Plus-Energie-Gebäude - e
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Plus-Energie-Gebäude Abstract / Zusammenfassung des Lernfelds Das Plus-Energie-Gebäude produziert in der Jahresbilanz (also übers Jahr gerechnet) mehr Energie, als es verbraucht. Grundlagen dafür sind effiziente Passivhaustechnologien. die Nutzung erneuerbarer Energien sowie höchste Energieeffizienz bei allen im Gebäude verwendeten Geräten. Dieses Lernfeld vergleicht die international unterschiedlichen Standards und Bilanzierungsmethoden und beschreibt die notwendigen Technologien und Maßnahmen, um den Plus-Energie-Standard zu erreichen. Planungsgrundsätze von der Gebäudetechnik bis hin zu regionalen Versorgungskonzepten (Smart Grids) und städtebaulichen Aspekten werden erläutert. Ein wesentlicher Punkt ist, wie erneuerbare Energien wie Photovoltaik, Solarthermie und Windkraft in ein Plus-Energie-System integriert werden können. 1 Inhaltsverzeichnis 1. LERNZIELE ..................................................................................................................................... 4 2. ZUM NACHDENKEN ... .................................................................................................................. 4 3. WAS SIND PLUS-ENERGIE-GEBÄUDE? ..................................................................................... 5 4. WELCHE BILANZIERUNGSMODELLE STEHEN FÜR DEN PLUS-ENERGIE-STANDARD ZUR VERFÜGUNG?........................................................................................................................................ 7 4.1. Österreich ................................................................................................................ 9 4.2. Deutschland ............................................................................................................. 9 4.3. Schweiz ..................................................................................................................10 4.4. Zum Üben ... ...........................................................................................................11 5. PLANUNGSGRUNDSÄTZE FÜR PLUS-ENERGIE-GEBÄUDE ................................................. 13 5.1. Integrale Planung ....................................................................................................13 5.2. Baukultur und Landschaftsschutz............................................................................14 5.3. Verhältnis von Effizienz und Erneuerbaren Energien ..............................................14 5.4. Das Gebäude als „Kraftwerk“? ................................................................................15 5.5. Städtebauliche Aspekte...........................................................................................16 5.6. Regionale Konzepte, Smart Grid und Versorgungssicherheit ..................................17 5.7. Zum Üben ... ...........................................................................................................18 6. WAS SIND PLUS-ENERGIE-TECHNOLOGIEN? ........................................................................ 19 6.1. Gebäudeeffizienz ....................................................................................................19 6.2. Heizung, Warmwasserbereitung und Kühlung mit erneuerbaren Energien ..............21 6.3. Stromeffizienz in Wohn- und Nichtwohngebäuden ..................................................23 6.3.1. Beleuchtung ....................................................................................................24 6.3.2. Haushaltsgeräte ..............................................................................................25 6.3.3. Unterhaltungselektronik ...................................................................................25 6.3.4. Büro – EDV und IT ..........................................................................................26 6.3.5. Ergebnis – Verbrauch in Haushalt und Büros ..................................................28 6.4. Plus-Energie-Bilanz durch den Einsatz erneuerbarer Energien ...............................29 6.5. Smart Grid, Regelungs- und Speichertechniken ......................................................33 6.6. Zum Üben ... ...........................................................................................................34 2 7. KOSTEN FÜR EIN PLUS-ENERGIE-GEBÄUDE ......................................................................... 35 8. WELCHE ROLLE WERDEN PLUS-ENERGIE-GEBÄUDE IN ZUKUNFT SPIELEN? ................ 35 9. QUELLEN...................................................................................................................................... 36 10. ÜBERSICHT AUFGABEN ........................................................................................................ 37 11. ABBILDUNGSVERZEICHNIS .................................................................................................. 38 12. TABELLENVERZEICHNIS ....................................................................................................... 39 13. IMPRESSUM ............................................................................................................................. 40 3 1. Lernziele Wesentliche Aspekte eines Plus-Energie-Gebäudes benennen Das Konzept Plus-Energie-Gebäude beschreiben Unterschiede in den Bilanzierungsmodellen erklären Planungsgrundsätze für Plus-Energie-Gebäude argumentieren Sinnvolle Verknüpfung von Plus-Energie-Technologien darstellen Plus-Energie-Gebäude anhand einzelner Komponenten und der Systemlösungen analysieren 2. Zum Nachdenken ... Aufgabe 1: Was kann man sich unter dem Begriff Plus-Energie-Gebäude vorstellen? Abbildung 1: Ein Plus-Energie-Gebäude produziert mehr Energie selbst, als es verbraucht (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT) 4 3. Was sind Plus-Energie-Gebäude? Die EU hat sich das Ziel gesetzt, die CO2-Emissionen bis 2050 um 80 bis 95 Prozent zu reduzieren. Im Bereich der Industrie und im Verkehrssektor gibt es bisher keine marktgängigen Techniken, mit denen dieses Ziel erreicht werden kann. Im Bereich Bauen dagegen gibt es seit geraumer Zeit Lösungen, die zunächst in Form von Modellprojekten umgesetzt wurden, aber jetzt an der Schwelle zur breitenwirksamen Umsetzung stehen. In der 1980er-Jahren wurden als Folge der Ölkrise die ersten energieeffizienten Häuser gebaut. Lange Zeit war der Standard dann das Niedrigenergiehaus mit einem Heizwärmebedarf von etwa 50 kWh/m2a. Mittlerweile ist das Passivhaus mit nur noch 15 kWh/m2a Heizwärmebedarf Standard in der Bautechnik. Aufgrund der Klimaschutzanforderungen sowie steigender Energie- und Rohstoffpreise, zunehmender Energieknappheit sowie rechtlicher Rahmenbedingungen findet im Bausektor ein dynamischer Prozess des Umdenkens statt: Das Plus-Energie-Konzept, basierend auf der Effizienztechnologie des Passivhauses, wird heute von zahlreichen ExpertInnen als das Baukonzept schlechthin gesehen, um im Gebäudesektor die CO2-Emissionen sowie den Energieverbrauch zu reduzieren. „Plus-Energie“ bedeutet, dass die Gebäude in ihrer Bilanz mehr Energie erzeugen, als sie verbrauchen. Noch ist allerdings in den meisten Ländern nicht festgelegt, wann genau man von einem Plus-Energie-Gebäude sprechen kann, das heißt, es gibt keine standardisierte Definition. Dementsprechend vielfältige Konzepte und auch Bezeichnungen gibt es daher: Nullenergiehaus, Nullemissionshaus, Plus-Energie-Gebäude, das Haus als Kraftwerk, Solaraktivhaus, PassivhausPlus, energieaktives Haus oder net zero energy building. Konsens besteht dennoch hinsichtlich folgender Punkte: Ein Plus-Energie-Gebäude produziert mehr Energie, als es verbraucht. Das Gebäude ist in das Versorgungsnetz eingebunden, das heißt, je nach Anforderungs- oder Ertragslage bezieht oder liefert das Gebäude Strom. Im Gesamten wird aber mehr Energie abgegeben oder zumindest eine ausgeglichene Bilanz erzielt. Diese Bilanz kann auf das Jahr bezogen sein oder auf Monate. Im Allgemeinen ist es in den zentralen Wintermonaten am schwierigsten, eine PlusEnergie-Bilanz zu erzielen. Plus-Energie ist ausschließlich auf Basis erneuerbarer Energie zulässig. Offen ist: Welche Werte werden in die Bilanzierung einbezogen: der Energiebedarf für Heizen und Warmwasser inkl. Hilfsenergien oder auch der Haushaltsstrom, die Mobilität und die Graue Energie des Gebäudes? Wie wird die Systemgrenze gezogen: Gebäude, Grundstücksgrenze oder Region? 5 Ungeachtet dieser Definitionsprobleme hat das Konzept bereits den Praxistest bestanden. Zahlreiche Gebäude im Plus-Energie-Standard wurden inzwischen errichtet. Die höchste Wirtschaftlichkeit wird dabei erzielt, wenn zunächst eine hohe Effizienz angestrebt wird und der verbleibende geringe Energiebedarf mit erneuerbaren Energien bilanziell gedeckt wird. 6 4. Welche Bilanzierungsmodelle stehen für den PlusEnergie-Standard zur Verfügung? Grundsätzlich besteht Konsens darüber, dass ein Plus-Energie-Gebäude ein Gebäude auf höchstem Passivhaus- bzw. Energieeffizienz-Standard ist, das rein rechnerisch übers Jahr gesehen mehr Energie abgibt, als es verbraucht. „Die rechnerische Bilanzierung von Energiebezug und Einspeisung von Energie in eine Netzinfrastruktur geschieht an der Versorgungsschnittstelle eines Gebäudes. Zur eindeutigen Berechnung der Bilanz sind mindestens die folgenden drei Festlegungen erforderlich: Ein oder mehrere geeignete Indikatoren (Endenergie, PE nicht erneuerbar, Primärenergie gesamt etc.) Die Bilanzgrenze Der Bilanzierungszeitraum“ (Voss 2011, S. 28) Die zentralen Fragen der Bilanzierung sind: Welche Werte (Verbräuche) werden in die Bilanzierung einbezogen? Wie werden die Systemgrenzen gezogen: Gebäude, Grundstücksgrenze, Bebauungsgebiet oder Region? Oder ist es sinnvoll, ein noch größeres System als Grundlage zu wählen? Aus Versorgersicht ist es sinnvoll, das System so groß wie möglich zu wählen. Da der Ertrag erneuerbarer Energien zu bedeutsamen Teilen von der Solarstrahlung und dem Windaufkommen abhängig ist, können mittels eines überregionalen Ausgleichs Schwankungen gemindert und mithin Speicher- und Spitzenkraftwerksleistung eingespart werden. Dabei wird das Lastmanagement zur kontinuierlichen Sicherstellung der Stromversorgung mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien anspruchsvoller. Gebäudesysteme können das Strommanagement in nennenswertem Maß unterstützen und mithin eine entscheidende Rolle im zukünftigen Energieversorgungssystem einnehmen. Wenn es gelingt, den Strombezug und die Stromlieferung eines Bauwerks oder Baugebiets so zu gestalten, dass bei Strommangel im Netz von den Gebäuden geliefert werden kann und bei Überschussstrom im Netz Verbraucher im Haus gestartet werden können, so werden in diesem Maß Regelleistungen des Netzes eingespart. Allerdings ist die Bilanzierung innerhalb der Grundstücksgrenzen bei verdichteten Gebäudestrukturen, zum Beispiel in innerstädtischen Bereichen, deutlich schwieriger als etwa bei Einfamilienhäusern. Darüber hinaus zeigen erneuerbare Energieversorgungskonzepte von Städten auf, dass nur durch einen Verbund von Metropole und Region sinnvolle Gesamtlösungen zu erzielen sind. Dabei sind wichtige Planungsparameter die Bewahrung der Baukultur einerseits, im Gegenzug aber auch der Landschaftsschutz, der einen großflächigen Landschaftsverbrauch mit erneuerbaren Energien verbietet. Insofern ist anzustreben, die Erzeugung erneuerbarer Energien so weit wie möglich in Siedlungsstrukturen zu integrieren. Dabei kommen für das Aufbringen 7 beispielsweise von Photovoltaikflächen nicht nur die Gebäudedächer, sondern auch hochwertige Fassadenintegration, Nebengebäude, Überdachungen von Parkierungs- und Wegflächen, Schallschutzeinrichtungen und viele weitere Flächen infrage. Von Bedeutung ist dabei eine hochwertige gestalterische Integration der neuen Technik in das Stadtbild und die Gebäude. Die Art und Weise der energetischen Bilanzierung der Plus-Energie-Gebäude sollte vor dem Hintergrund dieser zahlreichen Aspekte diskutiert und gestaltet werden. Es muss eine Grundlage geschaffen werden, dass Gebäudemodelle unterstützt werden, die eine positive synergetische Wirkung mit der gebauten Umwelt, der Region und den Versorgungsstrukturen aufweisen. Aktuell werden allerdings in der Fachdiskussion Bilanzierungsmodelle bevorzugt – und dementsprechend auch Richtlinien in diese Richtung ausgearbeitet –, bei denen die Systemgrenzen auf das Gebäude bezogen sind, maximal auf die Grundstücksgrenze. Ein weiterer, sehr weit gefasster Ansatz ist auf der anderen Seite das Modell eines Bilanzausgleichs, bei dem „grüner Strom“ zugekauft werden kann oder auch Anteile an Wind- oder Solarstromanlagen gutgeschrieben werden. Entscheidend ist nur, dass ein Bilanzausgleich mit grünem Strom erfolgt (siehe Voss 2008). Überlegungen gibt es auch hinsichtlich Gutschriften, die aus einem CO2-Handel resultieren. In diesem Fall ist die Bilanzgrenze weder das Haus noch das Grundstück, sondern eine virtuelle (siehe Voss 2008). EXKURS Einen Sonderfall stellt das energieautarke Haus dar, dessen Energieversorgung ohne Netze funktionieren muss. Das bedeutet, dass das Stromnetz nicht als „Puffer-Speicher“ zur Verfügung steht und auch in Spitzenzeiten der Energiebedarf durch die Plus-EnergieTechnologien abgedeckt werden muss. Dies kann nur funktionieren, wenn das Gebäude inkl. Haushaltsstrom höchsten Effizienzkriterien entspricht und eine hochkomplexe Gebäudetechnik mit einem hohen Anteil an Speichertechniken installiert wird. Durch die hohen Ansprüche an die technische Ausrüstung kann das energieautarke Haus nicht zur Standardlösung werden. Vor allem die Speicherung von (elektrischer) Energie über einen längeren Zeitraum ist schwierig. Daher ist es sinnvoller, Gebäude innerhalb von Städten und Siedlungen an die vorhandenen Energienetze anzuschließen. (http://www.enob.info/de/nullenergie-plusenergie-klimaneutrale-gebaeude-im-stromnetz-20/) 8 Schauen Sie nach auf YouTube! Trailer Schiestlhaus Dauer: 1:42 min. Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=hS5Vkg5zTao 4.1. Österreich In Österreich gilt bislang folgende Definition: „Unter ‚Plusenergiegebäude‘ wird ein Gebäude verstanden, dessen jährlicher Primärenergieverbrauch vor dem Hintergrund höchster Energieeffizienz unter der vor Ort produzierten erneuerbaren Energie liegt. Analoges gilt auch für Siedlungen. Unter ‚vor Ort‘ wird innerhalb der Grenzen der Siedlung oder des Gebäudes bzw. in unmittelbarer Nachbarschaft hierzu verstanden.“ (BMVIT 2011) Ein detailliertes Bilanzierungsmodell ist zurzeit in Ausarbeitung. 4.2. Deutschland In Deutschland liegt eine konkrete Definition durch das BMVBS vor. Danach erreicht ein Gebäude den Plus-Energie-Standard, wenn sowohl ein negativer JahresPrimärenergiebedarf (∑Qp < 0 kWh/m2a) als auch ein negativer Jahres-Energiebedarf (∑Qp < 0 kWh/m2a) vorliegen. Die End- und Primärenergiebedarfswerte für die Wohnungsbeleuchtung und für die Haushaltsgeräte und -prozesse in der Berechnung müssen mitberücksichtigt werden. Dabei ist ein pauschaler Wert von 20 kWh/m2a (davon Kochen: 3 kWh/m2a), jedoch maximal 2500 kWh/a je Wohneinheit anzunehmen. Als Bilanzgrenze ist das Grundstück, auf dem das Haus errichtet wird, anzusetzen (auch um die Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien miteinzubeziehen). Bei mehreren Gebäuden auf einem Grundstück sind die erzeugten Energiemengen nutzflächenanteilig den einzelnen Gebäuden zuzuordnen. Um eine Förderung als Plus-Energie-Haus zu erhalten, ist das Gebäude durchgängig mit den Geräten des höchsten Energieeffizienzlabels und intelligenten Zählern (Smart Meter) auszustatten. (http://www.bmvbs.de/cae/servlet/contentblob/70300/publicationFile/41844/plus-energiehaus-definition-berechnungsmethode-anlage-1.pdf) 9 4.3. Schweiz In der Schweiz sind die Regelungen für das Plus-Energie-Gebäude sehr konkret im sogenannten MINERGIE-A-Standard festgelegt. Der MINERGIE-Standard ist ein freiwilliger Baustandard, der den rationellen Energieeinsatz und die breite Nutzung erneuerbarer Energien bei gleichzeitiger Verbesserung der Lebensqualität, Sicherung der Konkurrenzfähigkeit und Senkung der Umweltbelastung ermöglicht. Die folgenden Anforderungen müssen eingehalten werden: - Primäranforderung an die Gebäudehülle - Ganzjährig kontrollierbarer Luftwechsel - MINERGIE®-Grenzwert (gewichtete Energiekennzahl) - Nachweis über den thermischen Komfort im Sommer - Zusatzanforderungen, je nach Gebäudekategorie betreffend Beleuchtung, gewerbliche Kälte und Wärmeerzeugung - Begrenzung der Mehrkosten gegenüber konventionellen Vergleichsobjekten auf maximal 10 % (http://www.minergie.ch/standard_minergie.html) Im Zentrum der Anforderungen steht die Kennzahl Wärme, die null – oder weniger als null – betragen muss. Energiebeiträge aus Biomasse, beispielsweise in Form einer Holzheizung, sind erlaubt, sofern der Wärmeerzeuger hydraulisch in die Haustechnik des Gebäudes eingebunden ist. Wobei jedoch vorgegeben ist, dass mindestens die Hälfte des Wärmebedarfs über Solarthermie gedeckt sein muss, das heißt, mindestens die Hälfte der Wärmeproduktion muss aus einer Kollektoranlage stammen, und nur der Rest – höchstens aber 15 kWh/m2a – kann mit Biomasse gedeckt werden. Wärmepumpen sind dann zulässig, wenn deren Elektrizitätsbedarf vollständig aus erneuerbaren Quellen gedeckt wird. Die Gebäudehülle muss mindestens den Anforderungen des Basisstandards (MINERGIE-P) entsprechen. 10 Berechnungen der MINERGIE Agentur Bau zeigen, dass für Einfamilienhäuser mit einer Gebäudehülle nach MINERGIE-P und einer Holzheizung (Anteil 50 %) Sonnenkollektoren mit einem Ausmaß von 10 % bis 30 % der Energiebezugsfläche (EBF) notwendig sind, um den A-Level zu erreichen. An einem sonnigen Standort müsste also die Kollektorfläche rund 15 m2, in einer nebligen Lage über 40 m2 groß sein (EBF: 150 m2). Wesentlich am Schweizer Modell ist die Einbeziehung der Grauen Energie. „Mit sinkendem Energiebedarf für den Betrieb von Gebäuden steigt der Anteil an grauer Energie in einer Gesamtbetrachtung. (In absoluten Zahlen ist dieser Zusammenhang nicht zwingend gegeben, denn Grau- und Betriebsenergie korrelieren bei kompakten Baukörpern in der Regel.) Der Aufwand für die Herstellung des Gebäudes ist etwa gleich hoch wie der Bedarf für Heizung, Wassererwärmung und Lufterneuerung eines Niedrigenergiehauses. Insofern ist die Berücksichtigung der Herstellungsenergie im Standard MINERGIE-A konsequent. Die Limite von 50 kWh/m2a bedingt eine Optimierung in der Konzeption und der Materialisierung des Gebäudes.“ (http://www.minergie.ch/minergie-aa-eco.html) Abbildung 2: Vergleich der Minergie-Standards (Quelle: http://www.minergie.ch/tl_files/images/Grafiken/Vergleich_d.jpg) 4.4. Zum Üben ... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 2: Wie können bei einer Bilanzierung von Plus-Energie-Gebäuden die Systemgrenzen gezogen werden? Aufgabe 3: Über welchen Zeitraum wird in der Regel bilanziert? 11 Aufgabe 4: Was muss vor einer Bilanzierung auf jeden Fall festgelegt werden? Aufgabe 5: Was bedeutet der Begriff „Bilanzierung“ bei einem Plus-Energie-Gebäude? Aufgabe 6: Erklären Sie die Unterschiede in den Bilanzierungsmodellen von Österreich, Deutschland und der Schweiz. Aufgabe 7: Welches Bilanzierungsmodell ist aus Versorgersicht sinnvoll und weshalb? Aufgabe 8: Kann ein Plus-Energie-Gebäude mit einem energieautarken Gebäude gleichgesetzt werden? 12 5. Planungsgrundsätze für Plus-Energie-Gebäude Die Planung eines Plus-Energie-Gebäudes umfasst zahlreiche Aspekte, die weit über die Planung eines konventionellen Hauses hinausgehen. Voraussetzung ist ein möglichst hohes Maß an Effizienz, da Energieeinsparung beim Bauen in den meisten Fällen wirtschaftlicher ist als die Bereitstellung erneuerbarer Energien. Deshalb sollte die Passivhaus-Technik Grundlage jedes Plus-Energie-Konzeptes sein. Zusätzlich ergeben sich bei breitenwirksamer Umsetzung des Gebäudekonzeptes zahlreiche Auswirkungen auf unsere Umwelt. In diesem Sinn ist bei der Planung die Beachtung von Baukultur und Landschaftsschutz ebenso von hoher Bedeutung wie die Betrachtung resultierender städtebaulicher Aspekte bis hin zu synergetischen regionalen Konzepten mit einem Zusammenwirken von Metropolen und ihren Regionen bei der zukünftigen Energieversorgung. Letztendlich will niemand auf die gewohnte Versorgungssicherheit verzichten. Dafür muss ein Netz mit hohen Regel- und Speicherkapazitäten geschaffen werden, bei dem der Gebäudebestand eine wichtige regelnde Funktion einnehmen kann. Und schließlich gehört zu diesem Planungskanon ein integraler Planungsansatz innerhalb des Projektteams. 5.1. Integrale Planung Die hochkomplexen Anforderungen an die PlanerInnen, die sich aus den hohen Effizienzstandards und der bisher noch recht komplizierten Plus-Energie-Technik ergeben, erfordern eine integrale Planung mit einem gezielt ausgesuchten Team, das auf jedes Projekt individuell zugeschnitten werden muss. Integrale Planung Um ein möglichst gutes Ergebnis in der Ausführung eines Plus-Energie-Gebäudes zu erzielen, sollten die planenden ArchitektInnen zu Anfang der Vorentwurfsphase überprüfen, für welche Leistungen sie selbst qualifiziert sind, und welche Aufgaben durch FachplanerInnen eingebracht werden müssen. Während bei einem Einfamilienhaus in den meisten Fällen nur für geringe Leistungsspektren externe Leistungen einbezogen werden, kann sich bei komplexen Bauvorhaben die Notwendigkeit für ein sehr umfangreiches Team aus interdisziplinären PlanerInnen ergeben. Interdisziplinäres Planungsteam Die Einbindung der Fachleute muss zu Beginn des Planungsprozesses in Abstimmung mit dem Bauherren erfolgen. Ein gezielt ausgewähltes Planungsteam, das alle beteiligten FachplanerInnen (Fassadenplaner, Photovoltaikplaner, Lichtplaner, Bauphysiker, Haustechnikplaner, Tragwerksplaner und andere) umfasst, bringt viele Vorteile. Bei dieser Art von Planung spricht man von einer integralen Planung, quasi einem „runden Tisch“, an 13 dem alle Planungsschritte mit allen ExpertInnen besprochen und entschieden werden können. Bei der Auswahl sollte einerseits bedacht werden, dass alle Kompetenzen verfügbar sind, auf der anderen Seite aber die Anzahl der Beteiligten möglichst niedrig gehalten wird. Vor allem muss sich das gesamte Team auf die gemeinsame Zielstellung einlassen und sollte bereits Erfahrungen im Bau von Passivhäusern besitzen. Qualitätskontrollplan Ein integrales Planungsteam benötigt vor allem eine klare Struktur für die Zusammenarbeit und Arbeitsteilung. Dafür sind „Fahrpläne“ mit genau definierten Zwischenschritten sinnvoll, die einerseits die Pflichtleistungen festlegen (baubehördliche Vorgaben, NutzerInnenwünsche, Einschränkungen durch das Budget etc.) und die andererseits auch die speziellen Ziele des Konzepts (Heizungs- und Lüftungskonzept, Energiebereitstellung, Fensterlösungen etc.) berücksichtigen. (Schulze Darup et al., Grundlagen Passivhaus, Hrsg. GrAT, www.e-genius.at) 5.2. Baukultur und Landschaftsschutz Die Umstellung unserer Energieversorgung auf erneuerbare Energien bedeutet, dass die Techniken flächenintensiver werden und zugleich dezentrale Lösungen den zentralen Kraftwerken wirtschaftlich ebenbürtig gegenüberstehen. Derzeit erleben wir, dass der Einsatz von Photovoltaik unsere Architektur zunehmend beeinflusst. Es ist eine große Herausforderung für die ArchitektInnen und StadtplanerInnen, die PV-Flächen gestalterisch und städtebaulich verträglich in die Siedlungsstruktur zu integrieren. Dazu gibt es eine hohe Zahl hervorragender Beispiele – aber auch techniklastige Lösungen, die schlichtweg gestalterisch unbefriedigend sind. Der Vorteil der Photovoltaik liegt darin, dass die Module nicht direkt am Verbrauchsort installiert werden müssen, weil sich Strom im regionalen Umfeld gut transportieren lässt. Das heißt, wir müssen die Technik nicht auf einsehbare Dächer eines Denkmalschutzensembles platzieren. Umgekehrt ist es aber wichtig, einen relevanten Teil der regenerativen Energieversorgung innerhalb der Städte zu bewerkstelligen, um den Landschaftsraum der Regionen nicht über Gebühr zu belasten. Dennoch wird im ländlichen Umfeld der Städte die regenerative Energieerzeugung Chance und Belastung zugleich werden. Dem Landschaftsschutz und der sinnvoll geplanten verträglichen Einbindung der neuen Techniken kommt dabei eine hohe Bedeutung zu. 5.3. Verhältnis von Effizienz und Erneuerbaren Energien Im Gebäudesektor betragen die Kosten für die Einsparung der Energie durch Effizienzmaßnahmen mittels Wärmedämmung etwa 1 bis 5 Eurocent pro eingesparter Kilowattstunde. Die Einsparung durch Wärmerückgewinnung von Lüftungsanlagen kostet – je nach Betrachtungsweise – 4 bis 10 Cent/kWh. Dem stehen Wärmekosten von 7 bis 12 Cent/kWh gegenüber, die sowohl für fossile als auch für erneuerbare Energien wie zum 14 Beispiel Biomasse gültig sind. Stromkosten auf Basis fossiler Energien liegen für den Verbraucher bei etwa 25 Cent/kWh. Die Bereitstellung von Energien mittels erneuerbarer Energien liegt bei 6 bis 12 Cent/kWh bei Windkraft und bei 20 bis demnächst unter 15 Cent/kWh bei Photovoltaik (für Deutschland berechnet). Während beim Wind im Allgemeinen die Kosten für die Energieverteilung dazukommen, kann PV-Strom direkt am Erzeugungsort genutzt werden. Damit kann der Nachteil der höheren Herstellungskosten ausgeglichen werden. Innovative Entwicklungen können durch Förderung und Anpassung der Rahmenbedingungen angestoßen werden, müssen aber mittelfristig ökonomischen Entwicklungen folgen. Aus der obigen Kostengegenüberstellung ist sehr leicht ersichtlich, dass Effizienz den höheren Anteil bei unseren Gebäude- und Siedlungskonzepten einnehmen muss. Der Passivhaus-Standard markiert einen marktfähigen kosteneffizienten Standard, der heute und auch in Zukunft ausreichend sein wird, als Grundlage für die Klimaschutzziele zu dienen. Damit können effizienzseitig zwei Drittel der energetischen Wertschöpfung erfolgen. Das verbleibende Drittel kann durch erneuerbare Energien volkswirtschaftlich sinnvoll bereitgestellt werden. 5.4. Das Gebäude als „Kraftwerk“? Unsere Gebäude der Zukunft werden also eine hocheffiziente Gebäudehülle aufweisen und durch den Einsatz erneuerbarer Energie in der Bilanz mehr Energie produzieren, als sie verbrauchen. So gesehen ist ein Plus-Energie-Gebäude ein kleines Kraftwerk. Der Begriff ist allerdings insofern irreführend, als die verbleibenden Energieströme in dem Gebäude so gering sind, dass sie mit wenig Technik bereitgestellt werden können: Das Heizen eines Einfamilienhauses könnte auch an kalten Tagen mit etwa 15 Teelichtern erfolgen. Entsprechend klein kann das Heizsystem ausgelegt sein. Die Geräte mit solch geringer Leistung können mittelfristig als Weiße Ware hergestellt und nach dem Plug&Play-Prinzip kostengünstig installiert und ausgetauscht werden. Ein Heizraum ist überflüssig. Die Haustechnik passt auf den Platz eines Kühlschranks. Zudem können Synergien mit den Haushaltsgeräten und mit EDV und IT sowie Unterhaltungselektronik erstellt werden durch internes Wärmemanagement und integrale Nutzung eines kostengünstigen Prozessors für alle Funktionen. Die folgenden beiden Abbildungen stellen ein konventionelles System und ein integrales Plus-Energie-System für Haustechnik und Haushaltsgeräte einander gegenüber. 15 Gebäudetechnik bisher Solarthermie TV Computer Computer Telefone Radio TV HIFI Regelung Gefrierschrank Spül- KühlWaschHerd Trockner masch.schrank maschine Regel. Heizung Lüftung & Zu-/ Speicher Warm Abluft wasser mit WRG Abbildung 3: Konventionelle Gebäudetechnik und Haushaltsgeräte – hoher Aufwand ohne Synergien Gebäudetechnik in Zukunft (Quelle: Schulze Darup) Fassaden- und dachintegrierte Photovoltaik Internal grid – W-LAN Infotainment Infotainment Infotainment IT, Kommunikation, Unterhaltung, Regelung Lüftung Heizen & Küche Kühlen Speicher Bad & Waschen Internet Smart grid Einspeisung Abbildung 4: Gebäudetechnik in der Zukunft – integrale Plus-Energie-Systeme mit angepasst niedrigen Leistungen, Synergienutzung und Einbindung der Regelung in ein übergreifendes Smart Grid zur Regelung, Monitoring und zum Lastmanagement (Quelle: Schulze Darup) 5.5. Städtebauliche Aspekte Die Verknüpfung von städtebaulicher Planung mit energetischen Aspekten ist bislang reduziert auf unwesentliche Festsetzungen in Bebauungsplänen auf der einen Seite und die klassische Versorgungstechnik andererseits. Plus-Energie-Konzepte benötigen Verknüpfungen auf einer deutlich breiteren Ebene. Zunächst einmal werden durch die Effizienzmaßnahmen die Versorgungssysteme in den nächsten zwei Jahrzehnten völlig neu definiert werden müssen. Bei deutlich geringerer Energiedichte müssen Fernwärmenetze angepasst bzw. die Anschlussdichte erhöht werden. Es kann auch notwendig werden, 16 Netzteile zurückzubauen. Das gilt ebenso in manchen Bebauungsgebieten mit geringer Dichte für Gasnetze, die nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können. Zugleich wird es bei steigenden Energiepreisen interessanter, Synergien zum Beispiel durch die Nutzung von Abwärme oder thermische Kaskadennutzung mit unterschiedlichen Temperaturniveaus zu betreiben. Städtebaulich orientierte Energiegutachten weisen dieses Thema ebenso als Standardanforderung auf wie die Einrichtung von Nahwärmesystemen in verdichteten Bereichen. Die Integration erneuerbarer Energiegewinnung in die Siedlungsstruktur ist eine große Herausforderung sowohl an die dafür notwendigen Technikentwicklungen als auch an die hochwertige Gestaltung zur Einbindung in die Architektur. Es reicht nicht, Photovoltaikflächen mehr oder minder zufällig auf Gebäudedächer zu installieren, sondern es werden hochwertige Fassadenintegration, die Einbindung in weitere städtische Nutzungen von Infrastruktur- und Nutzbauten sowie im Verkehrswesen bis hin zu Schallschutzwänden erfolgen. 5.6. Regionale Konzepte, Smart Grid und Versorgungssicherheit Große Städte werden in den meisten Fällen nicht in der Lage sein, die erforderliche Energiemenge mittels erneuerbarer Energien auf dem eigenen Territorium zu generieren. Eine wesentliche Aufgabe werden dabei in den nächsten Jahren die Regionen übernehmen. Charakteristische Studien zeigen, dass in den Städten 15 bis 25 Prozent der Energie erneuerbar bereitgestellt werden können, dass die Regionen über 50 Prozent beisteuern können und überregionale Energien von Offshore-Windtechnik bis hin zu solaren Großkraftwerken in Südeuropa oder Nordafrika etwa 10 bis 20 Prozent ausmachen. Ebenso wichtig wie diese Bilanzierung sind allerdings die Versorgungssicherheit und die Lösung der Speicheranforderungen zur kontinuierlichen Lieferung der notwendigen Strommenge bei stark differierenden Nutzeranforderungen und den witterungsbedingten Schwankungen insbesondere der Solar- und Windenergie. Einen wichtigen Teil der Lösung macht der regionale und überregionale Ausgleich in einem großen Verbundnetz aus. Dazu müssen neben Speichereinrichtungen flexible Kraftwerke und Kraft-WärmeKopplungsanlagen kommen, die sehr kurzfristig Spitzenlaststrom bereitstellen können. Eine nicht unbedeutende Regelleistung können allerdings auch unsere Gebäude übernehmen, in denen bei Stromknappheit durch Lastabwurf der Bedarf kurzfristig gesenkt oder aus dezentralen kleinen Batteriespeichern Energie in das Netz geliefert werden kann. Bei regenerativem Überangebot an Energien können Verbraucher gezielt eingeschaltet und thermische und elektrische Speicher geladen werden. Auch die Gebäude selbst stellen einen Speicher dar. Bei Überschussstrom im Winter können sie um 0,5 oder 1 Kelvin höher geheizt werden. Das ist eine gigantische Regelmöglichkeit, wenn Gebäude gut gedämmt sind und mit der so eingespeicherten Energie einen ganzen Tag auskommen. 17 Der Begriff „Smart Grid“ steht für diese wichtige Aufgabe, die in den nächsten Jahren bei zunehmender regenerativer Versorgung eine deutlich wachsende Bedeutung erhalten wird. Umgekehrt ergeben sich daraus Chancen für jedes einzelne Gebäude. Bei der Planung muss darauf geachtet werden, dass die beschriebenen Anforderungen im Kleinen ermöglicht werden. GWh/a Effizienz Wertschöpfung: Überregional BRD/EU Region/Bayern Stadt Nürnberg Fossil - Global Abbildung 5: Zuordnung der Wertschöpfungspotenziale bei der Umstellung auf erneuerbare Energieversorgung am Beispiel der Stadt Nürnberg für Effizienzmaßnahmen sowie die Bereitstellung erneuerbarer Energieträger nach städtischer, regionaler und überregionaler Wertschöpfung (Quelle: Schulze Darup) 5.7. Zum Üben ... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 9: Erläutern Sie den Begriff „Integrale Planung“ und argumentieren Sie die Notwendigkeit im Besonderen bei einem Plus-Energie-Gebäude. Aufgabe 10: Wie können die hohen Ansprüche an die Planung eines Plus-EnergieGebäudes am besten erfüllt werden? Aufgabe 11: Überlegen Sie, wie Gebäudetechnik in der Zukunft, im Besonderen im PlusEnergie-Gebäude, konzipiert sein könnte. Aufgabe 12: Argumentieren Sie, wie in Zukunft Energieversorgungskonzepte und Versorgungssicherheit für Städte aussehen könnten. 18 6. Was sind Plus-Energie-Technologien? Grundlage für die Errichtung eines Plus-Energie-Gebäudes bildet die hohe Effizienz der Gebäudehülle. Die thermische Energie für Heizung und Warmwasserbereitung sollte möglichst umfassend auf Basis erneuerbarer Energieträger bereitgestellt werden, ebenso die Stromversorgung. Von hoher Bedeutung ist hohe Effizienz ebenfalls bei der Nutzung von Strom. Das gilt für den Wohnungsbau hinsichtlich des Haushaltsstroms, aber erst recht bei gewerblichen Nutzungen wie zum Beispiel Bürogebäuden. Die Plus-Energie-Bilanz wird erreicht durch die Gewinnung erneuerbarer Energien, die möglichst direkt am Gebäude erzielt werden. Speichertechniken, die mit der Elektromobilität verbunden werden können, helfen Lastgänge bei der Stromgewinnung und dem Verbrauch zu harmonisieren. Über die Regelung muss das Gebäude sinnvoll in das Versorgungsnetz eingebunden werden und kann durch Lastabwurf oder gezieltes Einschalten von Verbrauchern einen Part zum übergeordneten Lastmanagement beitragen. Die Plus-Energie-Technik ist also die konsequente Fortführung des Passivhaus-Gedankens und baut auf dem Erfahrungsschatz dieser Technik auf. In diesem Kapitel wird Bezug genommen auf andere Lernfelder auf www-e-genius.at, wo die Techniken im Detail beschrieben werden. Der Schwerpunkt hier liegt in der sinnvollen Verknüpfung der dena- Modellprojekt „Effizienzhaus Plus“: HOLZ5 in Bad Aibling Komponenten. Effizienzkomponenten Heizung / WW Nahwärme mit Biomasse Photovoltaik Smart Grid Flachdach Fenster U = 0,11 W/(m²K) Uw = 0,85 W/(m²K) Zu-/Abluftanlage mit 85 % WRG Außenwand U = 0,14 W/(m²K) Qualitätssicher. Bodenplatte U = 0,10 W/(m²K) - Luftdichtheit - Wärmebrücken - Bauprozess - Facility Manag. Abbildung 6: Plus-Energie-Komponenten am Beispiel eines Mehrfamilienhauses: Grundvoraussetzung ist hohe Effizienz (Quelle: Schankula & Schulze Darup) 6.1. Gebäudeeffizienz Passivhaustechnik bildet Gebäudeenergieeffizienz mit dem besten Kosten-Nutzen-Verhältnis ab und ermöglicht für die NutzerInnen eine hohe Behaglichkeit und einen hervorragenden 19 Komfort. Seit über 20 Jahren bewährt sich die Technik in der Praxis und stellt eine hervorragende Grundlage für die Herstellung von Plus-Energie-Gebäuden dar. Wichtig ist der Hinweis, dass die bauphysikalischen Rahmenbedingungen nicht nur für den winterlichen, sondern auch für den sommerlichen Wärmeschutz einen optimierten Standard darstellen. Damit wird in den meisten mitteleuropäischen Regionen auch bei den zu erwartenden Klimafolgen für den Wohnungsbau keine aktive Kühlung erforderlich. In wärmeren Regionen ist die Kühllast so gering, dass mit sehr einfachen Techniken und geringem Energiebedarf ein hoher sommerlicher Komfort zu erzielen ist. Eine genaue Beschreibung der Passivhaus-Technik befindet sich in den Lernfeldern Passivhaus – Grundlagen, Kontrollierte Wohnraumlüftung und Hocheffiziente Sanierung auf www.e-genius.at. Es ist davon auszugehen, dass in nächster Zeit zahlreiche Effizienzkomponenten eine weitere Entwicklung erfahren und vor allem mit Eintritt in die Mainstream-Fertigung nochmals kostengünstiger hergestellt werden können. Insofern werden die Passivhaus-Komponenten zunehmend zum üblichen Baustandard. Weil der Umgang der PlanerInnen und HandwerkerInnen mit diesen Standards zum Alltagsgeschäft wird, ist auch von diesem Aspekt her mit einer nochmals verbesserten Wirtschaftlichkeit zu rechnen. Hinsichtlich des Ziels, den Gebäudebestand bis 2050 klimaneutral zu gestalten, lassen zahlreiche Gutachten erkennen, dass eine darüber hinausgehende Verbesserung der Effizienzkomponenten eher nicht erforderlich sein wird. Diese Feststellung ist wichtig für die BauherrInnen, weil sie damit eine hohe Sicherheit haben, dass sie mit dem derzeitigen Effizienzstandard in eine wertstabile Immobilie investieren, die nicht nach 20 bis 30 Jahren eine energetische Sanierung mit hohen Kosten erfordert. Die wichtigsten Kriterien für den hochwertigen Wärmeschutzstandard der Gebäudehülle, die Lüftungstechnik mit Wärmerückgewinnung und die Kennwerte werden in der folgenden Aufstellung zusammengefasst. Übersicht über die wichtigsten Passivhaus-Kriterien: Jahresheizwärmebedarf ≤ 15 kWh/m²a Maximale Heizwärmelast ≤ 10 W/m², um auf ein gesondertes Heizsystem verzichten zu können Wand, Dach und Fußboden: Wärmedurchgangskoeffizient U < 0,15 W/m²K, Wärmebrückenfreiheit Fenster UW ≤ 0,8 W/m²K; g ≥ 0,5 bis 0,6 Luftdichtheit: max. 0,6-facher Luftwechsel bei 50 Pa Druckdifferenz (n 50 ≤ 0,6 1/h) Zu-/Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung mit einem Wärmebereitstellungsgrad ηWRG,eff ≤ 75 %, Stromeffizienz pel < 0,45 Wh/m³ Jahresprimärenergiebedarf für Heizung, Brauchwasserbereitung, Lüftung und Haushaltsstrom ≤ 120 kWh/m²a (Quelle: PHI 2012) 20 6.2. Heizung, Warmwasserbereitung und Kühlung mit erneuerbaren Energien Die Gebäudetechnik dient dazu, für die BewohnerInnen kontinuierlich einen hohen Komfort sicherzustellen. Da hocheffiziente Gebäude nur noch eine sehr geringe Heiz- und gegebenenfalls Kühllast aufweisen, können Heiz- und Kühltechnik deutlich einfacher ausgeführt werden als bei bisherigen Standardgebäuden. Insofern ist im Bereich der Gebäudetechnik in den nächsten zehn Jahren mit deutlichen Paradigmenwechseln zu rechnen. Darüber hinaus werden zusätzliche Anforderungen an die Technik von morgen gestellt, weil die planerische Systemgrenze nicht mehr am Übergabepunkt für den Energieträger an der Gebäudegrenze liegt, sondern Gebäude und Versorgungsnetz in einem wechselseitigen Austausch stehen. Je nach Lage und Einbindung des Gebäudes kann für die Wahl des Heizsystems neben den gebäudeeigenen Aspekten also auch die Einbindung in das Smart Grid einen wesentlichen Entscheidungsaspekt bieten. In der Folge wird eine Auswahl von Heizsystemen dargestellt, mit Anmerkungen zu ihren Besonderheiten bei der Anwendung in Plus-Energie-Gebäuden. Wärmepumpen (Lernfeld Grundlagen der Wärmepumpentechnologie auf www.e-genius.at): Das Stromnetz wird durch die Einbindung der erneuerbaren Energien in Zukunft eine nochmals höhere Bedeutung erlangen als bisher. Wärmepumpen stellen eine Effizienztechnik dar und können mittels Strom bei einer Arbeitszahl von etwa 3 bis deutlich über 4 Wärme bereitstellen, die aus der Umgebung des Gebäudes entnommen wird. Wärmepumpen weisen bei hocheffizienten Gebäuden den Vorteil auf, dass mit kleinen Leistungen und niedrigen Temperaturniveaus hoher Komfort mit einfacher Technik ohne hohen Wartungsaufwand bereitgestellt werden kann. Wärmepumpensysteme können im Rahmen des Smart Grids dazu genutzt werden, Lastmanagement zu betreiben, weil die hohe thermische Trägheit des Gebäudes es ermöglicht, die Aggregate nach Erfordernissen des Versorgungsnetzes zu regeln. In Verbindung mit eher kleinen Speichern kann dieser Effekt noch deutlich erhöht werden. Die Warmwasserbereitung stellt bei Wärmepumpen einen gewissen Schwachpunkt dar, da ein erhöhtes Temperaturniveau erreicht werden muss, welches zu einer ungünstigeren Arbeitszahl führt. Als Gegenaspekt ist allerdings anzuführen, dass in Verbindung mit PV-Anlagen das System eine hervorragende indirekte Solarnutzung ermöglicht, mit Ausnahme weniger Wintermonate, und mithin zusätzliche Solarthermieanlagen erübrigt. Während Solarthermie zur Warmwasserbereitung Wärmegestehungskosten von 12 bis über 25 Cent/kWh aufweist, kann mit diesem System bei PV-Kosten von 15 bis 20 Cent/kWh Wärme für 4 bis 6 Cent/kWh bereitgestellt werden (diese Berechnung bezieht sich auf die Situation in Deutschland). Flächenheizsysteme mit Wärmepumpen können darüber hinaus mit minimalem Zusatzaufwand zur Kühlung genutzt werden. Von der Kostenseite her ist in den nächsten Jahren mit deutlichen Einsparungen zu rechnen, weil einfache kleine Systeme für Passivhäuser auf den Markt kommen, die in einer breitenwirksamen Fertigung deutliche Kostensprünge nach unten ermöglichen. Mittelfristig ist 21 davon auszugehen, dass Synergien zwischen Heiz- und Haushaltstechnik genutzt werden und das Heizsystem dadurch zur kostengünstigen Weißen Ware wird. Biomassekessel (Lernfeld Biomasseverbrennungstechnologien auf www.e-genius.at): Das Heizen mit Biomasse stellt eine hervorragende Form der erneuerbaren Wärmegewinnung dar und ist für viele Gebäudeformen sinnvoll anwendbar. Es ist allerdings zu bedenken, dass die nachhaltig verfügbare Biomasse bei weitem nicht ausreicht, den heutigen Bestand zu heizen. Zudem gibt es zahlreiche konkurrierende Nutzungen für Biomasse, z. B. die Anwendung bei zentralen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zur Versorgung von Nah- und Fernwärmenetzen bis hin zum Biosprit und weiteren massenrelevanten Einsatzbereichen. Schließlich muss beachtet werden, dass insbesondere in verdichteten Gebieten die Emissionen der Heizanlagen in die Überlegungen einbezogen werden müssen. BHKW/Kraft-Wärme-Kopplung für Nah- und Fernwärmesystem (Lernfeld Blockheizkraftwerke auf www.e-genius.at): Der Vorteil von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) liegt in der hocheffizienten Brennstoffausnutzung im Vergleich zur konventionellen Energiewandlung mit Heizkesseln auf der Wärmeseite und üblichen Kraftwerken mit Primärenergiefaktoren von i. M. 1,3 für die Generierung von Strom. Die Technik ist einsetzbar in Mikro-BHKW für Mehrfamilienhäuser und Bürogebäude etc. sowie für Nah- und Fernwärmesysteme im großtechnischen Maßstab. Bei sich deutlich verbessernden Kennwerten auf der Strom- und Wärmeseite, wie sie in den nächsten 10 bis 20 Jahren durch den hohen Einsatz erneuerbarer Energien zu erwarten sind, wird dieser Vorteil sukzessive nachlassen und sich bei den weniger effizienten Systemen aufgrund der hohen Anlagenverluste in das Gegenteil wenden. In der Konsequenz muss KWK also mittelfristig mit erneuerbaren Brennstoffen betrieben werden. Das gilt im kleintechnischen Maßstab ebenso wie bei Nah- und Fernwärmesystemen. Erneuerbare KWK kann einen konstruktiven Einfluss auf die Versorgungsstruktur ausüben. Das gilt insbesondere für Nah- und Fernwärmenetze in verdichteten Siedlungsstrukturen. Die Technik kann einerseits dazu genutzt werden, insbesondere in den zentralen Winter-Heizmonaten chemisch gebundene Energie in Wärme und Strom zu wandeln, um damit in der Gesamtbilanz den erhöhten Strombedarf für Wärmepumpen-Heizungen in der Fläche zu unterstützen. Grundsätzlich kann mit KWK darüber hinaus das Netz auch hinsichtlich des Lastmanagements stabilisiert werden und in diesem Sinn in die Smart-Grid-Regelung einbezogen werden. Brennwertkessel: Kessel mit Brennwertnutzung bieten eine höchstmögliche Ausnutzung des jeweiligen Brennstoffs, seien es gasförmige oder flüssige Brennstoffe auf fossiler oder erneuerbarer Basis. Die fossilen Anwendungen werden in den nächsten Jahren sukzessive zurückgehen, sodass bei Entscheidungen für diese Technik überprüft werden muss, welcher Zeithorizont für die Investition sinnvoll ist. Inwieweit erneuerbare Brennstoffe wirtschaftlich zur Verfügung stehen, ist ebenfalls zu prüfen. Insbesondere im Gasbereich zeichnet sich ab, dass mittelfristig eher zentrale Gas-und-Dampf-Kraftwerke (GuD-Kraftwerke) zum Versorgungsmix beitragen werden, während die Gasversorgung in der Fläche bei kleinteiligen Gebäuden in 20 bis 30 Jahren möglicherweise zurückgebaut wird. Dort bietet sich – auch hinsichtlich der Regelungsoptionen im Smart Grid – deutlich die Wärmepumpentechnik an, sodass in diesen Gebieten nur noch eine monovalente Versorgung mit Strom aufrechterhalten werden muss. 22 Solarthermie (Lernfeld Grundlagen Solarthermie und Solares Kühlen auf www.e-genius.at): Solarthermie ist die klassische regenerative Wärmetechnik und wird von engagierten PlanerInnen seit über 20 Jahren in ständig verfeinerter Form genutzt. Die Technik wird in vielen Anwendungsgebieten auch zukünftig breite Einsatzmöglichkeiten aufweisen. Dazu muss allerdings die Wirtschaftlichkeit der Anlagen in den nächsten Jahren deutlich erhöht werden. Anlagen zur Warmwasserbereitung weisen derzeit Kosten von 12 bis über 25 Cent pro bereitgestellter Kilowattstunde auf. Nur wenn Effizienzeffekte bei der Erneuerung von Anlagen gegengerechnet werden können, sieht die Wirtschaftlichkeit besser aus. Anlagen mit Heizungsunterstützung rechnen sich bei hocheffizienten Gebäuden zunehmend weniger, weil sich die Heizzeit bei Passivhäusern im Wesentlichen auf die Monate November bis Februar beschränkt, in denen die solare Ausbeute sehr gering ist. Daraus resultieren nochmals erhöhte spezifische Kosten für diesen Anlagentyp. Werden in einem Gebäude Wärmepumpen eingesetzt, muss darüber hinaus beachtet werden, dass in Verbindung mit Photovoltaikanlagen die Wärme für 4 bis 6 Cent/kWh bereitgestellt werden kann, sodass durch die Kostenentwicklung bei PV-Anlagen der Solarthermie eine bedeutsame Konkurrenz erwachsen ist. Die Wärmepumpen-PV-Lösung hat darüber hinaus den Charme, Smart-GridRegelfunktionen übernehmen zu können. 6.3. Stromeffizienz in Wohn- und Nichtwohngebäuden Stromeffizienz ist nicht nur eine wesentliche Grundvoraussetzung für den sinnvollen Betrieb eines Plus-Energie-Gebäudes. Vielmehr ist besonders in diesem Bereich ein sehr hohes Effizienzpotenzial für die Anforderungen der Energiewende mit bestem Kosten-NutzenVerhältnis gegeben. Da die Investitionszyklen bei den Stromanwendungen im Wohngebäudebereich wie im gewerblichen Bereich deutlich niedriger liegen als die der baulichen Maßnahmen, lässt sich bei jeder Neuanschaffung ein deutlicher Effizienzsprung realisieren ohne bedeutsame Mehrinvestitionen gegenüber einem Standardgerät. Hilfreich für diese Entwicklung könnten folgende Aspekte sein: 1. Durch gezielte Öffentlichkeitsarbeit und Marketinginitiativen wird Stromsparen zu einem zentralen Ziel erhoben, das gesellschaftlich hoch anerkannt wird (das widerspricht der aktuellen Situation, dass hoher Energieverbrauch bzw. der Betrieb oder die Nutzung von Anlagen und Geräten mit hohem Energieverbrauch als Statussymbol gesehen wird). 2. Hersteller verpflichten sich auf das Top-Runner-Prinzip, das heißt, es wird in schnellen Zyklen jeweils nur noch die effizienteste Technik hergestellt und vertrieben. 3. Der Handel schließt sich dieser Verpflichtung an und bietet hocheffiziente Geräte zu möglichst günstigen Preisen an; energieintensive Geräte werden nicht mehr angeboten. 4. Förderungen für die Anschaffung hocheffizienter Geräte bieten einen Anreiz für VerbraucherInnen, ineffiziente Geräte schneller durch effiziente Technik zu ersetzen. Dieser Effekt ist gleichzeitig ein Marktanreizprogramm und motiviert Hersteller und Handel, ihren oben beschriebenen Part einzubringen. 5. Der Rebound-Effekt wird in Abstimmung mit den Herstellern minimiert, indem keine Marketinganreize für Geräte durchgeführt werden, die zwar effizient sind, aber durch 23 eine unsinnig erhöhte Nutzungsperformance oder Größe die Effizienzaspekte aufzehren. Bei Plus-Energie-Gebäuden sollte die jeweils beste Effizienztechnik für die vielfältigen Stromanwendungen von vornherein konsequent angestrebt werden. Im Folgenden werden die wesentlichen Aspekte der verschiedenen Bereiche kurz beschrieben. Hinsichtlich der konkreten Geräteauswahl wird auf zahlreiche vorhandene Homepages verwiesen, auf denen hocheffiziente Geräte gelistet sind, z. B. http://www.topprodukte.at oder http://www.stromeffizienz.de. 6.3.1. Beleuchtung Ausgehend von einem Standard-Vierpersonenhaushalt mit etwa 4.000 kWh jährlichem Stromverbrauch erfordert die Beleuchtung circa 300 bis über 500 kWh pro Jahr. Eine Voraussetzung für den sparsamen Umgang mit Beleuchtung liegt sowohl in einer guten Tageslichtnutzung durch eine gezielte Belichtungsplanung als auch im sparsamen Verhalten der NutzerInnen. Bei gewerblichen Gebäuden ist durch Regelungseingriffe wie Tages- und Wochenprogramme in Verbindung mit Präsenzmeldern und gezielter Arbeitsplatzbeleuchtung ein hohes Maß an Effizienz möglich. Darüber hinaus müssen die Leuchtmittel sowie die Beleuchtungsstrategie optimiert werden. Glühbirnen sollten gegen Energiesparleuchten ausgetauscht werden und wenn möglich LED-Technik zum Einsatz kommen. Ergänzend soll darauf hingewiesen werden, dass Regelungssysteme und StandbyLeistungen gezielt optimiert werden müssen, um wirtschaftliche Lösungen zu erzielen. Beispielhaft wird mit folgender Abbildung gezeigt, dass bei gewerblich genutzten Gebäuden allein bei der Verschattung ein nicht zu unterschätzendes Einsparpotenzial durch die Optimierung des Stromverbrauchs für die Sonnenschutzanlagen besteht (s. Abbildung 7). Abbildung 7: Beispiel für die Wirksamkeit hocheffizienter Technik am Beispiel des StandbyStromverbrauchs für automatisierte Sonnenschutzanlagen (Quelle: Schöberl & Pöll) 24 6.3.2. Haushaltsgeräte Kühlen und Gefrieren: Üblicherweise werden in einem Vierpersonenhaushalt 600 bis 1.000 kWh pro Jahr für Kühlen und Gefrieren verbraucht. Durch den Kauf eines neuen, effizienten Gerätes kann dieser Wert deutlich gesenkt werden. Bestgeräte für Kühl-/Gefriergeräte verbrauchen nur etwas über 60 kWh/a. Gefrierschränke weisen als Bestmarke circa 100 kWh/a auf. Sinnvoll ist in zahlreichen Haushalten eine KühlGefrierkombination, die genügend Gefrierfläche für die üblichen Anwendungen zur Verfügung stellt und bei Bestgeräten mit 130 kWh/a zu betreiben ist. Spülen: Durchschnittlich werden für das Spülen bei vier Personen etwa 200 bis 300 kWh/a benötigt. Optimierte Spülmaschinen können drei Waschgänge pro Woche mit jährlich 110 kWh erledigen, bei fünf Spülgängen sind das 180 kWh/a. Kochen und Backen: Für die Zubereitung der Speisen sind etwa 10 Prozent des jährlichen Stromverbrauchs, für vier Personen also circa 400 kWh/a erforderlich. Durch optimierte Geräte können Einsparungen erzielt werden, die allerdings geringer ausfallen als bei den anderen dargestellten Anwendungen. Ein hohes Maß an Einsparung ist vor allem durch sparsames Nutzerverhalten möglich, wozu bei E-Herden die Nutzung von Restwärme der Kochfelder ebenso gehört wie gegebenenfalls die Nutzung von Drucktöpfen oder das zielgerichtete Erhitzen von Wasser mit optimierten Wasserkochern anstatt auf der Herdplatte. Waschen: Vier Personen benötigen im Durchschnitt 250 bis 400 kWh/a für den Betrieb der Waschmaschine. Bestgeräte benötigen bei drei Anwendungen pro Woche etwa 110 kWh/a und bei fünf Anwendungen 180 kWh/a. Eine Optimierung ist einerseits durch die Wahl der Waschprogramme seitens der NutzerInnen gegeben. Die Temperatur kann in vielen Fällen niedriger gewählt werden als bisher üblich. Ein weiteres Einsparungspotenzial liegt andererseits in der Nutzung von Wärme aus dem regenerativ bereitgestellten Warmwasser der Brauchwarmwasserbereitung. Trocknen: Der mittlere Bedarf des Vierpersonenhaushalts beträgt etwas mehr als der für das Waschen, obwohl ein Trockner einen deutlich höheren Bedarf aufweist als eine Waschmaschine. Der Grund für diese Differenz liegt darin begründet, dass ein Teil der Wäsche an der Luft getrocknet wird. Bestgeräte benötigen bei drei Trocknungsanwendungen pro Woche etwa 230 kWh/a. Innovative Geräte nutzen für den Trockenvorgang Wärme aus der Warmwasseranlage und können dadurch deutliche Einsparungen erzielen. Ein weiterer äußerst sinnvoller und einfacher Weg der Wäschetrocknung liegt in der Nutzung eines Trockenschrankes in Verbindung mit einer Zu-/Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung. Auf engstem Raum kann dieser Schrank aufgestellt werden und ermöglicht die Trocknung eines Waschgangs innerhalb 10 bis 24 Stunden, indem einfach die Abluft gezielt durch die Wäsche geleitet wird, bevor sie über das Abluftventil zum Lüftungsgerät gelangt. 6.3.3. Unterhaltungselektronik Fernsehen: Alte Fernsehgeräte mit größeren Bildschirmen liegen im Betrieb bei einer Leistungsaufnahme von deutlich über 200 Watt bei Verbrauchswerten von mehreren Watt im Standby-Betrieb. Das ergibt im Jahr durchaus 400 kWh. Aktuelle Röhrengeräte mit circa 25 80 cm Bildschirmdiagonale benötigen 100 bis 160 W. LED-Bestgeräte können bei 48 cm Bildschirmdiagonale mit 18 Watt betrieben werden, was bei mittelmäßigem Fernsehkonsum von durchschnittlich gut vier Stunden am Tag im Jahr 28 kWh ausmacht. Größere Geräte sind entsprechend höher im Verbrauch, wie die Tabelle aufzeigt. Höhere Effizienz kann durchaus durch den Rebound-Effekt teilweise zunichte gemacht werden, indem größere Geräte genutzt werden. Bildschirmdiagonale 48 cm 102 cm 152 cm Im Betrieb 18 W 48 W 93 W Standby 0,2 W 0,2 W 0,2 W 0W 0W 0W 28 kWh 71 kWh 177 kWh Ausgeschaltet Verbrauch pro Jahr Tabelle 1: Stromverbrauch von Fernsehgeräten mit bestem Energiestandard (Quelle: Schule Darup) Audio – HiFi-Geräte, Radios, Entertainment: Unterhaltungselektronik für den Audiobereich unterliegt einer hohen Spanne, was die Verbrauchskennwerte angeht, und ist zudem in hohem Maß von Nutzeransprüchen und Gewohnheiten abhängig. Hochwertige Geräte mit bester Raumakustik können bereits mit wenigen Watt betrieben werden. Selbstverständlich stehen dem die Anlagen mit hohen Wattleistungen gegenüber, die von einer ausgewählten Klientel durchaus anhand nach oben ausgerichteter Leistung eingekauft werden. 6.3.4. Büro – EDV und IT PCs: Bis vor wenigen Jahren wurden PCs nicht nur beständig leistungsfähiger, sondern verbrauchten auch zunehmend mehr Strom. Dieser Trend ist seit einigen Jahren gebrochen, und der Verbrauch hat nun wesentlichen Einfluss auf die Konfiguration der Geräte. Beststandards liegen bei einer Leistungsaufnahme im normalen Arbeitsbetrieb von gerade einmal 12 Watt, im Ruhemodus liegen sie bei 1,7 W, und im Standby nehmen sie gerade einmal 0,9 W auf. Die Tabelle zeigt im Vergleich dazu die Kennwerte effizienter StandardPCs sowie von Geräten mit hohem Energieverbrauch. Zu den genannten Werten müssen die Verbräuche der Bildschirme addiert werden. 26 Bestgeräte Effiziente PCs PCs mit hohem Energieverbrauch Idle-Modus 12–15 W 20–25 W 80–150 W Ruhe-Modus 1,7–2 W 1,7–2,5 W 5–20 W 0,9–1,1 W 0,9–1,2 W 2–10 W 24 kWh 47 kWh 100–250 kWh Standby Verbrauch pro Jahr (4 Std/Arbeitstag) Tabelle 2: Stromverbrauch von PCs mit unterschiedlichem Energiestandard (Quelle: Schulze-Darup) Bildschirme: Bei den Bildschirmen ist seit Jahren eine Entwicklung zu hocheffizienten LEDScreens zu beobachten, allerdings im gleichen Zug der Trend zu immer größeren Bildschirmdiagonalen. Dennoch liegen die Verbrauchswerte gegenüber den Röhrenbildschirmen, die 50 bis deutlich über 100 W Aufnahmeleistung hatten, in einem deutlich günstigeren Bereich. Die Bestgeräte, die in der Tabelle aufgezeigt werden, machen deutlich, dass es sinnvoller ist, einen großen Bildschirm mit beispielsweise 24 Zoll Bildschirmdiagonale zu verwenden, als zwei Bildschirme mit je 17 Zoll nebeneinander zu stellen. Bildschirmdiagonale 15 Zoll 17 Zoll 20 Zoll 24 Zoll Betriebsmodus 6,4 W 13 W 14 W 17 W 9,9 kWh 20 kWh 21,5 kWh 23,7 kWh Verbrauch pro Jahr (4 Std./Arbeitstag) Tabelle 3: Stromverbrauch von Beststandard-Bildschirmen mit unterschiedlicher Bildschirmdiagonale (Quelle: Schulze Darup) Laptops: Mit Laptops können extrem niedrige Verbrauchswerte mit äußerst hochwertiger Computertechnik erzielt werden. In der Tabelle werden Kennwerte für Bestgeräte abgebildet. Die gleiche Effizienztechnik kann selbstverständlich auch in PCs eingebaut werden. 27 Bildschirmdiagonale 11 Zoll 15,6 Zoll 17,3 Zoll 17,3 Zoll* Idle-Modus 4,6 W 6,2 W 7,3 W 12 W Ruhe-Modus 0,7 W 0,9 W 1,5 W 1,5 W Standby 0,4 W 0,5 W 0,6 W 0,6 W 8,9 kWh 11,6 kWh 13,8 kWh 18–20 kWh Verbrauch pro Jahr (4 Std./Arbeitstag) Tabelle 4: Stromverbrauch von Beststandard-Laptops mit unterschiedlicher Bildschirmdiagonale (Quelle: Schulze) * Gutes Mainstream-Produkt Drucker: Farb-Laserdrucker können bei üblichem Verbrauch und Bestgeräten mit 15 bis 20 kWh pro Jahr betrieben werden. Hochwertige sonstige Geräte liegen immer noch bei etwa 25 bis 50 kWh/a. Multifunktionsgeräte – Drucker, Kopierer, Scanner: Multifunktionsgeräte, zum Teil auch mit Faxfunktion, liegen bei einem Jahresverbrauch von etwa 30 kWh/a bei den Bestgeräten bis hin zu 100 kWh/a bei guten Standardgeräten. Telekommunikation: Telefone benötigen an und für sich nur minimale Energiemengen. Mobiltelefone können gut betrieben werden mit zwei Stunden Ladezeit alle zwei Tage. Bei 1,5 bis 4 Watt Ladeleistung sind das 0,5 bis 1,5 kWh pro Jahr, bei täglichem Laden das Doppelte. Bei Festnetzgeräten sind allerdings sehr unterschiedliche Anschlusswerte für Betrieb, Ladezustand und Standby-Betrieb gegeben. Das Spektrum langt von unterhalb 10 bis über 40 kWh Verbrauch pro Jahr. 6.3.5. Ergebnis – Verbrauch in Haushalt und Büros Haushalte: Durchschnittsverbrauchswerte von privaten Haushalten liegen für einen Zweipersonenhaushalt bei 2.700 bis 3.300 kWh/a, für einen Vierpersonenhaushalt bei 3.500 bis 5.000 kWh/a. Mit den beschriebenen Maßnahmen lässt sich der Verbrauch deutlich reduzieren. Zwei Personen können mit 800 bis 1.000 kWh/a auskommen, ein Vierpersonenhaushalt mit 1.500 bis 1.800 kWh/a. Büros: Der Stromverbrauch in Büros setzt sich in sehr unterschiedlicher Form aus den oben beschriebenen Komponenten und deren Nutzungsspezifikationen zusammen. Wie aus den Gegenüberstellungen der verschiedenen Gerätestandards ersichtlich ist, ergeben sich äußerst unterschiedliche Verbrauchswerte und Einsparungspotenziale. Benchmarks für charakteristische Kennwerte können in zahlreichen Gutachten und bei Facility-ManagementFirmen abgefragt werden. Die folgende Abbildung zeigt einen Anhaltspunkt für unterschiedliche Primärenergie-Kennwerte von Bürogebäuden. 28 Abbildung 8: Spezifischer Primärenergieverbrauch für ein Bürogebäude mit und ohne energieeffiziente Bürogeräte bei gleichem Sanierungsstand (Quelle: Schöberl & Pöll GmbH); zue Erreichung des PlusEnergie-Standards ist ein hoher Effizienzstandard bei den Geräten unerlässlich 6.4. Plus-Energie-Bilanz durch den Einsatz erneuerbarer Energien Während im vorhergehenden Kapitel beschrieben wird, wie ein möglichst hohes Maß an Effizienz und die Bereitstellung von Wärme mit erneuerbaren Energien erreicht werden kann, soll nun aufgezeigt werden, wie im oder am Gebäude ein möglichst hohes Maß an erneuerbaren Energien stromseitig erreicht werden kann. Elektrizität wird zur neuen Leitwährung der Energiewende. Der Strommix ändert sich in den kommenden Jahren zunehmend von der überwiegend fossilen und nuklearen Bereitstellung hin zu einem erneuerbaren System. Dadurch wird sich die spezifische CO2-Emission pro Kilowattstunde deutlich nach unten verändern. Es muss allerdings bedacht werden, dass auch erneuerbare Energien einen ökologischen Rucksack haben, der in der Bilanzierung berücksichtigt werden muss. Analog dazu wird sich die primärenergetische Bewertung von Strom sukzessive verändern. Während der Strommix derzeit mit einem Primärenergiefaktor von 1,31 belegt ist, wird sich dieser Wert in den nächsten Jahrzehnten noch weiter nach unten bewegen. Ein wesentlicher Betrachtungspunkt beim Umbau der Energieversorgung auf ein nachhaltiges System liegt in den Strommengen, die wir erneuerbar erzielen können. Nach derzeitigem Ermessen werden zwei Drittel der Arbeit durch Effizienz erbracht werden müssen und ein Drittel mittels der erneuerbaren Energien. Die Energiekosten werden sich auf diesem Bereitstellungsniveau der Erneuerbaren einpendeln. Das Kostenniveau wird in einem eher erträglichen Rahmen bleiben, wenn das Angebot an regenerativen Energien ausreichend ist und die dadurch erzeugte Belastung von Landschaft und gebauter Umwelt in einem verträglichen Rahmen gehalten werden kann. Im Folgenden werden zu den möglichen Plus-Energie-Techniken kurze Erläuterungen gegeben. Hinsichtlich der Technik selbst wird auf die bereitstehenden Lernfelder auf www.e-genius.at verwiesen. 29 GWh/a Effizienz Abbildung 9: Entwicklung der Energiedienstleistungen, unterteilt nach Effizienz, Erneuerbaren Energien (farbig) und einem Restsockel fossiler Energieträger (grau) in einer Region mit 3 Mio. EinwohnerInnen. Die Wertschöpfung durch Effizienz macht zwei Drittel aus, die durch erneuerbare Energien ein Drittel (Quelle: Schulze Darup) Photovoltaik (siehe Lernfelder Grundlagen der Photovoltaik und Integration von Photovoltaikanlagen in Gebäude auf www.e-genius.at): Für die Bereitstellung von PlusEnergie innerhalb der Siedlungsstrukturen bzw. mittels Einbindung in die Gebäudehülle bietet sich vorrangig die Photovoltaik an. Derzeitig wird die Technik so kostengünstig, dass die Schwelle der Fördernotwendigkeit in wenigen Jahren unterschritten werden kann und bei optimierter Planung die Eigenstromnutzung wirtschaftlich darstellbar ist. PV-Systemkosten von 1.800 bis 1.500 Euro pro kW peak sind derzeit in sehr günstigen Fällen bereits realisierbar und ermöglichen einen Herstellungspreis von etwa 15 Cent pro bereitgestellter kWh. Bei einem sinnvollen Verhältnis von selbstgenutztem, eingespeistem und aus dem Netz bezogenem Strom mit einem möglichst hohen Eigennutzungsanteil kann eine Photovoltaikanlage kostendeckend betrieben werden. Inwieweit dazu gegebenenfalls interne Speichermöglichkeiten in Form von Batterien etc. genutzt werden können, wird im folgenden Kapitel erläutert. Photovoltaik kann auf dem Dach eines Gebäudes, an den Fassaden, auf und an Nebengebäuden, in Form von Verschattungselementen oder in sonstiger gestalterisch hochwertiger Form eingebunden werden. Lange war die optimale Südausrichtung und Neigung obligatorisch, um ein sinnvolles Kosten-Nutzen-Verhältnis zu erzielen. Durch die deutlich niedrigeren Modulpreise können in den letzten Jahren auch gestalterisch begründete Alternativen gewählt werden. Zudem ist es nicht ganz uninteressant, unterschiedliche Ausrichtungen zu platzieren, damit die Bereitstellungszeit über den Tag gestreckt und mithin der direkt nutzbare Eigenanteil erhöht wird. Für die Auslegung gilt als 30 Faustformel hinsichtlich monokristalliner PV-Module: Pro Kilowatt peak werden circa 8–10 m2 Modulfläche benötigt. Der Ertrag liegt bei optimal ausgerichteten Flächen etwa zwischen 900 und 1.200 kWh pro Jahr. Bei etwas ungünstigeren Ausrichtungen, z. B. in Ost-West-Richtung oder bei vertikaler Montage, müssen diese Kennwerte mit dem Faktor 0,9 bis 0,75 multipliziert werden. 250 Photovoltaik 200 150 kWh/(m²a) Primärenergie Strom Kühlen Warmwasser 100 Heizen 50 0 -50 Standard Passivhaus PV -100 Abbildung 10: Primärenergiebilanz eines Plus-Energie-Gebäudes mit 135 m2 Wohnfläche auf Basis einer Passivhaushülle mit einer PV-Anlage von etwa 10 kW peak: Der bilanzielle PV-Eintrag liegt deutlich höher als der Bedarf des Gebäudes für Heizen, Warmwasser und Stromanwendungen (Quelle: Schulze Darup) Am Beispiel eines Einfamilienhauses soll die Plus-Energie-Bilanz in Verbindung mit dem Einsatz von Photovoltaik dargestellt werden. Das Diagramm in der Abbildung oben zeigt den Primärenergiebedarf des Gebäudes, das bei einem Heizwärmebedarf von 15 kWh/m2a und einer Versorgung durch eine Flüssiggas-Brennwerttherme einen eher ungünstigen Primärenergiefaktor für die Wärmebereitstellung aufweist. Die Warmwasserbereitung wird in diesem Fall solarthermisch unterstützt mit einem solaren Deckungsgrad von 60 %. Der Haushaltsstromverbrauch ist optimiert auf einen Wert von etwa 1.500 kWh/a. Die tatsächlich eingebaute PV-Anlage mit 14 kW peak erzeugt trotz Abzügen für die Monatsbilanzierung deutlich mehr als das Doppelte des Primärenergiebedarfs für den Betrieb des Gebäudes. Bilanziell ist die Elektromobilität ebenso durch die Plus-Energie-Bilanz abgedeckt wie die Graue Energie für die Erstellung des Gebäudes. Der Bauherr hat sich noch den Luxus eines 4.000-Liter-Flüssiggastanks geleistet, der ihn heizungsmäßig für 15 Jahre autonom hält. Das Gebäude ist selbstverständlich mit dem Stromnetz verbunden. Solarthermie (Lernfeld Grundlagen Solarthermie und Solares Kühlen auf www.e-genius.at): Solarthermie kann einen wesentlichen Beitrag zur Versorgung eines Gebäudes im Bereich der Warmwasserversorgung mit erneuerbaren Energien beitragen. Je nach Auslegung der Anlage sind das zwischen 40 bis gegebenenfalls über 60 Prozent der erforderlichen Energie 31 für die Warmwasserbereitung. Das Spannungsverhältnis zu Photovoltaik sowie die eher ungünstige Situation bei Effizienzhäusern hinsichtlich der Heizungseinbindung wurden bereits weiter oben beschrieben. Biomasse (Lernfeld Biomasseverbrennungstechnologien auf www.e-genius.at): Ebenfalls im vorletzten Kapitel werden Angaben zur Biomasseheizung gemacht. In ländlichen Gebieten ist die Nutzung von Biomasse zur Beheizung von Einfamilienhäusern durchaus zu empfehlen, wenn die Anlagen hinsichtlich der Emissionen optimiert sind und insbesondere wenn die Bereitstellung der Biomasse nachhaltig in die Umgebung integriert ist. In verdichteten Gebieten sollte bedacht werden, dass Anlagen hinsichtlich der Rauchgasreinigung optimiert ausgeführt werden müssen. Darüber hinaus sollte die Kopplung von Kraft und Wärme angestrebt werden, das heißt, die Anlagen sollten als BiomasseHeizkraftanlagen erstellt werden. Das ist aber nur bei Nah- oder Fernwärmenetzen sinnvoll durchführbar und im kleinteiligen Bereich eher aufwendig. Windkraft (Lernfeld Grundlagen der Windkraft auf www.e-genius.at): Windkraftanlagen werden im Allgemeinen als Anlagen im Megawattbereich errichtet und erzielen auf diesem Weg eine hohe Wirtschaftlichkeit. Je Quadratmeter Rotorfläche ernten sie bei hohen Nabenhöhen und einer daraus resultierenden Windgeschwindigkeit von 8 m/s über 1.000 kWh/a. Kleine Windkraftanlagen werden von zahlreichen Firmen angeboten. Da sie jedoch in geringer Höhe montiert werden und es in Wohngebieten nur in Ausnahmesituationen sehr ertragreiche Windsituationen gibt, ist der Ertrag deutlich geringer. Der Ertrag steigt mit der Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz. Beträgt die Windgeschwindigkeit 5 m/s, so wird der Ertrag mit einem Faktor von 5*5*5 = 125 ermittelt. Liegt die Windgeschwindigkeit jedoch nur bei 3 m/s, was in den meisten Wohngebieten selbst bei einer Nabenhöhe von 10 m einen eher optimistischen Wert darstellt, so liegt der Faktor bei 3*3*3 = 27. Pro m2 Rotorfläche ernten kleine Windkraftanlagen bei 3 m/s nur etwa 50 kWh/a. Die Erträge von gebauten Windrädern liegen meist deutlich niedriger als von den BauherrInnen auf Grundlage der Herstellerangaben erwartet. Zudem gibt es zahlreiche Hürden bei der Erstellung einer solchen Anlage. Zunächst ist sie im Allgemeinen genehmigungspflichtig. NachbarInnen werden weder von hohen Masten noch von den potenziellen Geräuschen, die nur bedingt auszuschließen sind, begeistert sein. Wenn die Anlage auf dem Haus errichtet wird, muss mit Übertragungsgeräuschen gerechnet werden, die nur schwierig zu unterbinden sind. Vertiefende Angaben gibt es auf zahlreichen Homepages (z. B. http://www.kleine-windkraft.at). Eine gute Hilfe stellt ein Programm zur Abschätzung des Windenergieertrags des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel dar (http://www.windmonitor.de unter „Service/Ertragsschätzung kleiner Windenergieanlagen“). 32 6.5. Smart Grid, Regelungs- und Speichertechniken In den vorausgegangen Kapiteln wird bereits das Spannungsverhältnis beschrieben, welches sich aus der Witterungsabhängigkeit der erneuerbaren Energien ergibt. Insbesondere Windkraft und Photovoltaik sind von den Windverhältnissen bzw. der Einstrahlungsintensität der Sonne hinsichtlich ihrer Erträge abhängig. Es gilt also im Bereich der Gebäude und Siedlungsstrukturen nicht nur erneuerbare Energien bereitzustellen, sondern auch die Gebäudekonzepte so anzulegen, dass sie im Betrieb einen Beitrag zur Regelung und Ausgleich des Netzes erbringen. Das Schlagwort „Smart Grid“ hat sich als Bezeichnung für ein „intelligentes“, nach Lastbedarf regelbares Netz etabliert, das mit seinen Teilnehmern aktiv kommuniziert, um nach den jeweiligen Nutzer- und Netzanforderungen Stromlieferung und -bezug zu regeln. Gebäude und ihre NutzerInnen können dazu einen wesentlichen Beitrag leisten. Im Strombereich ist dieses Lastmanagement in einfacher Form seit langem Usus. Mittels unterschiedlicher Tarife, wie beispielsweise Nachttarife für Verbraucher mit hohen Leistungen, werden Anreize geschaffen, z. B. Nachtspeicheröfen möglichst nur in der Nacht zu beladen. Bei gewerblichen Bauten wird durch Leistungspreise ein hoher Anreiz gegeben, auf gleichmäßige Stromlast zu achten und betriebsintern Lastabwurfsysteme zu installieren. Der Unterschied im Smart Grid besteht darin, dass dieses Regelsystem nunmehr sehr viel filigraner wird. Kühlschränke mit 30 bis 100 Watt Leistungsaufnahme waren lange Zeit Versorgern keinerlei Gedanken wert. In der Summe ergeben sie aber – ohne Gleichzeitigkeitsbetrachtung – in Deutschland eine Leistung von 2,4 Gigawatt, was immerhin der Bruttoleistung von zwei Atomkraftwerken entspricht. Durch gezielten Lastabwurf bzw. durch geplantes Einschalten können durch die Geräte eines Haushalts durchaus 200 bis 800 Watt als Regelamplitude geleistet werden, was für die BRD etwa 10 bis 15 GW Regelleistung ausmacht bei einer Gesamtleistung von 40 bis 80 GW. Wird in einem Plus-Energie-Gebäude ein Batteriespeicher mit 5 kWh installiert, so kann dieser im Idealfall 10 Stunden lang 0,5 kW Leistung für das Netz bereitstellen und übernimmt damit eine durchaus relevante Funktion innerhalb des Gesamtsystems. Wirksam werden all diese Überlegungen natürlich erst, wenn eine große Zahl von Gebäuden mit diesen Techniken ausgestattet ist. Am Beispiel eines Einfamilienhauses sollen die Möglichkeiten aufgezeigt werden, die sich aus einem aktiven Eigennutzungskonzept für die Solarerträge ergeben. Bei einem Gebäude mit einer PV-Anlage von 6 kW peak liegt der Eigenstromanteil über das Jahr bei 10 bis maximal 20 Prozent. Die Eigenverbrauchsquote lässt sich auf über 20 % erhöhen, wenn ein Hausbewohner oder eine Hausbewohnerin tagsüber zuhause ist und gezielt bei solarem Eintrag Waschmaschine, Wäschetrockner, Spülmaschine und eventuell den Elektroherd nutzt. Darüber hinaus können sehr aktive Plus-Energie-BewohnerInnen Kühl- und Gefrierschrank auf eine deutliche Untertemperatur fahren. Dies ist manuell möglich oder über einfache Elektronik. Wird das Gebäude mit einer Wärmepumpe versorgt, kann diese ebenfalls zu diesen Zeiten aktiviert werden und das Warmwasser aufheizen. 33 Ein kostenloses Berechnungstool zur Ermittlung des Eigenstromverbrauchs ist downloadbar unter: http://www.photovoltaik-web.de/eigenverbrauchpv/berechnung-eigenverbrauchsanteil.html. Bereits mit kleiner Speicherleistung kann ein Plus-Energie-Gebäude einen deutlich höheren Anteil an Eigenstromnutzung erzielen. Ein Batteriespeicher mit einem Speichervolumen zwischen 5 und 10 kWh ermöglicht bei optimierter Auslegung Eigenverbrauchsquoten zwischen 50 und 80 Prozent. Dazu sind zwei Akkutypen erhältlich: entweder Blei-Akkus (meist Blei-Gel) oder Lithium-Akkus unterschiedlicher Ausführungen. Die Kosten liegen bei 800 bis 1.500 Euro pro kWh Speicherleistung. Ein Akkutausch wird in wenigen Jahren deutlich günstiger liegen. Die Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde liegen bei etwa 25 Cent. Wird ein Gebäudekonzept realisiert, bei dem ein Anteil von 70 Prozent Eigenstromnutzung erzielt wird und die Batterien mit 50 % dazu beitragen, ergibt sich in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eine durchaus vorteilhafte Kostensituation für den Betrieb des Gebäudes. 6.6. Zum Üben ... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 13: Wodurch unterscheidet sich ein Plus-Energie-Gebäude von einem Passivhaus? Welche Unterschiede können Sie nennen, und was haben beide gemeinsam? Aufgabe 14: Was ist die Basis für ein Plus-Energie-Gebäude? Aufgabe 15: Was ist eine der wesentlichsten Grundvoraussetzungen für den sinnvollen Betrieb eines Plus-Energie-Gebäudes? Aufgabe 16: Schätzen Sie, in welchem Bereich die Leistungsaufnahme von PCs mit hohem Energieverbrauch sowie von Bestgeräten liegt. Aufgabe 17: Schätzen Sie, in welchem Bereich die Leistungsaufnahme von Fernsehgeräten mit hohem Energieverbrauch sowie von Bestgeräten liegt. 34 7. Kosten für ein Plus-Energie-Gebäude Die Mehrinvestitionen für ein Plus-Energie-Gebäude gegenüber einem Standardgebäude müssen unterschieden werden nach folgenden Aspekten: Effizienz-Passivhauskomponenten: Die verbesserte Gebäudehülle und die Lüftungsanlage eines hocheffizienten Gebäudes im Passivhaus-Standard liegen gegenüber einem Standardgebäude bei optimierter Planung bei 5 bis 8 Prozent. Bei einem Einfamilienhaus mit 250.000 Euro reinen Baukosten sind das etwa 12.000 bis 20.000 Euro. Stromsparen: Die Stromsparkomponenten sollten dann angeschafft werden, wenn die alten Geräte ohnehin erneuert werden müssen. Die Mehrinvestitionen der Geräte und Beleuchtungskörper liegen bei 1.000 bis 3.000 Euro. Viele hocheffiziente Geräte sind kostenneutral zu sonstigen Produkten zu erhalten. Plus-Energie-Technik: Die Kosten für die Plus-Energie-Komponenten sind unter den jeweiligen Beschreibungen enthalten, soweit sie für einzelne Gebäude von Bedeutung sind. 8. Welche Rolle werden Plus-Energie-Gebäude in Zukunft spielen? Das Plus-Energie-Gebäude ist technisch machbar. Mit dem „zero emission building“ nach der EU-Gebäudeeffizienzrichtlinie wird es in den nächsten Jahren zum Standard werden. Es ist davon auszugehen, dass durch die schnelle technologische Entwicklung der Komponenten der Plus-Energie-Standard sehr schnell zu einem nicht nur technologisch hoch interessanten Konzept wird, sondern auch durch die Weiterentwicklung der Komponenten zu einem extrem wirtschaftlichen Gebäudestandard. Voraussetzung dafür ist die schnelle Weiterentwicklung der Gebäudetechnik. Heiztechnik muss aufgrund der geringen Leistungsanforderungen einfacher und deutlich kostengünstiger werden. Die PlusEnergie-Module und Smart-Grid-Regelungen weisen sehr viel weitere Vorteile für die BauherrInnen auf, sodass sie hoch attraktiv sind und das Potenzial besitzen, sehr schnell in großer Breite umgesetzt zu werden. 35 9. Quellen Bednar, T. (2010a): „Plus-Energie-Gebäude“. Wenn Gebäude mehr Energie liefern als verbrauchen. In: Perspektiven Der Aufbau, Nr.1/2, S. 78–81. Bednar, T. (2010b): Integration als Schlüssel zu Plusenergiegebäuden der Zukunft. URL: http://www.tuwien.ac.at/fileadmin/t/ttransfer/Dokumente/Firmenservice_fuer_Untern/Integration%20als%20Schluessel_BPH.pdf (20.06.2012). BMVIT (2011): Haus der Zukunft Plus – 3. Ausschreibung 2011. Leitfaden für Projekteinreichung. Wien. Geier, S. (2010): Österreich auf dem Weg zum Plus-Energiegebäude. Vortrag. Strategieforum 20. Mai 2010. URL: http://www.aee-intec.at/0uploads/dateien722.pdf (19.06.2012). Bundesministerium Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Berlin (Hrsg.): Wohnhäuser mit Plus-Energie-Niveau – Definition und Berechnungsmethode. URL: http://www.bmvbs.de/cae/servlet/contentblob/70300/publicationFile/41844/plus-energiehaus-definition-berechnungsmethode-anlage-1.pdf (19.06.2012). FIZ Karlsruhe: Nullenergie, Plusenergie – Klimaneutrale Gebäude im Stromnetz 2.0. URL: http://www.enob.info/de/nullenergie-plusenergie-klimaneutrale-gebaeude-im-stromnetz-20/ (19.06.2012). Heinze, M., Voss, K.: Ziel Null Energie. Erfahrungen am Beispiel der Solarsiedlung Freiburg am Schlierberg: URL: http://www.energie-plattform.ch/peg/forschungentwicklung/erfahrungsbericht_solarsiedlung.pdf (18.06.2012). Marszala, A.J., Heiselberga, P., Bourrelleb, J.S., Musallc, E., Vossc, K., Sartori d, I., Napolitano, A. (2011): Zero EnergyBuilding – A review of definitions and calculation methodologies. In: Energy and Buildings. Elsevier (Vorabdruck). MINERGIE: URL: http://www.minergie.ch/standard_minergie.html (19.06.2012). Nussmüller.Architekten: Braucht Plus-Energie eine neue Architektur. Vom Niedrigenergiezum Plus-Energie Gebäude. URL: http://www.aee-intec.at/0uploads/dateien723.pdf (03.06.2012). PHI (2012): „Zertifiziertes Passivhaus“. Zertifizierungskriterien für Passivhäuser mit Wohnnutzung. URL: http://www.passiv.de/downloads/03_zertifizierungskriterien_wohngebaeude_de.pdf (19.06.2012). Plus-Energie-haus: URL: http://www.Plus-Energie-haus.de (15.06.2012). Voss, K. (2008): Nullenergiehaus, Plus-Energie-haus, Nullemissionshaus – Was steckt dahinter und wie gelingt die Umsetzung. URL: http://www.energie-plattform.ch/ph/forschungentwicklung/einfuehrung_voss.pdf (18.05.2012). 36 10. Übersicht Aufgaben Aufgabe 1: Was kann man sich unter dem Begriff Plus-Energie-Gebäude vorstellen? .......... 4 Aufgabe 2: Wie können bei einer Bilanzierung von Plus-Energie-Gebäuden die Systemgrenzen gezogen werden? ................................................................................11 Aufgabe 3: Über welchen Zeitraum wird in der Regel bilanziert? ..........................................11 Aufgabe 4: Was muss vor einer Bilanzierung auf jeden Fall festgelegt werden? ..................12 Aufgabe 5: Was bedeutet der Begriff „Bilanzierung“ bei einem Plus-Energie-Gebäude? ......12 Aufgabe 6: Erklären Sie die Unterschiede in den Bilanzierungsmodellen von Österreich, Deutschland und der Schweiz. ......................................................................................12 Aufgabe 7: Welches Bilanzierungsmodell ist aus Versorgersicht sinnvoll und weshalb? ......12 Aufgabe 8: Kann ein Plus-Energie-Gebäude mit einem energieautarken Gebäude gleichgesetzt werden? ...................................................................................................12 Aufgabe 8: Erläutern Sie den Begriff „Integrale Planung“ und argumentieren Sie die Notwendigkeit im Besonderen bei einem Plus-Energie-Gebäude. .................................18 Aufgabe 9: Wie können die hohen Ansprüche an die Planung eines Plus-Energie-Gebäudes am besten erfüllt werden? .............................................................................................18 Aufgabe 10: Überlegen Sie, wie Gebäudetechnik in der Zukunft, im Besonderen im PlusEnergie-Gebäude, konzipiert sein könnte. .....................................................................18 Aufgabe 11: Argumentieren Sie, wie in Zukunft Energieversorgungskonzepte und Versorgungssicherheit für Städte aussehen könnten. ....................................................18 Aufgabe 12: Wodurch unterscheidet sich ein Plus-Energie-Gebäude von einem Passivhaus? Welche Unterschiede können Sie nennen, und was haben beide gemeinsam? ............34 Aufgabe 13: Was ist die Basis für ein Plus-Energie-Gebäude? ............................................34 Aufgabe 14: Was ist eine der wesentlichsten Grundvoraussetzungen für den sinnvollen Betrieb eines Plus-Energie-Gebäudes?.........................................................................34 Aufgabe 15: Schätzen Sie, in welchem Bereich die Leistungsaufnahme von PCs mit hohem Energieverbrauch sowie von Bestgeräten liegt. .............................................................34 Aufgabe 16: Schätzen Sie, in welchem Bereich die Leistungsaufnahme von Fernsehgeräten mit hohem Energieverbrauch sowie von Bestgeräten liegt. ...........................................34 37 11. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Ein Plus-Energie-Gebäude produziert mehr Energie selbst, als es verbraucht (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT) .................................................................................... 4 Abbildung 2: Vergleich der Minergie-Standards (Quelle: http://www.minergie.ch/tl_files/images/Grafiken/Vergleich_d.jpg) ..................................11 Abbildung 3: Konventionelle Gebäudetechnik und Haushaltsgeräte – hoher Aufwand ohne Synergien (Quelle: Schulze Darup) ...............................................................................16 Abbildung 4: Gebäudetechnik in der Zukunft – integrale Plus-Energie-Systeme mit angepasst niedrigen Leistungen, Synergienutzung und Einbindung der Regelung in ein übergreifendes Smart Grid zur Regelung, Monitoring und zum Lastmanagement (Quelle: Schulze Darup) .............................................................................................................16 Abbildung 5: Zuordnung der Wertschöpfungspotenziale bei der Umstellung auf erneuerbare Energieversorgung am Beispiel der Stadt Nürnberg für Effizienzmaßnahmen sowie die Bereitstellung erneuerbarer Energieträger nach städtischer, regionaler und überregionaler Wertschöpfung (Quelle: Schulze Darup) ................................................18 Abbildung 6: Plus-Energie-Komponenten am Beispiel eines Mehrfamilienhauses: Grundvoraussetzung ist hohe Effizienz (Quelle: Schankula & Schulze Darup) ..............19 Abbildung 7: Beispiel für die Wirksamkeit hocheffizienter Technik am Beispiel des StandbyStromverbrauchs für automatisierte Sonnenschutzanlagen (Quelle: Schöberl & Pöll) ...24 Abbildung 8: Spezifischer Primärenergieverbrauch für ein Bürogebäude mit und ohne energieeffiziente Bürogeräte bei gleichem Sanierungsstand (Quelle: Schöberl & Pöll GmbH); zue Erreichung des Plus-Energie-Standards ist ein hoher Effizienzstandard bei den Geräten unerlässlich...............................................................................................29 Abbildung 9: Entwicklung der Energiedienstleistungen, unterteilt nach Effizienz, Erneuerbaren Energien (farbig) und einem Restsockel fossiler Energieträger (grau) in einer Region mit 3 Mio. EinwohnerInnen. Die Wertschöpfung durch Effizienz macht zwei Drittel aus, die durch erneuerbare Energien ein Drittel (Quelle: Schulze Darup) ............30 Abbildung 10: Primärenergiebilanz eines Plus-Energie-Gebäudes mit 135 m2 Wohnfläche auf Basis einer Passivhaushülle mit einer PV-Anlage von etwa 10 kW peak: Der bilanzielle PVEintrag liegt deutlich höher als der Bedarf des Gebäudes für Heizen, Warmwasser und Stromanwendungen (Quelle: Schulze Darup) ................................................................31 38 12. Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Stromverbrauch von Fernsehgeräten mit bestem Energiestandard (Quelle: Schule Darup) ...........................................................................................................................26 Tabelle 2: Stromverbrauch von PCs mit unterschiedlichem Energiestandard (Quelle: Schulze-Darup) .............................................................................................................27 Tabelle 3: Stromverbrauch von Beststandard-Bildschirmen mit unterschiedlicher Bildschirmdiagonale (Quelle: Schulze Darup) ................................................................27 Tabelle 4: Stromverbrauch von Beststandard-Laptops mit unterschiedlicher Bildschirmdiagonale (Quelle: Schulze) * Gutes Mainstream-Produkt ............................28 39 13. Impressum Herausgeber und für den Inhalt verantwortlich: GrAT – Gruppe Angepasste Technologie Technische Universität Wien Wiedner Hauptstraße 8-10 1040 Wien Austria T: ++43 1 58801-49523 F: ++43 1 58801-49533 E-Mail: contact(at)grat.at http://www.grat.at Projektleiterin und Ansprechperson: Dr. Katharina Zwiauer E-Mail: katharina.zwiauer(at)grat.at AutorInnen: Dr. Burkhard Schulze Darup, Dr. Katharina Zwiauer Fachdidaktisierung: Dr. Katharina Zwiauer Lektorat: Magdalena Burghardt MA, Mag. Silvia Grillitsch Finanziert durch: Nutzungsbedingungen: Alle Inhalte sind unter folgender Creative-Commons-Lizenz lizensiert: e-genius steht unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Austria Lizenz. Das bedeutet: 40 Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, Abwandlungen und Bearbeitungen des Werkes bzw. Inhaltes anfertigen. Zu den folgenden Bedingungen: Namensnennung — Sie müssen den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen. Keine kommerzielle Nutzung — Dieses Werk bzw. dieser Inhalt darf nicht für kommerzielle Zwecke verwendet werden. Weitergabe unter gleichen Bedingungen — Wenn Sie das lizenzierte Werk bzw. den lizenzierten Inhalt bearbeiten oder in anderer Weise erkennbar als Grundlage für eigenes Schaffen verwenden, dürfen Sie die daraufhin neu entstandenen Werke bzw. Inhalte nur unter Verwendung von Lizenzbedingungen weitergeben, die mit denen dieses Lizenzvertrages identisch oder vergleichbar sind. Hinweise zur Namensnennung/Zitierweise: Texte: AutorInnen des Lernfelds, Titel des Lernfelds. Hrsg.: GrAT, www.e-genius.at Bilder: Nennung der Rechteinhaberin/des Rechteinhabers und www.e-genius.at Haftungsausschluss: Sämtliche Inhalte auf der Plattform e-genius wurden sorgfältig geprüft. 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