Ingenieure weisen den Weg zu erschwinglicheren, nachhaltigen Stadtvierteln

Eine Analyse der Stanford University könnte politischen Entscheidungsträgern in den USA dabei helfen, Milliarden von Dollar an neuen Bundesmitteln für die Infrastruktur sinnvoller einzusetzen. Die Studie, die am 31. März in der Zeitschrift Frontiers in Sustainable Cities veröffentlicht wurde, stellt einen einzigartigen Rahmen vor, um den effizientesten Gebäudemix für ein Stadtviertel zusammen mit den Systemen zur Abwasserbehandlung, Kühlung, Heizung und Stromversorgung zu entwerfen. Der Ansatz optimiert die stündliche Nachfrage und das Angebot von Strom und Wasser mit integrierten, stadtteilbasierten Kraft- und Wasserwerken, wodurch die Kosten und die Umweltverschmutzung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, die größere Gebiete versorgen, erheblich reduziert werden. Dies wiederum könnte zu besser begehbaren, lebenswerteren und erschwinglicheren Städten führen.

“Anstatt blind zu bauen, können wir diesen Rahmen nutzen, um längerfristig zu denken, Entwicklungseffekte zu prognostizieren und die Pläne mit Zahlen zu untermauern”, sagte der Hauptautor der Studie, Pouya Rezazadeh Kalehbasti, der zum Zeitpunkt der Untersuchung an der School of Engineering in Stanford Bau- und Umweltingenieurwesen studierte.

Städte als Problem und Lösung

Nach Schätzungen der Vereinten Nationen entfallen mehr als zwei Drittel des weltweiten Energieverbrauchs und der Kohlendioxidemissionen auf städtische Gebiete. Ihre Wasserquellen werden durch die globale Erwärmung und die wachsende Bevölkerung zunehmend belastet. Eine Lösung liegt in der Koordinierung der Systeme zur Energieversorgung, Wasserversorgung und Abwasserbehandlung. Im Gegensatz zu den traditionell großen, zentralisierten Anlagen mit getrennten Funktionen kann diese lokale, integrierte Anordnung eine Vielzahl von Effizienzen ermöglichen, z. B. die Nutzung ungenutzter Elektrizität oder Wärme aus einem Stromsystem für den Betrieb eines Abwassersystems oder die Verwendung von Abwasser zur Kühlung eines Stromerzeugungssystems.

Durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien können integrierte Energie- und Wasserkraftwerke relativ kompakt sein – etwa so groß wie zwei oder drei Flachbauten -, hocheffizient und in der Lage, Abwasser in Trinkwasser umzuwandeln. Sie sind geruchsneutral, können mit erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie betrieben werden und stoßen nur geringe oder gar keine Emissionen aus. Jede Anlage kann zwischen 100 und 1.000 Gebäude versorgen, je nach Größe und Einwohnerzahl der Gebäude. In den USA, China und anderen Ländern, insbesondere in Europa und Kanada, gibt es bereits mehr als 4.000 integrierte Energie- und Wassersysteme. Privatunternehmen und Universitäten wie Stanford haben nach der Einführung einer Form dieses Ansatzes erhebliche Energieeffizienzgewinne erzielt.

Optimierung der Systeme

Im Hinblick auf die Optimierung des Konzepts haben die Forscher zwei Szenarien über einen simulierten Betrieb von 20 Jahren modelliert. Das erste Szenario bestand aus einem Gebäudemix und einem Energiesystem, die zusammen mit einer konventionellen zentralen Kläranlage mit Netzstrom betrieben wurden. Im zweiten Szenario wurden fortschrittliche Abwasserbehandlungssysteme – Vorwärtsosmose-Umkehrosmose und Vorwärtsosmose-Membrandestillation – in das Gebäude- und Energiedesign integriert.

Die Analyse ergab, dass die vollständige Integration von Energie- und Wassersystemen in den Gebäudemix zu einer 75-prozentigen Verringerung der sozialen, ökologischen und wirtschaftlichen Schäden durch Kohlenstoffemissionen und zu einer 20-prozentigen Verringerung der Lebenszykluskosten von Anlagen im Vergleich zu herkömmlichen, getrennten Systemen führte. Diese Einsparungen sind in erster Linie auf die Wiederverwendung von Abwärme und Elektrizität bei der Abwasseraufbereitung und die Versorgung des Abwasseraufbereitungssystems mit einem emissionsarmen bis emissionsfreien lokalen Energiesystem anstelle des regionalen Stromnetzes zurückzuführen.

Der in dieser Studie vorgeschlagene Ansatz soll Stadtplanern und Infrastrukturdesignern eine Reihe optimaler Konfigurationen für die Gestaltung eines Stadtviertels aufzeigen. Auf diese Weise könnten sie die Planung integrierter Energie- und Wasserkraftwerke mit Bebauungsvorschriften koordinieren, wie z. B. der Beschränkung von Industriegebäuden, um ökologisch und wirtschaftlich nachhaltigere Stadtviertel zu schaffen.

“Es ist aufregend zu sehen, dass wir durch die Integration bestehender Infrastrukturen mit neuen städtischen Technologien und die Optimierung ihrer Leistung im Einklang neue, substanzielle Wege zur globalen Kohlenstoffreduzierung entdecken können”, sagte Studienmitautor Michael Lepech, Professor für Bau- und Umwelttechnik.

Die Forscher hoffen, dass Stadtplaner eines Tages eine erweiterte Version des Rahmens verwenden werden, um eine Reihe anderer Systeme zu entwerfen, einschließlich Müllabfuhr und Verkehrssteuerung. Im Zuge des technologischen Fortschritts könnte das System auch neue Effizienzen einbeziehen, z. B. die Nutzung von Kraftwerkswärme zur Trocknung von Klärschlamm, wodurch der Entsorgungsbedarf verringert und eine Quelle für erneuerbare Biokraftstoffe geschaffen wird.

Datum: April 5, 2022
Quelle: Universität Stanford


Journal Reference:

  1. Pouya Rezazadeh Kalehbasti, Michael D. Lepech, Craig S. Criddle. Integrated Design and Optimization of Water-Energy Nexus: Combining Wastewater Treatment and Energy SystemFrontiers in Sustainable Cities, 2022; 4 DOI: 10.3389/frsc.2022.856996

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