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Ein integrales Energie- und Stoffstrommodell als Grundlage zur Bewertung einer nachhaltigen Entwicklung urbaner Systeme
Prytula, Michael
Vorindustrielle Städte standen in einer starken Wechselwirkung zu ihrem Umland. In symbiotischer Beziehung bezogen Städte ihre Subsistenzgüter aus der sie umgebenden Landschaft und führten mit ihren Abfallprodukten wichtige Nährstoffe in den Produktionsprozess zurück. Die Größe und das Wachstum der Städte waren daher stark durch die Produktivität der Landnutzungssysteme limitiert. Die Industrialisierung führte mit der Bereitstellung fossiler Energieträger, Kunstdünger und neuartigen Infrastruktursystemen zu einer räumlichen Ausweitung der Stoffflüsse und ermöglichte eine weitgehende Entkopplung der ursprünglichen funktionalen Stadt-Land-Beziehungen. Die Funktionsfähigkeit des Energie-, Stoff- und Wasserhaushalts moderner urbaner Systeme ist derzeit von der kontinuierlichen Versorgung mit fossilen Energieträgern abhängig, was als nicht nachhaltig zu bezeichnen ist. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Frage, wie urbaner Systeme mit einer hohen Bevölkerungsdichte auf der Grundlage erneuerbarer Energien nachhaltig mit Subsistenzgütern versorgt werden können. Ausgehend von einem ökosystemaren Ansatz zur Betrachtung des urbanen Ressourcenhaushalts habe ich in der Arbeit ein Modell entwickelt, dass die Beziehungen von Ressourcenversorgung und Landnutzungssystemen für die vier Subsysteme Ernährung, thermische Gebäudekonditionierung, Haushaltsstrom und Verkehr darstellt. Dabei unterscheide ich nach somatischer Energie (Nahrungs- und Futtermittel) und extrasomatischer Energie (alle anderen für das Funktionieren urbaner Systeme benötigten Energieflüsse). Da diese um die begrenzte Ressource Fläche konkurrieren, wird ein Flächenindikator zur Bewertung herangezogen. Im Gegensatz zur häufig verwendeten Methode des Ökologischen Fußabdrucks kommt in meinem Modell der Betrachtung der raum-zeitlichen Beziehung von Ressourcenbereitstellung und Ressourcennutzung eine wichtige Bedeutung zu. Im Mittelpunkt der Bilanzierung steht eine Klassifizierung nach Stadtstrukturtypen. Diesen sind charakteristische Gebäudeprofile wie Bautypologie, Konstruktion, gebäude- und stadttechnische Infrastrukturen zur Wärmeversorgung, Bewohnerdichte, Energiebedarf usw. zugeordnet. Anhand von beispielhaften Gebäuden, die als Typenvertreter die Stadtstrukturtypen repräsentieren, werden drei verschiedene Heizenergiebedarf-Standards mit bis zu acht verschiedenen Varianten zur Wärmeversorgung energetisch bilanziert. Für den daraus resultierenden spezifischen Endenergiebedarf lässt sich der Bedarf an Energieträgern sowie in Verbindung mit Flächenkennwerten deren Flächeninanspruchnahme zur Bereitstellung berechnen. Das Modell wurde am Beispiel der Region Berlin-Brandenburg exemplifiziert. Mit diesem Modellansatz wurde der Gesamtenergiebedarf des Berliner Wohnungsbestandes für verschiedene Wärmeversorgungsszenarien ermittelt. Die Untersuchung dieser Szenarien ermöglicht Aussagen über die Auswirkungen verschiedener infrastruktureller Entwicklungspfade auf den zukünftigen Bedarf an Energieträgern aus erneuerbaren Energien und deren Flächenwirksamkeit. Die Bilanzierung von vier ausgesuchten Varianten zeigt, dass der Flächenbedarf für eine nachhaltige Versorgung der betrachteten Teilsysteme selbst unter Ausschöpfung erheblicher Effizienzpotentiale bei der energetischen Gebäudesanierung die Flächenverfügbarkeit in der Region bei weitem überschreitet. Eine nachhaltige Versorgung der untersuchten Region erfordert die Erschließung weiterer Effizienzpotentiale in den Bedarfsfeldern Ernährung und Verkehr sowie eines Ausbaus erneuerbarer Energiesysteme, die ohne eine Inanspruchnahme weiterer Landnutzungssystemen auskommen. Gedruckte Version im Universitätsverlag der TU Berlin (www.univerlag.tu-berlin.de) erschienen, ISBN 978-3-7983-2373-5
Pre-industrial cities and their surrounding countryside used to strongly interact with one another. In a symbiotic relationship the towns received their subsistence goods from the urban hinterland, and by returning their waste products also returned important nutrient matter to the production process. Thus, size and growth of the cities were strongly limited by the productivity of the systems governing land use. Industrialization with its provision of fossil energy sources, artificial fertilizers and new infrastructure systems led to a regional expansion regarding the flow of materials and enabled a far reaching deconstruction of the original functional town country relationships. For a functioning supply with energy, material and water, modern urban systems currently depend on the continuous provision of fossil energy, which cannot be considered sustainable. This work focuses on the question of how urban systems with a high population density can be sustainably supplied with subsistence goods on the basis of renewable energy sources. Analysing the urban use of resources from an ecosystemic point of view, I have developed a model, that illustrates the relations between resource supply and systems of land use for the four subsystems food supply, thermal building performance, supply of domestic electricity and transport. I hereby differentiate between somatic energy (food and animal feed) and extra somatic energy (all other energy sources necessary for the functioning of an urban system). As these systems compete with one another for space as a limited resource, a spatial indicator is used for the evaluation. In contrast to the frequently employed ecological footprint method, my model attributes particular importance to the analysis of spatiotemporal relationships of the supply and use of resources. A classification based on the various types of urban structures forms the core of the performance calculation. These structure types are characterised by specific building profiles such as building typology, construction, technical infrastructure of buildings and cities for heat supply, population density, energy demand etc. Based on building examples, representative for particular types of city structures, three different standards for heating energy requirements with up to eight different alternatives for heat supply are analysed with regard to their energy balance. For the resulting specific final energy requirement, the necessary energy sources and – in connection with spatial indicators – the corresponding land use can be calculated. The model was applied to the region of Berlin Brandenburg as an example. The total energy requirement of the Berlin housing stock for various heat supply scenarios was calculated based on this model. The analysis of these scenarios allowed conclusions regarding the effects of different infrastructural development paths on the future need for renewable energy sources and their respective spatial efficiency. The performance calculation of four select options shows, that the spatial requirements for a sustainable supply of the analysed subsystems – even when utilizing substantial energy efficiency potentials regarding building refurbishment – by far exceeds the availability of land in the region. A sustainable supply of the analysed region requires the development of further efficiency potentials in the demand areas food supply and transport as well as the development of renewable energy systems, that work without requiring further land use systems. Printed Version published by Universitätsverlag der TU Berlin (www.univerlag.tu-berlin.de), ISBN 978-3-7983-2373-5
Published by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2374-2
- Zugleich gedruckt veröffentlicht im Universitätsverlag der TU Berlin unter der ISBN 978-3-7983-2373-5.
