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Smart Cities – ein viel strapazierter Begriff wird mit Leben erfüllt

In unserer Vorstellung einer Smart City oder zukunftsfähigen Stadt ist der erste Ansatzpunkt natürlich die Ökologie: Klimaverträgliche Siedlungen mit reduzierten CO2-Emissionen, ressourceneffizient gebaut, effiziente Energiesysteme mit erneuerbaren Energieträgern.

Smart City Forschung

Eine Stadt lebt jedoch nicht durch ihre Gebäude oder Infrastruktur, sondern durch ihre BewohnerInnen. Damit diese sich in ihrer Umgebung wohlfühlen und Maßnahmen zur Umwelt- und Klimaverträglichkeit auch annehmen, ist eine hohe Lebensqualität in der Stadt bzw. im Stadtareal gefragt. Aspekte wie die architektonische Gestaltung der Freiräume, eine hohe Nutzungsvielfalt oder die subjektive Sicherheit können einen Stadtteil sehr prägen. Vor Ort vorhandene Infrastruktur und Durchwegungen von Höfen ermöglichen eine „Stadt der kurzen Wege“. Zusätzlich soll klimafreundliche Mobilität forciert werden, ein gut ausgebautes Rad- und Fußwegenetz ebenso wie eine gute öffentliche Verkehrsanbindung zur Verfügung stehen.

Vorzeigeprojekt Way2Smart Korneuburg

Erfahrung mit der Gestaltung einer Smart City gewinnt das IBO-Forschungsteam im Rahmen des Projekts Way2Smart Korneuburg. In einem interdisziplinären Projektteam mit 11 Partnern aus den Bereichen Stadtverwaltung, Planung (Architektur, Energie, Ökologie, Mobilität), Sozial- und technische Wissenschaften wird ein Gemeindewohnbau auf Plusenergiestandard saniert und erweitert. Das Vorzeigeprojekt stellt leistbaren Wohnraum (Richtwertmietzinssatz) und einige besonders günstige „Starterwohnungen“ zur Verfügung. Die sehr kompakt geplanten Wohnungen werden durch einen Gemeinschaftsraum ergänzt. Ein Mobilitätsknoten bietet den MieterInnen – und auch den AnrainerInnen – neue, sanfte Mobilitätsformen wie E-Car-Sharing und Lastenrad sowie einen Anknüpfungspunkt an den Öffentlichen Verkehr. Ebenso wird im Gebäude auf die Ausstattung mit ausreichend gut zugänglichen Fahrradständern geachtet. Mitte Juni sollte die Planung abgeschlossen sein. Die ambitionierten Ziele des Forschungsprojekts werden mit dem Planungsteam abgestimmt, um eine bestmögliche Realisierung zu erreichen.
Mittels PV-Flächen wird das Gebäude selbst erneuerbare Energie zur Verfügung stellen und damit einen Beitrag zur Energieautonomie Korneuburgs leisten. Diese wurde im Masterplan der Stadt als Ziel definiert, das Korneuburg bis zum Jahr 2036 – zum 900-jährigen Stadtjubiläum – erreichen will. Der Weg zur Energieautonomie wird auf einer digitalen „Energieautonomieplattform“ (siehe Artikel Seite 72) dargestellt. Hier können die BürgerInnen den aktuellen Stand nachvollziehen, aber auch ihren eigenen Beitrag zur Erreichung dieses Ziels einbringen: Vorgegebene abgeschätzte Daten können durch tatsächliche Energieverbrauchsdaten ersetzt und die Leistungsdaten von vorhandenen Solar- oder Photovoltaikanlagen angegeben werden. So wird die Berechnung genauer und die Wirkung von Energieeffizienz-Maßnahmen sichtbar. Die Plattform stellt aber auch eine erste „Energieberatung“ für die NutzerInnen dar, die Vorschläge zur Steigerung der Energieeffizienz, zur Produktion Erneuerbarer Energien und zur Mobilität inklusive einer Abschätzung von deren Kosten und Nutzen liefert.
Zusätzlich werden die BewohnerInnen Korneuburgs durch verschiedene Formate und Veranstaltungen für das Ziel Energieautonomie informiert und aktiviert.

Mit dem Sonnendiagramm zur Smart City

Beim Projekt Way2Smart Korneuburg sind wir durchaus auf Herausforderungen in der Umsetzung und in der Kommunikation gestoßen. Neue Ideen in gewachsenen Strukturen umzusetzen, ist nicht leicht, denn Verantwortlichkeiten und Interessen von BewohnerInnen, EigentümerInnen, UnternehmerInnen und Politik können recht unterschiedlich sein. Auch aufgrund fehlender Ressourcen bleiben Chancen, einen Stadtteil zu ertüchtigen, häufig unerkannt und ungenutzt. Um diese Hürden zu überwinden, bietet sich ein Instrument aus einem weiteren IBO-Forschungsprojekt an.
Seit eineinhalb Jahren läuft das Projekt Smart City Mikroquartiere: Gemeinsam mit dem Umweltbundesamt, der TU Wien, der FH Technikum und den in der Stadtentwicklung sehr aktiven Architekten Kleboth und Dollnig entwickeln wir eine Methode, um Stadt-areale im Hinblick auf Energie und Lebensqualität zu optimieren.  
Kern der Methode ist die Konzentration auf „Mikroquartiere“, die kleinsten Bausteine eines Stadtareals, in denen sich dessen Eigenschaften widerspiegeln.  Diese Mikroquartiere umfassen typische Strukturen wie etwa die Blockrandbebauung der Gründerzeit oder Einfamilienhaussiedlungen in ländlichen Gebieten. Die Konzentration auf Mikroquartiere erlaubt ein Lernen im Maßstab 1:1; Ergebnisse können auf ganze Stadtareale mit ähnlichen Strukturen ausgeweitet werden.
Im Projekt wurde ein umfassendes Bewertungssystem mit ca. 100 Indikatoren ausgearbeitet. Dieses gliedert sich in die Themenbereiche Umwelt, Energie, Lebensqualität, Mobilität und Wirtschaft und bildet Qualitäten wie Energieeffizienz, geringe Emissionen, Ressourceneffizienz, Bodennutzung, eine Stadt der kurzen Wege, Lebensqualität, soziale Durchmischung oder Aufenthaltsqualität des öffentlichen Raumes ab. Das System enthält sowohl quantifizierbare als auch qualitativ zu erfassende Parameter, die sich entweder auf die Mikroquartiersebene beziehen oder im größeren (Areals-)Kontext betrachtet werden müssen.
Für jedes Mikroquartier werden Varianten der Optimierung (das bedeutet nicht zwangsläufig für jeden Standort eine Nachverdichtung) entwickelt. Pro Mikroquartier steht ein Pool aus bis zu 20 baulichen Varianten zur Verfügung, die analysiert und untersucht werden.

Die Energiebedarfe eines Längs- und eines Eckgebäudes im Mikroquartier werden durch thermische Simulationen mit einem TRNSYS Mehrzonenmodell ermittelt. Dabei werden unterschiedliche Baustandards (Bestand, OIB Mindestanforderungen und Passivhausstandard) sowie vier verschiedene Orientierungen berücksichtigt. Die Hochrechnung des Energiebedarfs für das gesamte Mikroquartier erfolgt durch Hochrechnung über die BGF.

Das lokal zur Verfügung stehende erneuerbare Erzeugungspotential (Solarthermie, Photovoltaik, Erdwärme/kälte, Grundwasserwärme/kälte, Außenluft etc.) wird in verschiedenen Varianten simuliert und dem jeweiligen Energiebedarf gegenübergestellt.

Die Bestimmung der Lebensqualität setzt sich aus mehreren Bereichen zusammen. Mittels Simulation kann der Bereich Tageslichtsituation und Anzahl der Stunden mit direkter Besonnung für das betrachtete Mikroquartier, bzw. kritische Gebäude, beurteilt werden. Die einzelnen Varianten werden zusätzlich primärenergetisch (Betrieb und Gesamt) und anhand der Lebenszykluskosten bewertet [Leibold 2018] .
Auf Stadtarealsebene wurde ein Optimierungsmodell für die Energieversorgung, beruhend auf der Portfoliotheorie, erstellt. Dem Modell steht eine Vielzahl an Technologien zur Verfügung, um den gegebenen Energiebedarf zu decken. Der Energiebedarf besteht aus der Nachfrage nach Strom, Wärme, Kühlung und (Elektro)-Mobilität. Um diese Nachfrage zu decken, berechnet das Optimierungsmodell den optimalen Mix in Hinsicht auf ein zuvor definiertes Ziel. Die im Projekt entwickelte Berechnungsmethode erlaubt es uns abzubilden, wie ein lokales Energiesystem, welches oft nach geringsten Kosten entworfen wird, hin zu einem erneuerbaren Energiesystem transformiert werden kann [Fleischhacker 2018].
Die Mobilität der EinwohnerInnen des Stadtquartiers wird in verschiedenen Szenarien im Hinblick auf die technologische Entwicklung bis hin zur vollständigen Dekarbonisierung des Verkehrssystems untersucht. Aus einer agentenbasierten Simulation resultieren Aussagen über den Energieaufwand für Mobilität, zu erwartende Emissionen und die Entwicklung des Modal Splits.

Die Ergebnisse zeigen die Auswirkungen unterschiedlicher Maßnahmen und Varianten auf die Bewertung im Vergleich zum Status quo. Welche Qualitäten ein Stadtteil bereits bietet und an welchen Stellen Optimierungspotenziale vorliegen, wird in einem „Sonnendiagramm“ schnell ersichtlich und kommunizierbar.

Klimaverträgliche Neubausiedlungen [Tinkhof 2017], [Figl 2017]

Geht es bei „Smart City Mikroquartiere“ vor allem darum, bestehende Stadtareale zu entwickeln, so lag im Projekt UrbanAreaParameters der Fokus auf der integralen Bewertung der Klimaverträglichkeit von Gebäuden und Mobilitätsinfrastruktur in Neubausiedlungen. Ausgangspunkt der Überlegungen ist das Schweizer Bewertungsmodell der 2000-W-Gesellschaft für Areale. Im Projekt wurden wichtige Voraussetzungen geschaffen, um ein äquivalentes System in Österreich einzuführen.
Die Idee hinter der 2000-Watt-Gesellschaft ist, dass pro Person ungefähr 2000 Watt Dauerleistung auf Primärenergiestufe nachhaltig zur Verfügung stehen. Die damit verbundenen CO2-Emissionen sollten eine Tonne pro Person und Jahr nicht übersteigen (2000watt.ch). Diese Ziele sollen für die Schweiz bis zum Jahr 2100 erreicht werden.

In Österreich haben sich in den vergangenen Jahren auf Gebäudeebene am Stand der Technik orientierte Richtwerte für Einzelaspekte von Gebäuden etabliert (z.B. für den Heizwärmebedarf), große Fragen in Bezug auf umweltpolitische Zielsetzungen und die Umsetzung auf Siedlungsebene blieben aber offen. Nicht umgesetzt wurde in Österreich bisher auch der Wandel von der Fläche zur Person als Bezugsgröße sowie der integrale Blick auf einen nachhaltigen Gesamtverbrauch, der die Errichtung von Gebäuden, den Betrieb von Gebäuden und die Mobilität gemeinsam betrachtet.
Im Rahmen des Projekts UrbanAreaParameters wurde daher – unter der Leitung des SIR (Salzburger Institut für Raumordnung und Wohnen) – ein System zur Planung, Bewertung und Qualitätssicherung der Klimaverträglichkeit von Neubausiedlungen unter Berücksichtigung der österreichischen Rahmenbedingungen entwickelt. Das System kann ergänzend zur gängigen Projektplanung herangezogen werden und unterstützt Städte bei der Einhaltung der (global und lokal) festgelegten klima- und energiepolitischen Ziele bei gleichzeitigem Anstieg der Nachfrage nach Wohnraum. Der hierzu entwickelte Kriterienkatalog umfasst qualitative und quantitative Kriterien für die Handlungsfelder Stadtplanung, Mobilität, Gebäude, Ver- und Entsorgung, Kommunikation & Kooperation sowie Management. Die Bewertung der quantitativen Kriterien beruht auf den speziell für Siedlungen erarbeiteten Richt- und Zielwerten. Diese erfassen

  1. die Betriebsenergie der Gebäude (für Heizen, Warmwasserbereitung, Lüftung, Hilfsenergie, Beleuchtung, sonstigen Betriebsstrom),
  2. die Graue Energie der Gebäude (Umweltwirkung von Herstellung, Errichtung, Ersatz und Entsorgung der Baustoffe) sowie
  3. die Alltagsmobilität in Siedlungen (Mobilität mit Österreichbezug, Personen ab 6 Jahren).

Im Gegensatz zu den gängigen Richt- und Zielwerten für Einzelgebäude werden hier Werte pro Person und Jahr angegeben.

Die Ableitung der Richtwerte für die „Graue Energie“ von Gebäuden lag im Verantwortungsbereich des IBO. Die „Graue Energie“ beschreibt dabei die gesamte Menge an Primärenergie, welche für alle über den Lebensweg eines Baumaterials stattfindenden Prozesse aufgewendet wird. Wie im Schweizer Vorbild wird außerdem das Klimaerwärmungspotenzial (Global Warming Potential) unter dem Begriff der „Grauen Energie“ subsumiert.

Ein wichtiger Punkt für die Anwenderfreundlichkeit des Bewertungssystems ist der Abgleich mit den österreichischen Bewertungssystemen auf Produkt- und Gebäudeebene (klimaaktiv, Total Quality Building (TQB) und Bau EPD). Die Berechnung erfolgt daher grundsätzlich nach den Vorgaben der Gebäudebewertungssysteme, jedoch mit erweiterter Systemgrenze (Bilanzierung des gesamten Gebäudes und des gesamten Lebenszyklus inkl. Entsorgung).

Für die Gebäudeanalyse wurden in einem ersten Schritt Test-Richtwerte für die „Graue Energie“ von Gebäuden Top-Down abgeleitet. Ausgangspunkte waren die nationalen österreichischen und Schweizer Zielwerte für alle Bereiche sowie die Schweizer Richtwerte für die „Graue Energie“. Andererseits wurden die Test-Richtwerte an Hand von Modellgebäuden evaluiert.

Die Ergebnisse der Gebäudeanalyse zeigen, dass die Kompaktheit des Gebäudes ein wesentlicher Faktor für gute Ergebnisse in der Ökobilanz ist. Bei der Umrechnung auf Richtwerte pro Person wird der zweite wesentliche Optimierungsfaktor im Bereich der „Grauen Energie“ deutlich: Je höher die Belegungsdichte, desto leichter sind die Zielwerte zu erreichen.

Diese Ergebnisse wurden mit der Top-Down-Betrachtung verschnitten und führten schließlich zu Richt- und Zielwerten für die integrale Bewertung der „Grauen Energie“, der Betriebsenergie und der Alltagsmobilität von Neubausiedlungen.
Die Projektergebnisse sollen in das Auditsystem für klimaaktiv Siedlungen (derzeit in Entwicklung) eingehen. Ebenso ist eine Anwendung der quantitativen Zielwerte für den Stadtteil Schallmoos in Salzburg geplant.

Literatur

[Leibold 2018] Leibold, Jens (IBO); Zelger, Thomas (FH Technikum Wien): Projekt SC-Mikroquartiere. Modellierung verschiedener Nachverdichtungsszenarien und Optimierung bezüglich erneuerbarer Energieversorgung und der Lebensqualität der NutzerInnen. BauZ! Kongress, 24.-26.1.2018, online verfügbar unter https://www.ibo.at/wissensverbreitung/ibomagazin-online/ibo-magazin-artikel/data/projekt-sc-mikroquartiere/

[Fleischhacker 2018] Fleischhacker, Andreas (TU Wien): Kosten versus Emissionen des Energiesystems – Wie teuer kommt der Trade-Off? https://smartcity-mikroquartiere.at/news/kosten-versus-emissionen-des-energiesystems-wie-teuer-kommt-der-trade-off

[Tinkhof 2017] Mair am Tinkhof, Oskar: Grundlagen Siedlungsbewertung. In: Working Class Districts. Urban Transformations and Qualities of Life in the Growing City. Book of Abstracts, FH Campus Wien, 14.-15.9.2017, https://www.fh-campuswien.ac.at/die-fh/veranstaltungen/international-conference-on-working-class-districts.html

[Figl 2017] Figl, Hildegund: Gebäude als Materialspeicher – Ressourceneffizienz und CO2-Einsparung in der Siedlungsbewertung. Vortrag im Rahmen des Symposions „Stadt der Zukunft – Nachhaltigkeit vom Quartier zum Baustoff“ am 9. Nov. 2017 in Reichenau

Projekte     

Way2Smart Korneuburg: Start Up in eine sozial verträgliche energieautonome Smart City
Gefördert durch Smartcity-Initiative des Österr. Klima- und Energiefonds und der FFG  

Partner

Fachhochschule Technikum Wien
EVN AG
wohnbund:consult
X-Net Services GmbH
Institut für Technikfolgen-Abschätzung der ÖAW
Traffix Verkehrsplanung GmbH
New Energy Consulting, Ing. Jürgen Obermayer GmbH
ATB-Becker e.U.
Stadtgemeinde Korneuburg
Stadtentwicklungsfonds Korneuburg
pos architekten ZT gmbh

SC_MIKROQUARTIERE  – Energie- und lebensqualitätsoptimierte Planung und Modernisierung von Smart City–Quartieren
Gefördert durch BMVIT im Programm Stadt der Zukunft   

Partner

Kleboth & Dollnig
FH Technikum Wien
ÖIAT – Österreichisches Institut für angewandte Telekommunikation
TU Wien, Energy Economics Group
Umweltbundesamt GmbH

UrbanAreaParameters – Richt- und Zielwerte für Siedlungen zur integralen Bewertung der Klimaverträglichkeit von Gebäuden und Mobilitätsinfrastruktur in Neubausiedlungen
Gefördert durch BMVIT im Programm Stadt der Zukunft

Partner

SIR – Salzburger Institut für Raumordnung und Wohnen (Projektleitung)
Research Studios Austria Forschungsgesellschaft mbH
HERRY Consult GmbH
Energieinstitut Vorarlberg

 

IBO ist Mitglied der ACR - Austrian Cooperative Research, einem Netzwerk von 18 außeruniversitären Forschungsinstituten, die angewandte Forschung und Entwicklung für Unternehmen, speziell für KMU, betreiben. www.acr.ac.at

Abb. 1: Darstellung ausgewählter Indikatoren im Sonnendiagramm
Tab. 1: Österreichische Richt- und Zielwerte für die Bewertung von Neubausiedlungen