Forschungsprojekt für die Bewertung erneuerbarer Energieträger: Vernetzte Quartiere

Ziel des Forschungsvorhabens „EG2050:E⁴Q – Einbindung erneuerbarer Energien in die Energieversorgung von vernetzten Quartieren“ war es, die Akteure im Bereich der Quartiersentwicklung zu unterstützen, mögliche Varianten für eine energetische Modernisierung städtischer Quartiere bereits in frühen Planungsphasen zu erkennen und Vor- und Nachteile gegeneinander abzuwägen. Die Projektpartner Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt und Institut Wohnen und Umwelt, Darmstadt, untersuchten zu diesem Zweck verschiedene Wärmeschutz- und Energieversorgungskonzepte für festgelegte Quartierstypen und bewerteten die Wirkung der Konzeptvarianten mithilfe energetischer, ökologischer und ökonomischer Indikatoren. Neben allgemeingültigen Handlungsempfehlungen für die Modernisierung städtischer Quartiere wurde ein Excel-basiertes Werkzeug – das E⁴Q-Quartiersbewertungswerkzeug – entwickelt und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Damit können mit nur geringem Arbeitsaufwand und minimalen Anforderungen an die Datenerhebung mögliche Varianten einer Quartiersmodernisierung bereits früh untersucht und die Wirkung von Wärmeschutz- und Versorgungskonzepten abgeschätzt werden. Die Bewertungsindikatoren und der Bilanzrahmen machen dabei die energetische sowie ökologische Wirkung von Modernisierungskonzepten transparent und erlauben eine Abschätzung der Investitionsrisiken, was zum Abbau von Hemmnissen bei Eigentümern und anderen entscheidungsverantwortlichen Personen beiträgt.

Quartierstypisierung als Arbeitserleichterung

Da in frühen Phasen der energetischen Quartiersplanung i.d.R. nur eine begrenzte Datengrundlage vorhanden ist, wurde eine Typisierung des Gebäudebestandes in Typquartiere vorgenommen, um eine realistische Abschätzung der Modernisierungspotenziale sowie einen verlässlichen Variantenvergleich zu ermöglichen – ohne den Aufwand einer detaillierten Datenerhebung. In Anlehnung an die Vorarbeiten anderer Forschergruppen [1] [2] wurden neun Typquartiere unterschiedlicher baulicher Struktur definiert. Die Typquartiere bilden dabei übliche urbane Bebauungssituationen ab und liegen hinsichtlich der räumlichen Ausdehnung und der Anzahl an Gebäuden in insgesamt 23 Varianten vor (Abb. 1 und 2). Dies wird der unterschiedlichen Abgrenzung von Quartieren in verschiedenen Arbeitsfeldern gerecht. Die Basis für eine Bewertung des Ausgangszustands und der möglichen Modernisierungskonzepte der als homogene Wohnquartiere definierten Typquartiere bilden Typgebäude. Eine ggf. bestehende Mischnutzung wurde im Forschungsvorhaben vereinfacht durch die Ergänzung festgelegter Nichtwohntypgebäude nachgebildet.

Ganzheitliche Bewertung von Modernisierungskonzepten

Auf Grundlage der Quartierstypisierung entwickelten die Forschungspartner das Quartiersbewertungstool als eines der Kernergebnisse des Forschungsprojekts EG2050:E⁴Q. Das Tool dient der Bewertung verschiedener Wärmeschutz- und Modernisierungsvarianten für Typquartiere. Hierfür wurden sieben Bewertungsindikatoren identifiziert, welche die wichtigsten Größen der verschiedenen Dimensionen der Quartierskonzepte darstellen (Abb. 3). Der Bewertungsansatz geht damit über die öffentlich-rechtliche Bewertungssystematik hinaus und berücksichtigt sowohl den Strombedarf durch die Gebäudenutzung als auch das Treibhausgaspotenzial sowie den nichterneuerbaren Primärenergiebedarf der Modernisierungsmaßnahmen und aus dem Gebäudebetrieb.

Zur Ermittlung der energetischen Bewertungsindikatoren wurden mittels dynamischer Gebäude- und Quartierssimulation für die im Werkzeug abgebildeten Konzepte hochaufgelöste Last- und Erzeugungsprofile berechnet und die jahresbezogenen Kennwerte in einer Datentabelle im Berechnungswerkzeug hinterlegt. Somit steht den Anwendern eine möglichst genaue zeitliche Verrechnung von Strom- und Wärmequellen mit den Bedarfen zur Verfügung, ohne selbst gesonderte Modellierungsanstrengungen unternehmen zu müssen. Folglich sind aber auch die auswählbaren Konzepte bereits vorgegeben. Die Berechnung der ökologischen und ökonomischen Indikatoren erfolgt jeweils direkt bei der Anwendung des Excel-basierten Tools aus dem definierten Ausgangszustand des Quartiers (Status quo) und den zu vergleichenden Modernisierungskonzepten (Varianten).

Basierend auf der Feststellung der zur Erreichung einer Variante durchzuführenden Maßnahmen, werden die Arten und Mengen der jeweiligen Bauteile bzw. anlagentechnischen Komponenten ermittelt und mit den ebenfalls im Tool hinterlegten Umweltindikatoren der Ökobaudat (2021) bzw. einer hinterlegten Kostendatenbank (Stand Q1-2021) die Gesamtwirkung des Quartierskonzepts errechnet. Die Ausgabe der Indikatoren erfolgt als jahresbezogener Indikatorwert auf Basis des festgelegten Betrachtungszeitraums je Quartier, d.h. für Status quo und Varianten. Hierdurch wird ein Vergleich der ausgewählten Varianten mit dem Status quo sowie untereinander ermöglicht (für weitere Erläuterungen siehe [4]).

E⁴Q-Quartiersbewertungswerkzeug

Um die Möglichkeit zur frühen Bewertung von Quartierskonzepten einer möglichst breiten Gruppe an Anwendenden zugänglich zu machen, wurde das E⁴Q-Berechnungswerkzeug als Excel-basiertes Tool umgesetzt und frei zum Download zur Verfügung gestellt. Da die Berechnungsalgorithmen jedoch mittels VBA-Code integriert wurden, muss für eine Verwendung die Ausführung von Makros gestattet werden.

Die Dateneingabe bzw. die Auswahl von Quartierskonzepten erfolgt in zwei Eingabeschritten. Wesentliche Berechnungsparameter für die Öko- und Kostenbilanzen können bei Bedarf in einem dritten Schritt ebenfalls vorgenommen werden. Die ersten Eingaben (Schritt 1, Abb. 4) dienen der Auswahl eines geeigneten Typquartiers zur näherungsweisen Abbildung eines realen Untersuchungsgegenstands. Weiterhin werden der energetische Ausgangszustand sowie die im Quartier befindliche überwiegende Versorgungstechnologie ausgewählt und somit der Status quo für die weiteren Berechnungen definiert. Im nächsten Schritt erfolgt die Festlegung von bis zu vier Varianten der Quartiersmodernisierung (Schritt 2, Abb. 5). Hierbei kann für jede Variante sowohl das Zielniveau der Wärmeschutzmodernisierung als auch das zu bewertende Konzept zur Wärme- und Stromversorgung der Gebäude des Quartiers festgelegt werden.

Für die Wärmeversorgung können drei grundlegende Konzepte unterschieden werden: dezentrale „Einzelgebäudeversorgung“, Versorgung über einen bestehenden oder neuen „Fernwärmeanschluss“, dessen ökonomischen und ökologischen Investitionskosten außerhalb der Quartiersbetrachtung liegen, sowie ein „Nahwärmenetz“, welches über eine Quartiersenergiezentrale und quartierseigene Versorgungsleitungen die Wärmeversorgung der Gebäude sicherstellt. Sowohl auf Gebäudeseite als auch für die Energiezentrale lassen sich weitere Einstellungen zur Anlagenkonfiguration vornehmen und eine Ergänzung um photovoltaische Stromerzeugung sowie mögliche Batteriespeicher auswählen. Sollten Anwender des Berechnungswerkzeugs den Standardsatz an Eingangsparametern für die ökologische und ökonomische Bewertung verändern wollen, so erlaubt eine weitere Eingabemaske bzw. der Zugriff auf einige Basistabellen die projekt- bzw. unternehmensspezifische Anpassung.

Ergebnis der Berechnung

Das Ergebnis der Berechnung ist eine Gegenüberstellung des Status quo (d.h. ein Weiterbetrieb ohne Modernisierung) mit den gewählten Modernisierungskonzepten, welche in unterschiedlicher Detailtiefe auf mehreren Tabellenblättern dargestellt werden. Jedes Konzept wird dazu in einem kompakten Quartierssteckbrief dargestellt. Eine zusammenfassende Gegenüberstellung liefert darüber hinaus einen möglichst einfachen Vergleich der Bewertungsindikatoren anhand von Zahlenwerten und sog. Spider-Diagrammen. Zudem können in je einem Tabellenblatt die Details der energetischen Kennwerte, der Ökobilanz sowie der Lebenszykluskostenbetrachtung eingesehen werden. Das Beispiel in Abbildung 6 zeigt die Gegenüberstellung von konventionellen Konzepten der Wärmeschutzmodernisierung sowie Wärmeversorgung mit anspruchsvolleren Varianten. Als Status quo wurde ein Quartier aus acht unsanierten Mehrfamilienhaus-Zeilenbauten festgelegt, welche durch einen Gas-Niedertemperaturkessel je Gebäude versorgt werden. Die Varianten weisen unterschiedliche Modernisierungsniveaus der Gebäudehülle (100–70% des GEG Anforderungswertes für Neubauten) sowie unterschiedliche Energiekonzepte auf (Variante 1: Einzelgebäudeversorgung mit Brennwerttechnik, Variante 2: Nahwärme mit Erdgas-BHWK, Variante 3: Einzelgebäudeversorgung mit Luft-Wasser-Wärmepumpen und Radiatoren sowie PV, Variante 4: Nahwärme mit Sole-Wasser-Wärmepumpe und Flächenheizung sowie PV). Das Beispiel zeigt, wie durch die Umsetzung von Maßnahmen zur Verbesserung des Gebäudewärmeschutzes und eines integrierten Quartierskonzepts sowohl die einhergehenden Treibhausgasemissionen (Indikator „GWP“) reduziert werden können als auch die Wirtschaftlichkeit (Indikator „C0“) der Konzepte trotz steigender Investitionskosten (Indikator „I0“) verbessert werden kann. Auch die Werte der anderen Bewertungsindikatoren sind einfach abzulesen und können einen vorhabenspezifischen Mehrwert liefern. Entscheidungsträger können auf Basis der Ergebnisse der Bewertung mit dem E⁴Q-Berechnungswerkzeug nun die Weichen für das weitere Vorgehen stellen und festlegen, welchen Indikatoren welche Priorität bei der Quartiersentwicklung eingeräumt werden soll. Für die weiteren Planungsphasen können damit gezielt nur noch wenige einzelne Konzepte weiter ausgearbeitet werden, was mit einer Reduktion des Ressourcenaufwands und der Komplexität für alle Beteiligten einhergeht.

Praktischer Nutzen und übergeordnete Empfehlungen

Wie die Beschreibung des Berechnungswerkzeugs und das untersuchte Beispiel verdeutlichen, können durch die Anwendung des E⁴Q-Quartiersbewertungstools bereits bei nur geringem Wissensstand über die Ausgangssituation in einem Quartier und ohne eine gesonderte fachliche Expertise einfache vergleichende Bewertungen von möglichen Quartierskonzepten vorgenommen werden. Für die Praxis ergibt sich somit die Möglichkeit bereits sehr früh die bisher üblichen Konzepte mit nur geringer oder gänzlich außer Acht gelassener Wärmeschutzmodernisierung und mäßig effizienten bzw. fossilen Wärmeversorgungskonzepten zu hinterfragen. Häufig lassen sich auf diese Weise Lösungsansätze identifizieren, welche eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen bei gleichbleibender oder sogar verbesserter Wirtschaftlichkeit ermöglichen. Für die verschiedenen Akteure innerhalb eines Vorhabens bedeutet dies, dass die Maßnahmen und Bewertungen überprüft und ein für möglichst alle vorteilhaftes Gesamtkonzept erarbeitet werden kann. Hierfür können (vor dem Hintergrund des meist vorliegenden Mieter-Vermieter-Dilemmas) z.B. die langfristigen Erträge aus der Nutzung von photovoltaischem Quartiersstrom zur (teilweisen) Kompensation von Belastungen durch die Investitionen in einen hohen Wärmeschutzstandard oder technische Infrastrukturen verwendet werden.

Ergänzend ist zu berücksichtigen, dass das Quartiersbewertungswerkzeug im Rahmen der Bewertung keine Berücksichtigung von Systemrandbedingungen, wie z.B. der Verfügbarkeit von Ressourcen bzw. Energieträgern vornimmt. Eine im Forschungsvorhaben E⁴Q durchgeführte Szenarioanalyse zeigte hier, dass die als ökologisch besonders vorteilhaft bewerteten biomassebasierten Versorgungskonzepte keine in der Breite zu verfolgende Lösung für die Quartiersentwicklung sein können. Aufgrund begrenzter (nationaler) Potenziale für die Nutzung von Biomasse zur Wärmeerzeugung besitzen diese Konzepte bei einer starken Verbreitung folglich langfristige Risiken ökologischer und ökonomischer Art, was ebenfalls in den Abwägungsentscheidungen der frühen Planungsphase zu berücksichtigen ist. Kombinationen aus hohen Wärmeschutzstandards und umweltwärmebasierter Einzelgebäude- bzw. Quartierswärmeversorgung zeigten sich jedoch als taugliche Konzepte, deren lokale Umsetzbarkeit in Vorhaben zur Quartiersmodernisierung immer geprüft werden sollten.

Quellen/Verweise

[1] Roth, Ueli (1980): Wechselwirkungen zwischen der Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssystemen. Forschungsprojekt BMBau RS II 4-704102-77.10 (1980). Unter Mitarbeit von Fritz Häubi, Joachim Albrecht, Mathias Bischoff, Anne-Marie Deucher, Lucius Harder, Beatrice Langraf und Gisela Pape. Bonn (Schriftenreihe des Bundesministers für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau 06, 044).
[2] Erhorn, Hans; Erhorn-Kluttig, Heike; Schrade, Johannes; Schmidt, Dietrich; Sager, Christina; Beier, Carsten et al. (2010): Energetische Quartiersplanung in Deutschland. Wissenschaftliche Begleitung der Förderaktivität „Energieeffiziente Stadt“ – Schlussbericht Phase 1. Fraunhofer-Institut für Bauphysik; Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT; Volkswohnungen GmbH; pro:21. Stuttgart, Oberhausen, Bonn, Karlsruhe.
[3] Ökobaudat (2021): Informationsportal Nachhaltiges Bauen. Hgg. v. Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen (BMWSB). Berlin.
[4] Koert, Johannes; Müller, André (2022): E⁴Q – Einbindung erneuerbarer Energieträger in die Energieversorgung vernetzter Quartiere. Ergebnisbroschüre. Unter Mitarbeit von Kornelia Müller, Judith Heilmann, Katrin Schalk, Ivonne Müller und Christoph Dahinten. Institut für Massivbau; Institut Wohnen und Umwelt. Darmstadt

Die Autoren

André Müller
André Müller ist seit 2016 Wissenschaftler am Institut Wohnen und Umwelt und forscht zu Fragen der energetischen Gebäudebewertung und -optimierung sowie zur strategischen Entwicklung des Gebäudebestands auf unterschiedlichen Raumebenen. Als externer Doktorand schloss er am Institut für Massivbau der TU Darmstadt seine Promotion zur Entwicklung einer „Methodik zur datenbasierten Typisierung von Quartieren anhand baulicher Strukturen“ im März 2023 erfolgreich ab. www.iwu.de

Prof. Dr.-Ing. Danièle Waldmann-Diederich
Prof. Dr.-Ing. Danièle Waldmann-Diederich ist als Professorin und Leiterin des Instituts für Massivbau an der TU Darmstadt tätig und forscht auf dem Gebiet des nachhaltigen Massivbaus. Eine ganzheitliche Betrachtung des nachhaltigen Bauens sowie der Implementierung einer Kreislaufwirtschaft steht dabei im Zentrum ihrer Tätigkeiten. Zuvor war sie 19 Jahre Professorin für Massivbau an der Universität Luxemburg, leitete das Institut für Bau- und Umweltingenieurswesen INCEEN und arbeitete hier ebenfalls im Bereich der Entwicklung nachhaltiger Bauweisen mit Beton- und Verbundkonstruktionen. www.massivbau.tu-darmstadt.de