Smarte Lösungen für den urbanen Raum von Morgen

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1 Willkommen Welcome Bienvenue Smarte Lösungen für den urbanen Raum von Morgen Internationale Bodenseekonferenz 20. September 2016 Dr. Peter Richner Stellvertretender Direktor Empa Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur 1

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3 Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Quelle: Trip.me 3

4 Klimaentwicklung Schweiz Abweichung des Jahresmittelwertes zum Mittelwert Quelle: Meteo Swiss

5 Heat Island Effekt in Zürich Flughafen Kloten Kasernenareal Gian Luca Mussetti Height (m) 300 Urban scale ( km) wind suburban area urban area J. Carmeliet ETHZ/Empa 5

6 Heat island circulation city block urban area Height (m) Urban scale ( km) lake breeze suburban area urban area J. Carmeliet ETHZ/Empa Heat island circulation city block urban area Niederdorf Bahnhofstrasse Neu-Oerlikon J. Carmeliet ETHZ/Empa 6

7 Modellierung Klima Stadt Zürich Lufttemperatur auf 2m Höhe Temperature at 2 m [ C] Gian Luca Mussetti Kühleffekte im urbanen Raum Normalfall Hitzewelle 7

8 Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Ressourcenschonend Globale CO 2 Konzentration 420 ppm Ölschock 1997 Kyoto Protokol erstellt Februar 2005 Kyoto Protokol in Kraft 280 Vor-industrielles Niveau: ca. 275 ppm Quelle: Dr. Pieter Tans, NOAA/ESRL ( 8

9 Endenergienutzung CH 2015 Rest Übrige Stromproduktion Kernkraft Fossile Energieträger Schweizerische Energiestatistik 2015, BfE Fukushima, 11. März 2011 Quelle: 9

10 Endenergienutzung CH 2015 Rest Übrige Stromproduktion Ausstieg aus der Kernenergie zwischen Fossile Energieträger Schweizerische Energiestatistik 2015, BfE Endenergienutzung CH 2015 Rest Reduktion der CO 2 -Emissionen Ausstieg aus der Kernenergie zwischen Übrige Stromproduktion Fossile Energieträger Reduktion der Auslandabhängigkeit der Energieversorgung Schweizerische Energiestatistik 2015, BfE 10

11 Endenergiebedarf Schweiz 2014: 727 PJ Industrie, Dienstleistung, Landwirtschaft: 26% Gebäude: 42% Mobilität: 32% Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs nach Verwendungszweck, 2015, BfE Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Ressourcenschonend Effizient 11

12 Residential Wärmebedarf Heating Energy von Gebäuden Demand im in Kanton the Canton Zürich of Zürich kwh ma Millionen Gebäude Zero Energy Buildings Residential Wärmebedarf Heating Energy von Gebäuden Demand im in Kanton the Canton Zürich of Zürich kwh ma 2 Goal for Sustainable Retrofitting and Construction Zero Energy Buildings 12

13 Tages-Anzeiger 24. Mai 2016 Neue Hochleistungsisolationslösungen für den Innenbereich Aerogel-basiert ( < 20 mw/m. K) Kostengünstig (neuer patentierter Herstellungsprozess) -> Empa Spin-Off nexaero Isolationsprodukte in Form von Granulat, Matten und Platten 13

14 Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Ressourcenschonend Effizient Intelligent Performance Gap in der Renovation Vergleich Planungswert vs. Gemessener Energiebedarf nach der Renovation Wohnungen in Genf ca m 2 Performance Gap zwischen 35% und 70%! Quelle: J. Khoury, Universität Genf 14

15 Energieeinsparpotential und Nutzerverhalten Quelle: J. Khoury, Universität Genf Solare Wärmegewinne, Tageslichtnutuzung und sommerlicher Wärmeschutz Bibliothek in Shenzhen (22 32' 0" N / 114 8' 0" E), China Quelle: J. Gong; EPFL 15

16 Dynamische Verglasung Winter Standardverglasung Verglasung mit Mikrostrukturen Sommer Idee: J. Gong, A. Kostro, Kooperation: P. Hoffmann Industriepartner: A. Hafner A. Motamed, A. Schüler; EPFL Empa BASF Coupling of PV and Building Energy Performance Source: European PV Solar Energy Conference (

17 Coupling of PV and Building Energy Performance Infer optimum module orientation minimizing net-energy demand PV electricity compensates for ca. 40% of the energy demand of the office behind the facade during the course of the year. Source: Jayathissa et al., EU PVSEC Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Ressourcenschonend Effizient Intelligent Vernetzt 17

18 Dezentrale Energiesysteme (DES) im Quartier Solarstrahlung Bedarf Aussenklima B WP S KM Strommarkt Quelle: V. Dorer, Empa Dynamik - Kurzzeit Sommer PV Strom Eigennutzung zu Wärme Netzdienlichkeit, Prosumer Demand side management Speicherung Elektrisch Thermisch Tagesspeicher Regeneration Erdsonden B WP S KM Quelle: V. Dorer, Empa 18

19 Dynamik - Langzeit Winter Saisonale Speicherung Wärme Wasser Sorptionsspeicher Erdreich (Eisspeicher) Elektrisch Power to gas B WP S WP S Quelle: V. Dorer, Empa Energiebedarf vs. Potentiale Erneuerbare Energie [kwh] 700' ' ' ' ' '000 Biogas PV Kl. Wasserkraft Verbrauch 100' Wochen Quelle: V. Dorer, Empa 19

20 Dezentrale Energiesysteme mit Erneuerbaren Welcher Bedarf? Welche Potentiale? PV, Abwärme, Erdreich Wie planen, auslegen? Technische, ökonomische, soziale Aspekte Vergleich mit anderen Lösungen Wie betreiben? Energie-Management Einbindung in Netze, Speicher Quelle: V. Dorer, Empa Dezentrale Energiesysteme mit Erneuerbaren Bedarf - Potentiale Konzepte - Auslegung Betrieb GIS basierte Daten hohe Auflösung in Zeit & Raum Modellierung, Richtlinien Multi-Energienetze, Energy hub E-Management, Control Modellbasiert, prädiktiv Solar - Potential Elektrische und thermische Netze Betrieb Empa Campus Quelle: V. Dorer, Empa 20

21 Wärmefluss Suurstoffi-Areal (kwh / h) Herbst/Winter Frühling/Sommer Quelle: A. Prasanna, V. Dorer, Empa; N. Vetterli, M. Sulzer HSLU Kaya-Identität E BIP P Energiebedarf Bruttoinlandprodukt Bevölkerung C0 2 /E E/BIP BIP/P Kohlenstoffintensität des Energiesystems [kg CO 2 /J] Energieintensität der Wirtschaft [J/CHF] Lebensstandard [CHF/cap] 21

22 Kaya-Identität für Gebäude E A Energiebedarf der Gebäude Energiebezugsfläche C0 2 /E Kohlenstoffintensität des Energiesystems [kgco 2 /kwh] E/A Energieintensität [kwh/m 2 a] Mavromatidis et al Kaya-Identität für Gebäude heute Ziel 22

23 Fallstudie Transformation 88; 25% 17; 5% Wohnen (EFH) Wohnen (MFH) 246; 70% Andere Nutzung (Schule, Verkauf, Restaurant, Büro, ) Quelle: Th. Schluck, M. Sulzer; HSLU Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU 23

24 Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] Decentralized Heat Pumps PV Renovation Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] Decentralized Heat Pumps PV Renovation Decentralized Heating (Wood) PV Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU 24

25 Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] Decentralized Heat Pumps PV Renovation Decentralized Heating (Wood) PV District Heating (wood) PV Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] Residential District (single family homes), isolated buildings Decentralized Heat Pumps PV Renovation Decentralized Heating (Wood) PV District Heating (wood) PV Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU 25

26 Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] Residential District (single family homes), isolated buildings Decentralized Heat Pumps PV Renovation Decentralized Heating (Wood) Central Area (residiential buildings) PV District Heating (wood) PV Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU Empfehlung Quelle: Th. Schluck, M. Sulzer; HSLU 26

27 Von der Forschung in die Umsetzung Phasen Entdeckung NEST(PPP) Entwicklung Implementation Aktivitäten Grundlagenforschung Angewandte Forschung Produkt Proof of Concept Prozess Produkt Prozess Entwicklung Produktion Akademische Institutionen Industrie Innovation Animation: 3D3W nest.empa.ch 27

28 NEST: Gemeinsam an der Zukunft bauen Eine holistische, dynamische und flexible Demonstrationsplattform Plug-and-play Living Lab m 2 Innovationsfläche Energy Hub Interface Public Private Partnership Photo: Roman Keller 23. Mai

29 Texitles Bauen Leichtbau Modulares Bauen Kostenoptimierte s Bauen Adaptive Systeme HiLo Renovation Vision Wood Natürliches Bauen Urban Mining / Recycling Meet2Create Future Office LowTech / Passives Design Urban Farming Urban Mining Suffizienz Active assisted living Digital Living Digital Fabrication Dezentralisierte Technologien BIM Solares Fitness & Wellness Glasarchtitektur Solararchitektur Fitness / Wellness SolAce Licht Urban Mining: Aufbrechen der linearen «ONE-WAY TO DEAD- END ECONOMY» D. Hebel, ETHZ; W. Sobek, Uni Stuttgart 29

30 INNOVATIONEN Materialien Baumaterialien aus Abfallstoffen Baumaterialien aus der urbanen Mine Kultivierte Materialien Design Design für den Rückbau Daten Datenbanken für das Management der Materialströme D. Hebel, ETHZ; W. Sobek, Uni Stuttgart DESIGN FOR DISASSEMBLY Detachable Interconnects D. Hebel, ETHZ; W. Sobek, Uni Stuttgart 30

31 Katasterplan «4D» Katasterplan Object: Empastreet1 Concrete: 76t, LC35/38; CHF 23/t Copper: 325kg, CW106C (Cu Cr1 Zr)/ CHF 46/t.. Owner: Migros Availability: 2024 Net values: CHF Cost model: lease Deconstruction information:.. Special regulations:. D. Hebel, ETHZ; W. Sobek, Uni Stuttgart 31

32 NEST Ein aktives Netzwerk mit mehr als 80 Partnern aus Industrie, Forschung und öffentlicher Hand Der Versuch einer Definition "Eine Smart City bietet ihren Bewohnern maximale Lebensqualität bei minimalem Ressourcenverbrauch dank einer intelligenten Verknüpfung von Infrastruktursystemen (Transport, Energie, Kommunikation, etc.) auf unterschiedlichen hierarchischen Stufen (Gebäude, Quartier, Stadt). "Intelligent" ist in diesem Zusammenhang nicht automatisch mit "IT" gleichzusetzen. Bei ähnlicher Performance sind passive oder selbstregulierende Mechanismen den aktiv geregelten Ansätzen vorzuziehen." 32

33 Antoine de Saint-Exupery ( ): Wir erben diese Welt nicht von unseren Vorfahren, wir leihen sie von unseren Kindern 33