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Das klimaneutrale Stadtquartier – so könnte es gehen

Die Transformation unseres Energiesystems hin zu 100 Prozent erneuerbarer Energien ist drängender denn je.

Am Beispiel des Quartiers Rüsdorfer Kamp in Heide entwickeln Forschende aus der U Bremen Research Alliance im Rahmen des Projekts „Quarree100“ Lösungen, die nachhaltig, resilient und übertragbar sind. Von dem Wissen sollen nicht nur möglichst viele profitieren, sondern es auch erweitern können – per Open Science.

Der Wind weht meist aus West, von der Nordsee kommend, und oft in beachtlicher Stärke über das flache Dithmarscher Land. Die Einheimischen sprechen von „steifer Brise“, die man auch daran erkennt, dass viele Windräder stillstehen – ein Paradoxum, das nicht nur die hier urlaubenden Touristen aus dem Süden irritiert. An windreichen Tagen überlastet der von den Windrädern erzeugte Strom das Netz, nur durch Abschaltungen bleibt es stabil. 3750 Gigawattstunden gingen 2019 so verloren, fast 400 Millionen Euro an Entschädigungen waren vom Staat an die Betreiber zu zahlen.

Das soll sich ändern. Energie nicht länger zu vergeuden, sondern überschüssige Windenergie zu speichern und das Gesamtsystem zu entlasten, ist ein Ziel von Quarree100. Das übergeordnete Anliegen formuliert der Koordinator des Projekts, Dr. Torben Stührmann, so: „Wir wollen den Bestand möglichst schnell CO2-neutral bekommen.“ Stührmann ist kommissarischer Teamleiter des Fachgebietes Resiliente Energiesysteme an der Universität Bremen, einer Mitgliedseinrichtung der U Bremen Research Alliance.

“Wir wollen den Bestand möglichst schnell CO2-neutral bekommen.” Dr. Torben Stührmann

Der Bestand, das sind zu zwei Dritteln Einfamilienhäuser, auch Gewerbe und Mehrfamilienhäuser, verteilt auf einem 20 Hektar großem Gelände. Einige der Häuser sind hundert Jahre alt und älter, viele stammen aus der Nachkriegszeit. Die Wärme für die gut 600 Bewohner produzieren vorwiegend Öl- und Gasheizungen, mit 56 Prozent trägt die Wärmeversorgung am stärksten zum CO2-Ausstoß bei. „Das Quartier steht für viele in Deutschland“, betont Stührmann. „Der Rüsdorfer Kamp hat Leuchtturmcharakter, die hier entwickelten Modelle lassen sich auf andere Regionen übertragen.“

Sieben Arbeitspakete haben die Forschenden definiert, zu denen auch Wissenschaftler:innen des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM zählen, ebenfalls eine Mitgliedseinrichtung der U Bremen Research Alliance. Die Datenerhebung und Energiekonzepterstellung gehören dazu, die Bürgerbeteiligung, Infrastrukturen und Systeme, die Entwicklung neuer Technologien oder auch die Untersuchung der regionalökonomischen Effekte der Maßnahmen. Insgesamt 20 Partner sind an dem Vorhaben beteiligt, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 24 Millionen Euro gefördert wird.

Benedikt Meyer, Torben Stührmann und Anne Nieters stehen nebeneinander
Arbeiten gemeinsam für den Umbau des Energiesystems: Benedikt Meyer, Dr. Torben Stührmann (beide Universität Bremen) und Anne Nieters vom Fraunhofer IFAM (v. l.).
© Jens Lehmkühler / U Bremen Research Alliance

Ein Teil des Geldes wird in die Errichtung eines stadtteileigenen Wärmenetzes fließen, dem sich möglichst viele Bewohner:innen möglichst schnell anschließen sollen. Es ist ein wichtiger Baustein im Instrumentenkasten der Forschenden. Ein anderer ist die Errichtung einer Energiezentrale. „Sie wird das Quartier über eine Wärmepumpe mit Heizungsenergie versorgen“, sagt Benedikt Meyer, Ingenieur für Umwelttechnik an der Universität Bremen und Leiter eines der Arbeitsbereiche des Projekts. Auch besteht sie zusätzlich aus einem Blockheizkraftwerk und einem Gaskessel zur Absicherung.

Die Wärmepumpe wird vor allem durch den Windstrom gespeist. Photovoltaikanlagen auf gut der Hälfte der Hausdächer sollen weiteren Strom produzieren, für den Hausgebrauch und zur Einspeisung in das Netz. Überschüssige Energie wird in Batterien zwischengespeichert oder zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden. „Das System muss flexibel sein“, sagt Meyer. „Je flexibler es ist, desto besser.“

Der Ansatz hat das gesamte Quartier im Blick. Nicht jedes Haus wird für sich betrachtet, es geht um das große Ganze. In dessen Gestaltung sind die Bewohner:innen und die Betriebe einbezogen. „Der Umbau des Energiesystems klappt nur, wenn sie die Planung mitbestimmen können und hinter den Lösungen stehen“, sagt Stührmann. Auf Workshops und Nachbarschaftstreffen tauscht man sich aus, zum Einsatz kommt auch ein digitaler, interaktiver Planungstisch. Er ermöglicht das Abrufen verschiedenster Daten und funktioniert nach dem Prinzip: Was passiert, wenn. „Es geht darum, gemeinsam Szenarien zu entwickeln und die Veränderungen anschaulich und nachvollziehbar zu machen“, meint Stührmann. Die Teilnehmenden können an dem Tisch auch ihr Haus auswählen und feststellen, wie sich ihre Energiekosten entwickeln, wenn sie nicht mitmachen und welche Folgen das für das Viertel hat.

“Wir arbeiten in der U Bremen Research Alliance seit Langem eng und vertrauensvoll zusammen, was für das Projekt sehr nützlich ist.” Benedikt Meyer

Von Skepsis bis hin zu aktiver Beteiligung reicht die Bandbreite der Reaktionen, die Kosten sind ein wiederkehrendes Thema. „Die Umstellung ist anfänglich mit höheren Kosten verbunden“, räumt Stührmann ein. „Dafür erhält man eine höhere Versorgungssicherheit, die CO2-Neutralität und eine Aufwertung der eigenen Immobilie und des Quartiers.“ Und langfristig auch günstigere Preise.

Für die Wissenschaftler:innen ist dieses Pionierprojekt nicht nur spannend, weil sie einen Beitrag zur Energiewende leisten. Sondern vor allem, weil sie auf der Grundlage einer Vielzahl von Daten einen Modellbaukasten für die Transformation des Energiesystems entwickelt haben, wie es ihn in dieser Form noch nicht gab. „In der Vergangenheit haben viele Forschungsinstitute eigene Modelle entwickelt und sie für sich behalten“, sagt Meyer. „Wir setzten auf Open Science. Unsere Modelle sind frei verfügbar, andere können sie nutzen und nach ihren Bedürfnissen weiterentwickeln. Je mehr daran arbeiten und ihre Ideen einbringen, desto besser.“

Luftbild Rüsdorfer Kamp
600 Einwohner:innen, Einfamilien- und Mehrfamilienhäuser, Gewerbe – das ist der Rüsdorfer Kamp in Heide.
© Quaree100 / U Bremen Research Alliance

So beschäftigt sich zum Beispiel ein Modell mit der Frage, wie man eine Energiezentrale möglichst CO2-neutral und kostenoptimal gestalten kann. Parameter wie der Wärmebedarf der Gebäude, die zur Verfügung stehenden Energiequellen oder die Kosten für eine Wärmepumpe oder eine Erdgastherme fließen darin ein. „Am Ende erstellt das Modell für das gewünschte Ziel ein optimales System, das zum Beispiel die dafür nötige Leistungsstärke eines Blockheizkraftwerkes und einer Wärmepumpe bemisst“, erklärt Meyer.

Ein weiteres, deutschlandweites Modell beschreibt die Eingangsdaten für die Energiezentrale. Was kostet der Strom? Wie ist die CO2-Belastung über den Tag verteilt – wann ist der Strom „grün“, wann „schwarz“? Gemeinsam mit dem Fraunhofer IFAM wurde zudem ein Modell für die Gestaltung von Wärmenetzen entwickelt. „Da verfügt das Institut über jahrzehntelange Erfahrung“, sagt Meyer. „Wir arbeiten seit Langem eng und vertrauensvoll zusammen, was für das Projekt sehr nützlich ist.“

Das Fraunhofer IFAM steuert auch ein Konzept zur Erfassung der regionalökonomischen Effekte bei. „Wir berechnen mit unserem Modell sowohl die Wertschöpfung, die durch die Investitionen und den Betrieb der Anlagen entstehen, als auch die Beschäftigungseffekte in der Region“, sagt Anne Nieters vom Fraunhofer IFAM. Die Volkswirtin leitet bei Quarree100 den Arbeitsbereich „Ökonomische und rechtswissenschaftliche Analyse und Entwicklung von Geschäftsmodellen“. Mit einer regional verbleibenden Bruttowertschöpfung in Höhe von rund 20 Millionen Euro rechnet sie.

Torben Stührmann und Lennart Winkeler arbeiten am Planungstisch
Diskutieren Szenarien am Planungstisch: Dr. Torben Stührmann und Lennart
Winkeler (v. l.) von der Universität Bremen.
© Jens Lehmkühler / U Bremen Research Alliance

Keine Frage also, der Rüsdorfer Kamp und die Stadt Heide profitieren ökonomisch und ökologisch von dem Projekt – wie die gesamte Region inzwischen von dem Windstrom profitiert. Eine ganze Reihe von Forschungs- und Förderprojekten haben sich inzwischen an der Westküste Schleswig-Holsteins angesiedelt, etwa zur Gewinnung von Wasserstoff oder zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen für Flugzeuge. Jüngster Erfolg ist der Bau einer Batteriefabrik mit mehreren Tausend Arbeitsplätzen.

Voraussetzung für diesen Wandel ist die Energiesicherheit. Die Transformation kann nur gelingen, wenn das Energiesystem nicht nur bei steifer Brise, sondern auch bei Dunkelflaute funktioniert, wenn der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint. Um die Resilienz des Systems zu prüfen, bauen die Forschenden einen digitalen Zwilling auf und konfrontieren ihn mit verschiedensten Störereignissen. „Niemand muss morgens eine kalte Dusche fürchten“, sagt Stührmann. „All unsere Ergebnisse zeigen: Ein CO2-freie Energieversorgung ist möglich.“

Das Potenzial der Kraft-Wärme-Kopplung heben

Auf dem Weg zur Klimaneutralität ist in Nordrhein-Westfalen ein deutlicher Ausbau der Nah- und Fernwärme erforderlich. Das ist ein Ergebnis einer Studie, die das Fraunhofer IFAM zusammen mit Projektpartnern für das Landesamt für Natur, Umwelt- und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen erstellt hat. In verschiedenen Szenarien wurden die Potenziale der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) für die allgemeine Wärmeversorgung sowie die energieintensive Industrie in der Nah- und Fernwärme untersucht. Bei der KWK werden gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt. Klimafreundliche und flexible KWK-Technologien werden auch zukünftig im Energiesystem eine sehr wichtige Rolle einnehmen, so die Autoren. Die Studie zeigt auch potenzielle Fernwärmeausbaugebiete auf kommunaler Ebene auf und liefert hierfür die entsprechende Datengrundlage.

Der Artikel stammt aus Impact - Dem Wissenschafts-Magazin der U Bremen Research Alliance

In der U Bremen Research Alliance kooperieren die Universität Bremen und zwölf Institute der bundländerfinanzierten außeruniversitären Forschung. Die Zusammenarbeit erstreckt sich über vier Wissenschaftsschwerpunkte und somit „Von der Tiefsee bis ins Weltall“. Das Wissenschafts-Magazin Impact gibt zweimal im Jahr spannende Einblicke in das Wirken der kooperativen Forschung in Bremen.

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