Wie holen wir die Energiewende in die Städte?

Was die Energiegewinnung angeht, nehmen Städte also bislang viel und geben eher wenig, auch in Deutschland. Ändert sich das nicht, da sind sich Expertinnen und Experten weitgehend einig, wird die Energiewende scheitern. Denn auch wenn landauf, landab Effizienz gepredigt und praktiziert wird, könnte speziell die Nachfrage nach erneuerbarem Strom weiter steigen. Schließlich sollen in den kommenden Jahrzehnten auch die Mobilität und die Wärmeversorgung weitreichend elektrifiziert werden und die Produktion von grünem Wasserstoff anlaufen.  

“Damit Deutschland bis 2050 treibhausgasneutral werden kann“,  stellten führende Köpfe der deutschen Energieforschung Anfang des Jahres in einem Gutachten für die Leopoldina fest, “müssen alle Potenziale beim Ausbau der Wind- und Fotovoltaikanlagen erschlossen werde.“ Das kann auch als ein Weckruf verstanden werde, die schlummernden Flächen in den Städten zu wecken. 

Energiemosaik statt Megakraftwerke

Mehr Dezentralität gilt als wichtige Voraussetzung, um die Energiewende zu einem Erfolg zu machen: Statt Strom wie im fossil-nuklear geprägten Energiesystem einfach von wenigen großen Kraftwerken aus durchs Land zu lenken, soll die Energieversorgung der Zukunft die Summe vieler kleiner Teile sein. Die Logik dahinter: Wird Energie überall im Land eingefangen, spielt es für das Gesamtsystem eine weniger gewichtige Rolle, wenn die Sonne mancherorts mal wolkenverhangen ist oder Windräder stillstehen.

Außerdem kann Energie verstärkt dort gewonnen werden, wo sie auch verbraucht wird. Das entlastet die Netze und reduziert die Übertragungsverluste, die im vergangenen Jahr immerhin 4,3 Prozent des Gesamtstromverbrauchs in Deutschland ausmachten. Auch der im ländlichen Raum oft unpopuläre Bau riesiger Stromtrassen erübrigt sich.

Bereits bebaute Flächen zur Energiegewinnung zu nutzen, sei vor allem deshalb wichtig, heißt es in der Stellungnahme der Leopoldina weiter, weil dort die Akzeptanz in der Bevölkerung besonders hoch sei. Überall im Land demonstrieren Bürgerinitiativen gegen große Wind- und Solarparks. In der Vergangenheit haben Studien gezeigt, dass eine als fair wahrgenommene Flächenplanung die Akzeptanz erheblich steigern kann. Ebenso ist es vielen Menschen wichtig, die Energiewende natur- und landschaftsverträglich zu gestalten. Den ländlichen Raum zu entlasten ist daher nicht nur eine technische, sondern auch eine gesellschaftliche Frage. 

Während in allen genannten Ansätzen ein gewisses Potenzial steckt, eignet sich in erster Linie die Solarenergie dazu, städtische Räume zu Energieerzeugern im großen Stil zu machen. Zwar sind die Dachflächen in der Stadt im Schnitt kleiner als auf dem Land und häufiger durch umliegende Gebäude verschattet, was die Planung von Fotovoltaik zur Stromerzeugung oder von Solarthermieanlagen komplizierter und etwas weniger profitabel macht.

Doch das Potenzial bleibt massiv, wie eine Studie der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) exemplarisch anhand der deutschen Hauptstadt zeigte: Mindestens 6 Gigawatt könnten dort allein mit Dachanlagen erzeugt werden. Damit ließen sich etwa 44 Prozent des momentanen Berliner Stromverbrauchs decken. Für Dresden kommt eine noch unveröffentlichte Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) auf ein Potenzial von 3,6 Gigawatt. 

Um das Potenzial besser auszuschöpfen, werden verschiedene politische Maßnahmen diskutiert: etwa eine Solarpflicht für Neubauten, die in Baden-Württemberg, Hamburg und Bremen bereits beschlossene Sache ist und mittlerweile auch auf Bundesebene diskutiert wird. Oder eine unbürokratische Regelung, um Solaranlagen auch auf Mietshäusern attraktiver zu machen, in denen gerade in größeren Städten ein Großteil der Bevölkerung lebt.

Klar ist aber auch, dass die Dachflächen allein selbst bei einem zielstrebigen Ausbau nicht ausreichen werden. Deshalb suchen Forscherinnen und Forscher nach neuen Wegen, die Flächen der Städte für die Energiegewinnung nutzbar zu machen.

Das Potenzial der Solarenergie endet nicht auf Dächern

Um mehr darüber zu erfahren, wie die Gebäude der Zukunft aussehen könnten, macht Björn Rau sich eines davon zu seinem Arbeitsplatz. “Wir bauen ein Reallabor“, sagt der Leiter der Beratungsstelle für bauwerkintegrierte Photovoltaik (BAIP) am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).

Momentan entsteht auf dem HZB-Gelände in Berlin-Adlershof ein Gebäude, das neue Erkenntnisse darüber bringen soll, wie Solarenergie nicht nur auf Dächern, sondern auch möglichst effizient an Häuserfassaden gewonnen werden kann. Die Außenhülle des etwa 670 Quadratmeter großen und 13 Meter hohen Komplexes besteht auf der Süd-, West- und Nordseite zu unterschiedlichen Anteilen aus insgesamt 360 integrierten Dünnschicht-Solarmodulen. Innerhalb der Fassade stecken Sensoren, die für Rau und sein Team unter anderem wichtige Informationen über die Wärmeentwicklung sammeln sollen. “Wir untersuchen das Wechselspiel zwischen den Solaranlagen in der Fassade, der Sonneneinstrahlung und der Gebäudephysik“, sagt Rau.

Solaranlagen nicht mehr als Aufsatz eines Gebäudes, sondern als Bauteil zu begreifen, hält er in der städtischen Energiezukunft für zentral. “Auf den Dächern konkurrieren Solarmodule mit vielen anderen technische Anlagen – Klimaanlagen, Belüftungsschächten und so weiter. Wegen der Erderwärmung werden das künftig vielleicht eher noch mehr als jetzt“, sagt Rau.

Fassaden seien hingegen gewissermaßen Flächen ohne Konkurrenz. Sie dienen in der Regel zu nichts außer dem Schutz des Gebäudes vor Wind und Wetter, sind gewissermaßen “inaktiv“, wie Rau es nennt. Dazu kommt, dass in Städten wegen der oft hohen Grundstückspreise immer stärker in die Höhe gebaut wird. Die verfügbare Fläche steigt also mit jedem Stockwerk, während die Dachfläche identisch bleibt.

Sind Fassaden die besseren Dächer?

Das Potenzial gilt auch hier als groß. Nach Berechnungen des Fraunhofer-Instituts sind in Deutschland insgesamt über 2500 Quadratkilometer Fassadenflächen für die Installation von Fotovoltaikanlagen geeignet. Wegen der geringeren Sonneneinstrahlung fällt der Ertrag aus Fassadensolarmodulen zwar in der Regel etwas geringer aus als auf dem Dach. Trotzdem rechnet die Studie mit einem jährlichen Strompotenzial von fast 238 Terawattstunden – fast die Hälfte des gesamten deutschen Verbrauchs des vergangenen Jahres. Hinzu kommt, dass die Module mittlerweile so weit sind, andere Baustoffe an den Fassaden zu ersetzen und so als Nebeneffekt auch noch Ressourcen sparen könnten.

Obwohl die Überlegung, Gebäudewände mit Solaranlagen zu bestücken, schon seit Jahrzehnten existiert, hat sie sich bis heute nur bedingt durchgesetzt. Das liegt zum einen an den lange vergleichsweise hohen Kosten, die durch den Preisverfall von Solarzellen mittlerweile deutlich gesunken sind. Entscheidend war aber auch, dass sich viele Bauherren ebenso wie Architekten nicht mit der Ästhetik der Anlagen anfreunden konnten. Mittlerweile gibt es Solarmodule aber längst in den unterschiedlichsten Farben, die zwar etwas weniger Energie umwandeln als die herkömmlichen schwarzen Flächen, dafür aber optisch gut in verschiedene Gebäude zu integrieren sind. Auch der Wirkungsgrad der Module wird immer besser.

Das gilt auch für ein Patent, das den Effekt auf den Flügeln des Morpho-Schmetterlings auf Fotovoltaikmodule überträgt. Trotz fehlender Pigmentierung sind die Tiere strahlend blau – allein durch die Brechung des Lichts auf kleinen tannenbaumförmigen Rillen auf ihren Flügeln. Die entsprechenden Solarmodule simulieren diesen Effekt: Sie arbeiten mit einer schwarzen Fläche, um möglichst viel Energie zu absorbieren, werden beim Betrachten aber als farbig wahrgenommen. Andere Projekte integrieren Solarzellen in Glasscheiben, um auch Glasfassaden und Fenster für die Energiegewinnung zu nutzen.

Straßen als Kraftwerke

Die Gebäude dürften also die Fixpunkte einer innerstädtischen Energiegewinnung werden. Aber auch in Fahrbahnen und Gehwegen stecken ungeahnte Möglichkeiten. Ein Berliner Unternehmen entwickelt beispielsweise einen Straßenbelag, unter dessen Glasoberfläche Fotovoltaikmodule Strom erzeugen. Ausgereift ist die Technologie noch nicht, im vergangenen Jahr scheiterte ein erstes Pilotprojekt in Erftstadt bei Köln.

Ein Problem ist, dass die Anlagen auf den viel befahrenen Straßen der Metropolen ohnehin nicht genug Sonne abbekommen, um rentabel zu sein. Und die Streuung auf der zum Schutz der Anlagen notwendigen dicken Glasschicht sorgt bislang für einen unterdurchschnittlichen Wirkungsgrad.

Durchaus sinnvoll könnte hingegen die Installation von Fotovoltaik auf Lärmschutzwänden und Seitenstreifen großer Durchfahrtsstraßen sein. In einem frisch gestarteten Projekt erprobt das Austrian Institute of Technology (AIT) künftig eine solare Straßenüberdachung, die nicht nur Strom erzeugen, sondern auch den Asphalt schützen soll. Auf großen Parkplätzen existieren derartige Überdachungen stellenweise bereits.

Dazu könnten verschiedene urbane Kleinanwendungen kommen, die überall in der Stadt verteilt Solarstrom ins Netz einspeisen könnten: Riesige Sonnenschirme etwa, die in integrierten Solarzellen Strom erzeugen, aber auch Passantinnen und Passanten vor Sonne und Regen schützen oder nachts dunkle Plätze beleuchten könnten. “Wir werden immer mehr Fotovoltaik bekommen und keiner wird es merken“, glaubt Harry Wirth, der am Freiburger Fraunhofer-Institut den Forschungsbereich “Integrierte Photovoltaik“ leitet. “Sie wird in den Städten praktisch alle bebauten Flächen erobern und sich auf den verschiedensten Oberflächen wohlfühlen.“

Eine Stadt braucht ihr Umland

Klar ist aber auch: Selbst wenn Solarkollektoren eines Tages jeden verfügbaren Zentimeter Stadt bedecken sollten, würde das allein unsere Energieversorgung noch nicht nachhaltig machen. Aus vielen Einzelteilen muss schließlich ein funktionierendes System werden. Gerhard Stryi-Hipp forscht in Freiburg zu “Smart Energy Cities“ und betont: “Damit eine Stadt sich künftig tatsächlich in jeder Stunde eines Jahres vollständig aus erneuerbaren Energiequellen versorgen kann, sei eine Kooperation mit ihrem Umland unerlässlich.“

“Eine Stadt muss gewisse Ressourcen, die sie selbst nicht hat, aus der Region importieren“, sagt Stryi-Hipp. Ein zuverlässiges und nachhaltiges erneuerbares Energiesystem – das gilt für eine Stadt ebenso wie bundesweit – brauche nämlich zwangsläufig beide Zugpferde der Energiewende: Wind- und Solarenergie. Schließlich ergänzen sie sich gut: Während die Solarenergie logischerweise vor allem in den Sommermonaten ertragreich ist, dominiert die Windkraft im Winter und kann auch in der Nacht Strom liefern.

Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten werden die beiden in Stryi-Hipps Überlegungen von jenen Energieformen flankiert, deren Ertrag besser steuerbar und weniger stark von externen Einflüssen abhängig ist: Geothermie, die Verwertung von Abfällen oder Biomasse oder Wasserkraft. So würde die urbane Energiewende zu einem regionalen Kooperationsprojekt.

Wie umgehen mit den Schwankungen?

Wie das Zusammenspiel aussehen könnte, hat Stryi-Hipps Abteilung am Beispiel von Frankfurt am Main kalkuliert. Die Stadt möchte ihren Energiebedarf bis 2050 zu 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen decken und müsste dafür der Forschungsgruppe zufolge zwingend auch auf Windkraft und Biomasse aus anderen Teilen Hessens zurückgreifen. Denn: Betrachtet man die Potenziale der Metropolregion allein, wäre die Stadt zu sehr von der Fotovoltaik abhängig. “Das heißt, man hat im Winter große Defizite und müsste dann mit sehr großen Batteriekapazitäten vieles kompensieren“, erklärt er. Die notwendigen Langzeit-Energiespeicher für eine ganze Metropole bereitzustellen, ist – zumindest derzeit – kaum zu stemmen.

Gerade weil überschüssige Energie sich nicht ohne Weiteres in großen Mengen und über einen längeren Zeitraum speichern lässt, dürfte es auch zur urbanen Energiezukunft gehören, sie schlau zu nutzen. Intelligente Stromnetze, die besonders energieintensive Prozesse und Anwendungen etwa vorrangig dann einleiten, wenn gerade besonders viel Energie verfügbar ist, dürften an Bedeutung gewinnen.

Gleiches gilt für die Sektorenkopplung. Das Konzept geht von dem Gedanken aus, Strom und Wärme nicht mehr als getrennte Netze, sondern als Bestandteile desselben Konstrukts zu sehen. Überschüssiger Strom wird dabei etwa genutzt, um Pumpen zu betreiben und so die Energie aus der Luft, warmen Abwässern, Flüssen oder oberflächennaher Erdwärme nutzbar zu machen. Aus überschüssiger elektrischer wird thermische Energie, die dann den Wärmenetzen zur Verfügung steht.

Autos, die arbeiten – für Eigentümer und das Gesamtsystem

Sobald der Verkehr stärker elektrifiziert worden ist – also Strom und Mobilität gekoppelt sind –, dürfte speziell in zugeparkten Städten auch die wachsende Zahl von E-Autos interessant werden. Ihre im Einzelnen betrachtet recht limitierten Batteriekapazitäten könnten in der Summe dazu beitragen, die Belastung der Stromnetze zu steuern. “In Zukunft wird ein Auto, das nachts am Straßenrand steht, nicht mehr einfach nur da stehen“, sagt Harry Wirth. “Es wird für seinen Eigentümer arbeiten und Geld verdienen dadurch, dass es sich nützlich macht."

Denn: Im Schnitt stehen Pkw 23 Stunden am Tag. Sind die E-Fahrzeuge in dieser Zeit mit dem Netz verbunden, könnten ihre Besitzerinnen und Besitzer sie gegen eine Entlohnung dem System zur Verfügung stellen: In Flautenzeiten würde ein Teil des Stroms von den Autobatterien entnommen, um anderswo den Bedarf zu decken. Brennt die Sonne hingegen besonders stark vom Himmel und droht die Netze zu überlasten, könnten die Fahrzeuge dann eifrig Strom aufnehmen und die eigenen Akkus wieder füllen. Die grundlegende Technologie für das sogenannte bidirektionale Laden existiert bereits und Geschäftsmodelle sind in der Entwicklung.  

Das Beispiel zeigt: Es sind viele kleine Puzzleteile, die das städtische Energiesystem der Zukunft ausmachen dürften. Gerhard Stryi-Hipp meint: “Wenn wir ernsthaft über ein zu 100 Prozent CO2-neutrales Energiesystem nachdenken, dann müssen wir all diese kleinen Potenziale nutzen“. Die Energiezukunft wird also komplexer und bunter – überall, aber besonders in den Städten.

Autor: Jannis Carmesin