SWIVT

In diesem Forschungsprojekt wird am Beispiel einer realen Bestandssiedlung aus den 1950er Jahren in Darmstadt die Energiebilanz um mindestens 30% im Vergleich zur konventionellen Sanierung bei minimalem Eingriff im Bestand verbessert. Der Immobilienbestand stellt für die energiepolitischen Ziele, bis zum Jahr 2050 den Primärenergiebedarf Deutschlands zu halbieren und den Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch auf 60% zu erhöhen, die kritische Masse dar. Fast 40% des Primärenergieverbrauchs entfallen nämlich auf Gebäude und Quartiere, davon besteht fast 70 % aus thermischer Energie. Viele der rund 19 Millionen Wohnhäuser in Deutschland sind energetisch nur teil- oder gar nicht saniert, hier könnten bis zu 80% des Energiebedarfs eingespart werden. Aktuell ist die Sanierungsquote jedoch zu niedrig, um den geplanten Zielen zu treffen. Zeit- und Planungsaufwendige Begleitmaßnahmen, komplexe gesetzliche Randbedingungen, zusammen mit einem teilweise problematischen Umgang mit Fassadendämmung (zum Beispiel bei Denkmalpflege) haben Investitionen in diesem Bereich angehalten. Um den Primärenergieverbrauch des Gebäudes deutlich zu senken spielen zunehmend Strategien für lokale Energieerzeugung und Speicherung eine wesentliche Rolle.

Technologien für die CO2-minimierte Energieversorgung im Gebäudebereich sind verfügbar, es besteht jedoch kein integralen Konzept, welche diese Systeme in einem praxistauglichen Anwendungsfall verknüpft. Ziel des Vorhabens SWIVT ist die Entwicklung eines kombinierten Energie- und Sanierungskonzeptes für den Baubestand unter Einsatz neuartiger Energietechnologien auf Siedlungsebene. Einerseits wird das Bestand durch Maßnahmen für die Senkung des Energiebedarfs und die Verdichtung durch neue, energieeffiziente Wohnfläche grundsaniert, andererseits werden Gebäude energetisch verknüpft und mit innovativen Technologien zur Energieerzeugung, -speicherung und Verteilung von Wärme und Strom gekoppelt. Eine Steuerungseinheit optimiert die Energieversorgung der Siedlung nach CO2-minimierung und wirtschaftlichen Betrieb des Systems. Durch die enge Zusammenarbeit mit Bauträger und Energieversorger erfolgt die Konzeption auf Basis realer Verbrauchs- und Lastdaten sowie Bestandsdaten.

Luftbild der Postsiedlung mit Planungsgebiet blau umrandet. Bild: TU Darmstadt

SWIVT sieht die Nachverdichtung einer bestehenden Siedlung mit einem energiepositiven Siedlungsbaustein vor, durch den eine effiziente dezentrale Energieerzeugung und -verteilung möglich werden. Dieser Baustein besteht neben hochwertigem Wohnraum aus innovativen Komponenten zur Erzeugung, Speicherung- und Vernetzung von Strom und Wärme sowie über sämtliche Steuerungskomponenten. Dadurch kann die Energiebilanz der Siedlung in einem Schritt und durch minimalen Eingriff in Bestand erheblich verbessert werden. Der Siedlungsbaustein fungiert als Generator einer nachhaltigen Quartiersentwicklung durch eine Verbesserung der Akzeptanz innovativer Technologien, wie beispielsweise Energiespeichersystemen. Durch die Bilanzierung auf Siedlungsebene von unterschiedlich effizienten Wohnflächen und Heizungsanlagen, die Nutzung bestehender Umweltenergie, und dem sich daraus ergebenden baulichen Wärmeschutz bildet nicht mehr jedes Gebäude für sich, sondern eine Gruppe von Gebäuden gemeinsam eine energetische Einheit. Die energetische Verknüpfung von Gebäuden schafft Synergien, welche Ressourceneinsparungs- und Effizienzpotentiale nutzbar machen. Die Integration unterschiedlicher Disziplinen und Akteure zu einem systematischen Ansatz stellt Herausforderungen dar, die gleichzeitigen großen Chancen für Innovation anbieten. Die damit einhergehende energetische Transformation eines bestehenden Quartiers dient als Forschungsgegenstand und Vorbild für eine nachhaltige Stadtentwicklung.

Die SWIVT Vision einer energetischen Sanierung: Nicht nur wertvollen Lebensraum schaffen und Energieverbräuche drastisch reduzieren, sondern auch Komponenten zur erneuerbarer Energieerzeugung, Speicherung und Vernetzung in einem auf Siedlungsebene gesteuerten System zu integrieren.

Durch eine kumulierte Betrachtung der Erzeugung und Verbräuche von Energie entstehen Aggregationseffekte, welche mit unterschiedlichen Speichertechnologien zu einer hocheffiziente dezentrale Versorgung mitwirken können.

Um sehr niedrige Primärenergiebedarfe zu erreichen rückt die CO2-optimierte Energiebereitstellung durch die Nutzung der in der Umgebung auftretenden Energieströme immer stärker in den Fokus. Gebäude und deren Energiemanagement werden heute überwiegend solitär betrachtet. Plusenergiehäuser werden meist einzeln konzipiert, liefern in der Jahresbilanz zwar einen Energieüberschuss, greifen dabei jedoch auf die öffentlichen Netze als Puffer zurück und können dadurch zu ihrer Überlastung beitragen. Um den Anteil an erneuerbar erzeugten Energien im Netz zu erhöhen, sind Maßnahmen zur Flexibilisierung des Verbrauches notwendig. Ein effizientes Energieversorgungskonzept basiert auf der Vernetzung von innovativen Technologien zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Strom und Wärme im Quartier kann die Belastbarkeit des Systems auf einem fluktuierenden Energieangebot erhöhen.

Durch die Erzeugung erneuerbarer Energie, hybride Speichersysteme und über intelligentes Energiemanagement verbessern energiepositiven Bausteine die Energiebilanz bestehenden Siedlungen signifikant nach.

Die Sanierungsquote liegt derzeit unter 1,0 % pro Jahr, deutlich hinter den energiepolitisch angestrebten Quoten von 2,5 % – 3,0 % zurück, was meist auf die kostenintensiven Begleitmaßnahmen und komplexen Randbedingungen zurückzuführen ist. 1974 wurde mit der Primärenergiebilanzierung der Grundstein für die Wärmeschutzverordnung und deren weiterer Verlauf hin zur Energieeinsparverordnung (EnEV) gelegt, wodurch die Grenzen der energetischen Gebäudequalität Schritt für Schritt konkreter und strenger wurden. Diese genaueren Grenzen der energetischen Verbräuche öffneten den Markt für eine große Variation von Wandaufbauten, Gebäudekonzepten und Materialien, um Anforderungen zu erreichen. Andererseits sind die Nachweise für die geltenden gesetzlichen Anforderungen an das energiesparende Bauen sehr zeitaufwändig. Traditionelle Sanierungsverfahren, welche meistens aus der Anbringung von Dämmmaterialien bestehen, weisen wesentliche Hemmnisse auf: problematische Entsorgung, ästhetische Einschränkung, Unvereinbarkeit mit Denkmalpflege, Brandgefahr, und daraus resultierende notwendige bauliche Nacharbeitungsbedarfe (z.B. bei Dachsuberständen).

Durch die Betrachtung effizienter Energieversorgungskonzepte auf Siedlungsebene, ermöglicht durch innovative Technologien zur Erzeugung, Wandlung und Vernetzung von Strom und Wärme, können Gebäude auf unterschiedlichen Sanierungsniveaus sehr niedrige Primärenergiebedarfe erreichen. Effiziente Energietechnologien für die Energieversorgung im Gebäudebereich sind verfügbar, es besteht jedoch kein integralen Konzept, welche diese Systeme in einem praxistauglichen Anwendungsfall verknüpft. Häufig sind es Teilaspekte, die in einzelnen Projekten betrachtet werden. Im Bereich sektorenübergreifender Konzepte, welche wie im vorliegenden Fall einen ganzheitlichen Ansatz hinsichtlich der Kombination von dezentraler Anlagentechnik, der Entwicklung und Anwendung von zeitlich hoch aufgelösten Simulationsmodellen für Energiequellen und –senken und der Entwicklung und Integration einer zentralen, intelligenten Steuerung verfolgen, besteht hoher Bedarf.

Dadurch, dass das Quartier ganzheitlich betrachtet wird, entstehen Aggregationseffekte der Verbräuche von Strom und Wärme, die einen geglätteten Gesamtverbrauch zur Folge haben. Der stochastische Anteil des Verbrauches kann dadurch reduziert werden. Dies erleichtert eine dezentrale Versorgung. Durch unterschiedliche Ausrichtung der Dachflächen und Module wird eine Vergleichsmäßigung der Solarerzeugung erreicht. Alle Bewohner profitieren von der kontinuierlicheren Erzeugung, während unterschiedliche Verbrauchspatterns einen höheren Anteil an direktem Verbrauch ermöglichen.

Zur überwiegend lokalen Nutzung von Wärme und Strom kommen thermische und elektrische Speichersysteme zum Einsatz. Die dadurch entstehenden zusätzlichen Freiheitsgrade zur Steuerung des Energiesystems ermöglichen einen effizienten Betrieb. Außerdem können durch den flexiblen Betrieb der Siedlungskomponenten Systemdienstleistungen für die Versorgungsnetze erbracht werden, wodurch neue Erlösmöglichkeiten erzeugt werden. Die dezentrale Lösung des Versorgungsproblems reduziert Transportverluste und den Bedarf an Ausgleichsmechanismen auf höheren Netzebenen.

Durch die Bündelung von Technologien auf Siedlungsebene (z.B. BHKW, Speicher) entstehen Vorteile im Bereich Investitions- und Betriebskosten, Wirkungsgradverbesserungen können z.B. durch ein zentrales BHKW mit konstanter Auslastung und ein verlustarmes Wärmenetz im Quartier erzielt werden. Die Anzahl an beteiligten Disziplinen und Akteure stellt Herausforderungen dar, die gleichzeitigen großen Chancen für Innovation anbieten, z.B. durch innovativen Betriebs- und Geschäftskonzepte und den Aufbau Neugeschäfte. Die damit einhergehende energetische Transformation eines bestehenden Quartiers dient als Forschungsgegenstand und Vorbild für eine nachhaltige, CO2 optimierte Stadtentwicklung.

Die Ausgangssituation ist eine typische Siedlung aus den 1950er Jahren.

Mit der Errichtung von schlichten 2- bis 3-geschossigen Wohnungsbauten in der Postsiedlung im Darmstädter Stadtteil Bessungen wurde 1949 durch den Bauverein zur Schaffung von Arbeiterwohnungen begonnen. Um die Wohnfläche zu erhöhen und nachzuverdichten, wurden an einigen Häuserzeilen außerhalb des projektierten Siedlungsausschnittes bereits in den vergangenen Jahren umfangreiche Umbauten und energetische Sanierungen vorgenommen. Durch Aufstockung und vorgestellte Elemente für Balkone und Loggien wurde eine höhere Verdichtung und verbesserte Wohnqualität des Quartiers erreicht. Die übrigen Gebäude befinden sich derzeit in einem unsanierten Zustand und sind bewohnt. Die Gebäude sollen nach derzeitiger Planung saniert werden. Die energetischen Verbräuche (Endenergie) der bestehenden Wohngebäude entsprechen dem unsanierten Gebäudestandard des Errichtungszeitraumes. In Bezug auf heutige energetische Standards liegen diese derzeit um den Faktor 3-4 höher.

Aufnahmen der Bestandsgebäuden mit einer Thermokamera weisen typische Mängel der Fassade, wie starke Verluste über die Außenwände und Wärmebrücken, auf.

Das Projekt kann in drei Phasen unterteilt werden. In der ersten Phase wird aufbauend auf einer hochauflösenden energetischen Analyse der bestehenden Siedlung die Entwicklung eines Sanierungskonzepts gemeinsam mit dem Bauträger Bauverein AG, dem Energieversorger ENTEGA AG und Spezialisten für innovative Energiekomponenten durchgeführt. In der zweiten Phase werden auf Basis der ermittelten Lastprofile, die Energieerzeugungs- und Speichersysteme auf Komponentenebene entwickelt, Prototypen aufgebaut und eine übergeordnete Steuerungslogik entworfen. Die dritte Phase umfasst den Probebetrieb der Einzelkomponenten sowie die Validierung der Steuerung anhand der vernetzten Teilsysteme. Begleitend findet eine ökologische und ökonomische Bewertung der Systeme statt.

Im Teilprojekt 1 wird die integrale Planung, die Verbundkoordination und Informationsaustausch sowie die Systemische Zusammenführung der Teilprojektergebnisse durch das Institut für Statik und Konstruktion (ISM+D) der TU Darmstadt betreut. Um die Umsetzbarkeit und Skalierbarkeit des Verfahrens auf ähnliche Siedlungen zu gewährleisten wird eine integrale Planungsmethode für sektorenübergreifende Energie- und Gebäudekonzepte entwickelt, welche durch Koordinationsinstrumente eine transparente Zusammenarbeit ermöglichen. Die integrale Planung stimmt gemeinsame, projektspezifische Zielsetzungen für die energetische Sanierungskonzepte an der Siedlung zwischen allen Interessengruppen ab. Durch die Entwicklung einer Evaluierungsmethode werden alle energetischen, ökonomischen, ökologischen und sozio-kulturellen Aspekte der entworfenen Szenarien ausgewertet. Dabei ist es wesentlich, die große gegenseitige Abhängigkeit bei der Integration aller beteiligten Disziplinen in den Entwurfsprozess von Beginn an und mit höchstmöglichen Maß an Transparenz darstellen zu können.

Eine erweiterte, über den üblichen Stand hinausgehende Bestandsaufnahme und –analyse wird durch das ISM+D in Kooperation mit dem Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) der Universität Stuttgart und die Projektpartner ENTEGA AG und bauverein AG durchgeführt. Dies erfolgt im Hinblick auf die im Projektablauf zu erforschenden und entwickelnden Technologien. Um sowohl die energetischen Erzeugungsanlagen als auch die Speichersysteme auslegen zu können, sind detaillierte Informationen über die zeitlich aufgelösten Bedarfe und die aktuelle Vernetzungssituation notwendig. Insbesondere für die Entwicklung des hybriden elektrischen Speichersystems sind hochaufgelöste Lastprofile notwendig.

Darüber hinaus sind die strategische Konzeptentwicklung auf Quartiersebene unter Einsatz von Planungstools als flankierende Entscheidungshilfe, der Transfer von Forschungsergebnissen in die Ausführungsplanung für die geplante Sanierung der Postsiedlung, und das Aufstellen eines energetischen Messkonzeptes für die hochauflösende Erfassung der dynamischen Vorgänge im Wohnungssektor durch das ISM+D durchgeführt.

Aufbauend auf der umfassenden Siedlungsanalyse und den strategischen Überlegungen werden durch die ISM+D, die IWB und in Kooperation mit dem Fachgebiet Entwerfen und Baugestaltung (EuB) der TU Darmstadt, sowie Experte für die technischen Komponenten Grobkonzepte auf Quartiersebene entwickelt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Integration unterschiedlich effizienter Wohnflächen, dezentraler Energieerzeugung, sowie thermischer und elektrischer Speichersystemen, um das energetischen Profil der Bestandssiedlung auf einem 30 % niedrigerem Primärenergiebedarfs im Vergleich zu einer herkömmlichen Sanierung zu bringen.

Zur Reduktion des Energiebedarfs und Nachverdichtung der Siedlung werden Konzepte für die Grundsanierung und Verdichtung aller am Siedlungsverbund beteiligten Gebäude entworfen. Eine Nachverdichtung findet sowohl durch eine Aufstockung der sanierten Gebäuden als auch durch einen hocheffizienten, energiepositiven Baustein statt, der zum einen mit unterschiedlichsten thermischen und elektrischen Erzeugungskomponenten ausgestattet ist und zum anderen über umfassende Speicherkapazitäten verfügt. Im gleichen Schritt wird die Ausstattung der freien Hüllflächen auf diesen Gebäuden mit Solarmodulen (Photovoltaik und/oder Solarthermie) ausgewertet. Aus den hier entwickelten Konzeptvarianten lassen sich Anforderungen und Planungsparameter der Entwicklung der Speicherlösungen und Betriebsstrategien ableiten. Bei der Entwurfsplanung der technischen Energieerzeuger werden alle energieaktiven Komponenten im energetischen Gesamtkonzept eingebunden, um diese in optimaler Weise zur Effizienzsteigerung des Quartiers nutzen zu können. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die intelligente Verknüpfung aller energieerzeugenden Komponenten im elektrisch und thermisch interagierenden Gesamtsystem.

Zur kombinierten und effizienten Gewinnung von solar anstehender Umweltenergie in Form von Strom und Wärme sind sowohl in die Dach- als auch Fassadenfläche opake Solarkombimodule zu entwickeln und in Form von Demonstratoren hinsichtlich Funktionsfähigkeit und Wirksamkeit zu erproben. Die neuen hybriden PV-Kombimodule werden in speziellen Versuchsständen (Mock-Up) an dem Gelände der Universität Stuttgart eingehend analysiert. Im Rahmen von SWIVT entwickelt die Firma Autarq GmbH Dachsteine zur integrierten Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie aus erneuerbaren Energieträgern. Das Konzept wird ergänzt durch den Einsatz eines Solargartens, bestehend aus semitransparenten PV-Modulen in Kombination mit sogenannten Luftkollektoren zur Abführung und Speicherung der entstehenden thermischen Energiemengen. Die Nutzung von Abwärme aus Energiegarten, thermischen Pufferbereichen für Bestandsgebäude, welche gleichzeitig die Attraktivität und Nutzbarkeit der Wohnungen steigern sollen, wird durch hochaufgelöste Simulationsmodelle an dem IWB untersucht. Um die Erzeugung unabhängig vom solaren Strahlungsangebot sicherstellen zu können wird ein BHKW eingesetzt. Die Erzeugung von Wärme und Strom erlaubt unter Einsatz thermischer und elektrischer Speicher sowie intelligenter Steuerungslogik eine zeitlich entkoppelte und damit bedarfsgerechte Versorgung der Siedlung. Eine Wärmepumpe ermöglicht die effiziente Kopplung von Hoch- und Niedertemperaturkreisläufen und bildet eine Schnittstelle zwischen elektrischem und thermischem System.

Konzeptmodell der preisgeführten Steuerungsstrategie für die Komponenten zur Energieerzeugung, -speicherung und -verteilung im Siedlungsverbund.

Eine erste Konzeptentwicklung leitet detaillierten Anforderungen an das Speicher und Vernetzungskonzept anhand Erarbeitung, Bewertung und Auswahl verschiedenen Alternativen bzw. Varianten. Durch den Aufbau eines Nahwärmenetzes, das die Bestandsgebäude mit dem Siedlungsbaustein verbindet, kann auf die Anlagentechnik in den Einzelgebäuden größtenteils verzichtet werden. Ansätze für die optimale Dimensionierung und Auslegung der Komponenten von hybriden Speicheranlagen werden entworfen. Die Komponenten des thermischen Systems werden am Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) der Universität Stuttgart entwickelt, während das elektrisches System an dem Institut für Mechatronische Systeme der TU Darmstadt in Kooperation mit AKASOL GmbH und ENTEGA AG entwickelt wird.

Die Integration von Low-Ex-Systemtechnik im Gebäudebestand wird untersucht. Dafür werden innovative Phasenwechselmaterial (PCM)-Speicher modelliert, welche eine flexible Regelung der Betriebsstrategie und die Erweiterung der Systemidee auf Gebäude mit deutlich reduziertem Sanierungsumfang auf Seiten der thermischen Wärmeversorgung erlauben. Zur Speicherung thermischer Energie kommen kaskadierte Fluidspeicher zum Einsatz, die durch ihre einfache Bauweise kostengünstig herstellbar sind. Durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus werden Speicherverluste minimiert. Der sensible Fluidspeicher wird für minutenschnelle Reaktionszeiten verwendet, während der latente PCM-Speicher über Stunden agiert. Die Entwicklung der thermischen Speicherung analysiert diverser PCM-Speicher in ihrem Belade- und Entladeverhalten, sowie führt theoretischen Studien zum Verständnis der Be- und Entladecharakteristik der wärmespeichernden Gefäße durch. Folglich werden drei verschiedenen thermischen Speichersystemen aufgebaut, zum einen um die Kombination von Phasenwechselmaterialien mit Fluidspeichern zu evaluieren, und zum anderen um die Be- und Entladevorgänge der Fluidspeicher aus ultra-Hochleistung (UHPC) Beton praktisch und simulativ durch CFD-Simulation untersuchen zu können. Komponenten für die Dachstein-Anlage werden mit Erdwärmekörben gekoppelt zur Regeneration der geothermischen Wärme in Sommer und Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe in Winter. Das hybride thermische Speichersystem bestehend aus Fluid-(Wasser) und PCM-gefüllte Behälter wird an der Universität Stuttgart konstruiert und in einem Demonstrator eingebaut. Das gekoppelte hydraulische Regelschema wird von Noventec GmbH ausgeliefert. Die Inbetriebnahme des Regulierungssystems in dem Demonstrator ist für September 2017 geplant.

Zur Speicherung elektrischer Energie kommt ein hybrides Speichersystem bestehend aus einem hochdynamischen kinetischen Energiespeicher in Verbindung mit einer auf Langzeitspeicherung ausgelegten Li-Ionen-Batterie zum Einsatz. Durch die Verknüpfung entsteht ein langlebiges Speichersystem mit hoher Leistungsdynamik und großer Speicherkapazität. Nach der Aufteilung der Anforderungen an das hybrides elektrisches Speichersystem wird dieses in seinen Teilsysteme bestehend aus kinetischen Energiespeicher und Li-Ionen Batterie der Firma AKASOL GmbH am Institut für Mechatronische Systeme der TU Darmstadt (IMS) konstruiert, in einem Laborumgebung gekoppelt und im vernetzten Betrieb untersucht. Damit werden Auslegungsparameter validiert, anwendungsspezifische Regelung- bzw. Betriebsstrategien evaluiert, sowie Monitoringskonzepte entwickelt. Die Ableitung von Fertigungszeichnungen, sowie die Bestellung sowie Eigenfertigung der Komponenten wurden fertig gestellt. Die Auswahl und Verschaltungsplanung der Leistungselektronik zur Realisierung einer innovativen DC-Kopplung der beiden elektrischen Speichertechnologien ist ebenfalls fertig gestellt. Die Montage des Containments, des Rotors und des Stators hat begonnen.

Für die experimentelle Untersuchung und die Validierung des Regulierungssystems für die SWIVT-Siedlung werden die thermischen und elektrischen Energiemanagement-Modelle zum SWIVT-Controller integriert. Infolge der Vielzahl an Energiekomponenten und den daraus entstehenden Entscheidungsfreiheitsgraden ist eine übergeordnete intelligente Steuerung aufzubauen, die ein effizientes Energiemanagement und die Ausschöpfung der Potentialen der eingebauten Systemflexibilitäten sicherstellt. Eine Betriebsstrategie für energieeffizienten Erzeugung-, Wandlungs- und Speicherungstechnologien auf Quartiersebene wird mit Hilfe einer Steuerungsintelligenz durch die IWB und die IMS in Kooperation mit der ENTEGA AG entwickelt. Die praxisorientierte Strategie ist in der Lage, eine Optimierung des wirtschaftlichen Potentials in die reale Anwendung umsetzten. Die thermoelektrische Betriebsstrategie zur Leistungsaufteilung auf Siedlungsebene wird als Gesamtsystems mit MATLAB-Simulink, Star CCM+ und dem CARNOT-Blockset modelliert, sowie in einem Hardware-In-The-Loop-Prüfstand erprobt.

SWIVT I

Siedlungsbausteine für bestehende Wohnquartiere

Impulse zur Vernetzung energieeffizienter Technologien

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Gebäude und Energieerzeugung

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