Reallabor Pfaff – Klimaneutralität beginnt im intelligent vernetzten Quartier

Fraunhofer ISE
So soll das neue Quartier auf dem ehemaligen Pfaff-Gelände in Zukunft aussehen.

Solarstrom, Wärmepumpen und Abwärme – erneuerbare Energien sind leicht verfügbar. Auf dem ehemaligen Pfaff-Betriebsgelände wird erprobt, wie das klimaneutrale Quartier der Zukunft aussieht.

Autor Sarah-Indra Jungblut, 06.07.22

Übersetzung Mark Newton:

Auf den Straßen sind nur wenige Autos zu sehen. Alte Backsteingebäude und Neubauten sind in Wiesen und Parks eingebettet. Lässt man den Blick über die Gebäude gleiten, fallen die Solarfassaden auf und auch die begrünten Dächer sind mit Solarzellen bestückt.

Das ist die Vision des Reallabors Pfaff bzw. des Projekts EnStadt:Pfaff in der Nähe des Stadtzentrums von Kaiserslautern. Dort, wo Pfaff 150 Jahre lang Nähmaschinen produzierte, soll bis 2029 ein innovatives, klimaneutrales Wohn-, Gewerbe- und Technologiequartier entstehen. Dabei wird nicht nur darauf gesetzt, die Gebäude mit Solarstrom zu versorgen und die Mobilität nachhaltig aufzustellen, sondern auch auf eine Vielzahl digitaler Technologien. Nicht verwunderlich also, dass neben der Stadt Kaiserslautern und dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, die das Projekt umsetzen, auch die Wissenschaftspartner Fraunhofer IESE, IfaS, die Hochschule Kaiserslautern und die Hochschule Fresenius unterstützen.

Fraunhofer IESE
Blick auf einige Gebäude des Pfaff-Quartiers, wie sie heute noch aussehen.

Aber wie konzipiert und plant man ein klimaneutrales Quartier?

Die wesentlichen Bausteine sind energieeffiziente Gebäude, die Nutzung erneuerbarer Energien, der Einsatz von Batterie- und Wärmespeichern und effiziente und intelligente Mobilitätslösungen. Was das Projekt allerdings besonders macht ist das Zusammenspiel der verschiedenen Sektoren mithilfe intelligenter Netze und eines intelligenten Energiemanagementsystems.

Der Wärmemarkt hat einen Anteil von rund 40 Prozent an den energiebedingten CO2-Emissionen; daher ist die Wärmeversorgung eine der größten Stellschrauben für ein Quartier, dass sich vorgenommen hat, null Emissionen in die Atmosphäre zu entlassen. Für eine effiziente Wärmeversorgung der Gebäude eignen sich besonders Nahwärmenetze mit niedrigen Temperaturen. Vor allem industrielle Abwärme, die meistens ungenutzt verpufft, kann relativ unkompliziert genutzt werden. Im Pfaff-Quartier kommt die Wärme aus einer Grundwassersanierungsanlage auf dem Gelände, einem nahegelegenen Abwasser-Hauptsammler sowie industrieller Abwärme aus einer benachbarten Gießerei. Was darüber nicht abgedeckt werden kann, wird effizient durch Wärmepumpen ergänzt. Und natürlich kommt auch hier die klassische Dämmung von Gebäuden zum Einsatz, um den Wärmebedarf von Anfang an niedrig zu halten.

Gleichzeitig soll ein möglichst hoher Anteil des Energiebedarfs vor Ort durch erneuerbare Energie erzeugt werden. Die als Gründächer mit Photovoltaik (PV) konzipierten Dächer im Pfaff Projekt erfüllen gleich mehrerer Aufgaben: „Das bietet Raum für Retentionsflächen, kühlt die Stadt und sorgt für eine erneuerbare Energieproduktion“, so Arne Surmann, der am Fraunhofer ISE die Bereiche Smart Home, Quartiersmonitoring und agentenbasiertes Quartiers-Energiemanagementsystem (EMS) des Reallabors Pfaff betreut.

Auch Fassaden und der öffentliche Raum werden im Reallabor Pfaff zu Stromproduzenten, indem gebäudeintegrierte Solarpaneele großflächig verteilt werden. Und damit ein möglichst hoher Anteil des lokal produzierten Stroms auch vor Ort genutzt werden kann, werden dezentrale Lithium-Ionen-Batterien innerhalb von Gebäuden installiert, und eine 1 MWh große Redox-Flow-Batterie soll das Stromnetz auf Quartiersebene optimieren.

Leuchtturmprojekt EnStadt:Pfaff

Das Projekt EnStadt:Pfaff ist eines von sechs Leuchtturmprojekten, in denen erforscht und demonstriert wird, wie die Energiewende in Städten und Kommunen am Beispiel eines Quartiers umgesetzt werden kann, und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Als Reallabor zeichnet sich das Projekt dadurch aus, dass Forschende, Behördenvertreter*innen, Investor*innen, Fachplaner*innen und Technologieunternehmen gemeinsam daran arbeiten, die verschiedensten Technologien zu entwickelt und erproben und vorhandene Technologien optimal zu kombinieren und effizient einzusetzen.

Eine weitere Stellschraube des klimaneutralen Quartiers ist der Fokus auf klimafreundliche Fortbewegungsmittel. Daher sind einerseits kaum Stellplätze für Autos vorgesehen. Gleichzeitig werden aber alternative Mobilitätsangebote durch digitale Tools leichter zugänglich gemacht, um so den motorisierten Individualverkehr stark einzuschränken.

„Dies ist aber nur der Betrieb der Quartiere. Ein großer Punkt, welcher häufig zu kurz kommt, ist die graue Energie im Beton der Gebäude. Hier wurde im Projekt eine Materialdatenbank angelegt, in der der Fußabdruck einzelner Bauteile und Baustoffe aufgeführt wird“, berichtet Surmann.

Das, was aber das Pfaff-Quartier auszeichnet, ist, dass alle Sektoren miteinander verbunden sind. Durch diese sogenannte Sektorkopplung kann Strom und Wärme zwischen den verschiedenen Produzenten und Konsumenten – also Solaranlagen, Wärmepumpen, Stromspeicher, Elektroautos, Haushalten – verteilt werden.

Dazu werden in einem elektrischen Smart Grid alle Stromverbrauchszähler und sonstigen Komponenten des Stromnetzes mit einem Datennetz verbunden und Strom und Wärme über ein digitales agentenbasiertes Energiemanagementsystems lokal optimiert. Das neuartige hierbei: Die Energieagenten handeln autonom und setzen primär die Interessen ihrer Nutzer*innen um. Es erfolgt also keine Fernsteuerung durch eine zentrale Instanz, sondern die Nutzerinnen können zum Beispiel einstellen, ob Agenten ihr Elektroauto so schnell wie möglich oder so grün wie möglich laden wollen oder das Auto sogar für Vehicle-to-X-Anwendungen zur Verfügung steht. Der persönliche Agent verfolgt das jeweilige individuelle Ziel in Verbindung mit den lokalen Quartierszielen, die zum Beispiel durch externe Preisanreize und einen Austausch mit anderen Agenten in der Optimierung berücksichtigt werden können.

Schlussendlich soll diese intelligente Steuerung den Eigenversorgungsanteil mit erneuerbaren Energien massiv erhöhen und Kosten sparen.

Fraunhofer ISE
So sollen im Pfaff-Quartier die einzelnen Bereiche in einem intelligent vernetzten Sytsem zusammenspielen.

Warum rückt das Quartier in den Fokus?

Wie auch Severin Beucker vom Borderstep Institut betont, fehlt nach wie vor ein durchgängiger Austausch über die verschiedenen Sektoren hinweg: „Wir denken momentan immer noch sehr sektorbezogen, also ,Gebäude‘, ,Industrie‘, ,Mobilität‘. Wir müssen diese Probleme aber als Systeme denken.“ Und genau das lässt sich auf Ebene des Quartiers sehr gut realisieren. Indem Elektroautos, Batteriespeicher und Wärmepumpen miteinbezogen werden, kann die lokale Erzeugung erneuerbarer Energie mittels einer fein abgestimmten, kleinteiligen Steuerung direkt an den Verbrauch vor Ort gekoppelt werden. Und das erleichtert nicht nur die Umstellung auf erneuerbare Energien, sondern kann auch das umliegende Netz entlasten.

Gleichzeitig können für die Bewohner*innen bzw. Nutzer*innen des Quartiers auch wirtschaftliche Vorteile entstehen. „Die Gruppe der Bewohner*innen und Gewerbetreibenden in innerstädtischen Mehrparteienhäusern kann mit an der Energiewende partizipieren und erhält einen Anreiz, Dächer gemeinsam mit PV Anlagen zu bestücken, denn auf diesen Gebäuden befinden sich noch große ungenutzte Flächen“, so Arne Surmann. Doch so logisch der Austausch von Energie zwischen Gebäuden im Quartier klingen mag, bisher ist das noch nicht möglich. Was dafür fehlt, sind nicht technische Voraussetzungen, sondern die deutsche Umsetzung der von der EU geforderten Renewable Energy Community aus der EU-Richtlinie für erneuerbare Energien (RED2-Richtlinie).

„Für das Thema Quartiers-EMS braucht es eine Umsetzung der RED2, welche eigentlich im Juli 2021 fällig gewesen wäre. Das deutsche Modell des Mieterstroms ist unzureichend und zu bürokratisch, als dass es im Quartierskontext skalierbar wäre. Tragfähige Geschäftsmodelle, um alle Dachflächen im Quartier mit PV Gründächern auszustatten und die Energiewende zu den Bewohner*innen zu bringen, werden benötigt“, sagt Arne Surmann. „Als positives Beispiel für die Überführung der Europäischen Direktive in nationales Recht ist die Erneuerbare Energien Gemeinschaft in Österreich zu nennen. Und auch in der Schweiz ist der regulatorische Rahmen schon weiter als in Deutschland. Den Schweizer Quartiersstrom finde ich aus der Sicht eines lokalen Stromhandels sehr interessant.“

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Neue Wege zum klimaneutralen Quartier bereiten

Ob das Pfaff-Quartier mit diesen Ansätzen tatsächlich klimaneutral sein wird, wird sich in den nächsten Jahren zeigen. Aber am Ende geht es auch nicht vorrangig darum, das konkrete Projekt entwickelt zu haben. Sondern, betont Surmann, vielmehr darum, der Politik zu zeigen, wo die Probleme liegen und was getan werden muss, damit die Energiewende in den Quartieren vollzogen werden kann. Dazu werden die Erkenntnisse aus dem Projekt – und vor allem auch die Dinge, die nicht funktioniert haben – gesammelt und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) zurückgemeldet.

Und genau hier lässt sich noch viel bewegen, zum Beispiel dadurch, dass endlich geeignete Rahmenbedingungen geschaffen werden, um die ungenutzten Dachflächenpotentiale in deutschen Städten auch für die Energiewende zu nutzen. „PV-Anlagen sind mittlerweile sehr günstig zu haben und sorgen über einen Zeitraum von 20-30 Jahren für CO2-freie elektrische Energie. Die Sektoren Mobilität und Wärme werden zunehmend elektrifiziert. Das bedeutet, wo möglich sollte es entweder zur Pflicht werden, Module zu installieren – nicht nur auf Neubauten- oder besser, sollten die regulatorischen Hürden fallen, so dass es ökonomisch und ökologisch einfach sinnvoll ist, eine Anlage zu installieren“, fordert Arne Surmann.

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Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

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