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Ein Modell für den naturnahen Wasserhaushalt

Seit 1999 müssen Stadtplaner die urbane Wasserbewirtschaftung möglichst naturnah und umweltfreundlich gestalten. Für eine solche nachhaltige Wasserwirtschaft fehlten teilweise aber noch die Grundlagen. Bislang war es noch kaum erforscht, wie Regenwasser auf verschiedenen Siedlungsflächenverhalten versickert oder verdunstet, und wie sich diese Faktoren auf das städtische Mikroklima auswirken. Im Projekt des Lehrstuhls für Hydrologie der Universität Freiburg entstand deshalb ein Modell, das diese Faktoren für verschiedene Bebauungsarten analysierte und mit unbesiedelten Flächen im Umland verglich. Dafür kartierten die Wissenschaftler das Stadtgebiet von Freiburg und teilten es in verschiedene Oberflächenarten ein, z. B. Pflaster oder Asphalt, Häuser oder städtische Grünflächen ein. Auf verschiedenen Referenzflächen wurde über drei Jahre hinweg gemessen und festgehalten, wie dort Regenwasser verdunstet oder versickert, sich auf Stadtklima und Grundwasser auswirkt und wie effizient das Kanalsystem und bestehende Versickerungsmaßnahmen sind. Der Vergleich mit einer unbebauten Naturfläche im Umland erlaubt Rückschlüsse darauf, wie naturnah der Freiburger Wasserkreislauf ist. In Zusammenarbeit mit dem Eigenbetrieb Wasserwirtschaft der Stadt Freiburg und dem Ingenieurbüro Ernst & Co entstand so ein Instrument, das es zukünftig erlaubt, für einzelne Gebiete oder eine Stadt genaue Vorhersagen zu treffen. Eine Fallstudie in Landwasser ergänzte das Projekt. Aus diesen Erkenntnissen entwickelten die Forscher ein Model, das es auch anderen Städten erlaubt, ihre Wasserwirtschaft künftig nachhaltiger zu gestalten.

Wesentliche Erkenntnisse:

  • Die entwickelten Simulationswerkzeuge erlauben die zeitliche Dynamik des Wasserhaushaltes für die natürlichen, teilversiegelten und versiegelten Flächen, sowie für die dezentralen und zentralen Maßnahmen zur Versickerung von Niederschlag detailliert zu betrachten und in Ihrer Wirkung auf den gesamten Wasserhaushalt des Siedlungsraumes zu bewerten.
  • Anhand des vorliegenden Modells lässt sich der Einfluss von Regenwasserbewirtschaftungsmaßnahmen auf den Wasserhaushalt innerhalb von Siedlungsräumen nun zusätzlich auch in seiner Abweichung vom Wasserhaushalt naturnaher Referenzflächen quantifizieren und bewertet werden. Das Modell ist in allen Siedlungen anwendbar.
  • Die Verfügbarkeit von Wasser in Städten für die Verdunstung kann gezielt zur Verringerung der Erwärmung städtischer Innenräume durch den Klimawandel beitragen. Dazu ist jedoch die genaue Berechnung des Wasserhaushaltes aller Oberflächentypen, sowie zentraler und dezentraler Maßnahmen zur Regenversickerung notwendig.

Projektdaten

Projektnummer 2015-08
Projektart Forschung und Studien
Projektträger Universität Freiburg, Lehrstuhl Hydrologie - Fakultät für Umwelt und natürliche Ressourcen
Laufzeit Mai 2015 bis Juli 2019
Zuschuss 247.969

Ihre Ansprechpartner

Richard Tuth

Richard Tuth

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-29 84

E-Mail: richard.tuth@badenova.de

Michael  Artmann

Michael Artmann

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-22 53

E-Mail: michael.artmann@badenova.de

Einblicke in weitere Förderprojekte:

Realisierung eines "virtuellen" PV-Kraftwerkprototyps im badenova Stromnetz für die Einsatzplanung von regenerativen Stromgeneratoren und dezentralen KWK-Anlagen
Freiburg

Virtuelles Kraftwerk

Seit der Gesetzgeber 1998 den Strommarkt liberalisierte, hat sich dieser stark verändert Neben den großen kommerziellen Anbietern speisen, unterstützt von diversen Förderprogrammen und dem erneuerbare Energien-Gesetz, auch immer mehr gewerbliche und private Kleinanlagen ihren aus regenerativen Quellen erzeugten Strom ins Netz ein. Die zahlreichen dezentralen, unregelmäßig produzierenden BHKW, Wind- ,Wasserkraft- oder Solarstromanlagen machen es für die Netzbetreiber zunehmend schwierig, die jeweils verfügbare Strommenge optimal vorherzusagen und zu steuern. Die Folge sind beispielsweise unerwünschte Stromspitzen. Ein Forschungsvorhaben von badenova und dem Freiburger Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme vernetzte deshalb die dezentralen Anlagen im badenova-Netz zu einem ‚virtuellen Kraftwerk’, dass die einzelnen Standorte zu einem effizienterem, besser koordinierten System zusammenfasst. Erstmals erprobten die Wissenschaftler ihre erarbeiteten Konzepte und Algorithmen in einem größeren Verteilnetz, in dem alternative Energiequellen stark vertreten sind. Anhand von Lastverläufen und Wetterprognosen erarbeitete das Team einen Betriebsführungsassistenten für die Leitwarten der Verteilnetzbetreiber wie Badenova. Diese stehen als Schnittstelle zwischen dem Verbraucher und dem dezentral erzeugten Strom. Indem es den Leitwarten hilft, das System effektiver zu steuern, machen sie das Netz stabiler und erlauben es, flexibler auf den Strommarkt zu reagieren. Mehr Informationen im Abschlussbericht und auf der Homepage des Fraunhofer ISE .

Interkommunaler Gebäudepool zum Energieeinsparcontracting
Lörrach, Weil am Rhein, Denzlingen

Interkommunales Energiecontracting

Obwohl es viele Vorteile bietet, erscheint Energiesparcontracting vielen Städten und Gemeinden noch zu kompliziert. Bei dieser Art des Contractings beauftragt die Kommune einen Unternehmer damit, ihre Gebäude energieeffizienter zu machen. Der Contractor übernimmt alle Kosten, organisiert die Maßnahmen und führt sie durch. Die eingesparten Energiekosten finanzieren die Sanierung. Besonders kleinere Gemeinden glauben oft, nicht genug Einsparpotential bieten zu können. Ein beispielhaftes Projekt in Lörrach, Denzlingen und Weil am Rhein zeigt neue Lösungsansätze. Anstatt ihre Liegenschaften einzeln zu sanieren, fassten die Kommunen sie zu „interkommunalen Gebäudepools“ zusammen, wobei Maßnahmen mit hohem Ertrag weniger wirtschaftliche ausglichen. In Zusammenarbeit mit der Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg (KEA) ermittelten die Städte zunächst ihren Bestand an sanierungsbedürftigen Gebäuden, um diesen anschließend in acht Gebäudepools aufgeteilt auszuschreiben. Auf diese Pools machten die Contractoren ihre Angebote, welche die Experten von KEA einer Grob- und Feinanalyse unterzogen. Zu den Einzelprojekten gehörten unter anderem Sporthallen im Gemeindeverwaltungsverband Denzlingen-Vörstetten-Reute, sowie Gewerbeschulen in Schopfheim und Lörrach, die neue Heizungssysteme benötigten. Im Ergebnis waren die einzelnen Projekte zwar zeitaufwändiger als ursprünglich veranschlagt, trotzdem beanspruchten sie insgesamt deutlich weniger Zeit als herkömmliche Einzelverfahren und entlasteten die Verwaltung. Insgesamt sparen die Kommunen 3900 Tonnen CO2 im Jahr ein. Um anderen Städten und Gemeinden beim Thema Energiesparcontracting zu helfen, entwickelte die KEA eine ausführliche Broschüre, die neben allgemeinen Empfehlungen Antworten auf die häufigsten Fragen sowie ausführliche Checklisten bietet.

TeWaB, Wirkungsgradsteigerung eines BHKW mittels Thermoelektrischem Wärmetauscher
Freiburg

Thermoelektrische Generatoren im Hochtemperaturbereich für BHKW

Wie wirtschaftlich ein BHKW ist, hängt wesentlich von dessen elektrischem Wirkungsgrad ab. Wärmetauscher mit thermoelektrischen Generatoren können aus dem heißen Abgas des BHKWs zusätzlich Strom gewinnen und damit den Wirkungsgrad erhöhen. Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärmeströme zwischen einer warmen und einer kalten Seite in elektrische Energie um. Sie sind robust, weitgehend wartungsfrei und langlebig, jedoch eigneten sich herkömmliche Generatoren nur für Temperaturen bis 200 °C. So bleibt die Wärmeenergie aus dem Abgasstrom ungenutzt. Das Fraunhofer Institut für physikalische Messtechnik (IPM) hat in den vergangenen Jahren erstmals Module entwickelt, die sich für Temperaturen bis 550 °C eignen. Zusammen mit der Firma Schleif Automation, spezialisiert auf den innovativen Anlagenbau, entwickelte das IPM einen thermoelektrischen Generator, der parallel zum vorhandenen Wärmetauscher die BHKW-Abwärme nutzt. Hierdurch kann neben der reinen Brauchwassererwärmung zusätzlich mit Hilfe des Wärmetauschers elektrischer Strom generiert werden. Das Projektteam simulierte zunächst das Verhalten des thermoelektrischen Wärmetauschers bei Betrieb im Abgasstrom eines BHKWs, um eine möglichst hohe Ausbeute an elektrischer Leistung zu erzielen. Danach wurde ein eigens optimierter thermoelektrischer Wärmetauscher hergestellt und in einem von badenova betriebenen Schleif-BHKW eingesetzt. Die anfallenden Daten integrierten die Forscher in die BHKW-Steuerungssoftware, um einen reibungslosen und effektiven Betrieb zu garantieren. Nach dieser Testphase kam der Wärmetauscher in einem von badenova betriebenen Schleif-BHKW zum Einsatz. Das Ergebnis des Projekts zeigte, dass damit der elektrische Wirkungsgrad des BHKWs um etwa 3 % gesteigert kann. In Zukunft könnten solche thermoelektrische Generatoren nicht nur in BHKWs, sondern auch in Fahrzeugen Verwendung finden und so dazu beitragen Treibstoff und CO2 einzusparen. Darstellung drei wesentlicher Erkenntnisse aus dem Projekt: Thermoelektrische Module zur Abwärmeverstromung sind verfügbar und einsatzbereit für Anwendungen Thermoelektrische Module haben ein hohes TRL-Level erreicht und es waren während des Testbetriebs in der realen Anwendung keine Alterungseffekte ersichtlich. Ein Betrieb über 1000 h konnte ohne technische Probleme und ohne Leistungsreduktion nachgewiesen werden. Systemintegrationskonzept von thermoelektrischen Modulen in Anwendungen ist entscheidend für Wirkungsgrad und RoI. Die Erkenntnisse und Erfahrungen aus diesem Projekt haben zu einem neuen Innovationsfonds Antrag geführt, zu einem Projekt mit dem Anwendungsfall der Nutzung von thermoelektrischen Elementen, für die Versorgung von Regelungseinheiten für eine effizientere Feststoffverbrennung . Wie es beispielsweise bei Stückholzkaminen der Fall ist. Damit können solche Feuerungsanlagen ohne Stromanschluss nachgerüstet und der Ausstoß von Schadstoffen verringert werden.