Gebäudebestand als intelligenten Baustein in der Energiewende nutzen

Heizen mit Strom könnte CO2 einsparen

In ihrer Simulation berücksichtigen Prof. Thomas Auer (l.) und Manuel de-Borja-Torrejón (r.) Ausbauszenarien erneuerbarer Energien und die Daten bestehender Gebäude. (Foto: A. Eckert / TUM)

Forschung

Dass die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen abhängig von Tages- und Jahreszeiten schwankt, gehört zu den größten Herausforderungen der Energiewende. Eine neue Studie eines Wissenschaftlers der Technischen Universität München (TUM) und seines Teams zeigt nun, wie sich die Schwankungen ausgleichen lassen: Überschüsse könnten beispielsweise zum Heizen genutzt werden.

Bis zum Jahr 2050 will die Bundesregierung 80 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Quellen beziehen. Die Energieerzeugung aus nachhaltigen Quellen lässt sich jedoch nicht steuern. Deshalb beschäftigen sich Expertinnen und Experten seit Jahren damit, wie sie Stromüberschüsse speichern oder den Verbrauch an die Erzeugung anpassen können. Ein intelligenter Baustein im zukünftigen Energiesystem könnten Gebäude sein. So wäre auch ein nahezu CO2-neutraler Gebäudebestand realistisch.

Zu diesem Ergebnis kam Thomas Auer, Professor für Gebäudetechnologie und klimagerechtes Bauen an der Fakultät für Architektur der TUM. Gemeinsam mit Professor Thomas Hamacher und Professor Ulrich Wagner aus der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik entwickelte er ein Simulationstool, das den Strom- und den Gebäudesektor koppelt.

Die größte Herausforderung: Der Gebäudebestand

„Alle versuchen an neuen Gebäuden immer weiter und weiter Energie zu sparen, sprechen über Nullenergie-Häuser – dabei sind die neuen Gebäude gar nicht unser größtes Problem“, sagt Auer. „Knapp 80 Prozent unserer Gebäude sind vor 1980 gebaut worden, sprich vor der Wärmeschutzverordnung. Wir können nicht mit einzelnen neuen Gebäuden die Gesamtsituation retten.“ Auer zeigt, wie sich bereits bestehende Gebäude auf dem Weg zur Energiewende intelligent nutzen lassen. Dabei spricht er nicht von energetischen Sanierungen, denn diese sind oft schwer umzusetzen.

Gebäude als Puffer für das Lastmanagement

Auer schlägt vor, den Betrieb von Gebäuden stärker an das Stromnetz zu koppeln um das schwankende Stromangebot aus den erneuerbaren Quellen auszugleichen. Im Winter gibt es mehr Wind als im Sommer – und damit mehr Windenergie. Diese könnte zur Wärmeversorgung über Wärmepumpen genutzt werden. Aktuell wird der Großteil der Wärmeversorgung in Deutschland durch die fossilen Energiequellen Öl und Gas gewährleistet.

Die Stromüberschüsse, die im Sommer aus der Photovoltaik entstehen, könnten dazu beitragen, Gebäude zu kühlen – was in Anbetracht des Klimawandels an Bedeutung gewinnen werde, sagt Auer. „Wir müssen die Soll-Temperatur eines Raumes an Lastspitzen im Stromnetz anpassen. So können wir den Gebäudesektor zu einer Art Puffer für das sogenannte Lastmanagement, also für die Steuerung des Stromverbrauchs, machen.“

Ein umfassendes Simulationstool

In ihrer Simulation koppelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Modell der gesamten Energieversorgung Deutschlands mit einem detaillierten Modell des Gebäudebestands. Ersteres schließt die Ausbauszenarien der erneuerbaren Energien bis 2050 ein. Letzteres bildet etwa 75 Prozent aller Gebäude in Deutschland ab. Das Modell des Gebäudebestands bezieht mit ein, um welche Art von Gebäude es sich handelt und welcher Energieeffizienzklasse sie angehören. So haben etwa Bürogebäude einen anderen Energieverbrauch als Einfamilienhäuser. Außerdem lassen sich mit diesem Modell verschiedene Szenarien von Sanierungsentscheidungen und Anlagetechnik untersuchen. So errechnet Auer die elektrische Leistung, die innerhalb einer Stunde abgenommen wird, sogenannte stündliche Lastprofile.

Die gekoppelte Simulation zeigt, dass es auf diese Weise denkbar ist, den Gebäudesektor bis 2050 CO2-neutral zu machen. Und das, obwohl sich im Extremfall durch eine Nutzung des Stroms für den Gebäudebetrieb der Verbrauch zu Spitzenzeiten nahezu verdoppeln würde.

Publikation:

Auer, T; Hamacher, T.; Wagner, U.; Atabay, D.; de-Borja-Torrejón, M.; Dornmair, R.; Kuhn, P.; Maderspacher, J.; Sänger, F.; Laenge, J.; Finkbeiner, J.-L.: Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem. Lastmanagement-Potenziale von Gebäuden im Kontext der zukünftigen Energieversorgungsstruktur in Deutschland. Im Endbericht der Forschungsinitiative Zukunft Bau, Technische Universität München, 2017, S. 85. DOI: 10.14459/2017md1378336
Der Bericht ist hier online frei verfügbar.

Weitere Veröffentlichungen zum Thema:

De-Borja-Torrejón, M.: Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem: Lastmanagement-Potenziale von Gebäuden im Kontext der zukünftigen Energieversorgungsstruktur in Deutschland. In: Zukunft Bauen. Das Maganzin der Forschungsinitiative Zukunft Bau. Band: 2018, Digitale Bauwelt. Bonn, 201, S. 63-67. ISBN: 978-3-87994-222-0

Dornmair, R.; Atabay, D.; Sänger, F.; de Borja Torrejón, M.; Maderspacher, J.: Einfluss von Gebäuden als Wärmespeicher auf das Energiesystem. 10º Internationale Energiewirtschaftstagung an der Technische Universität Wien (IEWT 2017). Wien, 2017. Online hier verfügbar.

De Borja Torrejón, M.; Atabay, D.; Dornmaier, R.; Maderspacher, J.; Sänger, F.: Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem. In: Xia intelligente architektur. Zeitschrift für Architektur und Technik. Band: 07-09/2016. Nummer: 96. Leinfelden-Echterdingen, 2016, S.14-16. ISSN: 0949-2356

Sänger, F.; Atabay, D.; de Borja Torrejón, M.; Dornmair, R.; Maderspacher, J.: Demand Side Management potential of buildings. 6th Colloquium of the Munich School of Engineering. In: New Concepts in Energy Science and Engineering. Munich School of Engineering, Garching, 2016, S. 10.
DOI: 10.14459/2015md1305104

Hausladen, G.; Auer, T.; Schneegans, J.; Klimke, K.; Riemer, H.; Trojer, B.; Qian,L; de Borja Torrejon, M.: Lastverhalten von Gebäuden unter Berücksichtigung unterschiedlicher Bauweisen und technischer Systeme. Speicher- und Lastmanagementpotenziale in Gebäuden. In: Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2920, Technische Universität München, Fakultät für Architektur, Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik, Fraunhofer IRB Verlag, 2014. ISBN 978-3-8167-9352-6
Online hier frei verfügbar.

Mehr Informationen:

Finanziert wurde das Projekt durch die Forschungsinitiative „Zukunft Bau“ des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung. Darüber hinaus unterstützten zahlreiche Industriepartner die Forschung. Die Studie baut auf den Ergebnissen eines Projekts auf, das 2014 von Prof. Auers inzwischen emeritiertem Vorgänger Prof. Gerhard Hausladen veröffentlicht wurde.

Kontakt:

Prof. Dipl.-Ing. Thomas Auer
Technische Universität München
Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und klimagerechtes Bauen
Tel: +49 89 289-22475
thomas.auer@tum.de

Mit dem Modell von Prof. Thomas Auer (l.) und Manuel de-Borja-Torrejón (r.) lassen sich verschiedene Szenarien von Sanierungsentscheidungen und Anlagetechnik untersuchen. (Foto: A. Eckert / TUM)