Smart City: So werden Wohnhäuser zu Kraftwerken
Die Stadt von morgen ist smart: Rund um den Globus tüfteln Stadtplaner, Ingenieure und Forscher daran, unsere Städte fit für die Zukunft zu machen. Doch was ist eigentlich alles smart? In unserer neuen Serie nähern wir uns dem Konzept der Smart City von allen Seiten – und zeigen dabei, was heute schon geht und was noch kommt.
Eine wichtige Säule der Smart City ist ihre nachhaltige, dezentrale Energieversorgung. Grüner Strom wird in Zukunft nicht nur von Offshore-Windkraftanlagen und Solarfeldern in die Stadt fließen, sondern mehr und mehr in der Stadt selbst erzeugt. So werden in der Smart City die Gebäude selbst von Konsumenten zu Produzenten.
Solarenergie: Ran an die Fassade
Solaranlagen auf Hausdächern sind längst keine Seltenheit mehr und haben sich im Stadtbild eingenistet. In Zukunft werden sie immer häufiger zu sehen sein: In Berlin etwa gilt ab dem 1. Januar 2023 eine Solarpflicht, wonach alle Neubauten mit Solarpaneelen auf den Dächern versehen werden müssen. Auch bei grundständigen Dachsanierungen tritt die Regelung in Kraft. Das leuchtet ein, denn die weitgehend freien Flächen blieben sonst ungenutzt.
Und auf die Fläche kommt es an: Ein Knackpunkt von Solar-Technologie ist seit jeher der Wirkungsgrad der Anlagen, also der Anteil der Sonnenenergie, der tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Der ist abhängig vom verwendeten Material, beim derzeit überwiegend eingesetzten (monokristallinen) Silizium liegt er etwa bei 20-22 Prozent. Neue Forschungen haben ergeben, dass ein weitaus höherer Wirkungsgrad möglich ist – mit neuen Modulen wurden bereits Wirkungsgrade von über 40 Prozent erzielt. Manche Stimmen behaupten gar, diese könnten eines Tages bei über 80 Prozent liegen.
Mit Dünnschicht-Solarmodulen wird die Fassade zum Kraftwerk
Bis es soweit ist, gilt für Photovoltaikanlagen jedoch vor allem eines: Je größer die Fläche, desto besser. Warum also nur Dachflächen nutzen? Auch Gebäudefassaden können Träger von Solarmodulen sein. Wer nun an dröge schwarz-blaue Karos denkt, hat weit gefehlt: Seit wenigen Jahren sind sogenannte Dünnschicht-Solarmodule auf dem Markt, die zusammengesetzt nicht nur aussehen wie eine klassische Glasfassade, sondern auch genauso dünn sind. Mit ihnen ließe sich theoretisch die gesamte Oberfläche eines Gebäudes stilvoll zum Photovoltaik-Kraftwerk erheben.
Bisher gibt es nur wenig reale Anwendungsbeispiele der Technologie. Eines findet sich auf dem Campus des Helmholtz-Zentrums Berlin: Im vergangenen Jahr wurde dort ein Forschungsneubau in Betrieb genommen, dessen kräftig blaue Fassade aus insgesamt 360 Dünnschicht-Solarmodulen besteht. Zusammen kommen sie auf eine Maximalleistung von knapp 50 Kilowatt. Die Anlage soll damit nicht nur einen Teil des Strombedarfs decken, sondern dient gleichzeitig auch als Reallabor für das Verhalten der Solarmodule bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen.
Das Beispiel zeigt nur in kleinem Maßstab, was in Zukunft möglich sein wird. In der australischen Metropole Melbourne etwa soll 2023 mit dem Bau eines achtstöckigen Büroturms begonnen werden, dessen Fassade aus fast 2000 Dünnschicht-Solarmodulen bestehen wird. Damit soll das Gebäude fast seinen kompletten eigenen Strombedarf decken können.
Windenergie: Auf den Maßstab kommt es an
Beim Thema Windkraft sieht es etwas anders aus. Windturbinen lassen sich nicht ganz so elegant in den Look eines Gebäudes integrieren wie Solarmodule. Auch hier stehen in erster Linie Dachflächen als Basis zur Verfügung: Mikro-Windräder können grundsätzlich auf allen Dächern montiert werden, vom Wolkenkratzer bis zum Einfamilienhaus. Das Problem: Durch ihre minimale Größe lohnt sich die Installation selten, denn die Mini-Turbinen erzeugen schlichtweg zu wenig Strom. Kein Wunder, dass freistehende Windkraftanlagen mittlerweile gigantische Ausmaße annehmen, um maximal effizient zu sein.
Dass Windkraftwerke als Teil eines Gebäudes auch im größeren Maßstab funktionieren, macht das Bahrain World Trade Center eindrucksvoll vor. Der 2008 fertiggestellte Pionierbau in Manama besteht aus zwei Wolkenkratzern, die durch drei Querstreben miteinander verbunden sind. An jedem ist eine Windkraftanlage montiert; zusammen erzeugen die drei Turbinen immerhin durchschnittlich 15 Prozent der vom Gebäude benötigten Energie.
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Das Bahrain World Tradew Center war bei seiner Eröffnung 2008 das weltweit erste Gebäude mit eigener Windkraftanlage. Foto: Adobe Stock -
Die drei hauseigenen Windturbinen produzieren circa 15 Prozent der vom Gebäude benötigten Energie. Foto: Adobe Stock
"Dutch Windmill" in Rotterdam: Zukünftige Ikone der Smart City?
Zum Zeitpunkt seiner Eröffnung war das Bahrain World Trade Center damit das erste Gebäude mit eigener Windkraftanlage weltweit. Mittlerweile wird das Konzept weitergedacht, immer waghalsigere Projekte entstehen auf der Welt. Etwa in den Niederlanden: Der notorisch windige Staat ist berühmt für seine pittoresken Windmühlen. Mit denen hat das in Rotterdam geplante „Dutch Windwheel“ äußerlich allerdings nicht mehr viel gemein. Das hochmoderne Gebäude, das in den nächsten Jahren in der Hafenstadt entstehen soll, ähnelt eher einem Donut – in der Öffnung in der Gebäudemitte soll der Seewind kanalisiert, zu Windenergie umgewandelt und zur Gebäudekühlung verwendet werden.
Doch das ist bei weitem nicht alles. Das smarte Gebäude versteht sich als echter Tausendsassa in Sachen nachhaltiger Architektur und vereint zahlreiche Zukunftstechnologien: Seine Fassade soll teils begrünt, teils mit den bereits erwähnten Solarmodulen ausgestattet sein. Regenwasser soll durch die runde Form möglichst effizient aufgefangen und genutzt werden, während organische Abfallstoffe zu Biogas verarbeitet werden.
Grüner Wasserstoff aus dem Wohnquartier
Neben Sonnenlicht und Wind gilt auch Wasserstoff als Energieträger der Zukunft. 2020 hat die deutsche Bundesregierung ihre nationale Wasserstoffstrategie vorgestellt, im vergangenen Jahr wurden 62 Wasserstoff-Großprojekte ausgewählt, die mit über 8 Milliarden Euro aus Bundes- und Landesmitteln unterstützt werden. Vor allem durch die Nutzung in der Industrie sollen zukünftig mehrere Millionen Tonnen CO2 jährlich eingespart werden, doch auch als Treibstoff für PKW und LKW soll Wasserstoff den Weg zu klimaneutraler Mobilität ebnen.
Der Schlüssel zur Klimaneutralität ist, "grünen" Wasserstoff herzustellen. Das heißt, dass für die Elektrolyse (die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff) nur Strom aus erneuerbaren Energien verwendet werden darf. Wie das in kleinem Maßstab geht, zeigt ein Modellprojekt im baden-württembergischen Esslingen: Dort entsteht aktuell ein 120.000 Quadratmeter großes, klimaneutrales Quartier mit rund 500 Wohneinheiten.
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Die bereits fertigen Wohnblöcke sind über und über mit Solarpaneelen bestückt. Foto: Maximilian Kamps, Agentur Blumberg GmbH -
Deren überschüssig produzierte Energie wird wiederum vom Elektrolyseur zur Wasserstoffproduktion genutzt. Foto: Maximilian Kamps, Agentur Blumberg GmbH -
Der so entstandene grüne Wasserstoff kann unter anderem als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet werden. Foto: Maximilian Kamps, Agentur Blumberg GmbH
Überschüssiger Solarstrom wird zu grünem Wasserstoff
Der Clou: Die Mieter werden über Solaranlagen auf den Dächern sowie mehrere Blockheizkraftwerke mit Strom und Wärme versorgt. Überschüssiger Solarstrom speist einen sogenannten Elektrolyseur in der Energiezentrale des Quartiers, der täglich 400 Kilogramm Wasserstoff produziert. Der so entstandene grüne Wasserstoff kann wiederum ins lokale Gasnetz eingespeist werden, als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet oder gegebenenfalls bei späterem Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden.
Ein Problem der Wasserstofferzeugung, die hohen Wärmeverluste, macht sich das smarte Quartier gleich zunutze: Die entstehende Abwärme wird genutzt, um angrenzende Gebäude zu heizen. So zeigt das Esslinger „Green Hydrogen“-Projekt eindrucksvoll, worauf es in einer Smart City ankommt: Erst die Kombination verschiedener Technologien und die intelligente Kopplung unterschiedlicher Konzepte wie Wohnen, Stromerzeugung und Mobilität machen ein Gebäude, ein Quartier, eine Stadt, wahrlich smart.
