21.06.2021

Klimaneutraler Gebäudesektor – aber wie?

Der Preis des Green Deal

Aktiv Stadthaus 4 HHS Planer Architekten AG Constantin Meyer Photograf
Constantin Meyer Photograf, Köln

Worum geht's?

Ausgangssituation – Zielsetzung

Die EU Kommission hat auf ihrem Klimagipfel 2018 im polnischen Kattowitz einen Plan für ein klimaneutrales Europa vorgelegt, der 2020 im „Green Deal“ beschlossen wurde. Bis 2050 soll eine Netto-Nullbilanz klimaschädlicher Treibhausgas-Emissionen erreicht werden. Damit ist eine langfristige Planungssicherheit für die europäische Gesellschaft und insbesondere für die Wirtschaft gegeben. Mit dem Ziel jetzt eine CO2- emissionsarme Zukunft in allen Sektoren zu gestalten und Investitionen in „Stranded Assets“ zu vermeiden ist ein notwendiger Transformationsprozess verbunden, der jährliche Investitionen im hohen dreistelligen Milliardenbereich erforderlich machen wird. Der Umfang scheint erheblich, Klima-Folgeschäden durch ausbleibendes Handel dürften deutlich höher ausfallen.

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Abb. 1: Klimaschutz- Ziele des BMU (2019)

Die Bundesregierung hat 2016 im Klimaschutzplan und Ende 2019 im Klimaschutzgesetz verbindliche Obergrenzen für die max. zulässigen CO2-Emissionen aus den Sektoren Energiewirtschaft, Industrie, Gebäude, Verkehr, Landwirtschaft festgelegt. Danach müssen bis 2030 die Treibhausgas-Emissionen um mindestens 55 % gegenüber 1990 gesenkt werden. Im Gebäudebereich sollen bis zum genannten Zeitpunkt zwei Drittel der klimaschädlichen Emissionen vermieden und bis 2050 ein nahezu klimaneutraler Gebäudebestand erreicht werden (Abb.1). Auf Deutschland bezogen lagen die Emissionen 2014 bei rd. 900 Mio. t CO2, das entspricht ca. 11 t CO2 pro Einwohner und Jahr. Dem Gebäudebereich werden daraus nach dem Quellprinzip etwa 120 Mio. t CO2 direkt zugeschrieben. Indirekte CO2-Emissionen durch den Material- und Ressourceneinsatz bei Bau- oder Sanierungsprozesse sowie die importierte Endenergie, z.B. für den Nutzerstrom werden der Energiewirtschaft und Industrie zugeordnet. Eigene überschlägige Berechnungen zeigen, dass jährlich ein erheblicher Anteil an indirekten Emissionen, auch „graue Emissionen“ genannt, durch den Neubau bzw. die Sanierung nach dem Verursacherprinzip emittiert werden. Pro Jahr wächst der Gebäudesektor um eine Fläche von ca. 80 Mio. Quadratmeter und verursacht damit etwa 60 Mio. t CO2 p.a. Rund 50 Mio. Quadratmeter werden pro Jahr saniert. Der Ressourceneinsatz und die Abgabe klimaschädlicher Emissionen ist mit ca. 10 Mio. t CO2 p.a. ebenfalls signifikant aber deutlich geringer als im Neubaubereich.

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Abb. 2: CO2- Emissionen des Gebäudesektor – Betrieb, Neubau und Sanierung

Abb. 2 zeigt die jährliche CO2-Bilanz für den Betrieb (Quellprinzip) und den Bau bzw. die Sanierung des Gebäudesektors in Deutschland. Nicht enthalten ist der Nutzerstrom und die importierte Endenergie Strom für Wärmepumpen oder Fernwärme. Nach dem Klimaschutzplan sollen die lokalen Netto-Emissionen der Gebäude bis 2030 um 50 Mio. t CO2 p.a., d.h. um 42 % gegenüber 2014 sinken. Abb. 2 zeigt, dass durch die in der nächsten Dekade dazu kommenden Neubauten und die damit bedingten zusätzlichen CO2-Emissionen der heutige Bestand um mindestens 55 % dekarbonisiert werden müsste. Die bis 2030 bzw. 2050 entstehenden Neubauten erhöhen zusätzlich den Einspardruck auf den Gebäudebestand, sind aber absolut gesehen von geringem Einfluss auf das CO2- Reduktionsziel. Die Verschärfung der gesetzlich geltenden Anforderungen an die Energie-Performance (GEG 2020) von Neubauten ist im Kontext der Klimaschutzziele bis 2050 unbedeutend. Die grauen CO2-Emissionen in 2030 werden durch die Decarbonisierung der Energiewirtschaft und Industrie sowie eines möglicherweise verringerten Neubau-Volumens sinken.

Der Gebäudesektor steht vor einer Herkulesaufgabe mit zahlreichen Schnittstellen zu den energiere­levanten Sektoren. Auf der Grundlage der im folgenden dargestellten Empfehlungen halte ich die angestrebte Klimaneutralität für machbar.

Der Gebäudesektor hat einen jährlichen Wärmeverbrauch für private Haushalte, GHD und Industrie von rd. 670 TWh/a für Raumwärme und rd. 130 TWh/a für Warmwasser. Zusammengenommen entspricht das einem Anteil von rd. 32 % des gesamten Endenergie-Wärmeverbrauchs von etwa 2.500 TWh/a. Der regenerativ erzeugte Anteil lag 2020 bei lediglich 14,5 %. Der erneuerbare Beitrag zum Brutto-Inlands-Stromverbrauch ist mit 42% bereits deutlich besser ausgebaut.

Zur Beschleunigung der Wärmewende und der Decarbonisierung im Sektor Gebäude muss die energetische Sanierungsrate auf mehr als 2 % p.a. verdoppelt, die fossilen Brennstoffe Öl und Gas im Markt durch elektrische Wärmepumpen verdrängt, die Ausbaudynamik der Wind- und PV-Anlagen gesteigert sowie mit dem Aufbau einer „grünen“ Fernwärme begonnen werden.

CO2-Label – der Key Performance Index (KPI) für Gebäude

Wir schlagen bereits seit einigen Jahren die Einführung einer CO2- Bewertungs-Methode für Gebäude vor. Mit einer Differenzierung in CO2(A)-Emissionen, verursacht durch Neubau oder Sanierung und CO2(B)-Emissionen durch den Gebäudebetrieb, inkl. dem Anteil für die Nutzung, werden kalkulierbare Grundlagen unter Berücksichtigung einer ganzheitlichen Betrachtung geschaffen.

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Abb. 3: Kumulierte CO2-Emissionen eines Mehrfamilienhauses (Errichtung und Nutzungsphase)

Der CO2-Wert (A), wird zum Zeitpunkt des Baus oder der Sanierung auf Basis der zugrunde gelegten Massen und den zugehörigen CO2-Kennwerten der eingesetzten Materialen aus den vorliegenden Ökodatenbanken berechnet. Bei einem mehrgeschossigen Wohngebäude in Massivbau liegt der CO2-Wert (A) zwischen 700 und 1.000 kg CO2/m2NRF(Abb.3). Bei der Sanierung sind es unter 200 kg CO2/m2NRF. Der CO2-Wert (B) wird aus der jährlichen Netto-Endenergiebilanz nach Gebäude-Energie-Gesetz (GEG) während der Nutzungsphase ermittelt. Der Nutzerstrom wird hinzugerechnet. CO2 (B) wird durch die fortschreitende Decarbonisierung der leitungsgebundenen Energieträger Strom, Fernwärme, Gas etc. und der zunehmenden Solarisierung des Gebäudebestands über die Zeitachse abnehmen. Abb. 3 zeigt die kumulierten CO2-Emissionen eines in 2016 errichteten dreigeschossigen Wohngebäudes, inkl. Nutzerstrom. Gebaut im Standard KfW 55 und ohne PV-Anlage steigen die Emissionen. Wird das Gebäude als EffizienzhausPLUS mit einer PV-Anlage (70 Wp /m2Wfl.) errichtet, sinken die absoluten CO2-Emissionen bis 2050 lediglich um 30 %. Die Krümmung der Kurven in Abb. 3 sind einerseits durch den „grüner“ werdenden Netzstrom und anderseits durch die reduzierten CO2-Gutschriften des eingespeisten PV-Stroms bedingt. Durch einen Hybridbau, mit einem 85 %-tigen Holzanteil, erreicht der EffizienzhausPLUS- Standard mit PV-Anlage und einer Batterie in der Größenordnung von einer kWh pro kWp annähernd die Klimaneutralität bis 2050.

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Abb. 4: CO2-Emissionen Betrieb + Nutzerstrom, Sanierungs-Maßnahmen bis nahezu klimaneutral

Der CO2-Wert (B) liegt bei Bestands-Wohngebäuden, die nach 1995 errichtet wurden, bei 40 bis 60 kg CO2 /(m2a). Für künftige Neubauten und Sanierungen sollte ein Zielwert unter 20 kg CO2 /(m2a) erreicht werden. Durch die fortschreitende Decarbonisierung des Netzstroms kann bis 2030 ein CO2-Wert (B) von unter 10 kg/(m2a) erreicht werden, siehe Abb. 4. Die Daten für ein CO2 (B)-Label sollten regelmäßig, spätestens alle fünf Jahre auf Basis der aktuellen CO2-Kennwerte der fossilen und erneuerbaren Energien für den Teil der gemessenen importierten und exportierten Endenergieströme aktualisiert und in einer zentralen Datenbank zusammengeführt werden. Dadurch entstünde ein verlässliches CO2-Emissions-Kataster für den Gebäudebestand, was im Übrigen auch für eine steuerliche Bewertung genutzt werden könnte.

Klimaneutrale Gebäude und Quartiere – erste Pilotprojekte realisiert!

Das Konzept „Gebäude als Kraftwerk“ wurde 2009 am Einfamilienhaus „Berghalde“ in Leonberg erfolgreich umgesetzt [1]. In der Folge wurden ab 2012 im Rahmen des Förderschwerpunktes Zukunft Bau (BMI, BBSR) über 40 EffizienzhausPLUS Wohngebäude realisiert. Das ambitionierte Ziel bestand darin, eine positive Jahres-Endenergie- und CO2-Bilanz zu erreichen und die dafür erforderliche Bau- und Gebäudetechnik zu erproben. Die Erfahrungen aus Planung, Bau und Betrieb der ersten Modellprojekte sind in den Planungsempfehlungen EffizienzhausPLUS zusammengestellt [2].

Unsere Gebäudeprojekte folgen dem ganzheitlichen Ansatz: „Wirtschaftliche Optimierung über dem Lebenszyklus durch Reduzierung des Energieverbrauchs und effizienter Nutzung Erneuerbarer Energie“.

Dies geht über den Ansatz „Efficiency First“ hinaus und verfolgt stets technologieoffene Systemlösungen.

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Abb. 5: Stadt-Aktivhaus Effizienzhaus-Standart (Constantin Meyer Photograf, Köln)

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Abb: 6 “Nur-Stromhaus” – Energie- und Technikkonzept (EGSplan, Stuttgart)

Das Aktiv-Stadthaus in Frankfurt a.M. ist das erste klimaneutrale Mehrfamilienhaus, gefördert im Förderschwerpunkt Zukunft Bau (Abb. 5). Das achtgeschossige Gebäude mit 74 Wohnungen auf einer Fläche von 6.634 m2NRF wurde 2015 fertig gestellt. Die beiden ersten Betriebsjahre wurden durch ein technisch- sowie sozial-wissenschaftliches Monitoring begleitet /3/. Das Aktiv-Stadthaus ist als „Nur-Strom“-Gebäude errichtet (Abb. 6). Die Wärmebereitstellung für Raumheizung und Warmwasser erfolgt durch eine elektrische Wärmepumpe (120 kWth). Ein Wärmetauscher mit rd. 100 m2 Fläche im Abwasserkanal der Speicherstraße dient als Wärmequelle. Zur Minimierung des Haushaltsstroms sind die Wohnungen vom Vermieter mit Haushaltsgeräten der höchsten Effizienzklasse ausgestattet. Die Deckung des Strombedarfs erfolgt über fassaden- (120 kWp) und dachintegrierte (250 kWp) Photovoltaikmodule. Ein 250 kWh Stromspeicher dient zur Steigerung des solaren Eigenversorgungsgrades. Durch die Batterie werden in Verbindung mit einem Lade-Management die Lastspitzen bei der Stromeinspeisung reduziert und ein netzdienlicher Betrieb erreicht. Die in der Planungsphase berechnete CO2- Bilanz (Wert (B)) wurde durch das Monitoring bestätigt (Abb. 7).

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Abb. 7: Jahres CO2- Bilanz – Stadtaktivhaus Frankfurt (Monitoring: STZ-EGS, Stuttgart)

Die durch den Stromverbrauch der Wärmepumpe zur Deckung des Bedarfs für Raumheizung und Warmwasser-Bereitung verursachten CO2-Emissionen liegen bei rd. einem Drittel. Dominant mit ca. 55 % ist der Nutzerstrom. Der jährliche solare Deckungsanteil und der Eigenversorgungsgrad lagen im Mittel bei rd. 47 %. Der gemessene Nutzer-Stromverbrauch inkl. dem Anteil für die mechanische Lüftung liegt mit etwa 18 kWh/(m²a) rd. 20 % unter den in der Planung zugrunde gelegten Bedarfswerten (EffizienzhausPLUS Standard). Insgesamt ergab sich in den ersten zwei Betriebsjahren eine ausgeglichene jährliche CO2-Bilanz (Abb. 7). Dem Stromverbrauch aus Gebäudebetrieb und Nutzerstrom von im Mittel rd. 0,9 t CO2 /(Pers. a) standen annähernd die gleichen CO2-Gutschriften aus der Einspeisung des überschüssigen Solarstrom gegenüber. Damit ist der Beweis erbracht, dass die Klimaneutralität unter realen Nutzerbedingungen auch für ein achtgeschossiges Mehrfamilienhaus möglich ist.

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Abb. 8: Siedlung Frankfurt Riederwald – vor und nach der Sanierung (Bauherr ABG, Frankfurt)

Die Sanierung des Gebäudebestands ist entscheidend zur Erreichung der Klimaschutzziele. Die Siedlung Riederwald in Frankfurt aus den sechziger Jahren wurde mit dem Ziel „nahezu klimaneutral“ ganzheitlich saniert (Abb. 8). Die Gebäudehüllen erfüllen nach der Sanierung den Standard KfW 55. Die Wärmebereistellung erfolgt durch elektrische Wärmepumpen, die als Wärmequelle senkrechte Erdsonden in Kombination mit Außenluft-Wärmetauschern nutzen. Die ost-/ westorientierten Dachflächen wurden max. mit PV-Modulen belegt. Die CO2-Emissionen, inkl. des Anteils für Nutzerstrom, konnten um 60 % reduziert werden und lagen zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme (2016) bei rd. 17 kg CO2 /(m2a) (Abb. 9). Durch die weiter voranschreitende Decarbonisierung des Netzstroms wird der CO2-Wert (B) auf unter 10 kg CO2 /(m2a) sinken.

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Abb. 9: Netto CO2- Bilanz vor und nach der Sanierung (Technikkonzept: energiedesign Braunschweig)

Empfehlungen für die Immobilienwirtschaft

Die Stakeholder der Immobilienwirtschaft müssen jetzt aktiv werden und mittelfristige Strategien für einen klimaneutralen Bestand entwickeln. Der „Green Deal“ gibt Ihnen dafür die notwendige Planungssicherheit. Aus den Erfahrungen der umgesetzten Modellprojekte „Klimaneutrale Gebäude“ lassen sich folgende Empfehlungen für Gebäude ableiten:

  • Gebäudehülle
    • Neubau: Wohnungsbau Effizienzhaus EH 55, Nichtwohnungsbau EH 70
    • Sanierung: Wohnungsbau EH 70; Nichtwohnungsbau EH 100
    • Berücksichtigung der grauen Energie gemäß oben beschriebenen Label
  • Energieversorgung
    • Vermeidung fossiler Energieträger
    • Neubau: kein Gasanschluss, keine Gas-BHKW, kein Abgaskamin erforderlich
    • Elektrische Wärmepumpen
    • Übergabesysteme möglichst mit Niedertemperatur-Flächenheizung
    • Pufferspeicher und Energie-Management System (EMS)
    • Max. Solarisierung der Dachflächen
    • Stromspeicher 1 kWh/kWp
  • Betriebsoptimierung – Technisches Monitoring (Nichtwohnungsbau)


Empfehlungen für die Energiewirtschaft und Politik

  • Deutliche Beschleunigung der Ausbaudynamik zur Produktion von erneuerbarem Strom aus PV und Windenergie (jährlich 15 bis 20 GWp erforderlich, aktuell sind es nur 2,5 bis 3 GWp/a)
  • Decarbonisierung der Fernwärme, dezentrale Einspeisung durch Groß-Wärmepumpen, Abwärme-Nutzung aus Industrie und P2G (Wasserstoff-Produktion)
  • Einführung eines CO2- Bewertungssystem für Gebäude (Bau, Sanierung, Betrieb, Nutzung)
  • Überprüfung der CO2- Label im fünf Jahresrhythmus (Gebäude TÜV)
  • Aufbau einer gebäudescharfen Datenbank für CO2-Emissionen
  • Realisierte CO2- Einsparungen fördern
  • Höhere CO2- Bepreisung auf fossile Brennstoffe (> 100 € / t CO2)
  • Strompreise müssen sinken, zeitnaher Wegfall der EEG-Umlage

Klimaneutrale Gebäude und Quartiere sind mit den heute bekannten Technologien machbar, trotzdem sind weitere F+E-Anstrengungen in den nächsten Jahren erforderlich. Klimaneutral ist nicht kostenneutral, der Green Deal wird viel Geld und Arbeit erfordern. Wir müssen den Mut haben und die Akzeptanz in der Gesellschaft steigern das Ziel der „Klimaneutralität“ umzusetzen.

Verfasser: Univ. Prof. Dr. Ing. M. Norbert Fisch Steinbeis-Innovationszentrum siz energieplus, Braunschweig-Stuttgart

Literatur

[1] Fisch, M. N.; Wilken, Thomas: Klimaneutral Wohnen – Einfamilienhaus Berghalde; Herausgeber: Univ. Prof. Dr. M. Norbert Fisch, ISBN 978-3-9820898-0-5

[2] Fisch, M. N.; et. al: Effizienzhaus Plus – Planungsempfehlungen ; Herausgeber: BBSR, Bonn, ISBN 978-3-87994-293-0

[3] Nusser, T; Mahler, B.: Steinbeis Transferzentrum EGS, Stuttgart; Endbericht zum energetischen Monitoring Aktiv-Stadthaus Frankfurt, 2018