Im Projekt „smood® – smart neighborhood“ haben in den vergangenen Jahren 16 Unternehmen, vier Forschungseinrichtungen und ein Verband unter der wissenschaftlichen Begleitung der Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam an der Zukunft energiebezogener Sanierungsmaßnahmen gearbeitet. Das Projekt deckt ein breites Spektrum ab – von digitalisierten Planungsprozessen über innovative Quartiersspeicher für Strom und Wärme bis hin zu intelligenten Steuerungs- und Betriebsführungslösungen – mit dem Ziel, bestehende Quartiersinfrastrukturen fit für die Energiewende zu machen und Bewohnerinnen und Bewohnern niedrigere Lebenshaltungskosten zu ermöglichen.
Die Kosten für Strom, Gas und andere fossile Brennstoffe sind in den letzten Monaten dramatisch gestiegen. Nicht erst seit dem russischen Angriffskrieg gegen die Ukraine und den damit verbundenen Sanktionen steht die Energieversorgung in Deutschland und Europa vor großen Herausforderungen. Gebäude spielen eine Schlüsselrolle im gesamten sozialen Kontext: Das Energieeinsparpotenzial liegt bei bis zu 40 Prozent, je nach Höhe und Qualität der Renovierungen.
Energieeffiziente Gestaltung bestehender Stadtteile — Zum Nutzen von Umwelt und Gesellschaft
Vor diesem Hintergrund wurde das Projekt smood® – smart neighborhood im Jahr 2019 mit der Vision gestartet, systematisch Wertschöpfung durch Sanierungsmaßnahmen in bestehenden Wohnquartieren zu schaffen. Es ist Teil des Bundesförderprogramms „Innovative regionale Wachstumskerne“ und bildet ein regionales Bündnis aus Unternehmen, Hochschulen für angewandte Wissenschaften und Forschungseinrichtungen in Ostdeutschland, die in ihrer Region eine gemeinsame Technologieplattform nutzen und die Alleinstellungsmerkmale ihrer jeweiligen Kompetenzfelder gezielt stärken. Bis 2022 wurden Wachstumskerne dieser Art vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Neben den Umweltaspekten ist die Wirtschaftlichkeit ein entscheidendes Kriterium für den Erfolg des Projekts smood®. Durch die Schaffung einer sorgfältig durchdachten Mischung aus innovativen Energiebereitstellungs- und Steuerungstechnologien mit geeigneten integrierten Technologien in bestehenden Gebäuden besteht das ultimative Ziel darin, die Betriebskosten zu senken. Das Ziel des Projekts ist es, den Quartieren zu ermöglichen, einen Großteil ihres Energiebedarfs mit eigener Versorgung zu decken und die Bewohner zu einem erschwinglichen Preis mit Strom und Wärme zu versorgen. "Ein wichtiges Ziel des Wachstumskerns als Ganzes ist es, so genannte Segregationseffekte zu bekämpfen." — Das heißt, Situationen, in denen sich weniger wohlhabende Familien in bestimmten Wohngebieten nicht mehr leisten können, sagt Prof. Peter Bretschneider, der sowohl Direktor des Institute for Advanced Systems Technology (AST) am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnologien und Bildauswertung IOSB als auch wissenschaftlicher Sprecher von smood® ist.
smood®: fünf gemeinsame Forschungsprojekte, zahlreiche Innovationen
Die an der Technologieplattform beteiligten Partner kommen aus Wissenschaft, Industrie und Verbänden und bringen Expertise ein, die sich über die gesamte Wertschöpfungskette erstreckt, von Erhebungen über Detailplanung und Sanierung in Gebäuden und Quartieren bis hin zum Betriebsmanagement. Sie arbeiten gemeinsam an mehreren gemeinsamen Forschungsprojekten: Eine davon, smoodPlan, befasst sich mit der Distriktanalyse und -planung (auf digitaler Basis) unter Verwendung von Drohnen und Wärmebildkameras. Inzwischen sind innovative Methoden zum Anzapfen von Wärmequellen und zur Speicherung von Wärme die Schwerpunkte für GeoHoP (das neuartige Bohrtechnologie verwendet, um horizontale Geothermiesonden in Sternform zu installieren) und GeoHeatStorage (das eine kostengünstige, geothermische Methode zur Wärmespeicherung im Sommer bietet und es ermöglicht, Wärme im Winter durch Pumpen zurückzugewinnen). Das Verbundforschungsprojekt EStorage, in dem das Fraunhofer-Institut für Keramiktechnologien und -systeme IKTS eine führende Rolle einnimmt, wird eine nachhaltige, sichere und kostengünstige Natrium-Nickel-Chlorid-Distriktbatterie für die lokale Speicherung von beispielsweise aus Photovoltaikanlagen gewonnenem Strom bereitstellen. Im Projekt smoodACT geht es um die Entwicklung, Gestaltung und Erprobung eines Energiemanagementsystems für Gebäude und Quartiere.
"Durch smood® ist es uns gelungen, ein allumfassendes System zu entwickeln, das einen wichtigen Schritt zum Ausstieg aus fossiler Energie darstellt", sagt Dr. Kersten Roselt, Unternehmenssprecher von smood®. "Wir beginnen mit einigen erstaunlichen Entwicklungen, wie Drohnen-gestützte Bezirksplanung, neue umweltfreundliche Stromspeichersysteme für Bezirke, geothermische Rückgewinnungs- und Wärmespeichermethoden unter bestehenden Gebäuden sowie ein intelligentes, kostengünstiges Energiemanagementsystem für Bezirke."
smoodACT: Intelligente Steuerung der Energieflüsse
Das Fraunhofer IOSB-AST hat sich mit seiner langjährigen Expertise in Energiemanagementsystemen der Koordination des Teilprojekts smoodACT angenommen. Ein Aspekt der Arbeit besteht darin, die Energieflüsse in Bezirken zu bewerten, die bereits energieorientierte Renovierungen durchlaufen haben, und Algorithmen zu verwenden, um sicherzustellen, dass Energie an den Stellen verfügbar ist, an denen sie so effektiv wie möglich genutzt werden kann. Beispielsweise wird geprüft, ob Strom, der an einem sonnigen Tag von einer Dach-Photovoltaikanlage erzeugt wird, aber nicht sofort verbraucht wird, in einen Energiespeicher eingespeist oder zum Laden eines Elektrofahrzeugs oder zum Betrieb einer Wärmepumpe verwendet werden soll. Die eingegebenen Daten ermöglichen dem Energiemanagementsystem automatisierte Entscheidungen über die beste Nutzung der verfügbaren Energie angesichts der aktuellen Situation und des Bedarfs. Bestehende Systeme müssen jedoch auch mit mehr Effizienz angepasst und mit den neuen Komponenten kombiniert werden. Durch Systemoptimierung auf diese Weise ist es möglich, Geräte mit einem effizienten, umweltfreundlichen Ansatz mit lokalen Ressourcen zu betreiben. Als Prof. Bretschneider sagt: "Intelligente Kontrollsysteme allein können Gebäuden helfen, rund 30 Prozent mehr lokale erneuerbare Energien zu nutzen."
Vom Labor zum wirklichen Leben
Einmal das Konsortium — Startschuss 2019 — Am Ende ihrer Phase im Dezember 2022 präsentierten die Projektpartner der Öffentlichkeit die bisher erzielten Ergebnisse und Lösungen. Ab heute ist das gesamte smood®-Konzept bereit für vollständige Tests in Echtzeit unter Laborbedingungen. Die nächsten Schritte beinhalten die Einführung von Demonstrationsprojekten — Mit anderen Worten, reale Modellbezirke, die die Projektteilnehmer bereits mit privaten und kommunalen Wohnunternehmen diskutieren. Laut Prof. Bretschneider, sowohl Privatunternehmen als auch Stadtentwicklungsagenturen, zeigen großes Interesse: "Wir glauben, dass die ersten Projekte in den nächsten vier bis fünf Jahren real anlaufen werden." Private Unternehmen haben sogar darüber nachgedacht, eigene Energieunternehmen zu gründen, ein Ansatz, der es ermöglichen könnte, in Zukunft flache Energietarife für Mieter einzuführen.
Der ebenfalls von der Fraunhofer-Gesellschaft ins Leben gerufene Open District Hub stellt ein Vorbild für die Erprobung laborentwickelter Modelle in praktischen Szenarien dar. Als gemeinnütziger Verein konzentriert er sich auf die erfolgreiche Einführung der Energiewende und die Entwicklung klimaneutraler Städte durch die Nutzung von Synergieeffekten innerhalb von Bezirken; beispielsweise bei der Erzeugung erneuerbarer Energien oder bei der Kopplung von Strom, Wärme und Mobilität. Um zu beurteilen, wie innovative Lösungskonzepte aus Modellen in die Praxis umgesetzt werden, arbeitet Open District Hub bereits mit Referenzdistrikten zusammen, die die breite Palette der Distrikttypen widerspiegeln.
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