Touch a running system!

Wie kluge Technik zur Energiewende beiträgt

Deutsches Ingenieurblatt 9/2021
Energie, Umwelt, Betriebssicherheit

Die Energiewende ist in aller Munde, doch von der Erreichung seiner ehrgeizigen Klimaziele ist Deutschland noch meilenweit entfernt. Schlaue Gebäude, die ihren Energiebedarf selbst optimieren und sich an die Nutzerbedürfnisse intelligent anpassen, können einen wichtigen Beitrag zu mehr Energieeffizienz im Immobiliensektor leisten.

In der EU entfallen auf Gebäude rund 40 Prozent des Energieverbrauchs. Entsprechend wichtig ist die Rolle des Gebäudesektors bei der Erreichung der Klimaziele. Um das hohe Einsparpotenzial auszuschöpfen, sind gezielte Aktivitäten für mehr Energieeffizienz im Gebäudebereich notwendig. Beispielsweise ist der Betrieb beim überwiegenden Anteil der Gebäude oft nicht richtig eingestellt. „Never change a running system“ ist häufig zu hören, obwohl allein durch einen intelligenten Gebäudebetrieb 20 Prozent Energieoptimierungspotenziale möglich sind. Vielmehr noch: Mit modernen gebäudetechnischen Systemen ausgestattet, können sich Gebäude künftig vom Energieverbraucher zum -erzeuger wandeln.

Immobilien mit Köpfchen
Zwar gibt es für Sanierungsmaßnahmen bereits Fördermittel aus den unterschiedlichsten Töpfen, dabei handelt es sich aber vor allem um passive Maßnahmen wie beispielsweise die Dämmung von Gebäuden oder die Erneuerung von Heizungsanlagen. Großes Potenzial bietet dabei die Reduzierung des Energieverbrauchs durch Digitalisierung und Künstliche Intelligenz. Sogenannte Customized Smart Buildings können nicht nur die technischen Anlagen miteinander vernetzen, sondern auch eine Vielzahl von Daten erheben. Es handelt sich um Immobilien mit Köpfchen – künstliche Intelligenz verknüpft alle technischen Anlagen, Sensoren sowie Planungs-, Betriebs- und Nutzerdaten intelligent miteinander und steuert so die Prozesse im Gebäude in optimaler Weise. Dadurch wird die KI das Gebäude und den damit verbundenen Energiebedarf nicht nur selbst optimieren, sondern in nicht allzu ferner Zukunft auch verlässlich prognostizieren und das den Netzbetreibern mitteilen. Wenn es heißt: „Ihre Strombestellung, bitte!“, können die Gebäude als Cognitive Buildings antworten.

Nehmen wir zum Beispiel das Heizen, Kühlen und die Belüftung von Räumen, etwa Büros. Dazu ist eine gewisse Zeitspanne notwendig, die von verschiedenen Faktoren wie etwa der Außentemperatur, Luftfeuchte oder den Windverhältnissen abhängig ist. In den meisten Gebäuden wird pauschal eine Zeitspanne der Nutzung angenommen, die auf jeden Fall lang genug ist. Ein intelligentes Gebäude hingegen erkennt die optimale Zeitspanne zum Heizen, Kühlen und Belüften abhängig von den vorherrschenden Bedingungen und der Belegung und regelt die Räume auf den notwendigen Bedarf. Dadurch lassen sich beträchtliche Energieeinsparungen realisieren. Die smarte Immobilie konditioniert die Räume gemäß der tatsächlichen Nutzung und schafft einen großen Beitrag zur Energieeffizienz und damit auch einen wichtigen Beitrag zur Erreichung unserer Klimaschutzziele.

Sensoren als smarte Helfer
Doch wie erkennt das Gebäude, wann die Räume genutzt werden und welche Bedingungen gerade vorherrschen? Die Grundlage dafür bildet der Einsatz von Sensorik, also die Nutzung von Messfühlern zur Messung und Kontrolle von Veränderungen in der Umgebung. Die Sensoren erfassen Verbrauchsdaten für Wasser, Strom oder Gas oder auch die Intensität der Lichteinstrahlung, melden Bewegungen oder messen den Schall. Ein Beispiel, das jeder von zu Hause kennt, sind Bewegungsmelder, die automatisch das Licht anschalten, sobald sie eine Bewegung vor der Haustür feststellen. Die Messungen der einzelnen Sensoren werden dann in elektrische Signale umgewandelt, die als Daten gesammelt werden.

Die Datensammlung allein bringt allerdings wenig. Daher gilt es, im nächsten Schritt die gesammelten Daten zu Informationen weiterzuverarbeiten. Daraus lassen sich dann detaillierte Nutzungsprofile von Gebäuden Stromnetzeund Anlagen in Echtzeit ableiten. Mittels Occupancy- oder auch IoT-Sensoren ist erkennbar, welche Räume wie stark genutzt werden. Und je nach Nutzung der Räume kann dann die Leistung von Heizung, Klima- oder Lüftungsanlage an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden oder in Teilbereichen abgeschaltet werden. Dadurch lässt sich viel Energie einsparen, da das Gebäude nur so viel Energie benötigt, wie auch Personen im Gebäude sind. In Zukunft kann die KI durch eine Datenanalytik idealerweise sogar Muster für ganze Immobilienportfolios ableiten und so den künftigen Verbrauch für eine relativ große Zeitspanne vorhersagen. Entscheidend dabei ist, welche der Daten überhaupt benötigt werden. Dazu sind im Vorfeld sogenannte KPIs zu entwickeln, damit wir nicht Big Data erhalten, die keinen Mehrwert bringt.

Gebäude von morgen sprechen mit dem Stromnetz
Neben der Einsparung von Energie ist die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen ein weiterer Hebel zur Erreichung der Klimaziele. Solar- und auch Windenergie sind jedoch stark von Umweltfaktoren abhängig und somit volatil, deshalb muss man auch die Stabilität des Stromnetzes im Auge behalten. Aber auch dabei können Customized Smart Buildings helfen: Mit sogenannten Smart Grids als zentraler Steuerungseinheit können sie anhand von Echtzeitdaten zu Stromerzeugung, Stromverbrauch und Stromspeicherung die Energieproduktion und den Energieverbrauch optimal aufeinander abstimmen und so zu einer Verbesserung des Lastenmanagements innerhalb des Stromnetzes beitragen. Das heißt, das Gebäude von morgen spricht quasi mit dem Stromnetz und vernetzt sich mit anderen zu einem intelligenten Quartier als Basis für eine Smart City.

Und solche hochintelligenten Gebäude gibt es schon, zumindest als Pilotprojekte. Das im vergangenen Jahr in Berlin eröffnete Bürogebäude cube berlin der CA Immo etwa sieht nicht nur architektonisch betrachtet modern aus, sondern steckt auch voller smarter Technologie. Im Bürogebäude „The Ship“ in Köln oder im Hamburger Hammerbrooklyn der Art Invest ist es ähnlich. Viele weitere Gebäude sind in Bearbeitung und in der Fertigstellung. Der Tipping Point für Customized Smart Buildings ist also erreicht.

Smart Grid: Stabilität durch intelligente Stromnetze

Erneuerbare Energien, etwa aus Windkraft- oder Solaranlagen, unterliegen naturgemäß hohen Schwankungen. Um den Anteil Erneuerbarer Energien am Energiemix kontinuierlich zu erhöhen, braucht es ein intelligentes, digitales Energiesystem. Parallel zum Stromnetz entsteht daher ein Datennetz, mit dem die Erzeugung, die Verteilung, aber auch die Speicherung der erzeugten Energie koordiniert wird – das Smart Grid. Die Informations- und Kommunikations-Technologie dahinter ist in der Lage, die schwankende Energiezufuhr und die Stromversorgung im Netz intelligent zu regeln. Erkennt das Smart Grid beispielsweise, dass mehr Strom produziert als benötigt wird, lassen sich einzelne Anlagen wie Windräder gezielt drosseln.

Seit Januar 2020 gibt es für alle Haushalte mit einem jährlichen Stromverbrauch von mehr als 6.000 Kilowattstunden (kWh) die Pflicht, Smart Meter einbauen zu lassen. Solche digitalen intelligenten Messsysteme sind Teil des Smart Grids und kommunizieren den Stromverbrauch und damit den Strombedarf in Echtzeit an die Netzbetreiber. Auch der Verbraucher erhält in Echtzeit Transparenz darüber, wie viel Strom er gerade verbraucht. Mit dem neuen Energiewirtschaftsgesetz will das Wirtschaftsministerium dafür sorgen, dass dynamische Stromtarife in Verbindung mit Smart Metern flächendeckend auf den Markt kommen. Sie passen sich preislich der Nachfrage und dem Angebot im Netz an und sollen so Verbraucher und Klima entlasten.

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