions- und Kosten­reduktionspotenziale zu realisieren.

Ziele

Damit die Energiewende gelingt, müssen geeignete Wärme- und Stromerzeugungs­tech­nologien, abgestimmt auf den optimalen Dämmstandard und den saisonalen Energie­be­darf, identifiziert werden. Zur langfristigen Integration erneuerbarer Energien sind neben den energetischen und ökologischen Indikatoren auch geeignete ökonomische Indikatoren not­wendig, um tragfähige Geschäftsmodelle zu bewerten. Diese Bewertung erlaubt es z. B. zielgerichtete politische Förderinstrumente zu entwickeln und die Adaption der als optimal bewerteten Technologien und Geschäftsmodelle zu beschleunigen. Gleichzeitig reduziert eine ökonomische Bewertung verschiedener Ener­gie­versor­­gungskonzepte die Investi­tionsrisiken der wirtschaftlichen Akteure und trägt zum Abbau von Hemmnissen bei. Ziel des For­schungsvorhabens ist deshalb die Untersuchung verschiedener Energiever­sorgungskonzepte für unterschiedliche Quartierstypen und die Bewertung der ener­ge­tischen, ökologischen und ökonomischen Wirkung der untersuchten Versorgungsvarianten.

Das Teilvorhaben „Entwicklung einer geoinformationsdatenbasierten Typisierung städti­scher Quartiere“, welches durch das IWU geleitet wird, widmet sich insbesondere der Methoden­entwicklung und Szenarioanalyse. Ein Ziel besteht darin, etablierte Quartiers­definitionen unter Zuhilfenahme von Geoinformationsdaten (GIS-Daten) zu überprüfen, die Anzahl real exis­tierender Quartiere eines Typs zu Quantifizieren und – falls notwendig – eine angepasste Quartiersdefinition zu entwickeln. Basierend auf diesen Ergebnissen und in enger Zusam­menarbeit mit dem Verbundpartner Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt werden zudem verschieden Versorgungsstrategien für festgelegte Typquartiere im Rahmen einer Szenarioanalyse bewertet.

Vorgehen

Die Entwicklung einer Typisierung von Stadtquartieren bedient sich heute flächendeckend verfügbarer GIS-Daten der amtlichen Liegenschaftskataster-Informationssysteme sowie existierender und zugänglicher 3D-Stadtmodelle. Diese Datenbasis erlaubt den Abgleich mit bestehenden Definitionen von städtischen Quartieren bzw. Siedlungsstrukturen. Da­rüber hinaus wird zudem eine unabhängige Typisierung vorgenommen, die auf ver­ein­fachten Methoden des maschinellen Lernens und/oder klassifizierenden statistischen Verfahren beruhen. Die Untersuchung des Datensatzes erlaubt eine Quantifizierung der Typquartiere und damit die Schaffung einer Verknüpfung von bisher stark aus der Theorie stammenden Quartiersdefinitionen und der GIS-datenbasierten Empirie des Gebäude­bestandes.

Das Vorgehen bei der Szenarioanalyse der Versorgungskonzepte unterschiedlicher Typ­quartiere baut auf den Arbeiten des Verbundpartners Institut für Massivbau auf. Im dortigen Teilprojekt wird eine simulationsbasierte Last- und Erzeugungsgang-Bibliothek für Typ­gebäude unterschiedlicher Baualtersklassen und energetischer Effizienzniveaus sowie für unter­schiedliche Technologien zum Wärme- und Stromverbrauch bzw. zur Wärme- und Strom­erzeugung aufgebaut. Die Inhalte dieser Bibliothek können vergleichsweise einfach genutzt werden um Typquartiere nachzubilden und die energetischen, ökologischen und ökono­mischen Wirkungen der Energieversorgungskonzepte zu untersuchen.

Unter Einbezug der weiteren Projektpartner werden die Forschungsergebnisse auf ihre prak­tische Relevanz und Umsetzbarkeit hin überprüft und gemeinsam Handlungs­empfehlungen für verschiedene Akteursgruppen der Quartiersentwicklung erarbeitet. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens werden der Fachöffentlichkeit im Rahmen einer Informationskampagne in verschiedenen Formaten vorgestellt.

Bearbeitungszeitraum

Dezember 2018 - August 2022

Projektteam

• André Müller, Dr. Thilo Koch, Stefan Swiderek, Jonas Schönefeld

Kontakt

André Müller
06151 2904-18
a.mueller(at)iwu(dot)de

Fördermittelgeber

• Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Verbundpartner

• Institut für Massivbau, Technische Universität Darmstadt

Assozierte Projektpartner

• ABGnova GmbH
• Amt für Umwelt, Energie und Klimaschutz, Stadt Offenbach
• Bauverein AG
• Entega AG
• E.ON Energy Solutions GmbH
• Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik
• House of Energy e.V.
• Institut für Politikwissenschaften, Technische Universität Darmstadt, Prof. Dr. Kai Schulze
• Intelligent Energy Systems Services GmbH
• LCEE Life Cycle Engineering Experts GmbH

 

Ergebnisse

Ergebnisbroschüre

• Müller, André; Koert, Johannes (2022).
  Ergebnisbroschüre E⁴Q. Einbindung erneuerbarer Energieträger in die Energieversorgung vernetzter Quartiere.
  — 16 S.; Darmstadt: Institut für Massivbau (Technische Universität Darmstadt), Institut Wohnen und Umwelt, 3.11.2022.

  PDF

Veröffentlichungen und Vorträge

• Müller, André; Swiderek, Stefan; Koch, Thilo (2023).
  Schlussbericht E⁴Q. Einbindung erneuerbarer Energieträger in die Energieversorgung vernetzter Quartiere.
  — Darmstadt: Institut Wohnen und Umwelt.

  PDF

• Müller, André (6. 9. 2022).
  Early stage optimization for urban district renovation in Germany.
  — Vortrag, Sustainable Places 2022, 6.9.–9.9.2022, Nice, France.

  Vortragspräsentation

• Müller, André (8. 9. 2022).
  Planungslösungen im Quartiersbereich.
  — Vortrag, House of Energy Congress 2022, 8.09.2022, Online-Forum.

  Vortragspräsentation

• Müller, André; Heit, Pascal (2022).
  Anpassung der mittleren Typgebäude für Altbauten mit Daten der Datenerhebung Wohngebäudebestand 2016.
  — Working Paper, 6 S.; Darmstadt: IWU, 05.01.2022.

  PDF

• Müller, André (2021).
  Classification and quantification of city districts in Germany.
  — Poster to the 16th 3D GeoInfo virtual conference, 11.–14.10.2021.

  Poster

• Koch, Thilo; Achenbach, Samuel; Müller, André (2021)
  Anpassung der Kostenfunktionen energierelevanter Bau- und Anlagenteile bei der energetischen Modernisierung von Altbauten auf das Preisniveau 2020.
  — Werkstattbericht (19.4.2021)

  PDF.

Tools

• Download-Link Quartierbewertungstool
  E4Q_Quartierbewertungstool.xlsm – Planungstool zur Bewertung der energetischen, ökologischen und ökonomischen Auswirkungen von Sanierungskonzepten für Stadtqartiere.
  (MS-Excel-Anwendung, 213 MB, 7.11.2022).

Weitere Informationen

• Link zur Projektseite von "Energiewende bauen" (Projektträger)
  Mehr Erneuerbare Energie in Quartiere integrieren