Energie
Stadtzentren mit grundlegenden Prinzipien kühlen
Eine neue Studie von UCL-Forschern hat ergeben, dass kühle Dächer, die weiß gestrichen oder mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind, während Hitzeperioden wirksamer bei der Senkung von Temperaturen und der Kühlung von Städten sein könnten als Solarpaneele und Gründächer. Gleichzeitig erhöht die Klimaanlage (AC) die Außentemperatur um 1 Grad Celsius.
Diese Studie erscheint, während Städte weltweit mit der Bedrohung steigender Temperaturen zu kämpfen haben. Stadtgebiete sind in der Regel wärmer als die benachbarten ländlichen Zonen, was die Auswirkungen von Hitzewellen verschärft und anschließend die Gesundheitsrisiken an diesen Orten erhöht.
Eine Untersuchung des Unterschieds der Bodentemperaturen zwischen städtischen Gebieten und deren ländlichen Umgebung von 2003 bis 2020 durch das Joint Research Centre der Europäischen Kommission zeigte, dass die Oberflächentemperaturen von Städten manchmal um 10–15 °C höher waren als in ländlichen Gebieten.
Nehmen wir London als Beispiel. Die Bewohner dort stehen vor einer neuen Realität mit Temperaturen, die beständig über 30 °C liegen. Laut Forschung des International Institute for Environment and Development (IIED) hat London in den letzten drei Jahrzehnten 116 Tage mit Temperaturen über 30 °C erlebt, wobei mehr als die Hälfte davon allein im letzten Jahrzehnt auftrat.
Aufeinanderfolgende Tage über 30 °C sind jetzt häufiger, und selbst extreme Temperaturen haben an Häufigkeit zugenommen, wobei in den letzten fünf Jahren fünf Tage über 35 °C in London registriert wurden. Diese extreme Hitze erhöht das Risiko von Hitzeschlag und Hitzekollaps und verschärft bestehende Gesundheitsprobleme.
Mit dem Klimawandel werden Stadtbewohner zunehmend anfälliger für steigende Temperaturen, da Städte dazu neigen, Wärme zu speichern und den Urban‑Heat‑Island‑Effekt zu erzeugen, der während Hitzeperioden zu erheblichen Gesundheitsproblemen für die Bewohner führt.
Da ein großer Teil der Weltbevölkerung in Städten lebt, ist es entscheidend, nachhaltige Lösungen zu finden, um diese Effekte abzumildern. Stadtplaner, Designer, Gemeinderäte und Regierungen arbeiten alle daran, diese Temperaturen zu senken.
Einige der passiven Kühlmethoden, die aktiv erforscht werden, umfassen Gründächer, erweiterte städtische Vegetation und kühle Dächer, neben der Klimaanlage, einer aktiven Methode zur Kühlung von Gebäudebereichen.
Gründächer & Solarpaneele nicht so wirksam
Studien, die die Auswirkungen von Bau- und straßenebenen Interventionen auf die Temperatur in Metropolregionen vergleichen, fehlen trotz der steigenden urbanen hitzebedingten Mortalität und Morbidität. Die Forscher von UCL modellieren die Auswirkungen von neun Interventionen auf die Lufttemperatur in 2 m Höhe während zweier heißer Tage im Sommer 2018, dem 26. und 27. Juli.
Durch die Verwendung detaillierter urbaner Klimamodelle und aktueller Daten zur tatsächlichen Verbreitung passiver und aktiver Interventionen untersuchte die Forschung die Wirkung beider Wärmeanpassungsstrategien auf die Außentemperatur und die Oberflächenenergiebilanz (SEB) im Großraum London.
Die Studie ergab, dass der Einsatz von Solarpaneelen und Gründächern auf großflächiger Basis nicht wirksam war, um die Temperaturen signifikant zu senken. Ein praktikabler Einsatz von Solarpaneelen könnte jedoch den damit verbundenen Energieverbrauch ausgleichen, so die Studie.
Solarmodule und weit verbreitete Vegetation auf Straßenniveau lieferten nur einen bescheidenen Netto‑Kühleffekt, durchschnittlich etwa 0,3 °C. Obwohl diese Systeme nicht besonders wirksam sind, bieten sie dennoch Umweltvorteile.
Währenddessen können solarphotovoltaische (PV) Paneele, die hauptsächlich als Stromquelle gelten, auch als passive‑aktive Strategie zur Temperaturreduktion eingesetzt werden, indem sie den fühlbaren Wärmestrom aufnehmen. Sie tun dies, indem sie die Albedo der Dächer erhöhen, also den Anteil des Lichts, den eine Oberfläche reflektiert.
Dächer, die Vegetation integrieren, bieten ebenfalls große Vorteile, wie Lebensräume für Wildtiere und Wasserableitung. Während Gründächer jedoch einen kühlenden Effekt tagsüber bieten, ist ihr Netto‑Kühleffekt im Durchschnitt vernachlässigbar. Die Forscher stellten fest, dass die Wirkung von Gründächern auf die Temperatur im Tagesverlauf stark variiert.
Diese Gründächer wurden mit Sedum‑Vegetation modelliert, da sie die häufigste Pflanze in London ist, aber andere Gestaltungen können andere Effekte hervorrufen.
Während des Tages, wenn es am wärmsten ist, kann die breite Einführung von Gründächern die Stadttemperaturen im Durchschnitt um 0,5 °C senken. Allerdings erhöhen die Gründächer nachts die Temperaturen um etwa denselben Betrag, da die thermische Masse der Dächer die Tageswärme speichert und sie freisetzt, wenn die Sonne untergeht.
Wenn man die Vegetationsart von Grasland oder Ackerland zu Laubbäumen ändert, kann dies die Außentemperaturen senken, jedoch nur nachts. Tagsüber fanden die Forscher, dass die Ergebnisse gemischt wären.
Die Studie bemerkte, dass dies auf den Anstieg der Oberflächenalbedo zurückzuführen sein könnte, was zu einer erhöhten Abgabe von fühlbarer Wärme führt. Die hier erhöhte latente Wärme wäre gleichwertig zu der von Gründächern bei flächendeckender Anwendung.
Während die Lufttemperatur gesenkt wird, dürfte diese Art der Kühlung die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre erhöhen, was wiederum die Luftfeuchtigkeit steigert. Somit kann dies zwar den Wasserstress der Vegetation mindern, wirkt sich jedoch auf den Hitzestress der Stadtbewohner aus.
Sowohl Solarpaneele als auch eine Mischung aus Ackerland, Grasland und Laubbäumen hatten im Osten Londons stärkere Kühleffekte.
Was funktioniert dann tatsächlich für Städte?
Veröffentlicht in Geophysical Research Letters, hat die Studie ein 3D‑Stadtklimamodell des Großraums London verwendet, um die thermischen Effekte verschiedener aktiver und passiver städtischer Wärme‑Management‑Systeme zu testen. Diese umfassten:
- Gründächer
- Boden‑niveau Baumbestand
- Solarpaneele auf dem Dach
- Bemalte „kühle Dächer“
- Klimaanlage während der beiden heißesten Tage des Sommers 2018
Um die volle potenzielle Wirkung jedes Systems zu beurteilen, modellierte das Team jedes, als wäre es bereits weit verbreitet und theoretisch machbar in Wohn-, Geschäfts‑ und Industriegebäuden im gesamten Großraum London.
Von allen Lösungen wurden kühle Dächer als die mit der größten Reduktion der Lufttemperatur in 2 m Höhe gefunden. Kühle Dächer beinhalten die Umsetzung hochreflektierender Dächer aus verschiedenen Materialien wie Metall, Beton oder einlagigen Membranen.
Wenn sie in vollem Umfang eingesetzt werden, tragen alle kühlen Dachmaßnahmen zu einer Reduktion bei, mit besonders starken Auswirkungen im Süden und Osten des GLA.
Im Durchschnitt senken kühle Dächer die Außentemperaturen um 1,2 °C, wenn sie flächendeckend in der Stadt eingeführt werden. Einige Orte in London könnten sogar eine Reduktion von bis zu 2 °C erleben.
“Wir haben umfassend mehrere Methoden getestet, die Städte wie London nutzen könnten, um sich an steigende Temperaturen anzupassen und diese zu mildern, und fanden, dass kühle Dächer die beste Möglichkeit sind, die Temperaturen an extrem heißen Sommertagen zu senken. Andere Methoden hatten verschiedene wichtige Nebeneffekte, aber keine konnte die städtische Außenhitze fast auf das gleiche Niveau reduzieren.”
– Leitender Autor Dr. Oscar Brousse, UCL Bartlett School Environment, Energy & Resources
Kühle Dächer haben tatsächlich doppelte Vorteile:
- Die städtische Außenumgebung kühlen, indem Wärme reflektiert statt absorbiert wird
- Die Innenräume von Gebäuden kühlen
Bei der Untersuchung der horizontalen Advektion der Kühlung stellte die Studie fest, dass alles von der Position der kühlen Dächer abhängt. Wenn also kühle Dächer in zentralen und mittelhohen Bereichen der Stadt eingesetzt werden, scheinen die niedrigen und offenen Wohngebiete den Kühleffekt zu genießen.
Interessanterweise führt die Installation kühler Dächer ausschließlich an niedrigen Wohngebäuden zu einer erheblichen Reduktion der Außentemperatur um bis zu etwa 2 °C im Südosten, kann jedoch die zentralen Teile Londons nicht kühlen. Die Umsetzung kühler Dächer nur an großen niedrigen Gebäuden bewirkt eine marginale Wärmereduktion in London von bis zu etwa 1 °C in den großen niedrigen Bereichen im Osten Londons.
Für kühle Dächer, die als die „effektivste Methode“ zur Reduktion der Außentemperatur gelten, erklärte die Studie:
“Im Maximum liegt diese Temperaturreduktion zwischen 3,2 °C und 2,8 °C zu Zeiten, wenn die tägliche räumliche Durchschnittstemperatur 33 °C bzw. 37 °C erreichte.”
Die Studie war jedoch nicht ohne Einschränkungen. Die Forscher räumten mehrere Begrenzungen ein. Dazu gehörte die Verwendung nur eines städtischen Kronenmodells (UCM), die Beschränkung auf lediglich zwei heiße Sommertage aufgrund von Rechenkapazitäten und die Annahme einer einzigen Anwendungsart pro Intervention. Zusätzlich wurden das Fehlen völlig klarer Himmelbedingungen und die ausschließliche Konzentration auf Außentemperaturen als bedeutende Einschränkungen genannt. Die Studie berücksichtigte zudem nicht die Auswirkungen dieser Lösungen auf andere Aspekte, wie Luftzirkulation, Biodiversität und Innentemperaturen.
Daher fordern die Forscher zukünftige Untersuchungen, um die Auswirkungen jeder dieser Strategien über längere Zeiträume hinweg zu schätzen, die mit der Umsetzung jeder dieser Interventionen verbundenen Kosten für Kosten‑Nutzen‑Analysen zu ermitteln und den Einsatz von SEB‑ (Oberflächenenergiebilanz‑) Überwachungssystemen im städtischen Maßstab zu fördern, um Modellsimulationen zu validieren.
Klimaanlagen haben negative Auswirkungen
Mit steigenden Temperaturen hat die Nutzung von Klimaanlagen (ACs) zum Hitzeschutz deutlich zugenommen. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) hat sich der globale Verkauf von Klimaanlagen zwischen 1990 und 2016 verdreifacht und setzte das Wachstum im folgenden Jahr fort. Folglich wird die weltweite Marktgröße von Klimaanlagen voraussichtlich 2024 die 200 Milliarden $ übersteigen und in den nächsten fünf Jahren auf 259,5 Milliarden $ steigen.
Dieses Wachstum erfolgt, da Länder weltweit zu Klimaanlagen greifen, wobei nahezu 90 % der US-Haushalte über Klimaanlagen verfügen. Diese Kühlgeräte machen jedoch nicht nur etwa 10 % des globalen Stromverbrauchs aus, sondern tragen auch zu steigenden Temperaturen bei.
Eine Klimaanlage funktioniert, indem sie Wärme aus dem Inneren des Gebäudes aufnimmt und nach außen abgibt, während die gekühlte Luft im Haus zirkuliert. Auf diese Weise erwärmt die Klimaanlage die städtische Außenumgebung noch stärker.
Laut der neuesten Studie erhöht die Nutzung von Klimaanlagen, um die Innentemperatur des gesamten Gebäudebestands Londons auf 21 °C zu halten, die Temperatur in der Stadt um etwa 0,15 °C. Dieser Anstieg kann in dicht besiedelten zentralen London bis zu 1 °C betragen.
Die Forscher stellten fest, dass Klimaanlagen weiterhin gefährdete Bevölkerungsgruppen vor sengender Hitze in Gebäuden schützen. Darüber hinaus können solarphotovoltaische (PV) Paneele als passive‑aktive Strategie genutzt werden, indem sie einfallende Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln, die dann zum Betrieb des Klimasystems verwendet werden kann.
Wenn Solarpaneele auf Dächern praktikabel installiert werden, kann die Energieproduktion den Energieverbrauch von Klimaanlagen decken, da sie während der heißesten Stunden nie über 8,78 MW hinausgeht. Die Stromproduktion könnte, wenn sie nicht durch Gebäude eingeschränkt wird, im Durchschnitt 8,79 MW erreichen, erklärte die Studie. Diese lokalen Auswirkungen können jedoch von vielen Faktoren abhängen, wie Gebäudehöhe und Erhöhung der Dachalbedo.
Das gesagt, angesichts der negativen Auswirkungen von Klimaanlagen auf unsere Umwelt suchen Forscher aktiv nach Möglichkeiten, die Wärme‑ und Kühlkosten zu senken sowie den Bedarf an fossilen Brennstoffen für haushaltsinterne HLK‑Systeme zu reduzieren.
Wie wir in unseren vorherigen Artikeln erwähnten, haben Wissenschaftler der University of California adaptive Fliesen entwickelt mit einem Strahlungsschalter, der zwischen Heiz‑ und Kühlzuständen umschalten kann. Diese Geräte reduzieren den Kühl‑ und Heizbedarf um mehr als das 2,5‑fache im Vergleich zu statischen Geräten. Sie können weitere unterschiedliche Temperaturziele erreichen, indem sie einfach das Phasenwechselmaterial ändern.
In einem anderen Fall haben Wissenschaftler des Berkeley Lab eine intelligente Dachbeschichtung entwickelt, die die optimale Haustemperatur unabhängig von der Jahreszeit aufrechterhält. Dafür entwickelten sie ein einzigartiges Material namens TARC (temperatur‑adaptive Strahlungsbeschichtung), das die Strahlungskühlung in kalten Jahreszeiten automatisch abschaltet, um übermäßige Kühlung und Energieverschwendung zu vermeiden.
Doch das ist nicht alles; Innovationen finden auch bei Kältemittelprodukten statt. Aktuelle Forschung des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums hat ein besseres und tieferes wissenschaftliches Verständnis von Materialien und Geräten gewonnen, die Festkörperkühlung ermöglichen.
Nun schauen wir uns einige der Unternehmen an, die von der Einführung kühler Dächer profitieren könnten:
#1. Owens Corning (NYSE: OC)
Als führender Hersteller von Dachmaterialien könnte Owens Corning die Technologie kühler Dächer in seine Produkte integrieren, um der wachsenden Nachfrage nach nachhaltigen und energieeffizienten Baumaterialien gerecht zu werden, insbesondere in städtischen Gebieten, die vom Hitzeinsel‑Effekt betroffen sind.
(OC )
Finanziell meldete Owens Corning im ersten Quartal 2024 einen Nettoumsatz von 2,3 Milliarden $ und einen Nettogewinn von 299 Millionen $. Sie erwarten eine konstante Nachfrage auf den nordamerikanischen Bau‑ und Bau‑Märkten und haben sich das finanzielle Ziel gesetzt, bis 2024 einen Jahresumsatz von 10 Milliarden $ bei mittleren Teen‑Prozent‑Operativmargen zu erreichen.
#2. 3M (NYSE: MMM)
3M könnte seine Expertise in den Materialwissenschaften nutzen, um reflektierende Beschichtungen für Dächer zu entwickeln. Diese Produkte könnten als Lösungen zur Reduzierung von Kühlkosten und zur Milderung der städtischen Hitze vermarktet werden, im Einklang mit globalen Trends zu nachhaltigerer Stadtplanung.
(MMM )
Allerdings erwies sich das erste Quartal 2024 für 3M finanziell als gemischtes Ergebnis. Das Unternehmen verzeichnete einen leichten Rückgang des Gesamtumsatzes und meldete 8,0 Milliarden $, ein Rückgang von 0,3 % gegenüber dem Vorjahr, wobei das bereinigte Ergebnis je Aktie um 21 % auf 2,39 $ stieg. Trotz der Verkaufsherausforderungen zeigte 3M eine starke operative Umsetzung und finanzielle Disziplin, was zu einem signifikanten Wachstum des bereinigten Gewinns und einer Verbesserung der bereinigten operativen Einkommensmargen auf 21,9 % beitrug.
#3. Sherwin-Williams (NYSE: SHW)
Als führender Hersteller von Farben und Beschichtungen könnte Sherwin‑Williams spezialisierte reflektierende Farben entwickeln und vermarkten, die für kühle Dächer verwendet werden können. Dies entspricht nicht nur den Zielen der städtischen Nachhaltigkeit, sondern eröffnet auch eine neue Produktlinie, die in Städten, die den Hitzeinsel‑Effekt bekämpfen wollen, von hoher Relevanz sein könnte.
(SHW )
Im Jahr 2023 meldete Sherwin‑Williams einen Rückgang des Nettoumsatzes und des Segmentgewinns. Der Nettoumsatz sank aufgrund eines mittleren einstelligen prozentualen Rückgangs des Verkaufsvolumens, bedingt durch nachlassende Nachfrage in Nordamerika und den Verkauf des chinesischen Architekturgeschäfts. Der bereinigte Segmentgewinn ging ebenfalls zurück, hauptsächlich wegen des geringeren Nettoumsatzvolumens und höherer Verluste aus Devisentransaktionen, insbesondere aufgrund der argentinischen Abwertung. Dennoch generierte das Unternehmen im Jahr 3,52 Milliarden $ an Nettobetriebscash.
Abschließende Gedanken
Steigende Temperaturen sind weltweit ein Grund zur Besorgnis für Nationen, Regierungen und Menschen. Da Städte die Hauptbetroffenen sind, ist die Lösung des Problems der urbanen Hitze zu einer Priorität geworden. Wie diese Studie feststellte, sollten kühle Dächer aufgrund ihrer Effizienz bei der Reduzierung städtischer Temperaturen und damit verbundener gesundheitlicher Auswirkungen für eine flächendeckende Einführung in Betracht gezogen werden.
Allerdings kann eine einzelne Lösung nicht alle Probleme wirksam angehen. Eine Mischung von Maßnahmen, wie grünere Alternativen, fortschrittliche Technologie und bessere Beschichtungsmaterialien, muss in Städten übernommen werden, um die Außentemperaturen wirksam zu senken und die Innentemperaturen zu erhöhen, während mögliche negative Auswirkungen gemindert werden.
