Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities · 04/04/2019 · 1/3 der Energie...

Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE)

Source: www. http://terrafluxus.net/categories/2013-1/content/stuttgart-firesky/lightbox/

Dr.-Ing.

Harald Drück

Innovative Gebäude- und

Quartierskonzepte

für Smart Cities

Dr. Harald Drück

1. 1. IGTE-Forum 2019, Stuttgart

2. 04.04.2019

für Smart Cities

Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte

Harald Drück

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• Motivation

• Innovative Gebäudekonzepte

• SolarAktivHausPlus

• Innovative Quartierskonzepte

• Beispiel Crailsheim

• Beispiel Hamburg Jenfelder Au“

• Beispiel „CHESTER“

• Zusammenfassung

• Perspektiven

Was Sie die nächsten 20 min erwartet ….

2

1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019

Warum Smart Cities?

Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities

Harald Drück

3

• im Jahr 1960 lebten 33 % der Weltbevölkerung in Städten

• Im Jahr 2050 werden es 68 % sein (Quelle UN)

aber

• im Jahr 1960 lebten 3 Mrd. Menschen auf der Erde

• Im Jahr 2050 werden 10 Mrd. Menschen auf der Erde leben

Megacities wie Peking, Schanghai, Istanbul, Moskau, Delhi, Mumbai, Karachi,

Mexico City, Sao Paulo … haben heute ca. 10 bis 20 Mio. Einwohner/innen

Selbst bei moderatem Wachstum von 3 - 5 % wachsen diese Städte jährlich

um ca. 500.000 – 700.000 Personen, d.h. der Einwohnerzahl von Stuttgart!

3


Probleme bzw. Herausforderungen der (Mega-)Städte


Harald Drück

4

• 80 % der CO2-Emissionen werden von Städten erzeugt

• 77 % der Energie wird in Städten verbraucht

4


Die Lösung: Smart Cities

Harald Drück

SMART CITY

enablingtechnology:

ICT & big data

Smart

water

Smart energy

Smart buildings

Smart mobility

Smart publicservices& safety

Smart production &

logistics

Smart government

District heating

Renewable energy

Sector coupling

Storage

Insulation

Smart energy

management

Thermal comfort

Smart home

EV charging

Public transport

Multi modality

Flood protection

Efficient water use

Smart lighting

Video surveillance

Urban

production

Start up

accelerators

E-governance

Public

consultations

E-voting

Energy recovery

from waste water

Smart electr. grid

Smart

logistic

Open data

Parking management

Data Platform

Quelle: Gerhard Stryi-Hipp, ISE

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1/3 der Energie wird von Gebäuden verbraucht


Harald Drück

Entsprechend der novellierten europäischen Gebäuderichtlinie müssen alle

ab 2021 neu errichteten Gebäude sogenannte Niedrigstenergiegeäude sein

Solar façade in Freiburg, Source: Hotz ArchitektenSolar thermal roof, Source: SchücoVolksbank Karlsruhe Source: Schüco International, Bielefeld

Photos: Jesús Granada / Photos: Vincent Callebaut Architecture / Source: http://inhabitat.com/watg-unveils-plans-for-the-worlds-first-freeform-3d-printed-house/

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http://www.archdaily.com/photographer/jesus-granada

http://vincent.callebaut.org/

Innovative Gebäudekonzepte für Smart Cities

Harald Drück

7

Green Buildings Was ist das?

7


Innovative Gebäudekonzepte für Smart Cities

Harald Drück

8

Green Buildings - Nachhaltige Gebäude

Hauptaspekte:

• ökologische Baustoffe (Nachwachsende Roh-

stoffe, recycelte Materialien, ..)

• Wohngesundheit und Wohnkomfort

• Minimierter Energiebedarf(gute Wärmedämmung, Wärme-

rückgewinnung, effiziente Haushaltsgeräte und Beleuchtung)

• Ressourcenschonende Stromversorgung

(Fotovoltaik, Kraft-Wärme-Kopplung,..)

• Ressourcenschonende Wärmeversorgung

(Solarthermie, Biomasse, Wärmepumpen,..)

• Netzdienlichkeit (geringe Belastung bzw. vorzugsweise

Entlastung von Strom- und Wärmenetzen) 8


Solar Gebäudeenergieversorgung mit hohen solaren Deckungsanteilen

Harald Drück

SolarAktivHausPLUS

Forschungsprojekt

SolSys

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Monitoring-Ergebnisse SolarAktivHäuserPLUS aus Projekt SolSys

Harald Drück

Solarelektrischer Deckungsanteil (fsol,el)

10



Harald Drück

Solarthermischer Deckungsanteil (fsol,th)

11



Harald Drück

Gesamt-solarer Deckungsanteil (fsol)

12


Vom Einzelgebäude ……


Harald Drück

……zum Quartier

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Harald Drück

Solare Nahwärme mit saisonaler Wärmespeicherung

Steinfurt-Borghorst

Neckarsulm

Friedrichshafen

Hannover-Kronsberg

Hamburg-Bramfeld

Rostock

Eggenstein-Leopoldshafen

Attenkirchen

Crailsheim

München Ackermannbogen

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Harald Drück

Anlage in Crailsheim

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Anlage

Ort Crailsheim

Baujahr /

Inbetriebnahme

2004 - 2009 / 2007

Umbau / Optimierungen Derzeit in Planung

Wärmespeicher Erdsondenwärme-

speicher

Speicherkapazität 39 000 m³

Anlagendaten

(Planung)

Anlagendaten ca. 7 500 m² Kollektorfläche

Solarer Deckungsanteil 51 % / 28 %

Netztemperaturen

(Vor- / Rücklauf)

65/35 °C / 73/49 °C

Weitere Wärmequellen Wärmenetz (CHP, Gas boiler),

Wärmepmpe (258 / 80 kWel)

Verbraucherdaten

(Planung)

Bebauung Mischgebiet

Wohneinheiten 250 / > 300 WE

Jährlicher Wärmebedarf 7.200 MWh

Wärmebedarfim Netz inkl.

Verteilverluste

4 116 / 6 862 MWh/a



Harald Drück

Anlage in Crailsheim

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Wohngebäude

Wohngebäude

Schule/

Solarzentrale

Heiz-

zentrale Speicher



Harald Drück

Anlage in Crailsheim – Messergebnisse (2014)

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Harald Drück

Innovative Quartierskonzepte

„Versorgen durch Entsorgen“


Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities

Harald Drück

„Versorgen durch Entsorgen“ - Beispiel Hamburg Jenfelder-Au

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Quelle: maps.google.de

• Ehemaliges Militärgebiet

Jenfelder Au in Hamburg

• Neues Wohngebiet mit etwa

700 Wohneinheiten

→ etwa 2100 Einwohner/innen



Harald Drück


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Wärmepumpe

Regenwasser Grauwasser Schwarzwasser

(Vakuumtoiletten)

Entwässerung

Quellen:

Hamburg Wasser

Hamburg Water Cycle

Quelle:

Projektbroschüre, KREIS - Kopplung von regererativer

Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung,

Hamburg Wasser

Hamburg Water Cycle®



Harald Drück


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Wärmepumpe

Kraft-Wärme-Kopplung

Wärmegewinnung

aus Grundwasser

Solarthermie /

Photovoltaik

WRG aus Grauwasser

und Gärresten

Quellen:

Hamburg Wasser

Hamburg Water Cycle

Energieversorgung

WRG-Wärmerückgewinnung


Harald Drück


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Energetisches Potential aus Schwarzwasser

Quelle:

http://www.schulbilder.org

Schwarzwasser

~ 12 m³/d

Biogas (75 % Vol. Methan)

~ 26 m³/d

Energieinhalt

~ 200 kWh/d

BHKW (ηelektr. = 30 %, ηtherm. = 55 %)

Quelle:

Technische Universität Hamburg-Harburg,

Buhck Umweltberatung GmbH

Strom

Wärme

Energie (aus Schwarzwasser):

Elektrisch: ~ 60 kWh/d (~ 22 MWh/a)

Thermisch: ~ 110 kWh/d (~ 40 MWh/a)


Harald Drück


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Erhöhung des Biogasertrags durch Co-Substrate

Stabiler Betrieb des BHKW

Höherer Deckungsanteil am Energiebedarf

Quelle:

Technische Universität Hamburg-Harburg,

Buhck Umweltberatung GmbH

Strom

Wärme

Energetisches Potential aus Schwarzwasser




00

200.000

400.000

600.000

800.000

1.000.000

1.200.000

1.400.000

1.600.000

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Wä

rme

me

ng

e [

kW

h]

Monatliche Wärmebilanz

Wärmeertrag Zusatzheizung [kWh]

Wärmeertrag Wärmepumpe [kWh]

Wärmeertrag Sonnenkollektoren [kWh]

Wärmeertrag Kraft-Wärme-Kopplung [kWh]

Wärmeentnahme Raumheizung [kWh]

Wärmeentnahme Trinkwarmwasser [kWh]

Wärmeentnahme Biomasseerwärmung [kWh]

Wärmeverluste Rohrleitungen [kWh]

Wärmeverluste Wärmespeicher [kWh]

ca. 70 % des Wärmebedarfs

werden regenerativ gedeckt

Exemplarische Simulationsergebnisse zur Wärmeversorgung

1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019Harald Drück

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Harald Drück

Innovative Quartierskonzepte

Offshore-Windpark„Alpha Ventus“


Hintergrund des Forschungsprojektes:

zunehmender Ausbau stark fluktuierender erneuerbarer Energiequellen (Wind, PV)

Bedarf an zusätzlichen elektrischen Stromspeichern im MW und MWh-Bereich

Grundkonzept der Strom-Wärme-Strom-Speicherung:

Compressed Heat Energy Storage for Energy from Renewable Sources

EI-Projekt CHESTER

Harald Drück

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Wärmepumpe TurbineORC-Prozess

CHESTER

Harald Drück

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Beladung Entladung

Integration der Strom-Wärme-Strom-Speicherung in Quartiere durch Einbindung in die

Nahwärmeversorgung (Sektorkopplung)


CHESTER: Fallstudie Offshore-Windpark „Alpha Ventus“

Harald Drück

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Offshore-Windpark

Erneuerbarer Strom

(sofern Strombedarf)

QuartierSolar- und

Geothermie,

Biomasse,

Erdgas, …

Stromnetz

Erneuerbare und

konventionelle Wärme

ggf. Abregelung


Harald Drück

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Offshore-WindparkErneuerbarer

Strom

QuartierSolar- und

Geothermie,

Biomasse,

Erdgas, …

Stromnetz

Erneuerbare und

konventionelle Wärme

CHEST-

System

Erneuerbarer

Strom


CHESTER: Fallstudie Offshore-Windpark „Alpha Ventus“

Strom-Wärme-Strom

Speicher

Harald Drück

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Zusammenfassung und Perspektiven

• Städte sind die größten Energieverbraucher und Emissionsverursacher

• Ca. 1/3 des Energieverbrauchs entfällt auf Gebäude

• Technologien zur (weitgehend) vollständigen Versorgung von Gebäuden

und Quartieren mit erneuerbaren Energien sind bereits heute verfügbar

• Zusätzliche Impulse durch europäische „3 D“ - Vorgaben

(Digitalisation, Decarbonisation, Decentralisation)

• Wichtig ist die strategische und konsequente Realisierung entsprechender

Konzepte, bereits mit dem Beginn der ersten Planungen

30



Perspektiven

Harald Drück

3131


Wir sind nicht nur verantwortlich für das

was wir tun, sondern auch für das,

was wir nicht tun.Molière

Gerne tun wir die Dinge gemeinsam mit Ihnen!

Drück


E-Mail:

Telefon: +49 (0) 711 685 -

www.igte.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart

Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung

70550 Stuttgart

Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE)

Dr. Harald DrückKoordinator Forschung und Arbeitsgruppenleiter "Quartierskonzepte und Gebäudeautomation„

Adjunct Professor Rajagiri School of Engineering & Technology (RSET), Rajagiri, Kochi, India

63553

[email protected]


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