Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Energiewende 4.0

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1 Institut für Gebäude- und Solartechnik Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Mühlenpfordtstraße 23 D Braunschweig Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Energiewende 4.0 Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch

2 Netzwerk Technologie- und Innovations-Netzwerk MNF UNIV.-PROF. DR.-ING. M. NORBERT FISCH Stuttgart Braunschweig Aachen Shanghai Bangkok Partner in Forschung, Wissenschaft und Praxis Steinbeis-TZ Stuttgart EGS-plan Stuttgart Energydesign Braunschweig EGSplan Int. Bangkok IGS TU BS Synavision Aachen / Braunschweig SIZ Energie + Braunschweig 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 2

3 Team IGS Stellv. Leiter Energie- und Qualitätsmanagement Nachhaltige Energieversorgung Energieeffizientes Bauen Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. N. Fisch T. Wilken Dr. S. Plesser T. Beier F. Bockelmann Ein engagiertes Team für Lehre, Forschung und Entwicklung 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 3

4 Energiekonzept der Bundesregierung Energiekonzept 2010 Strategie der Bundesregierung umweltfreundlich zuverlässig umsetzbar Energiewende (2011) Klare Ziele ( ) Kulturwandel 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 4

5 Energiekonzept der Bundesregierung Zielsetzungen Ziele bis Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 5

6 Beispielhafte Entwicklung der CO 2 -Emissionen für Wohngebäude Energiekonzept der Bundesregierung Zielgröße: CO 2 -Emissionen nahezu 2050 MIV ca. 25 kg/(m 2 a) Bezugsfläche 80 m 2 CO 2 -Emission 100g/km Fahrleistung km/a 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 6

7 Energiekonzept der Bundesregierung Anteil erneuerbarer Energien (Primärenergie) - 50 % fossil 87,5 % erneuerbar 12,5 % fossil 40 % erneuerbar 60 % Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 7

8 Energiekonzept der Bundesregierung Ziele bis 2020 CO 2 - Emissionen Primärenergie -bedarf +20% +12,5 %* -23 %* -40% -20% Erneuerbare Energien * Werte aus Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 8

9 2015 Nationaler Aktionsplan Energieeffizienz / Klimaschutzplan Nationaler Aktionsplan Energieeffizienz 2015 Nationaler Klimaschutzplan 2015 NAPE 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 9

10 2016 Deutschlands macht's Effizient (BMWi) 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 10

11 Bauliche Standards? Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 11

12 Bauliche Standards Energieeinsparverordnung ab 2016 Dickere Dämmschichten Dreifach-Verglasung zwingend? und / oder Effizientere Haustechnik? und / oder Nutzung Erneuerbarer Energien? 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 12

13 Mobilität? Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 13

14 Mobilität Ziele in Deutschland 2020 Neubauten sind nahezu Nullenergie-Gebäude 2050 nahezu klimaneutraler Gebäudebestand Mio. E-Fahrzeuge Mio. E-Fahrzeuge 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 14

15 Dezentralisierung der Energieversorgung Gebäude und Quartiere sind aktive Teilnehmer Gewerbe Smart Homes Green City Tower Quartiere Elektromobilität Wohngebäude Smart Buildings CO 2 - neutrale Akademie E-Mobilität Nicht- Wohngebäude 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 15

16 Netzfluktuationen Herausforderungen Netzfluktuationen Lokale Speicherung Hohe Eigenstromnutzung Effiziente Regelungstechnik Vernetzte Gebäudefunktionen Betriebs- und Kostenkontrolle Ausgleich durch Lastmanagement 8,5 Gigawatt/Tag Quelle: Association for Electrical Electronic & Information Technologies (VDE) 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 16

17 Dezentralisation der Energieversorgung Smart Buildings passivhaus gestern E + AKTIVhaus Zukunft von Energieverbrauchern zu Energielieferanten 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 17

18 Gebäude der Zukunft Aktiv- und AktivPlus- Gebäude Optimierung durch Reduzierung des Energiebedarfs und effiziente Nutzung Erneuerbarer Energien 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 18

19 Gebäude der Zukunft Vom Verbraucher zum Erzeuger Verbraucher Erzeuger 8. Juni 2016 Univ.-Prof. Dr. Dipl.-Ing. M. Norbert Fisch Gebäude als Kraftwerk und Tankstelle Vortrag Leonberg Seite 19

20 Dezentralisierung der Energieversorgung Lastmanagement Steigerung des Eigenstromverbrauchs 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 20

21 Strombedarf Fahrzeug Modulfläche Gebäude Beispiel Verbrauch: Kilometerleistung: Kleinwagen 15 kwh/100 km km/a Anlagengröße km/a 15 kwh = kwh/a 100 km ca. 2 kw p ca. 16 m² Modulfläche 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 21

22 E-Mobilität Energiekosten 15 ct/kwh el. Energiekosten [ /100 km] ,20 Diesel 1,20 /l 5 l /100 km 10,0 1,7 kg CO 2 /100 km Benzin 1,40 /l 6 l /100 km 2,25 PV-Strom 2,25 /100 km 15 kwh/100 km 15 ct/kwh el. 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 22

23 E-Mobilität Second-Life-Batterien 80% Speicherkapazität Euro/kWh 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 23

24 Sektorkopplung - Vernetzung von Quartier und Mobilität 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 24

25 Übersicht Projekte Effizienzhaus Plus-Standard Standort der Gebäude aus dem Förderprogramm für Modellvorhaben im Effizienzhaus Plus-Standard Quelle: BMUB 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 25

26 AktivPLUS Gebäude Projekte in Deutschland SMA Academy, Kassel Aktiv-Stadthaus, Frankfurt AktivhausPLUS, Frankfurt-Riedberg Kassel Frankfurt Leonberg Neue Weststadt, Esslingen AktivhausPLUS, Berghalde Esslingen 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 26

27 AktivPLUS-Gebäude EFH Berghalde - Leonberg 2008 Idee/ Entwurf 2009 Umsetzung Das Stromhaus mit E-Mobilität! seit 2010 in Betrieb ab 2011 Monitoring 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 27

28 AktivPLUS-Gebäude EFH Berghalde Leonberg - Energiekonzept 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 28

29 AktivPLUS-Gebäude EFH Berghalde - PV-Stromertrag und Eigenstromnutzung Eigenverbrauch Netzbezug EnergiePlus 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 29

30 Aktiv Stadthaus Frankfurt Entwicklungsgrundlage für städtische Mehrfamilienhäuser in Plusenergiebauweise nach EU 2020 und zur Vorbereitung eines Demonstrativ-Bauvorhabens in Frankfurt am Main Bauherr Forschung Steinbeis Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik Projektpartner 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 30

31 Aktiv Stadthaus Frankfurt Energiekonzept 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 31

32 Aktiv Stadthaus Frankfurt Building Energy Manager Elektrizität Kommunikation dezentrale Erzeugung (z.b. PV, BHKW) Smart Grid Kommunikation zum Virtuellen Kraftwerk Display schaltbare Lasten (DSM) nicht schaltbare Lasten BEM * Gateway Kommunikation zum VNB (z.b. Erzeugungsmanagement) Zähler öffentl. Stromnetz Batterie *BEM : Building Energy Manager 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 32

33 Aktiv Stadthaus Frankfurt Energiebilanz Endenergie [kwh/(m²a)] Heizen + WW < 30% 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 33

34 Aktiv Stadthaus Frankfurt Untersuchungsschwerpunkte Elektro-Mobilität Gebäudeenergiekonzept Energiemanagement für den Nutzer Lebenszyklusanalyse 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 34

35 Aktiv Stadthaus Frankfurt Elektromobilität Showcase Elektromobilität im Pilotprojekt Aktiv-Stadthaus Nutzer Speichen + Laden Power-Interface Die Speicherkonzeption - Diskrepanz zwischen den täglichen Fahrtzeiten und nächtlichen Standzeiten der Wagen wird durch einen Speicher entschärft kwh Gesamtspeicher, davon 40 kwh für die Elektromobilität vorgehalten Quelle: FGee, TU Darmstadt 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 35

36 Aktiv Stadthaus Frankfurt Energiemanagement für den Nutzer Optimierung des Energieverbrauchs Sensibilisierung zum Energiesparen über ein Energieguthaben Einfaches Erfassungs- und Abrechnungssystem für den Immobilienbetreiber Erhöhung des Eigennutzungsanteils an regenerativer Energie (über Empfehlungen, Gebäudeautomatisation, Lastmanagement) Quelle: FGee, TU Darmstadt 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 36

37 Aktiv Stadthaus Frankfurt Energiemanagement für den Nutzer Startseite Startseite Verhaltensinformationen für alle 74 WE Darstellung der wichtigsten Angaben für den Mieter Einfache Darstellung Signalfarben Quelle: FGee, TU Darmstadt 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 37

38 Aktiv Stadthaus Frankfurt Energiemanagement für den Nutzer E-Mobilität E-Mobilität Anzeige des Kilometerkontingents Anzeige des Ladezustands Möglichkeit des Buchens und Reservierens Quelle: FGee, TU Darmstadt 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 38

39 Weststadt Esslingen 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 39

40 Weststadt Esslingen Lageplan Wohn- und Gewerbegebiet + Hochschule BGF: ca m² Wohneinheiten: ca. 500 WE Gewerbe: ca. 30 % Anteil BGF Bauphase: H G F E D C B A 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 40

41 Weststadt Esslingen Klimaneutralität Stadtquartier Brennstoffe StromMix Stromgutschrift CO2 - Bezug input CO2 - Gutschrift output 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 41

42 Weststadt Esslingen Drei Säulen zur Klimaneutralität Nutzung Erneuerbarer Energien Reduktion Wärme- und Strombedarf Effiziente Energiewandlung (Anlagentechnik) 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 42

43 Weststadt Esslingen Solarpotenzial im Stadtquartier (Photovoltaik) Parkhaus ca. 250 kw p Hochschule Wohnquartier + + = ca kw p ca kw p Gesamt ca kw p H G F E D C B A Solarertrag ca MWh/a Deckung von ca. 50% des Strombedarfs (Nutzer + Gebäudebetrieb) Strombedarf ca MWh/a weitere Stromerzeugung notwendig! (BHKW, weitere PV-Flächen, regionale Erzeugung von Strom und Reststoffbiomethan) 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 43

44 Weststadt Esslingen Projektpartner + assoziierte Partner Stadt Esslingen Stadtwerke Esslingen RVI GmbH Saarbrücken SIZ-EGS, Stuttgart IGS, TU Braunschweig INEM, Hochschule Esslingen Öffentlichkeitsarbeit, Mobilitätskonzept Energieversorgung, Contracting Investor Areal Ost Koordinator, Konzeptentwicklung Simulations-Toolentwicklung (Urban Complex) Mobilitätskonzept, Monitoring Bosch Siemens EnBW Daimler Wärmepumpen, KWK, Speicher Lastmanagement, Elektrolyse, E-Mobilität Smart-Metering, Speicher Wasserstofftechnik, Mobilitätskonzepte 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 44

45 Weststadt Esslingen Block B - Energiekonzept PV 235 kw p Ladestationen BHKW: 75 kw el BZ: 20 kw el GK: 640 kw th Gasnetz Stromnetz H G F E D C B A 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 45

46 Weststadt Esslingen Energiekonzept für das Gesamtgebiet Blöcke E + D Blöcke C + B H 2 - Mobilität, Stadtbusse H 2 H 2 Abwasserkanal Kurzzeitspeicherung Second Life Battery ca. 500 kwh/block Gasnetz Langzeitspeicherung Stromnetz H G F E D C B A 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 46

47 Steimker Gärten nahezu klimaneutrales Stadtquartier Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 47

48 Energiekonzept Steimker Gärten Zielsetzungen Ziele bis 2050 PE-Verbrauch nahezu CO 2 -neutral 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 48

49 Steimker Gärten Komplexitätsreduktion 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 49

50 Steimker Gärten Blue Building-Standard Energetische Bewertung nach BLUE BUILDING - Standard Primärenergiebedarf EnEV 2016 Blue Bulding - 30 % CO 2 -Emissionen EnEV 2016 Blue Bulding - 25 % 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 50

51 Steimker Gärten Energiekonzept auf Quartiersebene 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 51

52 Steimker Gärten Speicherkapazitäten 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 52

53 Vernetzung Zukunftsraum Wolfsburg 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 53

54 Quartier Steimker Gärten Differenz CO 2 - Emissionen Differenz jährlicher Kapitalkosten Kaptialkostendifferenz [T /a] eingesparte CO 2 -Emissionen [t/a] Gasnetz V1 dez. Gas+ST + dez. Wärmepumpen V2 dez. WP + Brennwertkessel +Erdsonden Sonden +Solarthermie V3 Kalte FW Fernwärme Erdgas-BHKW V4 Erdgas-BHKW Erdgas-BHKW V5 WP+BHKW+FW +Wärmepumpen +Fernwärme V6 Fernwärme - FW WOB V6.1 Fernwärme - VW GuD GuD * * ohne Umbaukosten Fernwärme auf GUD 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 54

55 Steimker Gärten CO 2 -Einsparung: Effizienz des Mitteleinsatzes Effizienzstandards blue building CO 2 -Emissionen CO 2 -Vermeidungskosten 100 %* 90 %* 84 %* 250 /t CO 2 * 430 /t CO 2 * *Mehrfamilienhaus mit m² NGF und 24 WE; Betrachtung inkl. Haushaltsstrom 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 55

56 Steimker Gärten CO 2 -Einsparung: Effizienz des Mitteleinsatzes Solarisierung 0 % PV 50 % PV 80 % PV CO 2 -Gutschrift PV-Einspeisung CO 2 -Gutschrift vermiedener Netzbezug - 0,40 t CO 2 /EW a* - 0,10 t CO 2 /EW a* - 0,65 t CO 2 /EW a* - 0,16 t CO 2 /EW a* *1.250 WE und Einwohner 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 56

57 Steimker Gärten CO 2 -Einsparung: Effizienz des Mitteleinsatzes Mobilität E-Mobilität 30 % CO 2 -Emissionen PKW 100 % 68 % 48 % 1,44 t CO 2 /(EW a)* 0,98 t CO 2 /(EW a) 0,69 t CO 2 /(EW a) * CO2-Emissionsminderung im Verkehr in Deutschland, Umweltbundesamt, Texte 05/2010, S. 12 Tabelle 1 Annahme: Fahrleistung: km/(ew a) 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 57

58 Regularische Hindernisse für die Wohnungswirschaft Energiewende vs. Gesetzgebung Anforderungen an die Gebäudehülle? Steuerliche / rechtliche Regularien Anforderungen an die Gebäudetechnik? Betreiber-Modelle Anforderungen an den Einsatz erneuerbarer Energien? Finanzierungsmodelle Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 58

59 Beispielhafte Entwicklung der CO 2 -Emissionen für Wohngebäude Energiekonzept der Bundesregierung Zielgröße: CO 2 -Emissionen nahezu 2050 MIV ca. 25 kg/(m 2 a) Bezugsfläche 80 m 2 CO 2 -Emission 100g/km Fahrleistung km/a 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 59

60 Ziel Vereinfachung der Anforderungen und Regularien Zielgröße CO 2 -Emissionen statt Primärenergiebedarf! Nebenanforderung Festlegungen Gebäudehülle 8. Juni 2016 Univ-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Auf dem Weg zum klimaneutralen Stadtquartier Seite 60