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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Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Quelle: Trip.me 3
Klimaentwicklung Schweiz Abweichung des Jahresmittelwertes zum Mittelwert 1981-2010 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Quelle: Meteo Swiss 2015 4
Heat Island Effekt in Zürich Flughafen Kloten Kasernenareal Gian Luca Mussetti Height (m) 300 Urban scale (10-100 km) wind 200 100 suburban area urban area J. Carmeliet ETHZ/Empa 5
Heat island circulation city block urban area Height (m) Urban scale (10-100 km) 300 200 100 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
Modellierung Klima Stadt Zürich Lufttemperatur auf 2m Höhe Temperature at 2 m [ C] Gian Luca Mussetti Kühleffekte im urbanen Raum Normalfall Hitzewelle 7
Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Ressourcenschonend Globale CO 2 Konzentration 420 ppm 400 380 360 340 320 300 1973 1. Ölschock 1997 Kyoto Protokol erstellt Februar 2005 Kyoto Protokol in Kraft 280 Vor-industrielles Niveau: ca. 275 ppm 260 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015 Quelle: Dr. Pieter Tans, NOAA/ESRL (http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/) 8
Endenergienutzung CH 2015 Rest Übrige Stromproduktion Kernkraft Fossile Energieträger Schweizerische Energiestatistik 2015, BfE Fukushima, 11. März 2011 Quelle: http://www.digitalglobe.com 9
Endenergienutzung CH 2015 Rest Übrige Stromproduktion Ausstieg aus der Kernenergie zwischen 2019-2034 Fossile Energieträger Schweizerische Energiestatistik 2015, BfE Endenergienutzung CH 2015 Rest Reduktion der CO 2 -Emissionen Ausstieg aus der Kernenergie zwischen 2019-2034 Übrige Stromproduktion Fossile Energieträger Reduktion der Auslandabhängigkeit der Energieversorgung Schweizerische Energiestatistik 2015, BfE 10
Endenergiebedarf Schweiz 2014: 727 PJ Industrie, Dienstleistung, Landwirtschaft: 26% Gebäude: 42% Mobilität: 32% Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs 2000-2014 nach Verwendungszweck, 2015, BfE Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Ressourcenschonend Effizient 11
Residential Wärmebedarf Heating Energy von Gebäuden Demand im in Kanton the Canton Zürich of Zürich 200 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050 150 100 50 kwh ma 2 1.4 Millionen Gebäude Zero Energy Buildings Residential Wärmebedarf Heating Energy von Gebäuden Demand im in Kanton the Canton Zürich of Zürich 200 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050 150 100 50 kwh ma 2 Goal for Sustainable Retrofitting and Construction Zero Energy Buildings 12
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
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 1 100 Wohnungen in Genf ca. 110 000 m 2 Performance Gap zwischen 35% und 70%! Quelle: J. Khoury, Universität Genf 14
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
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 (https://www.photovoltaic-conference.com/) 32 16
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 2016 33 Anforderungen an zukünftige urbane Lösungen Gute Architektur Schaffung eines qualitativ hochstehenden Lebensraums Ressourcenschonend Effizient Intelligent Vernetzt 17
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
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] 700'000 600'000 500'000 400'000 300'000 200'000 Biogas PV Kl. Wasserkraft Verbrauch 100'000 0 1 3 5 7 9 111315171921232527293133353739414345474951 Wochen Quelle: V. Dorer, Empa 19
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
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
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. 2016 Kaya-Identität für Gebäude heute Ziel 22
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] 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00 Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU 23
Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Decentralized Heat Pumps PV Renovation 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00 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] 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Decentralized Heat Pumps PV Renovation Decentralized Heating (Wood) PV 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00 Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU 24
Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Decentralized Heat Pumps PV Renovation Decentralized Heating (Wood) PV District Heating (wood) PV 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00 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] 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Residential District (single family homes), isolated buildings Decentralized Heat Pumps PV Renovation Decentralized Heating (Wood) PV District Heating (wood) PV 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00 Specific Final Energy Demand [kwh / (m 2 a)] (Heating, Warm Water, Electricity) D. Hangartner, Th. Schluck, S. Sulzer, E. Facchinetti, HSLU 25
Transformationspfad 0.35 Goal Uettligen Today today Specific Greenhouse Gas Emissions [kg CO 2 / kwh Final Energy] 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Residential District (single family homes), isolated buildings Decentralized Heat Pumps PV Renovation Decentralized Heating (Wood) Central Area (residiential buildings) PV District Heating (wood) PV 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00 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
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
NEST: Gemeinsam an der Zukunft bauen Eine holistische, dynamische und flexible Demonstrationsplattform Plug-and-play Living Lab 2 500 m 2 Innovationsfläche Energy Hub Interface Public Private Partnership Photo: Roman Keller 23. Mai 2016 28
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
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
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 5 867.00 Cost model: lease Deconstruction information:.. Special regulations:. D. Hebel, ETHZ; W. Sobek, Uni Stuttgart 31
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
Antoine de Saint-Exupery (1900-1944): Wir erben diese Welt nicht von unseren Vorfahren, wir leihen sie von unseren Kindern 33