Gesundheits-Ingenieur - Haustechnik - Bauphysik - Umwelttechnik 133 (2012) Heft 6 gi 281

1. Fragestellungen zu einer nachhaltigen Energieversorgung urbaner Systeme

Der energetischen Nutzung von Biomasse wird in zukünf­tigen nachhaltigen Energiesystemen eine wichtige Rolle beigemessen. Die vielseitige Einsetzbarkeit als Energie­träger zur Wärmeversorgung von Gebäuden, als Regel­energie bei der Stromerzeugung und als Treibstoff im Verkehrssektor macht die Biomasse zu einer attraktiven Ressource. Andererseits ist ihr Ertrag durch Flächenlimi­tierungen begrenzt und steht selbst bei kaskadenförmiger Nutzung – erst stoffliche, dann energetische Verwertung –, in unmittelbarer Konkurrenz zur Nahrungs­ und Futtermittelerzeugung.

Im Jahr 2012 existieren allein in Deutschland im länd­lichen Raum bereits 130 kommunale und regionale Initia­tiven, die sich das Ziel einer vollständigen regenerativen Energieversorgung gesetzt haben [1]. Während im länd­lichen Raum eine vollständige Energieversorgung auf der Basis von erneuerbaren Energiequellen wie Biomasse, Wind­ und Wasserkraft, Sonne und Erdwärme die mög­lich erscheint, stellt sich die Frage, wie urbane Systeme mit einer hohen Bevölkerungs­ und Energiedichte nach­haltig mit Energie versorgt werden können. In welchem Maße lässt sich die Energieflussrate urbaner Systeme her­

absenken, um eine nachhaltige Versorgung mit erneuer­baren Energieträgern zur Wärmeversorgung zu ermög­lichen? Wie hoch ist der Deckungsbeitrag aus erneuerba­ren Energien – insbesondere regionaler Energieträger aus Biomasse –, und welche anderen Technologien oder Ener­gieimporte sind zur Deckung notwendig? Welche Auswir­kungen hat das auf die infrastrukturellen Systeme der Gebäude­, Siedlungs­ und Stadttechnik zur Energie­ und Wärmeversorgung?

Um diese Fragen zu beantworten, hat der Autor im Rahmen seiner Dissertation ein Modell entwickelt, das auf physiologischer Ebene den Ressourcenbedarf für die urbane Subsistenz durch ein Gebäude­ bzw. Stadtstruk­turtypenansatz abbildet [2]. Dieses unterscheidet zwischen somatischer (Nahrungs­ und Futtermittel) und extra­somatischer Energie (alle anderen für das Funktionieren urbaner Systeme benötigten technischen Energieflüsse). Der Schwerpunkt dieser Betrachtung liegt dabei auf der Wärmeversorgung von Gebäuden und Siedlungsstruk­turen, die rund ein Drittel des Endenergieverbrauchs in Deutschland beanspruchen. Im empirischen Teil der Arbeit wird das Modell exemplarisch auf die Region Berlin­Brandenburg angewendet (Bild 1).

2. Methoden zur Beschreibung des Ressourcenhaushalts urbaner Systeme

Der Großteil anthropogener Ressourcenströme wird durch die Menschen in urbanen Systemen verursacht. Welche Methoden und Modelle sind geeignet, um Aus­sagen darüber zu treffen, ob sich ein urbanes System nach­

Szenarien einer nachhaltigen Wärmeversorgung urbaner Systeme unter Verwendung von Stadt-strukturtypen zur energetischen Bilanzierung

Michael Prytula

Der Artikel beschreibt ein integrales Energie- und Stoffstrommodell als eine Grundlage zur Bewertung einer nachhaltigen Entwicklung urbaner Systeme. Das Modell besteht aus vier Teilsystemen, die den hypothetischen Flächenbedarf für die Erzeugung von Nahrungsmitteln und erneuerbarer Energien für die Wärmeversorgung von Siedlungsstrukturen sowie für den Verkehr und den Haushaltsstrom abbilden. Als Indikator und Bewertungsmaßstab dient die Flächeninanspruchnahme dieser Teilsysteme, da zwischen diesen Versorgungsbereichen eine Flächenkonkurrenz besteht. Das Modell wurde exemp-larisch auf die Region Berlin-Brandenburg angewendet. Auf der Grundlage von vier elementaren Stadtstrukturtypen wurde der Energiebedarf des Berliner Wohnungsbestandes für verschiedene Wärmeversorgungsszenarien abgeschätzt und die Auswirkungen unterschiedlicher infrastruktureller Entwicklungspfade auf den zukünftigen Bedarf an Energieträgern aus erneuerbaren Energien und deren Flächenwirksamkeit untersucht. Die Bilanzierung von vier ausgesuchten Varianten zeigt, dass der Flächenbedarf für eine nachhaltige Versorgung der betrachteten Teilsysteme selbst unter Ausschöpfung erheblicher Effizienzpotenziale bei der energetischen Gebäudesanierung die Flächenverfügbarkeit in der Region bei weitem überschreitet. Eine nachhaltige Versorgung der untersuchten Region erfordert die Erschließung weiterer Effizienz-potenziale in den Bedarfsfeldern Ernährung und Verkehr sowie den Ausbau erneuerbarer Energiesysteme, die ohne eine Inanspruchnahme weiterer Landnutzungssysteme auskommen.

Dr.­Ing. Michael Prytula, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Tech­nische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, In­stitut für Architektur, Fachgebiet Gebäudetechnik und Entwerfen, Strasse des 17. Juni 152, 10623 Berlin, E­Mail: michael.prytula@mailbox.tu­berlin.de

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haltig entwickelt und welche Steuerungsinstrumente ste­hen zur Verfügung? Eine große Bedeutung hat die Erfas­sung und Bewertung regionaler Energie­ und Material­ströme. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurde von Patrick Geddes ein erster metho discher Ansatz zur Ana­lyse von Ressourcennutzungen entwickelt. Seither hat sich mit der Ökobilanzierung (Life Cycle Assessment) eine international standardisierte Methode etabliert, um die Umweltauswirkungen von Produkten und Systemen hin­sichtlich ihrer Herstellung und Nutzung zu bewerten. Für die Analyse urbaner und regionaler Systeme ist diese Methode aber nicht ausreichend, da die vielfältigen Bezieh ungen der geographischen, geologischen, raumzeit­lichen, sozioökonomischen und soziokulturellen Parame­ter nicht hinreichend abgebildet werden.

Im Jahr 1965 veröffentlichte der amerikanische Gesundheitsingenieur Abel Wolman in „The Metabolism of Cities“ die Ergebnisse der Versorgungsbilanz einer hypothetischen amerikanischen Stadt mit einer Million Einwohnern [3]. Er beschränkte sich auf die für ihn damals drei dringlichsten Problemfelder Wasserver­

sorgung, Abwasserbehandlung und Luftverschmutzung, da der Metabolismus einer modernen Stadt zu komplex sei, als das sich dieser in einem einzelnen Artikel beschrei­ben ließe. Ausgehend von der Ökosystemforschung hat sich seit Ende der 1980er Jahre ein naturwissenschaft­licher Ansatz zur Analyse urbaner und regionaler Systeme herausgebildet, der unter Verwendung von Energie­ und Stoffflussanalysen umfassende Modelle des regionalen Stoffhaushalts abbildet [4, 5, 6]. Urbane Systeme werden dabei als anthropogene Ökosysteme betrachtet, die als lebendige, komplexe, thermodynamische Systeme auf einen ständigen Zufluss von Energie und Stoffen angewie­sen sind und die natürlichen Senken mit Emissionen und Abfällen belasten. Sie weisen einen organischen (basalen) und technischen (gesellschaftlichen) Stoffwechsel auf, der mit naturwissenschaftlichen Methoden gemessen werden kann. Die Analyse von Energie­ und Stoffströmen ist eine wichtige Voraussetzung, um ein qualitatives und quanti­tatives Verständnis über die Wechselwirkungen gesell­schaftlicher und urbaner Systeme mit dem regionalen und globalen Hinterland zu erlangen. Das Ziel dieser Analysen

ist letztlich, die Potenziale einer nach­haltigen Ressourcenbewirtschaftung zu ermitteln, um die Versorgungspro­zesse richtungssicher zu steuern. Diese Versorgungsprozesse werden durch die Kolonialisierung natürli­cher Systeme ermöglicht und erfolgen durch die technischen Infrastruk­turen der Energie­, Wasser­, Informa­tions­ bzw. Kommuni kations­ und Verkehrssysteme. Diese werden durch sozioökonomische Prozesse reguliert, die in einer ganzheit lichen Betrach­tung mit einbezogen werden müssen [7, 8]. Das Konzept des urbanen Metabolismus verbindet natur­ und sozialwissenschaftliche Ansätze zu einer ganzheit lichen Betrachtung der urbanen Ver­ und Entsorgungssys­teme [9].

Ein zentraler Aspekt einer nach­haltigen Entwicklung ist die Beach­tung der Grenzen der ökologischen Trag fähigkeit. Der aus der Popula­tionsökologie stammende Begriff „Tragfähigkeit“ (carrying capacity) bezeichnet die theoretisch maximale Populationsdichte einer Art in einem bestimmten Lebensraum [10]. Das Konzept der Tragfähigkeit beschreibt einen Regelkreis zwischen der Popu­lationsdynamik und der physischen Umwelt, die als Lebensraum der Bereitstellung der lebensnotwendigen Ressourcen dieser Population dient. In Anlehnung an das Konzept der ökologischen Tragfähigkeit haben die Öko logen Mathis Wackernagel und William Rees die Methode des ökolo­gischen Fußabdrucks entwickelt [11]. Bild 1. Graphische Übersicht zur Arbeit mit den Beziehungen der Modellparameter.

Andere Sektoren • Produktion • Verkehr

Bedarf Versorgung

somatisch

extra - somatisch

Stadtstrukturtypen • nach Roth, IWU u.a. • Berliner Umweltatlas

Potenziale erneuerbarer Energien in Brandenburg • Flächenbedarf EE

Infrastruktur & Gebäudetechnik • Wirkungsgrade • Zentral / semi / dezentral?

Basaler Metabolismus • Bedarf Nahrungsmittel • Bedarf Futtermittel

Statistische Daten Berlin

• Gebäudetypen • Energiestatistiken • etc.

Energie- und Stoff-strommodell

Entwicklungsszenarien Bedarfsfeld “Bauen & Wohnen” Stoffströme Neubau / Sanierung

Entwicklungsszenarien • Bedarfsfeld Ernährung • Bevölkerungsentwicklung • Wohnflächen / Siedlungsentwicklung • etc.

Nachhaltige Entwicklung • ökolog. Tragfähigkeit • Kreislaufwirtschaft • Nährstoffkreisläufe • Wasserinfrastruktur • regionale Ökonomie • etc.

Technologische Entwicklung

Fläc

henk

onku

rren

z

Optimierung

Flächenbedarf für • Ernährung & • Futtermittel

Fallstudie RegionBerlin-Brandenburg

Statistische Daten Brandenburg • Energie- und Flächenpotenziale • Ausbauszenarien • etc

Szenarien

Gesundheits-Ingenieur - Haustechnik - Bauphysik - Umwelttechnik 133 (2012) Heft 6 gi 283

Der ökologische Fußabdruck ist ein Werkzeug, das den hypothe tischen Flächenbedarf des menschlichen Pro­Kopf­Natur verbrauchs abbildet, um den Vorgang der schleichenden Umweltzerstörung durch Übernutzung des Naturkapitals zu visualisieren. Der ökologische Fußab­druck ist ein hoch aggregierter Flächenindikator, der ins­besondere in den angelsächsischen Ländern zur Bilanzie­rung anthropogener Auswirkungen auf die Umwelt ver­wendet wird.

Das nachfolgend dargestellte Modell verwendet eben­falls einen Flächenindikator, da die Ressourcen der unter­suchten Teilsysteme zumindest partiell über Landnut­zungssysteme bereitgestellt werden. Im Gegensatz zum ökologischen Fußabdruck werden aber die raumzeitlichen Beziehungen und die technologischen Pfade von Res­sourcenbereitstellung und Ressourcennutzung differen­zierter berücksichtigt. Die vor­ und nachgelagerten Pro­zessketten zur Herstellung der infrastrukturellen und gebäudetechnischen Anlagen bleiben in der Bilanzierung unberücksichtigt. Eine Lebenszyklusbetrachtung wird nicht vorgenommen.

3. Ein integrales Energie- und Stoffstrommodell

Während die Entwicklung vorindustrieller Städte, ihre Ausdehnung, Bevölkerungsgröße und ­dichte, eng an die Tragfähigkeit der sie umgebenden Region gebunden war, erfolgt die Versorgung moderner urbaner Systeme derzeit größtenteils aus dem globalen Hinterland durch fossile Energieträger sowie Nahrungs­ und Futtermittelimporte. Die Versorgungsprozesse sind damit weitgehend von der regionalen Flächennutzung entkoppelt. Diesem Modell liegt die These zu Grunde, dass eine nachhaltige Energie­versorgung mit erneuerbaren Energien wieder zu einer stärkeren Flächenabhängigkeit führt und damit den regi­onalen Flächenpotenzialen eine größere Bedeutung zukommt. Für die Funktion moderner urbaner Systeme sind eine Vielzahl von Teilsystemen und ­prozessen mit­einander zu koordinieren und zu optimieren. Nicht alle Ressourcenströme sind flächenab­hängig, aber im Rahmen dieses Modells werden vier elementare Handlungsfelder betrachtet, die durch ihre Flächenabhängigkeit mitein ander in Beziehung stehen (Bild 2).

Die Systembeziehungen dieser Handlungsfelder werden in den vier Teilsystemen Ernährung, thermische Gebäudekonditionierung, Haushalts­strom und Verkehr untersucht. Dabei ist zunächst zwischen der Bedarfs­ und der Versorgungsebene zu unter­scheiden. Die Bedarfs ebene repräsen­tiert die urbane Subsistenz und damit alle zum Überleben notwendigen Energie­ und Stoffflüsse. Die Versor­gungsebene bezeichnet die regionalen Flächenpotenziale, die für die Bereit­stellung der biotischen Ressourcen

zur stofflichen Verwertung als Nahrungs­ und Futter­mittel oder zur energetischen Verwertung als Brenn­ und Treibstoffe verfügbar sind (Bild 3).

Der absolute Ressourcenbedarf wird durch die Bevöl­kerungsanzahl, das Konsumniveau und die technolo­gischen Standards der jeweiligen Teilsysteme bestimmt. Paul Ehrlich und John Holdren haben diese Beziehung zur Beschreibung der Tragfähigkeit anthropogener Systeme bereits 1972 mit der IPAT­Formel (Impact = Population * Affluence * Technology) formuliert. Für die Nachhal­tigkeitsbewertung wird das Flächensaldo aus Versorgung und Bedarf herangezogen. Als räumliche Systemgrenze zur Ermittlung des Ressourcenbedarfs wird der Verwaltungs bereich der Bundesländer Berlin und Bran­denburg gewählt, als zeitliche Systemgrenze werden die jährlichen Energie­ und Stoffströme betrachtet.

Zur Ermittlung des Flächen bedarfs der Teilsysteme Ernährung, Haushaltsstrom und Verkehr werden Kenn­werte benötigt, die den Flächenbedarf der jeweiligen Prozesse abbilden. Für das Teilsystem Ernährung wird als

Bild 3. Versorgung und Bedarf urbaner Subsistenz bezogen auf die vier Teilsysteme. Ernährung, ther­mische Gebäudekonditionierung, Haushaltsstrom und Verkehr.

Bild 2. Die vier im Modell betrachteten Handlungsfelder.

Versorgungsebene Landnutzungssysteme und Flächenbewirtschaftung

Bedarfsebene Urbane Subsistenz

Energie und Energieträger (extra-somatische Energie)

thermische Gebäude-konditionierung

Ernährung Haushaltsstrom Verkehr

NT-Wärme TreibstoffeElektr. StromProzesswärme

HT

Qw

Qs

Qi

HV

Qh

Wärmeversorgung von Gebäuden

Landnutzungssysteme für die Bereitstellung von Energieträgern

Wärmeversorgungssysteme und Energiemanagement von Gebäuden

Bedarfsfeld Ernährung

Landnutzungssysteme für die Erzeugung von Nahrungs- u. Futtermitteln

Energiebedarf zur Erzeugung, Verarbeitung, Lagerung und Transport von Nahrungsmitteln

Ernährungsverhalten

Energieversorgung Haushaltsstrom

EnergieversorgungVerkehr

Urbanes System

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Kennwert auf Grundlage verschiedener Studien ein Flä­chenbedarf von 2400 m2/Person * Jahr zur Lebens­ und Futtermittelproduktion zugrunde gelegt [12, 13, 14]. Der­zeit werden in Deutschland etwa 187 000 km2 (52,5 % des Staatsgebiets) landwirtschaftlich genutzt. Damit stehen jedem Bürger statistisch nur ca. 2300 m2/Person * Jahr zur Verfügung. Berücksichtigt man die Inanspruchnahme weiterer Flächen zur stofflichen Nutzung wie Kleidung und Gebrauchsgüter so ist Deutschland ein Flächenim­porteur [15]. Die energetische Nutzung von Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen ist zu Zeit nur möglich, weil viele Lebens­ und Futtermittel sowie Konsumgüter importiert werden.

Für das Teilsystem Haushaltsstrom ergibt sich der Kennwert aus dem Stromverbrauch und aus der Bereit­stellungstechnologie. Der Stromverbrauch im Haushalt beträgt je nach Haushaltsgröße und Personenanzahl zwi­schen 1200 und 2000 kWh/Person * Jahr [16]. Der Flä­chenbedarf für die Stromerzeugung in Brandenburg beträgt zwischen 0,057 m2/kWh * Jahr aus Windenergie­konvertern (Onshore) und 1,024 m2/kWh * Jahr aus Bio­masse (Maissilage und Kraft­Wärme­Kopplung) [17]. Für die Modellrechnung ergibt sich unter der Annahme eines durchschnittlichen Stromverbrauchs von 1700 kWh/ Person * Jahr und der Stromerzeugung aus Windenergie­konvertern ein Kennwert von knapp 100 m2/Einwohner * Jahr.

Auch im Teilsystem Verkehr ergibt sich auf Grund der jeweiligen energetischen Wirkungsgrade verschiedener Bioenergienutzungspfade eine große Varianz für den Flä­chenbedarf. Der Modellrechnung wurde ein Energie­bedarf von 5400 kWh/Einwohner * Jahr zugrunde gelegt.

Als durchschnittlicher Kennwert für die Bereitstellung aus Biodiesel (Status quo) ergibt sich ein Flächenbedarf von ca. 4600 m2/Einwohner * Jahr, in der optimierten Variante für die Bereitstellung durch Biokraftstoffe der zweiten Generation (Biomass to liquid, BtL) ein Kenn­wert von ca. 1800 m2/Einwohner * Jahr.

Für das Teilsystem thermische Gebäudekonditionierung wird eine detaillierte Analyse mit Parametervariationen vorgenommen, die im Folgenden dargestellt wird.

4. Die energetische Bilanzierung von Stadtstrukturtypen

Ausgehend von Biotoptypenkartierungen in Großstädten und Ballungsräumen haben sich seit Anfang der 1990er Jahre Stadtstrukturtypen als eine geeignete Maßstabs­ebene zur Analyse urbaner Systeme für verschiedene raum­planerische Disziplinen erwiesen. Die Grundlage von Stadtstrukturtypen bilden Gebäudetypologien, die durch gemeinsame Merkmale von Bauform, Bebauungsdichte, Baualtersklasse u. a. charakterisiert sind [18]. Stadtstruk­turtypen fassen phänomenologisch, konstruktiv, gebäude­technisch und funktional ähnliche bauliche Strukturen zu repräsentativen Typen zusammen. Sie unterscheiden sich von Gebäudetypologien insbesondere durch eine höhere Aggregation an Informationen hinsichtlich Nutzung, Sozialstrukturen, Biotoptypen u. a. Die Systematik für die Gliederung und Abgrenzung von Stadtstrukturtypen

wird vorrangig von der wissenschaftlichen Fragestellung und der statistischen Datenverfügbarkeit bestimmt. Mit ihrer Hilfe lassen sich energetische, stoffliche, infrastruk­turelle, ökonomische oder soziologische Entwicklungen unter raumplanerischen Gesichtspunkten abbilden. Die Klassifizierung von Stadtstrukturtypen ermöglicht es, mit verhältnismäßig geringem Erhebungsaufwand repräsen­tative Aussagen über den Status Quo und Szenarien einer zukünftigen Entwicklung urbaner Systeme zu treffen.

Neben der Analyse von Gebäude­ und Siedlungstypo­logien eignet sich der Stadtstrukturtypenansatz auch für die Untersuchung infrastruktureller Fragestellungen. Die optimale Abstimmung von Siedlungs­ und Infrastruktur ist von erheblichem volkswirtschaftlichem und ökolo­gischem Interesse. Die Wärmeversorgung mit rohrleitungs­gebundenen Versorgungssystemen wie Fernwärme und Gasheizungen ist mit erheblichen Erstellungskosten für das Verteilnetz verbunden. Diese rechnen sich wirtschaft­lich erst ab einer gewissen Größenordnung des Energie­bezugs. Da sich Wärme nur begrenzt transportieren und speichern lässt, sind die räumlichen Aspekte der Wärme­versorgung von raumordnungs­ und städtebaupolitischer Bedeutung. Insbesondere für die Neuerrichtung oder Erweiterung von Fernwärmenetzen werden mit Hilfe von Energiesystemmodellen Szenarien zur räumlich bezoge­nen Energiedichte und den infrastrukturellen und ökono­mischen Aufwendungen erstellt. Bereits Ende der 1970er Jahre hat Ueli Roth in der Studie „Wechselwirkungen zwi­schen der Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssys­temen“ die räumlichen Auswirkungen neuer energiespa­render und umweltfreundlicher Systeme zur Wärmever­sorgung von Siedlungen untersucht [19].

Als städtebauliche Bezugsgröße wird im Rahmen die­ser Untersuchung die Maßstabsebene der Stadtstruktur­typen (SST) verwendet. In der Realität gibt es eine große Anzahl unterschiedlichster Gebäude­ und Stadtstruk­turen, die sich in Bebauungstypologie, Form, Funktion, Nutzung sowie einer Vielzahl von Mischformen in bau­konstruktiver und gebäudetechnischer Ausbildung vonei­nander unterscheiden. Die Reduktion dieser Vielfalt auf wenige Grundtypen erlaubt eine Zusammenführung von gebäudetypologischen und regionalplanerischen Frage­stellungen und ist daher der ideale Betrachtungsmaßstab. Die Betrachtung von Gebäudetypen, die einen SST über­wiegend repräsentieren, erlaubt eine Analyse verschiede­ner Konfigurationen der Gebäudetechnik und den damit verbundenen Ressourcenbedarf. Es werden hier vier ele­mentare SST zur Bilanzierung verwendet, die das Bau­werk Stadt hinsichtlich der Wohnnutzung annäherungs­weise abbilden (Bild 4). SST 1 – Niedrige Bebauung mit Gartenstruktur SST 2 – Zeilenbebauung der 20er und 30er und 50er Jahre SST 3 – Blockbebauung der GründerzeitSST 4 – hohe Bebauung der Nachkriegszeit

Für diese SST gibt es von der Berliner Senatsverwal­tung für Stadtentwicklung für das gesamte Stadtgebiet eine statistische Zuordnung [20, 21].

Von jedem SST wurde mit Hilfe eines Gebäudetyps städtebauliche und konstruktive Kenndaten ermittelt und auf einem Kenndatenblatt festgehalten (Bild 5). Der

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jeweilige Gebäudetyp wird auch energetisch mit verschie­denen Versorgungsvarianten bilanziert, um für jeden SST ein typisches Energieprofil zu erstellen. In Verbindung mit der amtlichen Gebäude­ und Wohnraumstatistik, der Gebäudezählung sowie weiteren Informationen zur wär­metechnischen Versorgungsstruktur lässt sich hieraus eine grobe Abschätzung der räumlichen Verteilung des Ener­giebedarfs herleiten. Entscheidend für die empirische Anwendung des Modells ist die Korrelation der Wohnflächenstatistik mit der Flä­chenstatistik der SST. Beide Statisti­ken erfassen die jeweiligen Flächen bezirks­ bzw. blockscharf, die Flä­chen sind aber nicht unmittelbar mit­einander korrelierbar. Die kritische Frage an diesem Punkt war, wie viel Wohnfläche den jeweiligen SST zuzu­ordnen ist. Durch die Ermittlung städtebaulicher Kenndaten wie der Flächen­ und Bewohnerdichte wurde eine Korrelation beider statistischer Datensätze möglich (Bild 6). Die räumliche Zuordnung der Wohnflä­chen auf die Stadtstrukturtypen und deren Verknüpfung mit den Kenn­daten der oben beschriebenen Teil­systeme ermöglicht die Ermittlung des Flächen bedarfs zur Versorgung (Bild 7).

5. Szenarien zur Wärmeversorgung

Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf dem Teilsystem Thermische Gebäudekonditionierung. Die Ge ­bäudeform (A/Ve­Verhältnis), Größe und Orientierung transparenter Bau­teile und die bauphysikalische Qua­lität der Hüllflächen (U­Werte der Außenwände, Dächer und Fenster usw.) beeinflussen vor allem den Heiz­wärmebedarf.

Die Anlagentechnik hat einen star­ken Einfluss auf den End­ und Pri­märenergiebedarf. Durch den Einsatz erneuerbarer Energien kann z. B. eine energetisch schlechtere Ausführung der Gebäudehüllfläche primärenerge­tisch kompensiert werden. Bei meiner Betrachtung ist der Endenergiebe­darf die entscheidende Kenngröße, da sich durch diesen der Bedarf an Energieträgern ermitteln lässt. Diese Energieträger müssen hypothetisch über Flächennutzungen bereitgestellt werden, die im Gesamtmodell mit dem Flächenbedarf für Ernährung, Haushaltsstrom und Verkehr konkur­

SST 1Niedrige Bebauung mit Gartenstruktur

SST 2Zeilenbebauung der 1920er, 30er u. 50er Jahre

SST 3 Blockrandbebauung der Gründerzeit

SST 4Hohe Bebauung der Nachkriegszeit

Bild 4. Darstellung der vier elementaren Stadtstrukturtypen mit repräsentativen Gebäudetypenvertretern.

Bild 5. Kenndatenblatt für Stadtstrukturtyp 3 – Gründerzeitliche Bebauung.

SST 3 - Gründerzeitlicher Block Maßstab 1:5.000Straßenansicht Wühlischstr.

Kenndaten Gebäudetyp Kenndaten Stadtstrukturtyp

1 Baualtersklasse 17 Gesamtfläche SST 19.000 m2

2 Bauweise 18 Bruttowohnbaufläche 14.444 m2

3 Anzahl der Vollgeschosse 19 Straßenfläche 4.556 m2

4 Anzahl der Wohneinheiten 20 Bruttogrundrissfläche SST 9.988 m2

5 Anzahl der Bewohner 21 Bruttogeschossfläche SST 45.500 m2

6 Nutzung 22 Nettogeschossfläche SST 39.952 m2

7 Bruttovolumen Ve 11.235 m3 23 Anzahl der Bewohner SST 1.051

8 Nettovolumen V 8.988 m2 24 mittlere GRZ SST 0,69

9 Nutzfläche AN 2.507 m3 25 mittlere GFZ SST 3,15

10 A / Ve - Verhältnis 0,25 26 Bruttowohnbaufäche / Gesamtfläche 0,76

11 Bruttogrundrissfläche 630 m2 27 Straßenfläche/ Gesamtfläche 0,24

12 Bruttogeschossfläche 3.150 m2 28 Gesamtfläche SST / Bewohner 18,07 m2

13 Grundstücksfläche 972 m2 29 BWBF / Bewohner 13,74 m2

14 GRZ 0,65

15 GFZ 3,24

16 Wohnfläche / Bewohner 38 m2

vor 1918

Mauerwerk, massiv

5

ca. 30

66

wohnen

rieren. Durch Veränderung der Anlagentechnik kann die Nachfrage nach unterschiedlichen Energieträgern simu­liert werden: Erd­ bzw. Biogas, Festbrennstoffe wie Holz­pellets oder Holzhackschnitzel, Strom für Wärmepumpen oder Wärme aus solarthermischen Anlagen. Das Nutzer­verhalten, das besonders bei Gebäuden mit niedrigem Energiebedarf einen großen Einfluss auf den realen Ener­

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gieverbrauch hat, wird in diese Unter­suchung nicht einbezogen.

Für jeden der vier gewählten Gebäudetypenvertreter der SST wur­den drei verschiedene Energiestan­dards (E1 – E3) mit jeweils bis zu acht verschiedenen Anlagenkonfiguratio­nen zur Wärmeversorgung (V1 – V8) untersucht (siehe Tabelle).Varianten zur Wärmeversorgung:V1 – ÖlbrennwertkesselV2 – GasbrennwertkesselV3 – Gasbrennwertkessel mit solar­

thermischen KollektorenV4 – Nah­ oder Fernwärme,

KraftwärmekopplungV5 – BiomassewärmeerzeugerV6 – Biomassewärmeerzeuger mit

solarthermischen Kollektoren V7 – Erdreich/Wasser­Wärmepumpe V8 – Gasbrennwertkessel mit elektri­

scher Trinkwassererwärmung

In der Realität finden sich weitere Anlagenkonfigurationen, deren Un ­ter suchung aber für die Beantwor­tung der Forschungsfrage nicht rele­vant ist. Für den energieeffizienten Wohnungsbau wurden an anderer Stelle optimale Kombinationen von Wandkonstruktionen und gebäude­technischen Anlagen untersucht [22]. Die Berechnung des Energiebedarfs erfolgt mit der Bilanzierungssoftware EPASS Helena Version 5.4.0.10 Pro­fessional 2010 des Zentrums für Umweltbewusstes Bauen (ZUB) auf der Grundlage der Energieeinspar­verordnung 2009 und entspricht den aktuellen normativen und öffentlich­rechtlichen Anforderungen.

6. Bilanzierungsergebnisse aus-gewählter Versorgungsszenarien

In Berlin gab es 2009 ca. 1,9 Mio. Wohnungen mit einer Gesamtwohn­fläche von ca. 133 Mio. m2. Bei einer Bevölkerungsgröße von ca. 3,45 Mio. Einwohnern beträgt die durchschnitt­liche Wohnfläche 38,6 m2 pro Person. Zusammen mit der Bevölkerung

Tabelle. Anlagenkonfigurationen zur Wärmeversorgung.

Spezifischer Energiebedarf Heizwärmebedarf kWh/(m2*a)

Endenergiebedarf kWh/(m2*a)

Primärenergiebedarf kWh/(m2*a)

Energiestandard E1 Status Quo 180 – 200 200 – 280 50 – 270

Energiestandard E2 Energetische Optimierung (1) 100 – 120 130 – 180 20 – 180

Energiestandard E3 Energetische Optimierung (2) 40 – 60 20 – 80 20 – 80

Stadtstrukturfläche Wohnfläche Einwohner

gesamt Anteil gesamt Anteil

m2 % m2 % Anzahl %

SST 1 139.308.682 55,79 31.298.642 23,44 817.685 23,66

SST 2 43.459.819 17,41 20.366.265 15,25 526.484 15,23

SST 3 40.133.055 16,07 62.781.387 47,03 1.627.574 47,09

SST 4 26.781.765 10,73 19.060.006 14,28 484.521 14,02

Summe 249.683.322 100,00 133.506.300 100,00 3.456.264 100,00

SST 123,4 %

SST 215,3 %

SST 414,3 %

SST 347,0 %

SST 155,8 %

SST 316,1 %

SST 410,7 %

SST 217,4 %

Energiebedarf GebäudeGebäudetypologie

Kenndatenblätter SST

Stadtstrukturtyp 1

Kenndatenblätter Versorgungssysteme

Baukonstruktion

Gebäudetechnik

Gebäudealtersklasse

Funktion & Nutzung

Energie - Kennwerte

Nahrungsmittelerzeugung

Systeme zur Energiebereitstellung

Berechnung der Gebäudeenergiebilanz *

Ausgangslage

Energet. Optimierung 1

Energet. Optimierung 2

Darstellung und Auswertung der Ergebnisse

Projektinformationen

Stadtstrukturtyp 2

Stadtstrukturtyp 3

Stadtstrukturtyp 4

* Berechnungen mit Software EPASS Helena

Statistik Berlin

Best Practise - Beispiele

Katalog GebäudetypologienAnzahl Bewohner

sonstige Informationen

Flächenkennwerte

Flächenbedarf Wärme

Flächenbedarf Strom

Flächenbedarf Nahrung

Flächenbedarf Mobilität

Bild 6. Geschätzte Anteile von Stadtfläche, Wohnfläche und Einwohnern für die jeweiligen Stadtstrukturtypen.

Bild 7. Übersicht zur Methodik für die Ermittlung der Flächenkennwerte der Stadtstukturtypen.

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Brandenburgs (etwa 2,5 Mio. Einwohner) sind in der Region knapp 6 Mio. Menschen zu versorgen. Dem ste­hen in Brandenburg eine landwirtschaft liche Nutzfläche von 1,4 Mio. ha und eine Waldfläche von 1 Mio. ha gegenüber. Die statistischen Parame­ter wie Bevölkerungsanzahl und Wohnflächen wurden in einer EXCEL­basierten Tabelle mit den Kennwerten der Teilsysteme ver­knüpft (Bild 8). Dadurch entsteht ein kalibriertes Modell, mit dem im Rahmen der Dissertation vier exemp­larische Versorgungsszenarien unter­sucht wurden.Szenario 1 untersucht den hypotheti­schen Flächenbedarf des heutigen Status Quo in der Wärmeversorgung. Der Endenergiebedarf ist hoch (E1), alle Systeme werden zur Wärmever­sorgung vollständig durch (Bio­) Gas betrieben (V2). Unter Berücksich­tigung der Tatsache, dass die Wär­meerzeugung durch Heizölkessel und Anlagen mit Kraft­Wärme­Kopplung einen vergleichbaren Endenergie­bedarf haben, bildet diese Annahme die derzeitige Versorgungsstruktur zu ­ mindest hinsichtlich der Flächen­inanspruchnahme hinreichend genau ab.Szenario 2 stellt den Flächenbedarf für eine hypothetisch vollständige Wärmeversorgung durch Holzhei­zungen (V5) bei gleichbleibend hohem Endenergiebedarf (E1) dar. Aufgrund des im Vergleich zu fossilen Energieträgern oder zum Biogas geringeren Energiegehalts bestehen für eine effiziente Nutzung von Holz als Brennstoff in Form von Holz­hackschnitzeln oder Pellets prak­tische Transportrestriktionen, die in diesen Modellrechnungen nicht berücksichtigt werden.Szenario 3 setzt eine energetische Sanierung des Gebäudebestands vor­aus (E2). Die Wärmeversorgung erfolgt über den Energieträger Biogas (V2) mit einem Nutzungsanteil von 50 % unter Berücksichtigung der wei­teren Verwendung von Erdgas als „Brückentechnologie“.Szenario 4 setzt eine optimierte ener­getische Sanierung des Gebäudebe­stands mit einem spezifischen Heiz­wärmebedarf von durchschnittlich 60  kWh/m2 Wohnfläche und Jahr (E3) voraus. Hierbei werden alle tech­nologischen, ökonomisch und sozial vertretbaren Potenziale zur energe­tischen Optimierung von Gebäuden

ausgeschöpft und u. a. eine kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung eingesetzt. Die Wärmeversorgung erfolgt über den Energieträger Biogas mit einem Nut­zungsanteil von 100 %.

Gesamtsystem

Flächenbedarf SST 1

SST 1 E1

E2

E3

V1

V2

V3

Vn

Flächenbedarf Wärme

Endenergiebedarfkorrelierte Wohn-

statistikKenndatenfür SST 1

FlächenkennwertErnährung

FlächenkennwertHaushaltsstrom

FlächenkennwertEnergie für Verkehr

FlächenkennwertEnergie für Wärme

Einwohneranzahl für SST 1

Flächenbedarf Nahrung

Flächenbedarf Haushaltsstrom

Flächenbedarf Verkehr

Flächenbedarf SST 2

Flächenbedarf SST 3

Flächenbedarf SST 4

SST = StadtstrukturtypE = EnergiestandardV1 - Vn = Varianten zur Wärmeversorgung

Energetische Bilanzierung der SST

0

1.000.000

2.000.000

3.000.000

4.000.000

5.000.000

6.000.000

Reihe1 829.503 829.503 829.503 829.503Reihe2 3.060.321 647.309 1.065.612 793.581Reihe3 33.491 33.491 33.491 33.491Reihe4 1.612.555 617.773 617.773 617.773Reihe5 5.535.870 2.128.077 2.546.379 2.274.348

1 2 3 4

Ernährung

Wärme

Haushaltsstrom

Verkehr

Szenario 1Ernährung

WärmeStromVerkehrSumme

Flächenbedarf in ha/a

Szenario 2 Szenario 3 Szenario 4

Bild 8. Modellstruktur des Rechenmodells in EXCEL zur Bilanzierung der Versorgungszenarien.

Bild 9. Flächenbedarf der Teilsysteme zu den ausgewählten Versorgungszenarien [ha/a].

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Die Ergebnisse der ausgewählten Versorgungsszena­rien zeigen, dass der hypothetische Flächenbedarf allein für die Deckung der Wärmeversorgung der Berliner Haushalte mit 3 Mio. ha mehr als das Doppelte der regi­onalen landwirtschaftlichen Nutzflächen beanspruchen würde (Bild 9). Durch geeignete energe tische Sanie­rungsmaßnahmen lässt sich der Bedarf um den Faktor Vier reduzieren. Aus modelltheoretischer Sicht wird die vorhandene landwirtschaftliche Nutzfläche heute nahezu vollständig für die Ernährung der Bevölkerung der Region Berlin­Brandenburg beansprucht. Etwa 60 % die­ser Flächen entfallen auf die Produktion tierischer Nah­rungsmittel, die bei einer Veränderung der Nahrungs­gewohnheiten mit vermindertem Konsum tierischer Nah­rungsmittel theoretisch ein Flächenpotenzial zur ener­getischen Nutzung freisetzen würde. Die Deckung des heutigen Energiebedarfs für das Teilsystem Verkehr beansprucht bei einer hypothetischen Treibstoffproduk­tion aus Biodiesel eine doppelt so große landwirtschaft­liche Nutzfläche als in der Region vorhanden ist. Durch effi zientere Treibstofferzeugung, z. B. aus Biomass­to­Liquid (BtL), könnte die Flächeninanspruchnahme mehr als halbiert werden.

Der Bedarf an Haushaltsstrom hat auf die Flächen­inanspruchnahme fast keinen Einfluss. In der Modell­betrachtung führt die Stromerzeugung durch Windener­gie zu einer sehr geringen Flächeninanspruchnahme, besonders im Vergleich zu allen Energiebereitstellungen, die auf der flächenwirksamen Biomassenutzung beruhen. Der Flächenbedarf für Speichersysteme wie z. B. Talsper­ren, die für die Systemfunktion der Stromnetze besonders bei einer starken Zunahme der Windenergienutzung not­wendig werden, wurde an dieser Stelle nicht in die Bewer­tung einbezogen.

7. Schlussfolgerungen und Ausblick

Die Ergebnisse zeigen, dass die regionalen Flächenpoten­ziale der Land­ und Forstwirtschaft in Brandenburg zur Bereitstellung von Biomasse für eine vollständige Versor­gung Berlins nicht ausreichen. Selbst bei einer energetisch optimierten Siedlungsstruktur, effizienter Treibstofferzeu­gung bei gleich bleibender Flächenintensität des Bedarfs­felds Ernährung, wie in Szenario 4 untersucht, läge der Flächenbedarf allein für die untersuchten Teilsysteme

immer noch 50 % über den vorhande­nen Flächenpotenzialen. Jedes dieser drei Teilsysteme beansprucht dann etwa ein Drittel des Gesamtflächen­bedarfs. Bei der Biomassenutzung ist das Potenzial unter der Berücksich­tigung der Flächenkonkurrenz zur Nahrungs­ und Futtermittelproduk­tion modelltheoretisch ausgeschöpft. Von daher ist es notwendig, alle Schritte zu unternehmen, die tech­nischen Potenziale zur Energieerzeu­gung in den urbanen Systemen selbst optimal zu erschließen. Die Nutzung von Geothermie weist große, bislang unerschlossene Potenziale auf. Die Verwendung von Strom aus erneuer­baren Energien werden im Wärme­sektor durch den Einsatz von Wär­mepumpen, Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung, LowEx­Sys­temen und der Umwandlung in andere Energieträger – z. B. durch Power­to­Gas­Anlagen –, an Bedeu­tung zunehmen. Trotz eines höheren Flächenertrags der PV gegenüber Biogasgewinnung aus Energiepflan­zenanbau ist eine Integration von PV­ und Solarthermieanlagen in Sied­lungs­ und Gewerbestrukturen den Freianlagen vorzuziehen und auszu­weiten. Anlagen zur Kraft­Wärme­Kopplung haben hinsichtlich des Endenergiebedarfs und der Flächen­inanspruchnahme für die Wärmever­sorgung nur einen geringen Vorteil gegenüber konventionellen Gashei­zungen. Aufgrund der gekoppelten

BHKW

MIKROBHKW

CH4

Gülle

MIKROG A S NETZ

GEO -THERMIE

STROM NETZ

GEO -THERMIE

Wärmepumpe

PV-Hybrid-Kollektor

WÄRMENETZ

PV Therm. Kollektor

Treib-stoffe

organ. Abfälle

G A S NETZ

IMPORTEXPORT

IMPORTEXPORT

WÄRMENETZ

Kombi-kraftwerk

BHKW

MIKROBHKW

Bioenergiedörfer100% EE Regionen

Gebäude dezentral (V2)Gebäude dezentral (V1)Verkehr

MIKROBHKW

VIRTUELLEKRAFTWERKE

Systeme zur Nutzung erneuerbarer Energien

Urbane Systeme

Smart Grids

Bild 10. Struktur einer zukünftigen Energieversorgung: Beziehungen von Energie­ und Stoffströmen, Infrastruktursystemen und Leitungsnetzen in urbanen Systemen und 100 % EE­Regionen.

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Stromerzeugung entsteht aber ein höherer Gesamtnut­zungsgrad der eingesetzten Energieträger, was in dem vor­liegenden Modell nicht weiter berücksichtigt wird. Daher sind KWK­Anlagen einer reinen Wärmeerzeugung grund­sätzlich vorzuziehen. Die Aggregation vieler dezentraler KWK­Anlagen zu virtuellen Kraftwerken schafft in Ver­bindung mit Smart Grids zudem neue Möglichkeiten zur Regelung der Stromnetze. Der Schlüssel zu einer nachhal­tigen Energieversorgung liegt in der intelligenten Vernet­zung aller raumplanerischen, infrastrukturellen und bau­technischen Potenziale zu einer resilienten, auf vielfäl­tigen Produktions­ und Speicherverfahren beruhenden Infrastruktur (Bild 10). Ein Wesensmerkmal der Trans­formation des Energiessystems ist die Diversifizierung und Zunahme dezentraler Energieerzeugungsan lagen (DEA) im Verteilnetz. Eine Dezentralisierung ist verbun­den mit einer zunehmenden Integration von stadtinfra­strukturellen Versorgungsaufgaben und von (ther­mischen) Speichersystemen in der Ebene der Gebäude­technik.

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