Klima-Stress

Webspecial zur Titelstory des Fraunhofer-Magazins 1.2021

Extremwetterlagen nehmen zu: Seit 1980 hat sich die Zahl der klimabezogenen Katastrophen mehr als verdrei­facht. Das ist auch in Deutschland deutlich spürbar. Jetzt im Frühjahr, aber auch im Herbst lassen Starkregenereignisse Flüs­se und Bäche häufig über die Ufer treten, überlasten die Kanalisation und setzen Keller unter Wasser. Im Sommer drohen Dürre und Wassermangel – mit Folgen für Landwirtschaft und Industrie.

Es ist an der Zeit, unsere Städte auf die Auswirkungen des Klimawandels vorzu­bereiten. Wie schnell und konsequent Le­bensgewohnheiten geändert werden kön­nen, hat die Corona-Krise gezeigt. Dabei werden wir – so hart es auch klingen mag – mit jeder Krise besser darin, sie zu meis­tern. »Lassen Sie sich niemals eine gute Krise entgehen!«, formulierte es Winston Churchill.  

 

Stark gegen Starkregen und Dürre

Die Maß­nahmen, die unsere Städte resilienter ge­gen den Klimawandel machen, haben einen entscheidenden Vorteil – sie machen sie auch lebenswerter. Wie das gehen kann, zeigen Resilienzfor­scherinnen und -forscher am Fraunhofer-Institut für System- und Innovations­forschung ISI.

Naturnaher Wasserkreislauf für 16 000 Quadratmeter Neubaugebiet

Wie ein naturnaher Wasserkreislauf in städtischer Bebauung konkret aussehen kann, untersucht ein Forscherteam des Fraunhofer ISI im Projekt i.WET, kurz für Integriertes Wasser-Energie-Transi­tionskonzept. Es wird derzeit auf der Coers-Fläche im nordrhein-westfälischen Lünen umgesetzt, auf einem fast 16 000 Quadratmeter großen ehemaligen Ge­werbegebiet, das nun mit sieben Wohn­blöcken neu bebaut wird.

 

Wohin führt die Straße der Zukunft?

Die Optimierung des Wasserkreislaufs ist auch ein Schwerpunkt im Projekt »Stra­ße der Zukunft« des Fraunhofer IGB und des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirt­schaft und Organisation IAO.

 

Projekt »Bauphysik urbaner Oberflächen«

Ein weiterer Ansatzpunkt, um Stark­regenereignissen und Dürren etwas ent­gegenzusetzen, liegt in den Bodenbelägen. Statt Straßen, Radwege und Bürgerstei­ge mit Asphalt oder Pflastersteinen zu versiegeln, experimentieren Experten­teams am Fraunhofer-Institut für Bau­physik IBP im Projekt »Bauphysik urba­ner Oberflächen« mit einer hydroaktiven Verkehrsflächengestaltung.

Grüne Dächer und Fassaden – ein Roboter pflegt die Flächen

Wie sich grüne Außenwände auf das Stadt­klima auswirken, hat Dr. Afshin Afshari am Beispiel von Abu Dhabi in einer mo­dellbasierten Analyse untersucht.

Grüne Fassaden brauchen aufwen­dige Pflege, dafür sind Ge­rüste, Hebebühnen oder Industriekletterer erforderlich. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktions­technik und Automatisierung IPA haben in ihrer Machbarkeitsstudie »Green Wall Robot« eine einfachere Methode ersonnen.

Was genau naturnahe Lösungen leisten können, untersucht ein Konsortium mit zehn Städten im EU-Projekt »Urban Nature Labs«.

 

Erfolge nur, wenn alle Akteure sich beteiligen

Das Fraunhofer IAO untersucht dabei: Wie kann der Transfer der Maßnahmen in andere Städte gelingen? »Eine One-size-fits-all-Lösung gibt es nicht. Unsere Erfah­rungen zeigen: Es ist wichtig, alle Akteure zusammenzubringen und gemeinsame, lokal angepasste und wissensbasierte Lösungen zu erarbeiten«, sagt Sophie Mok, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IAO.

Im Klima-Stress

Die Wetter-Extreme nehmen zu. Doch es gibt Gegenmaßnahmen

© Heinz Heiss

Intelligentes Wassermanagement

Klimaproblem Überschwemmung: Sophie Mok vom Fraunhofer IAO weiß, dass es keine Patentlösungen gibt. Intelligentes Wassermanagement allerdings kann vielen Städten helfen.

© Heinz Heiss

Wasserspeicherung in Straßen

Michael Würth will Wasserspeicherung in den Straßenbau integrieren.

© Heinz Heiss

Stark gegen Starkregen und Dürre

»Fokussieren wir uns auf Dürre und Starkregenereignisse, so ist die grundlegende Frage: Wie gestalten wir den urbanen Wasserkreislauf?«, sagt Dr. Susanne Bieker, Leiterin des Querschnittsthemas »Transformations- und Innovationssysteme urbaner Räume« am Fraunhofer ISI.

© Heinz Heiss

Blau-grüne Technologien

Wasser auffangen? Dr. Marius Mohr vom Fraunhofer IGB plädiert für eine »robuste und effiziente Steuerung der blau-grünen Technologien«.

Wie entwickelt sich das Klima in den Räumen bis 2100?

Möchte man Hitzestress für die Bewohner von Städten vermeiden, genügt es nicht, Straßenzüge und Plätze mit urbanem Grün angenehmer zu temperieren. Vielmehr gehört auch das Innenraumklima in den Gebäuden dazu. Eine solide Grundlage, um dieses zu bewerten, lieferte das EU-Projekt »Climate for Culture«, an dem ein multidisziplinär zusammengesetztes Team mit 27 Partnern aus Europa und Ägypten beteiligt war und das vom Fraunhofer IBP koordiniert wurde.

»Wir haben das hygrothermische Gebäudesimulationsmodell WUFI®Plus mit Klimamodellen gekoppelt«, konkretisiert Dr. Johanna Leissner, Repräsentantin der Fraunhofer-Gesellschaft im Forschungskonsortium. »Auf diese Weise können wir das Innenraumklima von Gebäuden bis zum Jahr 2100 simulieren und analysieren, wie sich der Klimawandel, aber auch bauliche Maßnahmen wie neue Fenster, Türen oder eine Abschattung auf das Innenraumklima auswirken und welcher zukünftige Energiebedarf für die Klimatisierung der Gebäude dadurch entsteht.« Eine solche Kopplung von Klimamodellen mit Gebäudesimulationen ist bisher weltweit einmalig – und erforderte viel Forschungsarbeit. So mussten die Forscherinnen und Forscher zunächst einmal die Parameter festlegen, welche für die Gebäudesimulation gebraucht werden, und diese dann aus den Klimamodellen herausrechnen. Dazu galt es, die Klimaparameter mit einer Auflösung von zehn mal zehn Kilometern über ganz Europa bis zum Jahr 2100 zu berechnen, und zwar für zwei verschiedene Szenarien, da die tatsächliche zukünftige Emission von Klimagasen nur abgeschätzt werden kann. »Es war ein riesiges Datenvolumen, das wir hier verarbeiten mussten, bevor wir es in die Gebäudesimulation einspeisen konnten«, erinnert sich Leissner. Diese ermittelten Parameter validierte das Forscherteam mit Klimadaten der Vergangenheit. Im Fokus des Projekts standen zwar historische Gebäude und Kulturerbe, doch eignet sich die Simulation für Gebäude aller Art.

Orkanböen und Starkwind

Weniger aufsehenerregend als Dürre, Starkregen und steigende Temperatu­ren sind Orkanböen und starker Wind – ebenfalls relevante Auswirkungen des Klimawandels. Hier gilt es, Windschnei­sen gezielt zu durchbrechen, ohne die positiven Auswirkungen der Durchlüf­tung zur Abkühlung während der Som­mermonate zu mindern. »Wie der Wind sich seinen Weg durch Städte sucht, ist neben der Topographie vor allem durch die menschengemachten Hindernisse vor­gegeben – sprich durch die Gebäude«, sagt Matthias Winkler vom Fraunhofer IBP. »Wir haben also nur wenige Möglichkei­ten, Windschneisen abzumildern, da wir die bestehende Baustruktur ja nicht groß­flächig ändern können.« Eine dieser weni­gen Möglichkeiten liegt darin, Baulücken nicht abschließend mit anderen Häusern zu bebauen, sondern das neue Gebäude etwas versetzt hochzuziehen. Eine weitere sind Bäume, Sträucher oder Kunstwerke, die am Anfang einer Windschneise ste­hen und die ungehinderte Windpassage durchbrechen.

In welchen Straßenzügen einer Stadt der Wind besonders stark pfeift und wie sich solche Maßnahmen konkret auf be­sonders windige Ecken bestimmter Städte auswirken, lässt sich mit dem Stadtklima­modell PALM-4U analysieren. Das Modell wird im Projekt »Stadtklima im Wandel« von einem Forschungskonsortium entwi­ckelt, dem auch das Fraunhofer IBP ange­hört. »Über PALM-4U können wir sowohl Temperaturverläufe bis auf Gebäudeebene räumlich darstellen als auch Windschnei­sen simulieren«, erläutert Winkler.

Die Stadt Berlin wurde bereits simuliert: Mit dem Modell können künftig Wind-Hot­spots aufgedeckt und Lösungsansätze auf ihre Wirkung untersucht werden. Bringen sie den erhofften Effekt? Für die Stadt Stutt­gart erstellen die Forscher derzeit ebenfalls ein Modell, Ende 2021 soll es fertig sein.

Im Teilprojekt ProPolis wollen die Fraun­hofer-Forscher das Stadtklimamodell in die Praxis bringen und es entsprechend den Bedürfnissen von Kommunen und anderen Anwendern weiterentwickeln. Dazu gehören unter anderem eine graphi­sche Benutzeroberfläche und Schulungs­konzepte. Denn: Je praxistauglicher und leichter zu bedienen, desto mehr Kommu­nen, Städte und Gemeinden werden es ver­mutlich nutzen. Im Projekt UCare4Citizen bereiten die Forscher die Simulationser­gebnisse so auf, dass die komplexen Infor­mationen via Augmented-Reality-Brille erfahrbar werden. Im Projekt KERES un­tersuchen die Forscher unter anderem die Auswirkungen von extremen Stürmen auf Kulturgüter und betrachten dabei sowohl historische Gebäude als auch Gartenan­lagen.

Technologien an sich? Nicht das Problem!

Eine Herausforderung, die sich wie ein roter Faden durch einen Großteil der Pro­jekte zur Anpassung an den Klimawandel zieht: Die Technologien sind größtenteils vorhanden. »Die Schwierigkeit liegt viel­mehr in der Umsetzung«, sagt Dr. Susan­ne Bieker vom Fraunhofer ISI. Oft käme das Argument, die Maßnahmen seien zu teuer. Diesen Einwand lässt Bieker jedoch nicht gelten: »Es gibt zahlreiche Förder­mittel. So übernimmt die Zukunftsini­tiative ›Wasser in der Stadt von morgen‹ teilweise bis zu 100 Prozent der Kosten. Auch bieten viele Städte ein ›Grüne-Dä­cher-Programm‹. Gewohnheit kombiniert mit Unwissen und Legendenbildung ver­hindern häufig, dass das Geld auf die Straße gebracht wird«, weiß Bieker. Eine solche Legende lautet: Photovoltaik und Gründächer lassen sich nicht kombinie­ren. Völliger Blödsinn, meint Bieker. Es stimme sogar das genaue Gegenteil: Die grünen Dächer kühlen die Photovoltaikelemente von unten und steigern ihre Leistung damit um vier bis fünf Prozent.

Ein wichtiger Hebel in puncto klima­resiliente Stadtplanung ist daher, den Ent­scheidungsträgern die Schwellenangst zu nehmen, mehr Wissen rund um die ein­zelnen Maßnahmen zu vermitteln und die Vielzahl an möglichen Maßnahmen zu entwirren. Dieses Ziel verfolgten For­scherinnen und Forscher vom Fraunhofer ISI in einer Machbarkeitsstudie in Bochum. Das Team ist dabei auf eine große Woh­nungsbaugesellschaft zugegangen, der ver­schiedene Quartiere gehören. »Wenn wir verstehen, was dort genau gebraucht wird, haben wir ganz andere Möglichkeiten für einen Scale-up als über Privatleute«, sagt Bieker.

Im Mittelpunkt stand ein Quartier, das bereits mit etwa 50 Gebäuden bebaut ist, nun allerdings – wie viele Quartiere im Ruhrgebiet – nachverdichtet werden soll. Sprich: In großen Gärten oder in Baulü­cken sollen neue Häuser entstehen und bestehende Gebäude aufgestockt werden. Dabei fallen jedoch zum Teil Freiflächen weg, es gilt daher, den Wasserkreislauf im Blick zu behalten. In der Machbarkeits­studie untersuchte das Forscherteam, un­ter welchen Rahmenbedingungen sich welche Maßnahmen im Zuge von Nach­verdichtungsmaßnahmen anbieten.

200 Quadratmeter grünes Dach können 500 Euro sparen

Um den Partnern eine Möglichkeit zu ge­ben, die damit einhergehenden Kosten besser einschätzen zu können, haben die Forscher durchgerechnet. »Unsere Bei­spielrechnung ergab: Alleine durch eine 200 Quadratmeter große Dachbegrünung lassen sich in Bochum 450 bis 500 Euro pro Jahr sparen«, sagt Bieker. »Dazu kom­men nicht näher bezifferte Vorteile wie ein höherer Witterungsschutz für die Fas­sade und eine Kühlung für Umfeld und Innenräume.«

Was sich im Projekt herauskristalli­sierte: Es gibt große Synergien zwischen Wohnungswirtschaft und Kommunen, die Interessen sind in vielen Punkten deutlich ähnlicher als erwartet. So bot die Kom­mune an, überschüssiges Regenwasser aus dem Quartier einem verrohrten Bach zu­zuleiten – der dann wiederum genügend Wasser führen sollte, um ihn freilegen zu können. »Es bringt also oft sehr viel, die Beteiligten an einen Tisch zu holen«, fasst Bieker zusammen.

Projekt SMARTilience

Im Projekt ist u. a. die Universität Stuttgart beteiligt, die eng mit dem Fraunhofer IOA zusammen­arbeitet. Involviert sind zudem Drees & Sommer, malik, die HafenCity Universität Hamburg sowie die Städte Mannheim und Halle an der Saale. »Wir entwickeln ein Steuerungsmodell, das sämtliche Prozessschritte der Planung, Umsetzung und Bewertung umfasst und kommunale Entscheidungsträger beim vorausschauenden, effizienten Klimahan­deln unterstützt«, sagt Rebecca Nell vom Fraunhofer IAO.  

Projekt »Zukunftsstadt Konstanz«

Im Projekt »Zukunfts­stadt Konstanz« arbeitet das Fraunhofer IAO gemeinsam mit der Stadt Konstanz so­wie lokalen Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft daran, ein Quartier für die Zu­kunft zu entwickeln. Nach der Devise QUA­LITÄT STATT QUADRATMETER entsteht neue Lebensqualität aus dem Zusammen­spiel von Wohnraum, Sharing, Mobilität, Begrünung, Energie und Digitalisierung.

Klimawandelanpassung – eine weltweite Frage

Natürlich sind die Auswirkungen des Kli­mawandels nicht auf Europa begrenzt – ebenso wenig wie die Fraunhofer-Ansätze, dem Klimawandel etwas entgegenzuset­zen. Stark durch den Klimawandel betrof­fen sind beispielsweise die Städte Kochi in Indien und Saltillo in Mexiko. Im Projekt »Morgenstadt Global Smart Cities Initiati­ve« ersinnen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IAO, des Fraunhofer IGB, des Fraunhofer ISI und des Fraunhofer IBP daher konkrete Handlungsmöglich­keiten. Finanziert wird das Projekt von der Internationalen Klimaschutzinitiative IKI des Bundesministeriums für Umwelt, Na­turschutz und nukleare Sicherheit BMU. »Wir nutzen unsere Erfahrung des Mor­genstadt-Netzwerks mit 40 Partnern aus Wirtschaft, Forschung und Kommunen sowie die Morgenstadt-Tools«, sagt Dr. Markus Schwegler. Dazu gehören drei wesentliche Schritte: Im ersten werden die Zusammenhänge in der Stadt ana­lysiert. Welche Probleme bestehen? Im zweiten Schritt sprechen die Forscher von Co-Creation – sie tüfteln gemeinsam mit allen Partnern und Assoziierten die ersten Projektideen aus und priorisieren die Ideen. Und im dritten Schritt steht die Umsetzung an.

Im 600 000 Einwohner großen Kochi, einem der wichtigsten Häfen an der West­küste Indiens, herrschen vor allem Was­serprobleme vor. »Während der letzten Monsune gab es jeweils heftige Überflu­tungen, die viele Todesopfer forderten und das öffentliche Leben lahmlegten, so muss­te etwa der Flughafen geschlossen werden«, erläutert Dr. Marius Mohr vom Fraunhofer IGB. Die restlichen Monate dagegen sind von Wassermangel geprägt. »Die Lösungen für beide Probleme greifen ineinander«, sagt Mohr. »Denn speichert man einen Teil des Wassers während des Monsuns, so steht dieses in Trockenzeiten zur Verfügung. « Dachgärten scheinen für Kochi eine gute Lösung zu sein. Um die Wassermassen abführen zu können, bieten sich außerdem offene Kanäle an, die zu Zeiten der Kolonialisierung angelegt wurden und heute mit Müll verstopft sind. »Wir wollen die Ansätze an einem kleinen Quartier durchexerzieren – und hoffen, dass die Stadt die Ideen aufgreift und auch in anderen Quartieren durchführt«, sagt Mohr. Schwenk nach Saltillo, Mexiko – dem zweiten City-Lab. Die wohlhabende Stadt ist von der Autoindustrie geprägt und, da in der Wüste von Coahuila gelegen, per se sehr trocken. Durch den Klimawandel jedoch wird die Wasserknappheit drastisch verstärkt, Wassereffizienz ist daher ins¬besondere bei der Industrie ein großes Thema. Welche Projekte konkret durchgeführt werden sollen, entscheiden die Forscher mit Partnern und Assoziierten gemeinsamen im Sommer 2021. »Oft hören Forschungsprojekte mit der Erar-beitung von Handlungsempfehlungen für den Auftraggeber auf. Ich finde es toll, dass wir im Kontext der City-Labs konkrete Lösungsansätze in Form von Pilotprojekten implementieren können«, begeistert sich Jose Antonio Ordonez, Wissenschaftler am Fraunhofer ISI und Projektleiter. »Wir können dann sehen, ob der Ansatz die gewünschten Erfolge bringt, seine Kinderkrankheiten ausmerzen und ihn anschließend replizieren oder hochskalieren.« Und so dem Klimawandel in den Städten weltweit Schritt für Schritt besser begegnen.

 

Fraunhofer-Magazin
1/2021

Titelthema: Klima-Stress

Starkregen, Sturm, Hitze: Wie wir unsere Städte resilienter machen