Klimaneutrale Energieversorgung von neuen Wohngebieten

Zukunftsweisende Technologiekonzepte für eine nachhaltige Strom- und Wärmeversorgung am Beispiel eines Neubaugebiets in der Stadt Lebach

Autoren: Simon Spath und Ulrike Schinkel, IZES gGmbH

Die Bundesrepublik Deutschland hat sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, bis 2045 klimaneutral zu werden¹. Die dafür erforderliche Transformation des Energiesystems betrifft nicht nur die Industrie oder den Verkehrssektor, sondern auch die treibhausgasneutrale Umgestaltung von Wohngebieten. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen von Konnekt verschiedene Konzepte für die zukunftsfähige Energieversorgung eines potenziellen Neubaugebiets in der Stadt Lebach erarbeitet.

Bei dem betrachteten Neubaugebiet handelt es sich um eine aktuell unbebaute innerstädtische Fläche der Stadt Lebach, die zukünftig als Wohngebiet entwickelt werden soll. IZES erarbeitete hierfür verschiedene Bebauungsszenarien (Abbildung 1) als Alternativen zu einem bereits bestehenden Entwurf der Kommune für ein Einfamilienhausgebiet (Szenario 1); diese sehen eine Bebauung mit Doppelhäusern (Szenario 2), mit Reihenhäusern (Szenario 3), mit konventionellen Zeilen (Szenario 4a) sowie mit modular entwickelbaren Zeilen (4b) vor. Ergänzend zu den Szenarien 1 bis 4 wurde Szenario 5 erarbeitet, das als Kombination der Szenarien 3 und 4a eine Zeilen- und Reihenhausbebauung vorsieht.

Abbildung 1: Bebauungsszenarien Lebach – Szenarien 1 bis 4 (Quelle: © IZES 2024 | Geobasisdaten, © LVGL GDZ 5/2022 | Stadt Lebach Entwicklungsfläche 2022)

Die Auswertung der verschiedenen Szenarien zeigte, dass im Vergleich zum Szenario mit Ein- bzw. Zweifamilienhäusern (Szenario 1 mit ca. 33 bis 66 Haushalten), durch die Bebauung der Fläche z.B. mit modularen Zeilen (Szenario 4 mit ca. 150 bis 270 Haushalten) oder mit einer Kombination aus Zeilen- und Reihenhausbebauung (Szenario 5 mit ca. 60 bis 108 Haushalten) eine wesentlich höhere Einwohner*innendichte erreicht werden könnte. Dadurch könnte die Flächeneffizienz erheblich gesteigert werden.

Methodische Herangehensweise:

Nach Gesprächen mit kommunalen Akteuren der Stadt Lebach konzentrierte sich die weitere Betrachtung auf drei Vorzugsvarianten, die die Grundlage für die Entwicklung von Ver- und Entsorgungslösungen für das geplante Wohngebiet bildeten. Die Konzepte wurden mithilfe von Simulationstools wie NPro² und eigenen Berechnungen energetisch erstellt. Dabei standen Erzeugungs- und Verbrauchsprofile von z.B. Stromerzeugung und Wärmeverbrauch im Fokus, ergänzt um Aspekte wie Gebäudehülle, Wärmeerzeugung (Wärmepumpen, Solarthermie etc.), Photovoltaik und Stromspeicher. Zur energetischen Analyse wurden für diese Szenarien jeweils spezifische Annahmen getroffen.

Ergebnisse der Untersuchung:

Nachstehend sind die Ergebnisse der Untersuchung für die betrachteten Bebauungsszenarien zusammengefasst.

Die erste Simulationsvariante sieht die Bebauung mit Einfamilienhäusern (Szenario 1) nach dem aktuellen Stand der Technik vor, jedoch ohne weitergehende innovative Elemente. Grundlage pro Einheit ist ein Vier-Personen-Haushalt mit einem jährlichen Stromverbrauch von 3.500 kWh. Die Gebäude erfüllen die aktuellen gesetzlichen Anforderungen nach GEG und werden über Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Wärme versorgt. Jede Einheit verfügt über eine Photovoltaikanlage mit Eigenverbrauchsnutzung, wobei die installierte Leistung bei etwa 9 kWp pro Gebäude liegt. Insgesamt ergibt sich damit eine Photovoltaik-Leistung von rund 300 kWp für das gesamte Gebiet mit 33 Einfamilienhäusern.

Die zweite Simulationsvariante, basierend auf einer Zeilen- und Reihenhausbebauung (Szenario 5), geht deutlich über die gesetzlichen Mindestanforderungen hinaus und integriert innovative Elemente. Auch hier wird von vier Personen pro Haushalt und einem Stromverbrauch von 3.500 kWh pro Jahr ausgegangen. Die Gebäudehülle entspricht dem Passivhausstandard, wodurch der Wärmebedarf erheblich reduziert wird. Die Wärmeerzeugung erfolgt über Solarthermieanlagen mit einer Kollektorfläche von etwa 55 m² pro Gebäudekomplex sowie über Wärmepumpen. Ergänzt wird dies durch Photovoltaikanlagen, die nicht nur auf Dach-, sondern auch auf Fassadenflächen sowie auf Flächen der Mobilitätsstation für Car- und Bike-Sharing auf dem Gelände angebracht werden. Insgesamt kann dadurch eine installierte Leistung von ca. 625 kWp erreicht werden. Zusätzlich wurden Stromspeicher mit einer Kapazität von 12 kWh pro Komplex betrachtet. Die dritte Simulationsvariante, bezeichnet als „Zukunftsmodell“, baut auf der Zeilen- und Reihenhausbebauung (Szenario 5) auf, verfolgt jedoch das Ziel eines maximalen Autarkiegrads durch die umfassende Nutzung erneuerbarer Energien und weiterer Technologien. Der Haushaltsstromverbrauch pro Vier-Personen-Haushalt wird mit 3.150 kWh, und somit zehn Prozent niedriger als in den anderen Simulationsvarianten, angenommen. Gleichzeitig werden für Gebäudehülle und Wärmebedarf zusätzliche Effizienzgewinne von rund 30 Prozent im Vergleich zur zweiten Simulationsvariante unterstellt. Die Photovoltaikanlagen erreichen eine nochmals um zehn Prozent höhere Leistung durch den Einsatz weiterer Flächen und effizienterer Technik. Zusätzlich kommen Kleinwindkraftanlagen mit einer Leistung von jeweils 10 kW pro Gebäude und rund 500 Vollaststunden pro Jahr zum Einsatz. Auch das im Wohngebiet vorhandene Biogaspotenzial basierend auf dem energetischen Potentials des im Quartier anfallenden Abfalls und Abwassers wird genutzt. Durch die Speicherung und Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie soll eine vollständige energetische Autarkie erreicht werden.

Abbildung 3: Potentielle Erneuerbare Energieerzeugung auf der verfügbaren Fläche

In Abbildung 3 ist die potentielle erneuerbare Energieerzeugung der drei betrachteten Simulationsvariantes dargestellt. Im der ersten Variante mit Einfamilienhäusern ergibt sich bilanziell eine höhere Energieerzeugung im Vergleich zum Verbrauch: während der jährliche Strombedarf bei etwa 250.000 kWh liegt, erzeugen die installierten Photovoltaikanlagen mehr als 300.000 kWh pro Jahr. Allerdings liegt der Eigenverbrauchsanteil lediglich bei rund 23 %. Entsprechend erreicht diese Simulation nur einen Autarkiegrad von etwa 30 %, sodass rund 70 % des Strombedarfs weiterhin über das öffentliche Netz gedeckt werden müssen.

Die zweite Simulationsvariante, basierend auf einer Zeilen- und Reihenhausbebauung (Szenario 5), zeigt durch den effizienteren Gebäudestandard und die Einbindung zusätzlicher Technologien ein verbessertes Bild. Erzeugung und Verbrauch liegen hier bei jeweils rund 700.000 kWh pro Jahr, sodass eine weitgehend ausgeglichene Energiebilanz entsteht. Durch den Einsatz von Stromspeichern und Solarthermie steigt der Autarkiegrad auf ca. 40 % und liegt damit deutlich höher als bei Variante 1 (Einfamilienhausszenario). Die höhere Einwohner*innendichte führt jedoch dazu, dass weniger Überschüsse produziert werden können als im ersten Szenario.

Die dritte Simulationsvariante, das „Zukunftsmodell“, erzielt schließlich hinsichtlich der Nutzung von erneuerbaren Energien die besten Ergebnisse. Mit einem Energieverbrauch von rund 650.000 kWh pro Jahr und einer Erzeugung von über 900.000 kWh pro Jahr entsteht ein deutlicher Überschuss. Durch die Nutzung der überschüssigen elektrischen Energie aus Photovoltaik- und Kleinwindanlagen – insgesamt etwa 360.000 kWh pro Jahr – zur Wasserstofferzeugung per Elektrolyse und anschließender Rückverstromung wird es möglich, den gesamten Energiebedarf des Wohngebiets vollständig zu decken. Grundlage dafür ist ein Autarkiegrad von ca. 78 % vor der Nutzung von Wasserstoff, der durch innovative Elemente wie zusätzliche Speicher, Demand Side Management etc. erreicht werden könnte.

Die Analyse der unterschiedlichen Bebauungs- und Versorgungsszenarien zeigte, dass eine nachhaltige und treibhausgasneutrale Wärme- und Stromversorgung von Wohngebieten auch bei einer hohen Einwohner*innenzahl pro m² technisch realisierbar ist. Entscheidend hierfür ist die Kombination mehrerer nachhaltiger Technologien wie Photovoltaik, Wärmepumpen, Solarthermie, Stromspeicher sowie – in weiterentwickelten, zukünftigen Konzepten – Kleinwindkraft und die Nutzung biogener Reststoffe. Bei konsequenter Nutzung aller verfügbaren Potenziale kann selbst bei hoher Einwohner*innendichte perspektivisch eine vollständige energetische Autarkie des Wohngebiets erreicht werden. Neben technischen Fragestellungen ergeben sich auch Herausforderungen aus wirtschaftlicher Sicht, da kleinskalige Lösungen – etwa im Bereich von Kleinwindkraftanlagen oder der direkten Nutzung des im Quartier anfallenden Biogaspotenzials – derzeit nur schwer wirtschaftlich realisierbar sind. Zudem ist zu berücksichtigen, dass zur Erreichung einer treibhausgasneutralen und nachhaltigen Energieversorgung nicht zwingend ein Autarkiegrad von 100 % innerhalb des Wohngebiets erforderlich ist. Durch den Bezug von Strom aus erneuerbaren Energien über das öffentliche Netz kann auch ohne vollständige Eigenversorgung eine treibhausgasneutrale Versorgung gewährleistet werden, die zugleich häufig wirtschaftlich vorteilhafter ist, da Skaleneffekte – etwa durch die Nutzung größerer Windenergieanlagen – besser genutzt werden können.

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