Ein aktiver Beitrag zur Energiewende

Gebäude als Kraftwerke

Deutsches Ingenieurblatt 7-8/2021
Hochbau
Objekte
Energie, Klima und Dämmung
Noch gibt es nicht viele davon, aber sie sind im Kommen: Die Rede ist von Gebäuden, die als Kraftwerke im Kleinformat genügend Energie für sich und ihre Umgebung produzieren. Mit dem überschüssigen Strom, der aus erneuerbaren Quellen stammt, werden beispielsweise Nachbargebäude oder das städtische Netz versorgt. Auch die Mobilität der Zukunft profitiert davon. Eine Immobilie, die – salopp formuliert – also „energiepositiv“ ist, muss dabei nicht teuer sein. Beispiele aus der Praxis zeigen, dass sogenannte Plusenergiehäuser sich schon in acht bis neun Jahren amortisieren und damit auch wirtschaftlich sind. Zudem sparen derart konzipierte Gebäude große Mengen an CO2-Emissionen und tragen somit aktiv zur Energiewende und zum Klimaschutz bei.

Photovoltaikanlagen an der Fassade und auf dem Dach, eine hochwärmedämmende Gebäudehülle und eine Kombination von Erdwärme und Solarthermie: Das neue Rathaus von Freiburg im Stadtteil Stühlinger gilt als erstes öffentliches Netto-Plusenergie-Bürogebäude der Welt. Während andere Gebäudebetreiber nach dem passenden Energieversorger und besten Tarifen suchen, versorgt sich der 2017 fertiggestellte Rathausneubau selbst mit Energie. Da das Gebäude sogar mehr Energie erzeugt, als es benötigt, wird der überschüssige Strom in das städtische Netz eingespeist. Das Rathaus Freiburg funktioniert somit wie ein Kraftwerk – nur eben im Kleinformat. 

Das 2019 fertiggestellte Bürohaus Brattørkaia im norwegischen Trondheim kann im Durchschnitt sogar doppelt so viel Energie produzieren, wie es selbst verbraucht. 

Das Unternehmernetzwerk Powerhouse, das hinter dem Projekt steht, hat sich genau darauf spezialisiert: Gebäude zu Kraftwerken zu machen. Mit der Renovierung einer Immobilie in Kjørbo, einem Vorort von Oslo, hat Powerhouse sogar gezeigt, dass mit einem intelligenten Energiekonzept und richtigen Technologien auch ein Bestandsgebäude aus den 80er-Jahren nicht nur energieeffizient, sondern auch energiepositiv werden kann. Nach der Renovierung ist der Energiebedarf des Gebäudes um mehr als 86 Prozent gesunken. Einer im vergangenen Jahr von der ETH Zürich veröffentlichten Untersuchung zufolge könnte 2050 fast jedes Gebäude wie das Rathaus Freiburg oder das Bürogebäude Brattørkaia sein. Eine Zukunft, die im Hinblick auf die Klimakrise, Rohstoffmangel und steigende Treibhausgasemissionen durchaus Mut macht. Vor allem in Sachen Energie ist das ein klar erstrebenswertes Ziel, schließlich entfallen rund 40 Prozent des europäischen Gesamtenergieverbrauchs auf den Gebäudesektor. Doch wie realistisch ist das? Und was ist notwendig, damit in 30 Jahren oder früher tatsächlich die meisten Gebäude zu Kraftwerken werden?  

Noch großer Handlungsbedarf in der Bestandssanierung
Um diesen Fragen nachzugehen, bedarf es zunächst eines Blicks in die Gegenwart. Und der zeigt, dass Konzepte wie das Plusenergieoder Nullenergiehaus zwar in den vergangenen Jahren immer mehr Anwendung finden, die Zahl der realisierten Projekte trotzdem noch vergleichsweise gering ist. Aktuell genießen die meisten Gebäude sogar den Ruf, Energiefresser zu sein. Das liegt einerseits daran, dass der Wärmeschutz im Gebäudebestand einfach schlecht ist und zudem Wärme- und Kältetechniken oft schon veraltet sind. Auch gehören der Einsatz fossiler Energieträger und Geräte mit hohem Energieverbrauch in vielen Immobilien immer noch zum Standard. So ist etwa ein Drittel des Gebäudebestands in der EU älter als 50 Jahre. In Deutschland stammt sogar rund die Hälfte aller Wohngebäude aus den Jahren 1949 bis 1990 und ist für über 50 Prozent des Energieverbrauchs verantwortlich. Im Vergleich dazu verursachen die Neubauten mit Wohnnutzung, die zum Beispiel nach 2009 errichtet wurden, lediglich drei Prozent des Energieverbrauchs. Im Neubaubereich lassen sich Plusenergiekonzepte einfacher und schneller umsetzten. 

Der größte Handlungsbedarf und auch das größte Potenzial bestehen somit vor allem in der energetischen Sanierung von Bestandsgebäuden. Derzeit beträgt die jährliche Sanierungsquote in Deutschland nur etwa 1 Prozent, was viel zu gering ist. Das liegt zum einen daran, dass der Gesetzgeber sich schon immer schwergetan hat, konkrete Zielvorgaben für Sanierungen an die Immobilienbesitzer zu formulieren. Zum anderen bedeutet die energetische Sanierung der Gebäude für Immobilienbesitzer in erster Linie eine erhebliche Investition, die sich aus ihrer Sicht rechnen sollte. Oft fehlt es aber auch einfach an der nötigen Motivation, mehr zu tun als nur das, was gesetzlich vorgeschrieben ist. Dass Investitionen sich durchaus rechnen und ein nachhaltiges und energieeffizientes Gebäude die Zukunftsfähigkeit bedeutet, ist vielen Bauherren und Immobilienbetreibern noch nicht bewusst. Zum Beispiel amortisieren sich Photovoltaikanlagen innerhalb von weniger als zehn Jahren. Auch die Amortisationsdauer von Geothermie-Anlagen, die im Winter mit einer Wärmepumpe zum Heizen und im Sommer zum direkten Kühlen des Gebäudes genutzt werden, beträgt in der Regel zehn bis zwölf Jahre. Es gibt somit sehr viele nachhaltige Lösungen, bei denen der Bauherr auch finanziell profitiert, da zum Beispiel die Betriebskosten sinken. Für ein wirtschaftliches Gesamtergebnis ist jedoch eine ganzheitliche Betrachtung unabdingbar. 

Rathaus im Stühlinger, Freiburg

Das 2017 fertiggestellte Rathaus im Freiburger Stadtteil Stühlinger gilt als erstes öffentliches Netto- Plusenergiegebäude weltweit. Es produziert Energie aus erneuerbaren Quellen wie Photovoltaik oder Geothermie und deckt seinen eigenen Strombedarf. Rund 800 Solarpaneele an der Fassade und auf dem Dach produzieren Strom, überschüssige Energie wird ins Netz eingespeist. Für das ganzheitliche Energiekonzept und die anschließende CO2-Bilanzierung zeichnete Drees & Sommer verantwortlich. 2019 wurde das Rathaus Freiburg von der DGNB als klimapositiv ausgezeichnet.  

Über den Dachrand hinaus denken
Fakt ist zudem: An der nötigen Technologie mangelt es nicht. Denn technisch gesehen könnten wir heute noch besser bauen, als wir es schon tun. Auch über den Tellerrand oder, besser gesagt, den Dachrand hinaus zu denken, ist sinnvoll: So lassen sich zum Beispiel Solarmodule auch gut in die Fassade integrieren und nicht nur auf dem Dach. Dadurch wird die Fläche des Gebäudes effektiver genutzt und es kann mehr erneuerbare Energie erzeugt werden. Kombinationen von verschiedenen Lösungen, wie zum Beispiel Niedrigtemperaturheiz- und Hochtemperaturkühlsystemen mit Wärmepumpen in Verbindung mit Geothermie, bieten weitere Möglichkeiten, Energie effizient zu nutzen.  

Auch was Subventionen und Förderprogramme angeht, werden seitens der Politik genug Anreize gegeben. Zum Beispiel fördert die KfW-Bankengruppe den Bau oder den Kauf besonders energieeffizienter Häuser mit günstigen Zinsen und einem Tilgungszuschuss. Finanzielle Anreize gibt es auch für die energetische Sanierung von Altbauten und den Bau von Solaranlagen und Anlagen zur Strom- und Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien. Mit dem europäischen Green Deal und der EU Taxonomy, die dem Gebäudesektor in Sachen Klimaschutz eine Schlüsselrolle beimessen und zusätzliche Anforderungen beinhalten, dürfte die Motivation zu mehr Energieeffizienz und nachhaltigen Konzepten unweigerlich steigen. Knackpunkte gibt es allerdings noch bei dem klassischen Vermieter/Mieter-Dilemma, also wenn es darum geht, wer von energetisch sanierten Gebäuden profitiert und wer es zu bezahlen  hat. Zudem besteht noch Regelungsbedarf bei der wirtschaftlichen Nutzung von regenerativem Strom aus Photovoltaikanlagen auf Mehrfamilienhäusern. Lösungen bieten hier Mieterstrommodelle, die jedoch vielen noch nicht bekannt sind. Am Zug sind damit jetzt vor allem Immobilienhalter, Betreiber, Projektentwickler und Investoren. Für sie gilt es, die vorhandenen Lösungen zu nutzen und umzusetzen, denn nur so bleiben ihre Immobilien zukunftsfähig.  

Gebäude als Kraftwerke brauchen stabile Stromnetze 
Damit Gebäude sich dezentral und klimagerecht mit Energie versorgen können, müssen sie erneuerbare Energien, zum Beispiel aus Wind und Sonne, statt den fossilen Energieträgern nutzen. Doch bis dato ist es nicht einfach, die Energieproduktion, die Energiespeicherung und den Energieverbrauch optimal aufeinander abzustimmen, ohne dass Stromversorgungsstrukturen an die Grenze der Leistungsfähigkeit kommen. Das liegt daran, dass Energien naturgemäß hohen Schwankungen unterliegen, die einer Regulierung bedürfen. Mit sogenannten Smart Grids scheint aber auch für dieses Problem schon eine Lösung gefunden zu sein. Dabei handelt es sich um intelligente Stromnetze, über die die Anbieter, die Erzeuger erneuerbarer Energie, die Verbraucher und auch Gebäude miteinander kommunizieren können. Aus dem Smart Grid erfährt das Energiemanagement der Gebäude zum Beispiel, wann es günstig ist, Energie zu beziehen, und wann es wiederum zur Entlastung des Netzes beitragen kann. Die schwankende Energiezufuhr und die Stromversorgung im  Netz werden dadurch intelligent geregelt. Damit diese intelligente Regulierung funktioniert, müssen Gebäude jedoch über entsprechende digitale Technologie und Softwareprogramme verfügen. Als Smart Buildings können Immobilien mit Stromnetzen kommunizieren und ihren Verbrauch bei Bedarf anpassen.  

Doch nicht nur hierbei spielt die Digitalisierung eine wichtige Rolle. Auch bei der Energieabrechnung wird mehr und mehr auf sogenannte Smart Meter bzw. intelligente Messsysteme gesetzt, die als Teil des Smart Grids den Stromverbrauch und damit den Strombedarf in Echtzeit an die Netzbetreiber kommunizieren. Der Nutzer profitiert, indem er in Echtzeit Transparenz darüber erhält, wie viel Strom er gerade tatsächlich verbraucht. Zwar gehören solche Systeme noch nicht zum Standard in jedem Bauprojekt, der Trend ist jedoch eindeutig steigend. Sicherlich: Noch schlagen die Smart Meter gerade für kleinere Betreiber oder private Haushalte mit vergleichsweise hohen Kosten zu Buche. Auf Dauer dürften auch sie sinken. Wie die zukunftsweisende Vernetzung von Niedrigstenergie-Wohngebäuden, Wärmepumpen, Stromerzeugung mittels Photovoltaik in der Fassade und auf dem Dach sowie Elektroladeinfrastruktur im Gebäude und im Quartier und neuer Energieabrechnungs- und Visualisierungsmethoden funktioniert, zeigt eindrucksvoll das Projekt Square in Mannheim. Hier wurden zwei 12-Familienhäuser energetisch vorbildlich saniert und zu einem Smart Grid vernetzt. 

Bürogebäude OWP 12, Stuttgart

Ein besonderes Beispiel dafür, wie verschiedene Ansätze und Technologien intelligent miteinander verknüpft werden können, liefert der Drees & Sommer-Neubau OWP 12 in Stuttgart. Das als Plusenergiehaus konzipierte Bürogebäude soll im Betrieb mehr Energie erzeugen als es verbraucht. Eine innovative, hochdämmende Fassade, PV-Anlagen auf dem Dach und an der Südfassade, Erdwärme über Geothermie sowie eine begrünte Nordfassade sind die wesentlichen Maßnahmen für eine nachweisbar positive Energiebilanz des Gebäudes. Zudem wird beim Bau das sogenannte Cradle to Cradle-Prinzip angewendet. Das Vorzeigeprojekt soll im Herbst 2021 fertiggestellt werden.  

Dezentral, aber vernetzt
Um das Potenzial der Gebäude als Kraftwerke voll auszuschöpfen, ist ein weiterer Aspekt entscheidend: die Vernetzung – und zwar weg von der einzelnen Betrachtung der Gebäude hin zum Quartiers- oder Campusgedanken. Nur, wenn Immobilien als Teil eines großen Netzwerks aus Gebäuden, Straßen und grünen Energiequellen gesehen werden, kann die Vision von einer klimapositiven Zukunft wahr werden. So verbraucht zum Beispiel ein Logistikgebäude vergleichsweise wenig Energie, bietet dafür aber sehr große Flächen für Photovoltaik-Anlagen und kann dementsprechend auch einen Überschuss produzieren. 

Diesen kann wiederum das benachbarte Bürogebäude nutzen, das vielleicht selbst nicht genügend Energie erzeugen kann oder über wenig Speicherkapazität verfügt. Für Gebiete, wo es nicht so viele Abnehmer bzw. Nachbarn gibt, wird bereits überlegt, den überschüssigen Strom in den innovativen Energieträger Wasserstoff umzuwandeln, um diesen dann für die Transportkette bereitzustellen. Damit entsteht hier eine sogenannte Sektorkopplung, sprich: verschiedene Sektoren wie Wohnquartiere, Gewerbe- und Industriestandorte, Logistikstandorte, einzelne Gebäude und Mobilität werden gekoppelt, um die Nutzung erneuerbarer Energien voranzubringen. Ob ein Wohnquartier, ein Büroviertel oder ein Industriegebiet – diese Art der Vernetzung lässt sich überall gewinnbringend umsetzen und wird in den kommenden Jahren sicherlich zunehmen. 

Fest steht: Es spricht viel dafür, dass Gebäude in den kommenden Jahrzehnten immer mehr zu kleinen Kraftwerken und Quartiere zu dezentralen Kraftwerken vernetzt werden – und vor allem auch werden müssen. Denn die Dekarbonisierung der Wärme weg von fossilen hin zu erneuerbaren Energieträgern, die Sektorenkopplung und die Vernetzung der energieproduzierenden Gebäude in Quartieren inklusive Elektroladeinfrastruktur sind der einzige Weg, die Klimaschutzziele zu erreichen und die Energiewende zu schaffen. Dass es sich dabei nicht um utopische Zukunftsträume handelt, beweisen die Vorzeigebeispiele wie das Rathaus Freiburg oder das Bürogebäude in Brattørkaia. Damit sich jedoch tatsächlich jedes Gebäude irgendwann als Kraftwerk bezeichnen darf, braucht es definitiv mehr Tempo, mehr Engagement und mehr umgesetzte Projekte. Die Weichen in die richtige Richtung wurden dafür von der EU-Politik bereits ges

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