Auf der Grundlage von Interviews mit Interessenvertretern wie Architekten, Ingenieuren und der Stadt Zürich schlägt der Artikel verschiedene PV-Implementierungen und deren Vorteile in vier verschiedenen Größenordnungen vor: Buswartehallen, Parkplätze, Plätze und Brücken.
Um Städte nicht nur zu großen Energieverbrauchern, sondern auch zu Energieerzeugern zu machen, ist die Integration von Solarenergie, genauer gesagt von Photovoltaik (PV), in die Stadtplanung notwendig und entspricht den aktuellen politischen Beweggründen. Die Kohlenstoffemissionsziele in Verbindung mit den Folgen des Krieges in der Ukraine haben den Bedarf an erneuerbarer Energieerzeugung noch nie so sehr in den Vordergrund gerückt wie heute. Wenn wir über PV-Integration sprechen, unterscheiden wir zwischen BAPV (Building Applied PV), bei dem das System an das Gebäude angebaut oder befestigt wird, und BIPV (Building Integrated PV), bei dem das Ziel darin besteht, andere Funktionen der Gebäudehülle zu ersetzen. Während Freiflächen-PV (Photovoltaik) und BIPV (gebäudeintegrierte Photovoltaik) weithin anerkannte Lösungen sind, die zur Steigerung der erneuerbaren Energieerzeugung beitragen, ist der Begriff UIPV (urbane integrierte Photovoltaik) noch nicht häufig zu hören. Dieser Artikel konzentriert sich nicht auf die Gebäude, sondern auf den Raum zwischen den Gebäuden und zeigt das Potenzial für UIPV in der Stadt Zürich auf. Wie gross ist das Potenzial? Welches sind die Hindernisse und die möglichen Synergieeffekte? Wie könnte es aussehen?
Der steigende Strombedarf der Städte und die Abstimmung von Energieerzeugung und -verbrauch rechtfertigen den hohen Bedarf an Solarstromerzeugung im städtischen Kontext. Die PV-Technologie benötigt jedoch mehr Fläche als herkömmliche Stromerzeugungstechnologien pro erzeugter Energieeinheit. Daher sind in städtischen Gebieten die erforderlichen Flächen knapp, was zu Nutzungskonflikten führt, z. B. auf Baustellen oder in Gebieten zum Schutz der biologischen Vielfalt. Um die Akzeptanz von Urban Integrated Photovoltaics (UIPV) zu fördern, ist es unerlässlich, dass UIPV-Systeme nicht nur Strom produzieren, sondern auch anderen Zwecken wie der Beschattung dienen.
Der Artikel konzentriert sich auf 5 gängige städtische Objekte in verschiedenen Größenordnungen, um ihr Potenzial für die Stromerzeugung und darüber hinaus zu erörtern.
- Buswartehallen
- Parkplätze
- Plazas
- Brücken
- Parks
Zur Bewertung des Potenzials haben wir georeferenzierte Open-Source-Daten verwendet, um städtische Objekte innerhalb der Stadt zu identifizieren. Für jeden Maßstab wird ein Integrationsansatz vorgeschlagen, der architektonische, technische, ökologische und sozio-ökonomische Aspekte berücksichtigt. Um die Durchführbarkeit der Designvorschläge zu gewährleisten, wurden Interviews mit Interessengruppen der Stadt Zürich durchgeführt. Dazu gehören zum Beispiel das Energiereferat und die Verkehrsbetriebe VBZ.
Übersicht
Die Karte unten zeigt die Lage der oben erwähnten Skalen im Stadtzentrum von Zürich. Die Tabelle und die Grafik fassen das gesamte PV-Potenzial in Bezug auf die verfügbare Fläche und das theoretische Energieerzeugungspotenzial zusammen.
Die Analyse zeigt, dass Parkanlagen in der Stadt Zürich ein sehr hohes Potenzial für die PV-Stromproduktion aufweisen. Die Integration von PV in Parkanlagen ist jedoch mit verschiedenen Herausforderungen verbunden, darunter die Erhaltung der Biodiversität, die Abschwächung des Schattenwurfs von Bäumen und die Bewältigung von Problemen der sozialen Akzeptanz. Die Ergebnisse der durchgeführten Interviews mit den Beteiligten bestätigen, dass die Integration von PV in Parks schwierig und unwahrscheinlich ist. Daher haben wir beschlossen, Parks von der weiteren Untersuchung auszuschließen, so dass uns vier städtische Strukturen verbleiben: Bushaltestellen, Parkplätze, Plätze und Brücken. Diese Strukturen bieten vielversprechende Möglichkeiten für die Integration von PV, und wir werden sie nun weiter untersuchen.
Buswartehallen
Das Hauptziel der Integration von Photovoltaik (PV) in eine Wartehalle ist es, energetische Autonomie zu erreichen, indem Strom für Beleuchtung, Lautsprecher und Werbung bereitgestellt wird. Aufgrund ihrer geringen Größe ist der PV-Ertrag von Buswartehallen jedoch stark von der örtlichen Verschattungssituation abhängig. Daher muss jedes Wartehäuschen individuell analysiert werden, indem das Sonneneinstrahlungspotenzial jedes einzelnen Wartehäuschens bewertet und simuliert wird. Darüber hinaus bieten Wartehallen eine interessante pädagogische Plattform, um Fahrgäste über PV-Technologie zu informieren, während sie einige Minuten auf ihre Straßenbahn oder ihren Bus warten. Um den Komfort und die Sicherheit der Fahrgäste zu gewährleisten, haben die Wartehallen in der Regel transparente Wände. Daher ist der Einsatz transparenter PV-Technologien wie organische Photovoltaik (OPV) oder das Hinzufügen von Abständen zwischen den Zellen wichtig, um die Transparenz zu erhalten und dennoch Strom zu erzeugen. Die nachstehende Abbildung zeigt verschiedene PV-Technologien und ihre entsprechenden Umwandlungswirkungsgrade.
Parkplätze
Im Hinblick auf die Integration von Photovoltaik (PV)-Systemen sind Parkplätze aufgrund ihres funktionalen Charakters und ihres mineralischen Raums eine besonders geeignete städtische Struktur. Die Möglichkeit, eine Dachkonstruktion mit PV zu realisieren, wird in diesen Bereichen leicht akzeptiert. Darüber hinaus können mit der zunehmenden Anzahl von Elektrofahrzeugen und der Entwicklung der Vehicle-to-Grid-Technologie (V2G) Synergien erzielt werden, indem Stromerzeugung, -verbrauch und -speicherung kombiniert und optimiert werden. Im Folgenden wird das Solarpotenzial einer 17.000 m2 großen Dachkonstruktion auf dem P+R-Gelände im Werdhölzli grafisch dargestellt. In diesem Fall wird die Stromproduktion mit dem Verbrauch des Tram- und Busnetzes kombiniert. Die Spitzen der Solarstromproduktion werden in Elektrofahrzeugen gespeichert und ins Netz zurückgespeist, wenn die Nachfrage die Produktion übersteigt.
Plazas
Plätze, die hauptsächlich aus mineralischen Böden bestehen und sich häufig in Stadtzentren befinden, bieten einen offenen Raum mit günstigen solaren Bedingungen für die Erzeugung von Strom aus Photovoltaik (PV). Der bauliche Kontext von Plätzen wird jedoch häufig durch das kulturelle Erbe bestimmt und reagiert daher sehr empfindlich auf jegliche architektonische oder visuelle Veränderungen. Um den Effekt der städtischen Wärmeinsel in diesen Bereichen abzuschwächen, wird die Verwendung einer PV-Überdachung als Zusatznutzen vorgeschlagen. Studien haben nämlich gezeigt, dass ein PV-Dach über einem Bürgersteig die Oberflächentemperatur wirksamer reduzieren kann als eine städtische Forstwirtschaft. Um die architektonische Atmosphäre des Umfelds zu erhalten, wird eine leichte, semi-permanente Struktur für die Installation der PV-Überdachung vorgeschlagen. Bei grösseren Flächen, wie dem Sechseläutenplatz, könnte eine solche Struktur sogar das kulturelle und soziale Erlebnis dieser Plätze verbessern, indem sie schattige Bereiche bietet (siehe Abbildungen unten).
Brücken
Das Potenzial für die Erzeugung von Solarenergie auf Brücken ist beträchtlich, da sie ungehindert dem Sonnenlicht ausgesetzt sind und nicht durch städtische Strukturen verschattet werden. Die Installation von Fotovoltaikanlagen auf Brücken erfordert jedoch eine sorgfältige Planung, da es keine tragenden Strukturen gibt. Aufgrund der Nähe zu einer Verkehrsachse ist der Bau einer solchen Struktur aus Sicherheitsgründen komplexer als anderswo. Es werden zwei Ansätze in Betracht gezogen: eine vertikale Wandinstallation an den Seiten der Brücke oder eine horizontale Installation, um ein Vordach über der Brücke zu schaffen. Im Vergleich zu anderen städtischen Objekten sind die Flächen, die für die Installation von PV-Panels auf Brücken zur Verfügung stehen, viel größer und somit sichtbar. Daher müssen bei der Planung eines Vordachsystems sowohl Design- als auch Konstruktionsaspekte berücksichtigt werden. Als Beispiel wird in Abbildung 1 die Europabrücke in der Region Zürich Altstetten gezeigt.
Mitnehmen:
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Interesse der Beteiligten an der Nutzung der integrierten städtischen Photovoltaik (UIPV) groß ist, obwohl es an interdisziplinärem Fachwissen fehlt, um Architektur, Technik, städtische und soziale Aspekte für eine erfolgreiche Integration zu kombinieren. Es werden Pilot- und Forschungsprojekte empfohlen, um diese Herausforderung anzugehen. Ähnlich wie bei der Umsetzung der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) erfordert die erfolgreiche Integration der UIPV klare Rollen und Zuständigkeiten zwischen den Beteiligten.
Auf der Grundlage der Bewertung werden Parkplätze als die praktikabelste Option für die Installation von UIPV angesehen, da sie eine geeignete Fläche für die Installation von PV-Anlagen bieten und gleichzeitig den städtischen Wärmeinseleffekt reduzieren und Autos als Batterien nutzen können. Buswartehallen sind zwar klein, können aber eine wertvolle Möglichkeit sein, das Bewusstsein für diese Technologie zu schärfen und sie bei den Nutzern zu fördern. Letztlich kann die UIPV bestehende PV-Lösungen wie BIPV oder Freiflächen-PV ergänzen, indem sie Strom dort erzeugt, wo er verbraucht wird und sichtbar ist.
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