Gebäude, Quartiere und Städte sind heute oft energietechnisch veraltet. Häuser müssen energieeffizienter werden und Quartiere mit erneuerbarer Energie versorgt werden. In den Städten geht es darum, Energieerzeugung und Mobilität in nachhaltige Systeme zu überführen. Komplexe Energiemodelle, die Kristina Orehounig in ihrer Abteilung «Urban Energy Systems» an der Empa erforscht.

Kristina Orehounig, Leiterin von Urban Energy Systems an der Empa

Vom Kleinen ins Grosse. Vom Komplizierten ins Komplexe. Von der Architektur in die Bauphysik. Diesen wissenschaftlichen Pfad hat Kristina Orehounig beschritten. An der Technischen Universität Wien studierte sie Architektur, promovierte in Gebäudesimulation und leitet nun seit zwei Jahren die Abteilung «Urban Energy Systems» an der Empa: Interdisziplinär, vernetzt und auf eine nachhaltige Zukunft ausgerichtet, werden hier Energiesysteme von Gebäuden, Quartieren, ja ganzen Städten erforscht.

Frau Orehounig, das Gebäude ist in urbanen Energiesystemen die kleinste Einheit. Was ist dort energietechnisch die Herausforderung? Das einzelne Gebäude ist hierzulande meist schon gebaut und verbraucht relativ viel Energie. Wir müssen die Gebäude, abhängig von Typ und Standort, energetisch sanieren, z. B. mit Fassadendämmungen ertüchtigen, Fenster austauschen, Dächer isolieren, um erst einmal weniger Energie zu verbrauchen.

Und weiter? Wir müssen energieeffizientere Geräte integrieren, fossilbeheizte Öl- und Gasheizungen durch erneuerbare Systeme ersetzen: Photovoltaik, um Strom zu gewinnen, Wärmepumpen, Solarthermie, Wärmekraftkopplung oder auch Fernwärme für die Heizung. Ziel ist, im Gebäude keine fossilen Brennstoffe mehr zu verwenden und nur noch wenig bis gar keine Energie mehr zu verbrauchen.

Keine Energie? Die Bilanz muss stimmen. Es gibt immer Zeiten des Energieverbrauchs. Diese kann ad-hoc durch eine Solaranlage auf dem Dach produziert werden. Oder die im Winter benötigte Energie wird im Sommer erzeugt und dann gespeichert.

Ist die Speichertechnologie ausgereift? Die Kurzzeitspeicherung ist kein Problem. Bei der Langzeitspeicherung sind schon Technologien entwickelt, werden aber selten integriert. Das liegt auch daran, dass es keine finanziellen Anreize gibt, da der Strommarkt nicht geöffnet ist. Ein optimales Energiemanagement erfordert Kenntnisse über das Mikroklima von Gebäuden oder Ansammlungen von Gebäuden im urbanen Raum. Der Schritt vom Haus zum Quartier erhöht die Komplexität der Modelle, und diese werden zum Big-Data-Projekt: Eine Fülle von Daten von Wetterstationen, Temperaturen oder Beschattungen von Häusern müssen aufbereitet sein, damit der Energieverbrauch von Wohneinheiten und der ideale Energiemix in einem Quartier errechnet werden können.

«In der Stadt der Zukunft müssen dezentrale alternative Energiegewinnung und Energieverbrauch in Gebäuden sowie Elektromobilität optimal in einem einzigen urbanen System verzahnt sein.» Kristina Orehounig, Leiterin von Urban Energy Systems an der Empa

Frau Orehounig, welche konkreten Erkenntnisse ziehen Sie aus den von Ihnen errechneten Modellen? Wir legen für ein Quartier das optimale Energiesystem aus und berechnen, wie viele Wärmepumpen oder Photovoltaik-Zellen wir integrieren müssen, ob Speichertechnologie oder ein Wärmenetz benötigt wird. Wir entwerfen ein Layout für den optimalen Betrieb, zeigen auf, wie die Energie fliessen muss. Damit minimieren wir die Kosten und den CO2-Ausstoss.

Ist das der Weg zur energieeffizienten Stadt von morgen als einem nachhaltig ökologischen Raum? Mit unseren Modellen können wir inzwischen urbane Quartiere abbilden. In einer ganzen Stadt ist die Komplexität höher. Wir können nicht jedes Gebäude detailliert darstellen, es braucht Vereinfachungen. Auch die Zukunft muss miteinbezogen werden, z. B. die Effekte des Klimawandels. So wird unter Umständen nicht Wärme, sondern Kühlung zum Thema. Ebenso wie die urbane Mobilität, die keine fossile, sondern nur eine elektrische sein kann. Und die alternative Energiegewinnung wird stärker vor Ort, also dezentral, zu gewinnen sein. All das muss im städtischen Raum zukünftig optimal ineinandergreifen.

Die Forscherteams rund um die Abteilungsleiterin haben bei der Entwicklung ihrer Modelle eng mit Energieversorgern, Städten und Gemeinden zusammengearbeitet. Mittlerweile ist die daraus resultierende Software so weit ausgereift, dass beliebige urbane Quartiere energetisch betrachtet und beurteilt werden können. Der Datenpool wird nun laufend vergrössert, so dass Forschende dort, wo konkrete Messdaten fehlen, auf Erfahrungswerte vergleichbarer urbaner Räume zurückgreifen können.

Frau Orehounig, Ihre Forschungen sollten grossflächig den Weg in die Praxis finden. Wie steht es damit? Das geschieht auch. Innerhalb unserer Abteilung haben sich einige Forschende zusammengetan und als Empa-Spin-off das Start-up «Sympheny» gegründet. Sie wollen unsere Plattform zu einer einfach bedienbaren App weiterentwickeln und kommerzialisieren. Ziel ist, Energieplanern nachhaltige und kostengünstige Lösungen für Energieversorgungen von Stadtteilen, Bezirken, Standorten, Dörfern oder auch Städten zur Verfügung zu stellen.