56 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten Urbane Simulation - ein deutscher Ansatz für New York In Zusammenarbeit mit US-Partnern haben deutsche Forscher eine Bottom-Up-Methode zur urbanen Gebäudesimulation im New Yorker Stadtteil Brooklyn getestet Stadtsimulation, Energieversorgung , CO 2 -Minderung, Klimaschutz, Bauphysik, Gebäudesanierung Ursula Eicker, Verena Weiler, Sally Köhler, Ursula Pietzsch Mit dem Forschungsnetzwerk CITYtrans, bestehend aus dem Stadtforschungsschwerpunkt der Hochschule für Technik (HFT) Stuttgart und dem Forschungsverbund ENsource, hat Prof. Dr. habil. Ursula Eicker seit dem vergangenen Jahr die Kontakte zu New Yorker Forscherteams intensiviert, die ebenso wie ihre deutschen Kollegen an der nachhaltigen und energieeffizienten Transformation von Städten arbeiten. Eine Unterstützung durch das BMBF ermöglichte es ihr und ihrem Team, vor Ort im „Big Apple“ Sondierungsgespräche zu führen und gemeinsame Projektideen in Workshops auszuarbeiten. Eine ganz konkrete Projektidee haben die Partner bereits umgesetzt. So testeten sie eine an der HFT Stuttgart erarbeitete Bottom-Up-Methode für die Stadtsimulation am Beispiel des New Yorker Stadtteils Brooklyn. Microgrid Projekt in Brooklyn - mit solchen Projekten nähert sich die Stadt New York City ihrem „80 x 50“-Ziel zur Treibhausgasminderung. © Ursula Eicker THEMA Versorgung von Städten 57 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten Ebenso wie viele deutsche Städte hat sich auch New York ambitionierte Klimaschutzziele gesetzt. Mit seiner „Roadmap to 80 x 50“ [1] will Bürgermeister Bill de Blasio die Treibhausgase bis 2050 um 80 % senken. Die gebäudebedingten CO 2 -Emissionen liegen dabei heute bei etwa 73 %. In der Roadmap wird die Notwendigkeit der energieeffizienten Sanierung des Gebäudebestands erwähnt, wie dies im Einzelnen umgesetzt werden soll, wird jedoch nicht erklärt. Damit steht New York nicht allein da. Wie CO 2 -Minderungsziele konkret erreicht werden, darüber herrscht unter Stadtplanern und Entscheidern selten Einigkeit. Welche Stellschrauben es zu drehen lohnt und welche Auswirkungen dies wiederum auf andere Bereiche der Versorgung oder des Verbrauchs hat, darüber lassen sich angesichts des komplexen Metabolismus Stadt nur schwer eindeutige und allgemeingültige Aussagen machen. Diese wären aber vor allem für die langfristige Planung immens wichtig, während der die Städte stetig weiterwachsen und mehr Energie brauchen. 1 Verlässliche Planungstools können Antworten geben, wie viel Aufwand notwendig ist, um Reduktionsziele unter zunehmend urbanisierten Bedingungen zu erreichen. „Bottom-up“-Ansätze, insbesondere auf GIS-Basis, versetzen in die Lage, „Was-wäre-wenn“ -Szenarien zu simulieren. 2 Das Stadt- und Energieforschungsteam der HFT Stuttgart arbeitet an einer solchen Entscheidungshilfe durch urbane Simulation auf Basis von CityGML (City Geography Markup Language) - einem international standardisierten Anwendungsschema zur Speicherung und zum Austausch von virtuellen 3D- Stadtmodellen. Den gleichen Weg geht das badenwürttembergische Forschungsnetzwerk ENsource 3 - beide unter Leitung von Prof. Dr. habil. Ursula Eicker. Am Beispiel von fünf Case Studies - von der Insel Mainau bis zum Bosch-Areal in Schwieber- 1 Das United Nations Department of Economic and Social Affairs geht davon aus, dass im Jahr 2050 66 % der Weltbevölkerung in Städten leben werden [2]. Demzufolge müssen Städte, die sich CO 2 - und Energie-Reduktionsziele setzen, eine steigende Bevölkerung und damit eine ausreichende Planung für ihre Energieinfrastruktur berücksichtigen. 2 Der „Top-Down“ -Ansatz leitet die Energieentwicklung des Gebäudebestands vor allem aus sozioökonomischen Veränderungen und Trends ab. Im Gegensatz dazu verwendet der „Bottom-Up“-Ansatz Einzelinformationen der Gebäude- und Energieverbrauchsdaten. Mit statistischen und physikalischen Methoden kann dann der Heizenergiebedarf oder der Kühlenergiebedarf berechnet werden. 3 ENsource - Zentrum für angewandte Forschung Urbane ENergiesysteme und Ressourceneffizienz - ist ein hochschulübergreifender Forschungsverbund, unterstützt vom baden-württembergischen Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst, zu dem sich mehrere Hochschulen für angewandte Wissenschaften (HAW) und Universitäten sowie außeruniversitäre Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen haben. dingen - untersuchen die Teams, wie sich industrielle Standorte sowie Wohnareale hinsichtlich der Gebäudehülle und der Integration erneuerbarer Energien optimieren lassen. Für jede Fallstudie wird in einem automatisierten Workflow Energie- und Ressourceneffizienz sowie Wirtschaftlichkeit von mindestens drei Szenarien berechnet. Mit Unterstützung der Partner der New York University (NYU), der City University New York (CUNY) und dem Energieversorger ConEdison konnten die Forscher nun erstmals diese Methodik auf eine Fallstudie in New York City anwenden. Die Verfügbarkeit georeferenzierter Daten wie Energieverbräuche großer Gebäude oder aus dem sozialen Wohnungsbau, ein bereits existierendes 3D-CityGML-Modell und das Engagement der Stadt für eine nachhaltige Zukunft machen New York City zu einem optimalen Testfeld für die Leistungsfähigkeit der in Deutschland entwickelten Methode der urbanen Energiesimulation. Um die Genauigkeit des Simulationsprozesses basierend auf 3D-Gebäudemodellen zu bewerten, wurden die Simulationsergebnisse mit gemessenen Energieverbrauchsdaten verglichen. Fallstudie Brooklyn, New York City Die für die Simulation ausgewählte Fallstudie 4 umfasst einen Teil des New Yorker Stadtteils Brooklyn (siehe Bild 1). Sie besteht hauptsächlich aus Downtown Brooklyn, einem dynamischen und schnell wachsenden Wohnviertel mit vielen Restaurants, Geschäften und kleinen Büros. Dieses Viertel ist zwischen den Jahren 2000 und 2009 um 7 % auf 150 000 Einwohner gewachsen und befindet sich weiter im Wachstumstrend. 4 Bearbeitet in der Masterthesis „3D Modelling for urban energy transfomation strategies“ von Mario Orth und Johannes Weigl. Bild 1: Untersuchtes Gebiet im Stadtteil Brooklyn (Gebiet A in grau, Gebiet B und C mit sozialem Wohnungsbau in orange/ rot). © Eicker 58 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten Die zunehmende Einwohnerzahl, bereits existierende Probleme in der Stromversorgung, ein weitgehend unsanierter Gebäudebestand sowie die Zielsetzung der Stadt New York zum Ausbau der nachhaltigen Energieversorgung führen zu einem erhöhten Handlungsbedarf. Der Fokus der Untersuchungen lag auf dem Heizenergie-, vor allem aber auf dem Kühlenergiebedarf, der durch die massenhafte Verwendung von elektrisch betriebenen Klimageräten einen erheblichen Anteil am Strombedarf der Stadt ausmacht. Wenn im Zuge einer nachhaltigen energetischen Transformation volatile erneuerbare Energien wie Wind- oder Solarenergie in die Netze integriert werden, muss die Netzstabilität durch intelligente Steuerung sichergestellt werden, um die in New York so gefürchteten Blackouts zu vermeiden. Voraussetzung ist die genaue Kenntnis des Bedarfs. Die Methode Die an der HFT Stuttgart entwickelte Simulationsplattform SimStadt [3] kann jetzt schon für die detaillierte Berechnung des Gebäudeenergiebedarfs, die Auslegung von Wärmenetzen sowie für die Ermittlung des Stromverbrauchs verwendet werden. Sie kombiniert die Geometrieverarbeitung mit verschiedenen Simulationsfunktionen der Modellierungssprache INSEL (www.insel.eu), um zum Beispiel eine Energiebedarfsberechnung nach der europäischen DIN EN ISO 13790 durchzuführen. Die geometrischen Informationen stammen aus 3D-CityGML Modellen. Die im 3D-Stadtmodell enthaltenen Informationen wie beispielsweise Baujahr und Gebäudetyp werden mit Daten aus mehreren Gebäudebibliotheken zur Bauphysik und Gebäudenutzung verknüpft, um anschließend verschiedene Berechnungen bzw. Anwendungen für ein Quartier oder eine ganze Stadt durchzuführen. Die Gebäudebibliotheken orientieren sich an der anerkannten Gebäudetypologie des Instituts Wohnen und Umwelt (IWU) [4], der modulare Aufbau der Bibliothek erlaubt es aber auch, eigene projektspezifische Datenbanken zu erstellen. Weiterhin gibt es eine Nutzungs-Bibliothek, in der Einflussgrößen wie interne Lasten, Luftwechsel, Fahrpläne für das Heizen und Kühlen sowie die dazugehörigen Grenztemperaturen für verschiedene Gebäudenutzungen festgelegt sind. Auch diese Bibliothek kann individuell modifiziert werden. Der in Bild 2 dargestellte Workflow zeigt, wie aus Überfliegungen des Stadtraums 3D-Modelle gewonnen und mit Gebäudeattributen versehen werden. Der sogenannte City Doctor korrigiert automatisch fehlerhafte Geometrien, so dass validierte Daten in die 3DcityDB geschrieben werden können. Anschließend werden vom Workflow Manager verschiedene Simulationen angestoßen, die Daten visualisiert oder in Dateien exportiert. Um die Simulations- Building Physics and Usage Libraries SimStadt 3D City Energy Workflow Manager INSEL Simulation Engine r S 3D CityGML model Building Attributes 2D Map 3D Viewer Export e.g. From PLUTO Database LIDAR Data 3 3 SimStadt INSEL CityDoctor 3DCityDB Geodata Server CityDoctor Geometry Healing PostGres DB 3DCityDB Admin CityD mSta yDoc el Enrichment Energy ADE File Manipulation Engine .gml Bild 2: Aufbau der Sim- Stadt Plattform. © Eicker 59 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten ergebnisse aus Brooklyn zu validieren, wurden sie mit gemessenen und mit auf der NYC Open Data Website [5] bereitgestellten Energieverbräuchen verglichen. Ergebnisse In einem ersten Schritt wurde mit den auf der Simulationsplattform vorgegebenen deutschen Materialdaten für die New Yorker Gebäude gerechnet. Danach wurden die Inputs Schritt für Schritt angepasst, um die lokalen Gegebenheiten von New York City angemessen zu berücksichtigen. Am Ende aller Anpassungen stand die Simulation mit den an die Gebäude und Nutzungen in New York City adaptierten Bauphysik- und Nutzungs-Bibliotheken sowie den lokalen Wetterdaten. In Bild 3 sind die simulierten Werte für den Heizwärme-und Kühlenergiebedarf des gesamten Gebiets in Blau dargestellt, die gemessenen Werte in Orange. Man erkennt eine hohe Abweichung beim Kühlenergiebedarf. Der graue Graph beim Heiz- und Kühlenergiebedarf stellt die extrapolierten Zahlen dar, da bei der Simulation einige Gebäude nicht berechnet werden konnten. Diese wurden basierend auf den simulierten Gebäuden nachträglich auf 100 % hochgerechnet. In Bild 4 sind die gleichen Berechnungen für ein kleines Teilgebiet mit sozialem Wohnungsbau (Gebiet B) dargestellt. Für dieses Gebiet lagen neben Stromverbrauchswerten auch gemessene Wärmeverbräuche vor, so dass Simulation und Messung sowohl für Heizen als auch für Kühlen verglichen werden konnte. Für die hohen Abweichungen beim Kühlenergiebedarf musste es eine Erklärung geben. In der Simulation war das Team davon ausgegangen, dass 100 % der Fläche gekühlt werden, wenn eine bestimmte Außentemperatur erreicht ist. In amerikanischen Gebäuden ist dies allerdings überwiegend nicht der Fall, sondern es werden nur einzelne Räume, wie zum Beispiel das Schlafzimmer, gekühlt (siehe Bild 5). Diese Einschätzung basiert auf Umfragen der Residential Energy Consumption Survey (RECS) im Nordosten der USA, die erhoben hat, dass 14 % der Haushalte überhaupt keine Geräte zur Kühlung in den Wohnung haben, 60 % der Haushalte haben nur Einzelgeräte und keine zentrale Kühlung der Wohnung [6]. In den untersuchten Gebieten in New York City haben 90 % der Mehrfamilienhäuser, die einen Großteil der Gebäude im Gebiet ausmachen, dezentrale Systeme, die nur einzelne Räume kühlen. Daraus resultiert, dass der simulierte Kühlenergiebedarf zweibis dreimal zu hoch ist. Entwicklung von Sanierungsszenarien Das CO 2 -Einsparungsziel der Stadt New York, den CO 2 -Ausstoß bis zum Jahr 2050 um 80 % zu reduzieren, soll unter anderem durch die Optimierung des Gebäudesektors erreicht werden. Neben effizienteren Systemen und der Umstellung auf erneuerbare Energien spielt die Gebäudesanierung eine maßgebliche Rolle. Die Stadt New York gibt an, dass über 90 % der heute bestehenden Gebäude noch im Jahr 2050 existieren werden und derzeit für 73 %, also fast drei Viertel der Treibhausgasemissionen verantwortlich sind. Die Sanierung dieser Gebäude muss in den nächsten Jahrzehnten bewertet und durchgeführt werden. In absoluten Zahlen zielt die Stadt darauf ab, die Treibhausgasemissionen um 44,5 Mio. Tonnen zu reduzieren, mit einer wachsenden Bevölkerung und expandierenden Bauflächen. Bild 3: (oben) Vergleich von simuliertem und gemessenem Heizwärmebedarf (links) und elektrischem Kühlenergiebedarf (rechts) für das gesamte Gebiet A. Fehlende Gebäudeinfos wurden extrapoliert (100 % demand). © Eicker Bild 4: (unten) Vergleich von simuliertem und gemessenem Heizwärmebedarf (links) und elektrischem Kühlenergiebedarf (rechts) für das Teilgebiet B. © Eicker 0 100 200 300 400 500 600 GWH calculated heating demand demand 100% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 GWH measured cooling energy calculated cooling demand demand 100% 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 MWH measured heating energy calculated heating demand 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 MWH measured cooling energy calculated cooling demand 60 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten Für das Gebiet A in Brooklyn wurden drei verschiedene Szenarien mit der zuvor an die amerikanischen Gegebenheiten angepassten Simulationsmethodik berechnet (siehe Bild 6):  Szenario 1 (Sealing): Dieses Szenario zeigt, was passieren würde, wenn alle Gebäude durch den Austausch von Türen und Fenstern besser gedämmt und luftdichter werden, entsprechend der aktuellen Standards der deutschen EnEV.  Szenario 2 (Insulation): Das zweite Szenario umfasst die Reduzierung von Wärmeverlusten durch Wärmedämmung gemäß den neuesten Standards des New Yorker Energieeinsparungscodes (NYCECC) von 2016 [7].  Szenario 3 (S+I): Abschließend werden die Auswirkungen der Implementierung beider Szenarien gleichzeitig gezeigt. Die Ergebnisse werden als reiner Energiebedarf angezeigt, unabhängig von der Systemoptimierung oder Änderungen der Energiequelle. Der direkte Vergleich in Bild 6 zeigt, dass es möglich ist, einen großen Teil des gesamten Energiebedarfs des Gebäudes mit relativ geringem Aufwand durch bessere Luftdichtheit aller Gebäude im Szenario 1 zu reduzieren. Bei einer kompletten Gebäudesanierung wie in Szenario 3 könnte der Heizwärmebedarf sogar um die Hälfte reduziert werden. Die tatsächlichen Einsparungen der einzelnen Gebäude variieren dabei durchaus und die Ergebnisse stellen die Einsparungen im gesamten Gebiet dar. Um die Auswirkungen auf die Umwelt zu veranschaulichen, wurden CO 2 -Emissionsfaktoren auf der Grundlage des „80 x 50“-Berichts verwendet [8]. Die Umrechnung von Energiebedarf zu CO 2 -Emissionen basiert auf Daten aus dem Basisjahr 2005. Unter den gegebenen Umständen kann die Sanierung der 9682 Gebäude in Gebiet A zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen von 45 % führen. Dies bedeutet eine Einsparung von 229 000 Tonnen CO 2 pro Jahr (Bild 7). Das Tool soll Stadtplanern die Entscheidung erleichtern Der Einsatz der deutschen Simulationsmethode in Brooklyn hat gezeigt, dass sie sehr realitätsnahe Aussagen liefern kann, sofern die lokalen Gegebenheiten und die Nutzung der Gebäude berücksichtigt werden. Mit dem Stadtmodell können Szenarien berechnet werden, die als Entscheidungshilfe für die langfristige Planung dienen. Die Simulation kann Schätzungen dazu liefern, wie sich verschiedene Sanierungsmaßnahmen auf den Energiebedarf in bestimmten Bereichen auswirken. Der Bottom-up-Ansatz ist nützlich, um realistische Szenarien basierend auf Änderungen der physikalischen Eigenschaften der Gebäude zu berechnen. Bild 5: Vergleich der simulierten (links) und tatsächlich gekühlten (rechts) Fläche in den Wohnungen. © Eicker Bild 6: Vergleich der Sanierungsszenarien für Gebiet A. © Eicker 0% -33% -13% -50% -100% -90% -80% -70% -60% -50% -40% -30% -20% -10% 0% 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000 Baseline Sealing Insulation S+I Demand [GWh] heating 0% -7% -7% -12% -25% -20% -15% -10% -5% 0% 0 50 100 150 200 250 Baseline Sealing Insulation S+I Demand [GWh, electr.] cooling 61 2 · 2018 TR ANSFORMING CITIES THEMA Versorgung von Städten New York und Stuttgart arbeiten weiter zusammen „Shaping the Future - Building the City of Tomorrow“ - das Motto der internationalen Kampagne des Bundesministeriums für Bildung und Forschung steht auch für die weitere Zusammenarbeit der HFT Stuttgart, ENsource und der amerikanischen Partner. Im Anschluss an das vom BMBF geförderten Projektes CITYtrans hat das Team um Ursula Eicker gemeinsam mit dem New York Institute of Technology und der City University of New York das Projekt IN-SOURCE: INtegrated analysis and modelling for the management of sustainable urban FWE ReSOURCEs eingeworben, das im Sommer 2018 starten wird. Für dieses Vorhaben rund um den Food-Water-Energy Nexus hat CITYtrans den Weg geebnet. Anfang Juni 2018 werden die deutschen und amerikanischen Teams sich in weiteren Workshops treffen, um Forschungsansätze in diesem Projekt zu diskutieren und auszuarbeiten, und damit noch einen Schritt weitergehen: hier sollen die Abhängigkeiten der Bereiche Energie-, Lebensmittel- und Wasserversorgung (Food-Water-Energy Nexus) untersucht und Optimierungsstrategien zusammen mit kommunalen und industriellen Akteuren erarbeitet werden. Einige der Workshops sind öffentlich - Infos und Anmeldemöglichkeiten gibt es auf der ENsource- Homepage www.ensource.de. BMBF-Kampagne „Shaping the Future - Building the City of Tomorrow“ Das Projekt CITYtrans wird im Rahmen der internationalen Kampagne des Bundesministeriums für Bildung und Forschung „Shaping the Future - Building the City of Tomorrow“ gefördert. Die BMBF-Kampagne bietet zehn ausgezeichneten Forschungsnetzwerken aus Deutschland eine Plattform, ihre Projekte für nachhaltige Stadtentwicklung im Ausland zu präsentieren und sich weltweit mit starken Partnern zu vernetzen. Schwerpunktländer der Aktivitäten sind China, Indien, Vietnam, Kolumbien und die USA. LITERATUR [1] City of New York, Technical Working Group. One City Built to Last. New York City : Mayor ‘s office of sustainability , 2014. [2] United Nations, Department of Economic und Social Affairs. World Urbanization Prospects. New York: United Nations, 2014. ISBN 978-92-1-123195-3. [3] zafh.net. SimStadt. [Online] 2013. http: / / simstadt. eu/ de/ index.html. [4] w w w.episcope.eu/ building-t ypolog y/ countr y/ de/ (Download: „National Typology Brochure“) [5] The City of New York. https: / / opendata.cityofnewyork.us/ . [Online] 2017. https: / / opendata.cityofnewyork.us/ . [6] U.S. Energy Information Administration. Residential Energy Consumption Survey. [Online] 2015. https: / / www.eia.gov/ consumption/ residential/ data/ 2015/ hc/ php/ hc7.7.php. [7] New York City Department of Buildings. NYCECC. [Online] 2011. https: / / www1.nyc.gov/ assets/ buildings/ apps/ pdf_viewer/ viewer.html? file=2011_ ACK- NOWLEDGEMENTS _ENERGY.pdf&section=energy_ code_2011. [8] The City of New York. Inventory of New York City greenhouse gas emissions. September 2011. Links: www.ensource.de www.research-in-germany.org/ shaping-the-future www.facebook.com/ Research.in.Germany https: / / twitter.com/ researchgermany Prof. Dr. habil. Ursula Eicker IAF-Leiterin an der HFT Stuttgart und Leiterin der Forschungszentren Nachhaltige Energietechnik und EnSource Kontakt: ursula.eicker@hft-stuttgart.de Verena Weiler, M.Sc. Promotionsstudentin am KIT und an der HFT Stuttgart im Bereich der urbanen Energiesimulation Kontakt: verena.weiler@hft-stuttgart.de Sally Köhler, M.Sc. Promotionsstudentin am KIT und der HFT Stuttgart im Bereich Simulation von Energiesystemen Kontakt: sally.koehler@hft-stuttgart.de Ursula Pietzsch, M.A. Projektmanagement CITYtrans Kontakt: ursula.pietzsch@hft-stuttgart.de AUTORINNEN Bild 7: Reduktion der Treibhausgasemissionen bei Sanierungsszenario 3. © Eicker