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
2
• 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
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Probleme bzw. Herausforderungen der (Mega-)Städte
Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities
Harald Drück
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• 80 % der CO2-Emissionen werden von Städten erzeugt
• 77 % der Energie wird in Städten verbraucht
4
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
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. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
1/3 der Energie wird von Gebäuden verbraucht
Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities
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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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Innovative Gebäudekonzepte für Smart Cities
Harald Drück
7
Green Buildings Was ist das?
7
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Innovative Gebäudekonzepte für Smart Cities
Harald Drück
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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
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Solar Gebäudeenergieversorgung mit hohen solaren Deckungsanteilen
Harald Drück
SolarAktivHausPLUS
Forschungsprojekt
SolSys
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Monitoring-Ergebnisse SolarAktivHäuserPLUS aus Projekt SolSys
Harald Drück
Solarelektrischer Deckungsanteil (fsol,el)
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Monitoring-Ergebnisse SolarAktivHäuserPLUS aus Projekt SolSys
Harald Drück
Solarthermischer Deckungsanteil (fsol,th)
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Monitoring-Ergebnisse SolarAktivHäuserPLUS aus Projekt SolSys
Harald Drück
Gesamt-solarer Deckungsanteil (fsol)
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Vom Einzelgebäude ……
Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities
Harald Drück
……zum Quartier
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities
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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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Solare Nahwärme mit saisonaler Wärmespeicherung
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
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Solare Nahwärme mit saisonaler Wärmespeicherung
Harald Drück
Anlage in Crailsheim
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Wohngebäude
Wohngebäude
Schule/
Solarzentrale
Heiz-
zentrale Speicher
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Solare Nahwärme mit saisonaler Wärmespeicherung
Harald Drück
Anlage in Crailsheim – Messergebnisse (2014)
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Harald Drück
Innovative Quartierskonzepte
„Versorgen durch Entsorgen“
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
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
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities
Harald Drück
„Versorgen durch Entsorgen“ - Beispiel Hamburg Jenfelder-Au
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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®
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities
Harald Drück
„Versorgen durch Entsorgen“ - Beispiel Hamburg Jenfelder-Au
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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
Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities
Harald Drück
„Versorgen durch Entsorgen“ - Beispiel Hamburg Jenfelder-Au
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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)
Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities
Harald Drück
„Versorgen durch Entsorgen“ - Beispiel Hamburg Jenfelder-Au
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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
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities
„Versorgen durch Entsorgen“ - Beispiel Hamburg Jenfelder-Au
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“
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
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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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Wärmepumpe TurbineORC-Prozess
CHESTER
Harald Drück
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Beladung Entladung
Integration der Strom-Wärme-Strom-Speicherung in Quartiere durch Einbindung in die
Nahwärmeversorgung (Sektorkopplung)
Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities
CHESTER: Fallstudie Offshore-Windpark „Alpha Ventus“
Harald Drück
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Offshore-Windpark
Erneuerbarer Strom
(sofern Strombedarf)
QuartierSolar- und
Geothermie,
Biomasse,
Erdgas, …
Stromnetz
Erneuerbare und
konventionelle Wärme
ggf. Abregelung
Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities
Harald Drück
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1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Offshore-WindparkErneuerbarer
Strom
QuartierSolar- und
Geothermie,
Biomasse,
Erdgas, …
Stromnetz
Erneuerbare und
konventionelle Wärme
CHEST-
System
Erneuerbarer
Strom
Innovative Quartierskonzepte für Smart Cities
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
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Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
Perspektiven
Harald Drück
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Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities
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
1. IGTE-Forum 2019 • Stuttgart • 04.04.2019
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
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Innovative Gebäude- und Quartierskonzepte für Smart Cities