Am südlichen Rand von Stuttgart liegt das neue Stadtquartier Scharnhauser Park. Mit dem Abzug der US-Armee aus den Nellingen Barracks im Jahr 1992 hat die Konversion in ein Wohnquartier unter der Regie der Stadt Ostfildern begonnen. Die Stadt legt besonderen Wert auf den Energiebedarf und lässt sich beim Energiemanagement wissenschaftlich beraten.
Das städtebauliche Konzept mit der charakteristischen Landschaftstreppe basiert auf einem Planungsvorschlag des Büros Janson und Wolfrum. Dazu kam ein durchdachtes Energiekonzept und die Vorgabe der Niedrigenergiebauweise für Neubauten, das heißt 25 Prozent unter den zulässigen Werten der 1995 geltenden Wärmeschutzverordnung. Seit 2005 ist der Scharnhauser Park Teil des Projekts „Polycity – energy networks in sustainable cities“, das vom Forschungszentrum Nachhaltige Energietechnik (Zafh) koordiniert wird. Im Rahmen der Concerto-Initiative fördert die EU hier die Entwicklung von Modell-Stadtquartieren, deren Energiebedarf deutlich gesenkt und zu einem großen Teil aus erneuerbaren Energien gedeckt wird – und das vorrangig unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit.
Wissenschaftliches Energiemanagement
Die wissenschaftliche Forschung im Polycity-Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung eines Energiemanagement-Systems, mit dem sich die Energieflüsse im Quartier erfassen, kontrollieren und optimieren lassen. Sie setzt dazu Simulierungsverfahren für die Online-Optimierung erneuerbarer Energieerzeugung einerseits und für den nachhaltigen Betrieb der Gebäude andererseits ein. Außerdem wird am Einsatz von neuen Technologien gearbeitet, etwa der Nutzung der im Sommer überschüssigen Kraftwerkswärme zur Erzeugung von Kälte für die Klimatisierung eines Bürogebäudes. Mit Partner-Teams an zwei weiteren Projektstandorten in Italien und Spanien wird eng zusammengearbeitet. Diese konzentrieren ihre Arbeit zum einen auf ein Projekt unweit von Barcelona, wo dringend benötigter Wohnraum für 40.000 Einwohner gebaut wird. Zum anderen liegt der Fokus auf der energieeffizienten Sanierung eines zentral gelegenen Turiner Stadtviertels aus den 20er-Jahren, das inzwischen in der Optimierungsphase ist.
Biomasse-Kraftwerk ist Kern der Energieversorgung
Ein Holzheizkraftwerk mit einer 7-Megawatt-Hackschnitzelfeuerung für den Dauerbetrieb bildet den Kern der Energieversorgung im Scharnhauser Park. Für Spitzenzeiten und als Reserve stehen zusätzlich zwei Erdgaskessel (5 und 10 Megawatt) zur Verfügung. Jährlich werden mit dieser Anlage 80 Prozent der Wärmeenergie und zirka 50 Prozent der elektrischen Energie für ein Gebiet erzeugt, in dem einmal 10.000 Menschen leben werden. Derzeit sind es rund 6500.
Ob Wärmepumpen oder Photovoltaikanlagen wie hier am Park-Haus: Erneuerbare Energien spielen im Scharnhauser Park eine große Rolle. Selbst das Biomassekraftwerk wird zusätzlich als Sonnenkraftwerk genutzt. Die Wärmeversorgung des Viertels stellen Holzhackschnitzel sicher.
Die Stromerzeugung erfolgt über einen sogenannten Organic Rankine Cycle (ORC) – einem Dampfturbinenprozess mit organischem Arbeitsmedium, der ohne hohe Drücke und Temperaturen betrieben werden kann und sich somit gut mit Biomassefeuerungen kombinieren lässt. Durch dieses Konzept lässt sich im Vergleich zu herkömmlichen Wasserdampfkraftwerken ein kostengünstiger und materialschonender Prozess verwirklichen, der für kleine und mittlere dezentrale Anlagen bestens geeignet ist. Die Charakteristik des ORC ermöglicht es, mit einem annähernd konstant hohen Wirkungsgrad auf den Wärmebedarf der Bewohner flexibel zu reagieren. Bereits die US-Armee erkannte die Vorteile einer Heizzentrale mit angeschlossenem Nahwärmenetz für die Versorgung der Kasernengebäude mit Wärme. Das Nahwärmenetz ist inzwischen auf eine Länge von über 13 Kilometern ausgebaut worden. Alle Gebäude sind daran angeschlossen und nutzen diese umweltschonende Technologie. Das Polycity-Projekt hat zusätzliche Warmwasserspeicher in Wohnhäusern gefördert. Diese tragen dazu bei, Lastspitzen im Netz abzupuffern und so den Einsatz von Erdgas im Spitzenlastkessel zu verringern.
Gemeinsam haben die beiden Partner, Stadtwerke Esslingen und die Stadt Ostfildern, im Lauf des Projekts neue Photovoltaikanlagen mit einer Höchstleistung von über 37 Kilowattpeak errichtet. Die größte Anlage ist in das Gebäude des Holzheizkraftwerks integriert, an dem die Südfassade und das komplette Flachdach mit Solarmodulen bestückt sind. Die Fassadenanlage besteht aus dunklen monokristallinen Modulen: ein höchst effizientes Solarkraftwerk. Das Forschungszentrum Zafh vergleicht die Messwerte der Anlagen laufend mit Simulationsrechnungen. Beide Generatoren produzieren sogar etwas mehr Leistung, als es die aus dem Datenblatt abgeleiteten Simulationsmodelle vorhersagen. Auf dem Dach des Heizkraftwerks wurde außerdem eine Wetterstation installiert, deren Daten minutengenau im Internet abrufbar sind. So können sich Betreiber von kleineren Solaranlagen über die aktuellen Strahlungswerte informieren und die Leistung ihrer Anlage beurteilen.
Der Bebauungsplan schreibt vor, die dämmtechnische Hülle aller Gebäude im Niedrigenergiestandard zu bauen. Mit einem Niveau von minus 25 Prozent gegenüber der 1995 geltenden Wärmeschutzverordnung war für alle Gebäude ein für Mitte der 90er-Jahre weitsichtiger Standard geschaffen, von dem die Bewohner im Scharnhauser Park heute profitieren. Die aus dem Programm Polycity geförderten Eigentumswohnungen und Häuser wurden zusätzlich zur guten Anlagenaufwandszahl durch den Fernwärmeanschluss in Niedrigenergiebauweise erstellt. Dadurch konnten die Anforderungen der Energieeinsparverordnung 2002 (EnEV 2002) um mehr als 20 Prozent unterschritten werden. Dies wurde durch verstärkte Wärmedämmung an der Gebäudehülle, Fenster mit verbesserten U-Werten, Niedrigtemperaturheizungen in Form von Fußbodenheizung, Wohnraumlüftung und Qualitätskontrollen durch Blower-Door-Tests erreicht.
Thermische Kühlung im neuen Bürobau
Die Firma Elektror Airsystems hat im Scharnhauser Park ein neues Bürogebäude mit angegliedertem Forschungs- und Entwicklungsbereich gebaut. Der für Bürogebäude notwendige Kühlbedarf wird hier, im Gegensatz zu der zurzeit noch als Standard geltenden elektrischen Kälteerzeugung, rein thermisch über eine Lithiumbromid-Wasser-Kältemaschine erzeugt. Die dafür benötigte Wärmeenergie wird im Holzheizkraftwerk rein regenerativ erzeugt. Somit ist die Kälteerzeugung für dieses Gebäude bei einer primärenergetischen Betrachtung gegenüber einer mit Kompressionskältemaschinen realisierten Variante deutlich ökologischer. Um die Kälteversorgung des Bürogebäudes noch effizienter zu machen, wird bei der Kälteverteilung nicht ein reines Luftsystem eingesetzt, sondern die Grundlast über Betonkernaktivierung der einzelnen Geschossdecken abgedeckt.
Durch die thermische Speicherfähigkeit der Betondecken wird zum einen die Kältemaschine sehr effizient genutzt. Zum anderen kann die Maximalleistung des Aggregats reduziert werden. Im Heizfall wird diese Betonkernaktivierung zur Grundlastdeckung des Heizwärmebedarfs eingesetzt. Da das Gebäude aus statischen Gründen über Betonpfähle gegründet werden musste, wurden diese Betonpfähle als sogenannte Energiepfähle ausgeführt. Ähnlich wie bei Erdsonden werden in den Pfählen Wasserröhren verlegt, die im Sommer die Wärme an das Erdreich abgeben und im Winter dem Erdreich Wärme entziehen. Die Mehrkosten waren für die zusätzliche Kälteleistung von zirka 30 Kilowatt gering. Die von den Energiepfählen gewonnene Energie wird in das vorhandene Lüftungssystem des Gebäudes eingebunden. So kann die dem Gebäude zugeführte Außenluft fast primärenergieneutral im Sommer vorgekühlt und im Winter vorgewärmt werden.
Das neue Jugendhaus „L-Quadrat“ liegt am Rande des Stadtteils bei den Sportanlagen. Da dort keine Anbindung an das Nahwärmenetz besteht, wurde eine eigene Energieversorgung für das Gebäude geplant. Als wirtschaftlichste Lösung haben sich die Ausführung der opaken Bauteile der Gebäudehülle im Passivhausstandard und die Verglasung im Niedrigenergiehausstandard erwiesen. Dadurch ließ sich ein jährlicher Wärmebedarf von 32 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr für das 410 Quadratmeter große Gebäude realisieren. Die dazu nötige Energie wird über Erdwärmesonden und eine daran angeschlossenen Wärmepumpe bereitgestellt. Außerdem besitzt das Gebäude eine mechanische Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und Erdwärmetauscher. Dieser Lufterdwärmetauscher wärmt die angesaugte Außenluft im Winter vor, im Sommer kühlt er sie ab. Die Energieverteilung im Gebäude erfolgt über eine Fußbodenheizung für die Grundlast und das Lüftungssystem für Spitzenlasten und schnelle Aufheizphasen. Auch dieses Gebäude wird vom Forschungszentrum Zafh messtechnisch erfasst, um den tatsächlichen Energieverbrauch mit dem prognostizierten zu vergleichen und eventuell vorhandene Optimierungspotenziale bei der Regelung des Gesamtsystems zu finden.
Ein hohes CO2-Minderungspotenzial liegt in der Verbrauchsreduktion bestehender Gebäude. Im Scharnhauser Park haben die kommunalen Liegenschaften wie Stadthaus, Grund- und Hauptschule mit Sporthalle, zahlreiche Kindergärten und -tagesstätten sowie der städtische Bauhof mit ihren insgesamt rund 21.000 Quadratmetern Bruttogeschossfläche einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch. Um die Verbrauchsstrukturen transparenter zu machen, ist eine energetische Buchhaltung mit teilweise detailliertem Monitoring eingerichtet worden. Dabei werden Wärme-, Strom- und teilweise auch der Wasserverbrauch der energieintensivsten Gebäude genau überwacht und langfristig dokumentiert. Der Erfolg von Einsparbemühungen kann so schnell überprüft und Rückmeldungen an Hausmeister oder Bewohner gegeben werden. Im Stadthaus wurde beispielsweise im Rahmen des detaillierten Monitorings eine „Smartbox“ installiert, die alle hausinternen Verbrauchszähler im Fünf-Minuten-Rhythmus erfasst. So haben einfache, wenig kostenintensive Einsparmaßnahmen innerhalb von 18 Monaten bereits zu einer Reduktion von mehr als 20 Prozent des vormalig stetig ansteigenden Stromverbrauchs geführt.
Im Online-Portal gibt das Geoinformationssystem jedem Bewohner Auskunft über den Energieverbrauch seines Gebäudes.
Für eine professionelle Visualisierung aller Energieströme im Projektgebiet Scharnhauser Park wird ein Geoinformationssystem (GIS) eingesetzt und laufend weiterentwickelt. Damit werden Informationen aus tausenden Verbrauchs- und Erzeugungsdaten anschaulich im Internet unter www.polycity.net dargestellt. Das GIS bietet darüber hinaus eine gute Lösung für das Management des Energieverbrauchs ganzer Siedlungen. Auf der Verbrauchsseite wurden haushaltsbezogene Daten aus Gründen des Datenschutzes in Mittelwerte für typengleiche Gebäudegruppen zusammengefasst. Diese Daten werden als thematische Karten oder in Balkendiagrammen dargestellt. So können die Bewohner ihren Wärme- und Stromverbrauch im Vergleich zum Mittelwert einschätzen. In einem weiteren Schritt sollen sie online Zugriff auf ihren aktuellen Energieverbrauch erhalten und damit die Möglichkeit haben, durch ein verändertes Nutzerverhalten gezielt Kosten zu senken. Ganz neu ist eine Potenzialanalyse aller Dächer im Scharnhauser Park auf ihre Eignung für solare Stromerzeugung. Den zu erwartenden Energieertrag hat das Zafh berechnet und festgestellt, dass über eine flächendeckende Nutzung der Dächer rund 40 Prozent des jährlichen Strombedarfs im Stadtviertel selbst erzeugt werden könnte.
www.zafh.net, www.polycity.net
Prof. Dr. Ursula Eicker
Wissenschaftliche Leitung
im Forschungszentrum
Nachhaltige Energietechnik
Bild oben links: Das Luftbild des Scharnhauser Park zeigt die Dimensionen der Konversionsfläche vom Armee-Areal zum Wohngebiet. Die Mehrfamilienhäuser in leuchtenden Farben setzen Akzente in der grünen Umgebung. Die Häuser bestechen mit luftiger Architektur. Alle Gebäude haben Niedrigenergiestandard (Riemann Aero Photo)
