Potenziale vorausdenken

Die Covid 19-Pandemie und der Krieg in der Ukraine haben aufgezeigt, wie sich langfristige Lieferengpässe vieler Branchen auf industrielle und gesellschaftliche Bereiche auswirken. Hinzu kamen begrenzte Gasverfügbarkeiten, die sich erheblich auf das deutsche und europäische Energiesystem und die Energiepreise auswirken. Die Folgen begrenzter Ressourcen und stark schwankender Energiepreise sind auch im Gebäudebereich präsent. Im ersten Teil dieses Artikels [1] gingen wir darauf ein, wie wichtig es diesbezüglich ist, unseren Gebäudebestands zu modernisieren. Wie aber wirken sich begrenzte Ressourcen und unterschiedliche Energiepreisstrukturen auf langfristige Modernisierungsstrategien aus?

Energiepreisentwicklungen und begrenzte Ressourcen

Hinsichtlich der Entwicklung des durchschnittlichen Erdgas- und Strompreises deutscher Mehrfamilienhäuser (MFH) ist zu erkennen (Abb. 1), dass der Gaspreis bis 2020 weitestgehend konstant blieb und seitdem um 181 % angestiegen ist [2]. Ähnlich verhielt es sich beim Strompreis, der 2020 einen Anstieg um 17 % verzeichnete [3]. Im Gegensatz dazu sinkt das Verhältnis von Strom- zu Gaspreis nach vielen Jahren der Zunahme nun wieder und liegt aktuell bei einem Wert von 2,5, und damit deutlich unter dem Niveau von 2012. Dieses Verhältnis ist eine wichtige Kenngröße für die Wirtschaftlichkeit von Modernisierungen, insbesondere aufgrund der zunehmend elektrisch beheizten Gebäude, in der Regel mit Wärmepumpen. Je niedriger dieses Verhältnis, desto wirtschaftlicher können strombetriebene Wärmeerzeuger gegenüber gasbetriebenen Anlagen sein.

Der gasbasierte Endenergieverbrauch für Raumwärme und Warmwasser in deutschen Wohngebäuden betrug 2019 rund 46 % und in den GEG-relevanten Nichtwohngebäuden etwa 50 % [4]. Die Verbrauchssektoren Haushalt und Gewerbe sind hierbei maßgebend und in den letzten Jahren für rund 41 % [5] des deutschen Gasverbrauchs verantwortlich. Demnach kann die Modernisierung des Bestands – mit dem primären Ziel der CO₂-Einsparungen – durch den Austausch gasbasierter Heizsysteme auch den Gasverbrauch senken und uns damit unabhängiger von ausländischen Gaslieferungen machen.

Um die Modernisierungsmaßnahmen in der Breite umsetzen zu können braucht es viel mehr Kapazitäten im Handwerk. Eine Prognos-Studie [6] zeigt auf, dass bis zu 130 000 zusätzliche Arbeitskräfte für die Energiewende notwendig sind, wovon bis 2025 etwa 20 000 Beschäftigte auf die Branche Sanitär, Heizung, Klima entfallen. Fazit der Studie ist eine Verschärfung der Fachkräftelücke in dieser Branche bis 2035 [6]. Eine Studie des Öko-Instituts [7] kommt zu ähnlichen Schlussfolgerungen. Bei einer langfristigen Modernisierungsplanung sind daher Engpässe beim Handwerk unbedingt einzukalkulieren.

Vor den beschriebenen Hintergründen werden in diesem Beitrag zwei Fragen fokussiert:

Bild: Jan Richarz / EBC RWTH Aachen

Optimierte Modernisierungsfahrpläne

Für eine detaillierte Beschreibung der Methode zur Berechnung der Modernisierungsfahrpläne sei auf den   ersten Teil dieses Beitrags sowie auf eine peer-reviewed Veröffentlichung [8] verwiesen, die die methodische Grundlage bildet. In diesem Abschnitt werden kurz die zentralen Punkte der Methode wiedergegeben und die Besonderheiten für die Auswertungen dieses Beitrags aufgeführt.

Da Eigentümer nicht grenzenlos investieren können, Fachkräften fehlen und die Lebensdauer von Anlagenkomponenten und Bauteilen begrenzt sind, sollte man bei der Modernisierungsplanung bedenken, dass nicht alle Maßnahmen zu einem Zeitpunkt umsetzbar sind. Sie lassen sich aber zeitlich planen. Zu berücksichtigen ist dabei, dass sich die Umstände im Lauf der Zeit verändern. Dies betrifft beispielsweise die Energiepreise, den CO₂-Emissionsfaktor des Strom-Mixes oder die steigende Effizienz von Anlagen wie Wärmepumpen durch technologischen Fortschritt.

Im Rahmen des vom BMWK geförderten Projekts Roadmap für einen klimaneutralen Gebäudebestand (RokiG [9]) entwickeln die Autoren am Lehrstuhl für Gebäude- und Klimatechnik der RWTH Aachen ein Optimierungsmodell für Modernisierungsfahrpläne. Dabei werden Entscheidungen auf Grundlage mathematisch hinterlegter Zusammenhänge getroffen, indem man sogenannte Zielfunktionen minimiert (oder maximiert) und dadurch die mathematisch optimale Lösung für ein System ermittelt.

Diese Lösung muss Nebenbedingungen einhalten, sprich ökonomische, ökologische sowie technische Aspekte eines Gebäudeenergiesystems. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Deckung der Gebäudebedarfe (Strom, Wärme, Kälte) zu jedem Zeitpunkt im Jahr. Viele notwendige Parameter des Modells, wie zum Beispiel die Energiepreise, sind auf Basis von Prognosen mit unterschiedlichen Werten für jedes Jahr eines Fahrplans hinterlegt. Das Modell stellt kumulierte CO₂-Emissionen sowie totale Kosten über einen gesamten Modernisierungsfahrplan von 30 Jahren als Zielfunktionen bereit. Die totalen Kosten werden aus den Investitionen sowie Energie- und Wartungskosten des Energiesystems berechnet, Emissionen entstehen durch den Verbrauch von Gas, Strom und Holzpellets. Das Modell entscheidet für jedes Jahr eines betrachteten Zeitraums über die optimale Anlagentechnik sowie deren leistungsspezifische Größen und auch darüber, ob und wie eine Gebäudehülle gedämmt werden soll. Schließlich entsteht daraus ein Modernisierungsfahrplan.

Durch diese zeitliche Auflösung der Modernisierungsplanung ist es einerseits möglich, jährliche Emissionsziele vorzugeben, die innerhalb eines Fahrplans eingehalten werden müssen. Andererseits lassen sich auch Ressourcen begrenzen, die in oder ab einem bestimmten Jahr nur bis zu einer bestimmten Menge genutzt werden dürfen. Für die Fragestellungen dieses Beitrags begrenzen wir den jährlich bereit stehenden Gasmassenstrom sowie die Summe der wegen des Handwerkermangels verfügbaren Arbeitszeit, die es braucht, um die Maßnahmen eines Fahrplans umzusetzen. Die Datengrundlage für den Zeitaufwand einer Maßnahme basiert dabei auf Experteninterviews mit erfahrenen Arbeitskräften der jeweiligen Gewerke.

Bild: Jan Richarz / EBC RWTH Aachen

Energiepreisszenarien

Um zu ermitteln, welche Folgen veränderliche Energiepreise haben, werden zwei Basisszenarien für den Strom- und Gaspreis der Endverbraucher in Deutschland im Modell hinterlegt (Abb. 2). Das mit 2016 bezeichnete Szenario entspricht dem EU-Referenzszenario für Deutschland, dass im Jahr 2016 in einer Studie [10] entwickelt wurde. Das Szenario 2022 entspricht einem kürzlich veröffentlichten Szenario [11]. Zusätzlich ist für das Modell eine Prognose des Holzpelletpreises notwendig, der aktuell ebenfalls stark steigt, was ersten Analysen zufolge mit den Gas- und Strompreisen zusammenhängt [12]. Daher ist der Holzpelletpreis für die hier aufgeführten Szenarien an die Energiepreisszenarien von Gas und Strom gekoppelt. Die Preisprognosen wurden jeweils mit den Preisen der Jahre 2016 bzw. 2022 skaliert [2], [3], [12].

Während im Szenario 2016 von nur leicht steigenden Energiepreisen ausgegangen wurde, sind die Einflüsse der derzeitigen Energiekrise auf das Szenario 2022 gut zu erkennen. Die aktuellen Preissteigerungen werden sich demnach noch einige Jahre fortsetzen und anschließend in eine stetige Absenkung übergehen. Die erheblich unterschiedlichen Strom-/Gaspreisverhältnisse (S-/G-Verhältnis) der beiden Szenarien zeigen, dass die Preissteigerungen den Gas- und Strompreis unterschiedlich stark betreffen.

Modellierung begrenzter Ressourcen

Im ersten Schritt wird in Anbetracht der hinterlegten Emissionsziele für 2030 und 2040 die ökonomisch optimale Lösung für einen Modernisierungsfahrplan bei unbegrenzten Ressourcen berechnet (Minimierung der totalen Kosten). Aus dieser Lösung kann nun die notwendige Masse des verwendeten Gases sowie die notwendige Handwerkskapazität im ökonomisch optimalen Fall bestimmt werden. Im zweiten Schritt werden mehrere Lösungen ermittelt, bei denen die Ressourcen ausgehend von der Menge des optimalen Falls begrenzt werden. Abhängig von der Reduktionsstufe wird dem Modell vorgegeben, dass die Ressource in diesen Berechnungen der Fahrpläne zwischen 25 und 100 % reduziert werden muss. So wird modelliert, dass in einem Gebäude wegen der gleichzeitigen Nutzung dieser Ressourcen in anderen Gebäuden ein geringerer Teil nutzbar ist, als im ökonomisch optimalen Fall notwendig wäre. Im dritten Schritt werden totale Kosten, kumulierte Emissionen sowie die Wahl des Energiesystems innerhalb der Fahrpläne miteinander verglichen.

Ergebnisse für ein typisches Mehrfamilienhaus

Ein typisches Mehrfamilienhaus (MFH) des Baujahrs 1980 mit Gaskessel und thermischem Wasserspeicher soll als Anwendungsfall dienen. Wie bereits im ersten Teil dieses Beitrags ist für die hier vorgestellten Auswertungen als Emissionsziel für 2030 hinterlegt, dass ein Gebäude nur noch 31 % seiner ursprünglichen Emissionen ausstoßen darf sowie 2040 nur noch 16 %. Dies basiert auf dem Ziel für den deutschen Gebäudebestand für 2030 sowie einer Fortführung dieses Ziels bis 2040. Diese Ziele sind spezifische Emissionen (t/a), die ab diesem bestimmten Jahr nur noch maximal emittiert werden dürfen. Im Gegensatz dazu sind die kumulierten Emissionen die Summe aller Emissionen über einen Fahrplan. Diese beiden Emissionskennwerte wurden im Detail im ersten Teil dieses Beitrags verglichen.

Bild: RWTH Aachen / ERC

Einfluss von Energiepreisszenarien

Für das MFH wurden ökonomisch optimale Modernisierungsfahrpläne auf Basis der beschriebenen Energiepreisszenarien erstellt. Neben den vorgestellten Szenarien 2016 und 2022 wurden die Preise für jede Energieressource (Strom, Gas, Pellet) ausgehend von Szenario 2022 zwischen -20 % und +20 % variiert, während die jeweils anderen Preise auf dem ursprünglichen Level eingestellt blieben. So kann man erkennen, wie sich unterschiedliche Preisverhältnisse zueinander auf langfristige ökonomisch optimale Modernisierungsentscheidungen auswirken. Abb. 4 zeigt für alle Szenarien die totalen Kosten sowie die kumulierten Emissionen, summiert über die jeweiligen Fahrpläne und eingeteilt in die verwendeten Energieressourcen. Die Säulen des Diagramms sind nach den kumulierten Emissionen aufsteigend sortiert.

Zunächst ist zu erkennen, dass der Modernisierungsfahrplan für das MFH im Szenario 2016 geringere Kosten und geringere Emissionen verursacht als das Szenario 2022. Den Großteil der Wärme liefern Pelletkessel mit geringen Emissionen. Im Szenario 2022 erweist sich hingegen der Brennstoff Gas wirtschaftlicher als Holzpellets, führt aber gleichzeitig auch zu höheren kumulierten Emissionen, während weiterhin die jährlichen Emissionsziele eingehalten werden können.

Anhand der eingeteilten Bereiche kann man gut die Einflüsse verschiedener Preisstrukturen erkennen: Hohe Gas- oder niedrige Strompreise führen zu vergleichsweise geringen Emissionen und – im Fall von niedrigen Strompreisen – auch zu geringen totalen Kosten. In diesen Szenarien wird der überwiegende Teil der Wärme in den Jahren des Fahrplans durch Wärmepumpen (teilweise in Verbindung mit elektrischem Heizstab) gedeckt; zeitweise ist dabei gasbasierte Technik (BHKW oder Gaskessel) vorgesehen. Im umgekehrten Fall hoher Strom- oder niedriger Gaspreise entstehen dagegen hohe bis sehr hohe Emissionen und Kosten durch die vermehrte Nutzung von Gas.

Der Pelletpreis wirkt sich nur bei Preisreduktionen auf den Fahrplan aus. Bei höheren Pelletpreisen entspricht der Fahrplan dem des Basisszenarios 2022. Erhebliche Pelletpreisreduktionen führen indes zu Fahrplänen mit geringen Emissionen bei mittleren Kosten.

Bild: Jan Richarz / EBC RWTH Aachen

Bild: Jan Richarz / EBC RWTH Aachen

Einfluss begrenzter Ressourcenverfügbarkeit

Der zweite Fokus dieses Beitrags geht auf die Berücksichtigung begrenzter Gasressourcen und Handwerkskapazitäten in den Fahrplänen ein. Hierzu wird angenommen, dass diese Ressourcen für den gesamten deutschen Gebäudebestand begrenzt sind und dadurch für das betrachtete MFH anteilig weniger zur Verfügung stehen als für den ökonomisch optimalen Fahrplan dieses Gebäudes. Weiterhin ist vorgegeben, dass die jährlichen Emissionsziele trotz begrenzter Ressourcen erreicht werden müssen.
Abb. 5 zeigt hierzu die Veränderungen von totalen Kosten und kumulierten Emissionen in Fahrplänen mit begrenztem Gasbezug. Hierzu wurde der Gasmassenstrom in jedem Jahr des Fahrplanes basierend auf dem initial errechneten Fahrplan für das Szenario 2022 (0 % Reduktion) um 25 % bis 100 % reduziert.

Demnach steigen die totalen Kosten an, während sich gleichzeitig die kumulierten Emissionen wegen des reduzierten Gasmassenstroms verringern. Die eingesparten Emissionen beruhen primär auf der intensiveren Stromnutzung zur Wärmeerzeugung, die aufgrund des deutschen Strom-Mixes über die Zeit eines Fahrplans hinweg immer weniger spezifische Emissionen beinhaltet. In diesem Zusammenhang fällt auf, dass die kumulierten Emissionen bereits bei einer Reduktion von 25 % fallen, die totalen Kosten jedoch erst ab 75 % stärker ansteigen. Fehlendes Gas kann demnach im Gebäudeenergiesystem zunächst wirtschaftlich abgefedert werden.

Das Säulendiagramm in Abb. 6 zeigt darüber hinaus, wie sich das gewählte Wärmeerzeugungssystem in den Fahrplänen mit Gasmassenreduktion verändert. Demnach steigt die mittlere Leistung der Wärmepumpe in den Fahrplänen an, während die Gaskesselgröße konstant bleibt, jedoch werden die Kessel zu wenigen Zeitpunkten betrieben. Bei vollständiger Reduktion (100 %) fällt kein Gasverbrauch mehr an; Pelletkessel finden sich innerhalb des Fahrplans, während die mittlere Leistung der Wärmepumpe sinkt.

Hinsichtlich der zweiten Frage, inwieweit der Fachkräftemangel die Modernisierungsfahrpläne beeinflusst, ging man analog zur Begrenzung des Gasmassenstroms vor und legte die Kapazität zwischen 25 % und 90 % fest (Abb. 7, 8). Die obere Grenze von 90 % wurde gewählt, weil eine Begrenzung um 100 % jede Modernisierungsmaßnahme verhindern würde.

Der Handwerkermangel führt zunächst zu einem linearen Anstieg der Emissionen, ebenso bei den totalen Kosten. Zwischen 25 % und 75 % verändern sich die Größenordnungen von Pellet-, Gaskessel und Wärmepumpe, ebenso die Anzahl und Intensität der Dämmmaßnahmen. Je nach verfügbarer Handwerkskapazität wechselt das Gebäudeenergiesystem, wobei sich eine größere Wärmepumpe als Trend abzeichnet (Abb. 8).

Bei einer Reduktion von 90 % lassen sich die vorgegebenen jährlichen Emissionsziele nur noch mit einem großen Pelletkessel einhalten, jedoch zu erheblich gestiegenen Kosten, weil hohe Energieressourcenmengen nötig sind, um den erhöhten Wärmebedarf zu decken. Die Gründe hierfür liegen in der Verschiebung der Modernisierungsmaßnahmen (Abb. 8): Die Anzahl von Maßnahmen an der Gebäudehülle nehmen bei immer stärker begrenzten Handwerkskapazitäten ab, da solche Arbeiten einen höheren Zeitaufwand bedingen als der Austausch der Anlagentechnik. Die ungedämmten Bauteile verhindern eine effiziente Reduktion des Energiebedarfs.

Interessant ist, welche Maßnahmen an der Gebäudehülle bei stärkerer Reduktion umgesetzt werden, da hieraus erkennbar wird, welche dieser Maßnahmen effizient hinsichtlich Wärmebedarfseinsparung zu zeitlichem Umsetzungsaufwand ist. Für das betrachtete MFH zeigt sich eine höhere Effizienz des Fenstertauschs und der Dachdämmung gegenüber der Außenwand- und Kellerdeckendämmung. Da immer die gesamte Fläche der angesprochenen Bauteile gedämmt wird, ist in diesem Zusammenhang die Kubatur des Gebäudes ein wichtiger Aspekt, der diese Effizienz verändern kann.

Bild: Jan Richarz / EBC RWTH Aachen

Zentrale Erkenntnisse und zukünftige Arbeiten

Dieser zweite Beitrag zur langfristigen Modernisierungsplanung hat gezeigt, dass die Energiepreise die totalen Kosten eines Modernisierungsfahrplans stark beeinflussen, aber auch die Emissionen des modernisierten Gebäudes. Bemerkenswert ist, dass günstige Strompreise oder höhere Gaspreise eher zu Fahrplänen mit geringen Emissionen führen, ohne die totalen Kosten im Vergleich zu anderen Szenarien stark anzuheben.

Ist der fossile Brennstoff Gas begrenzt, wird mehr Strom zur Wärmeerzeugung benötigt, vor allem zum Betrieb von Wärmepumpen. Dies ermöglicht wiederum Einsparungen bei den Emissionen, die zum einen durch effiziente Wärmepumpentechnik und zum anderen auf einen verstärkten regenerativen Strom-Mix zurückzuführen sind. Fehlt es an Handwerkskapazitäten, reduzieren sich zeitintensive Maßnahmen an der Gebäudehülle, was bei den Fahrplänen insgesamt zu höheren Kosten führt. Der Austausch von Fenstern zeigte sich als besonders effizient im Verhältnis von Wärmebedarfseinsparung zu zeitlichem Aufwand. Künftig sind Analysen mit begrenzten Kapazitäten einzelner Gewerke vorgesehen.

Was die begrenzten Ressourcen angeht darf nicht vergessen werden, dass neben Gas auch Holzpellets, Biogas oder Baumaterialien nicht unbegrenzt verfügbar sind. Eine langfristige Modernisierungsplanung des Gebäudebestands muss daher möglichst viele Begrenzungen berücksichtigen, um möglichst effektiv und schnell Emissionen in der Breite einzusparen.

Die Autoren bedanken sich ausdrücklich für die finanzielle Unterstützung des Forschungsvorhabens durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Projektförderkennzeichen 03EWB002A). 

Literatur und Quellen

[1] Richarz et al., Potenziale vorausdenken – Langfristige strategische Modernisierungsplanung (Teil 1), Gebäudeenergieberater 9 (2022), https://t1p.de/GEB102242

[2] BDEW Bundesverband der Energie-und Wasserwirtschaft e.V., BDEW-Gaspreis­analyse September 2022 (2022), https://t1p.de/GEB102230

[3] BDEW Bundesverband der Energie-und Wasserwirtschaft e.V., BDEW-Strompreis­analyse Juli 2022 (2022), https://t1p.de/GEB102231

[4] Deutsche Energie Agentur (dena), dena-Gebäudereport 2022 (2022),
https://t1p.de/GEB102232

[5] Bundesnetzagentur, Aktuelle Lage der Gasversorgung in Deutschland (2022),
https://t1p.de/GEB102233

[6] Seefeldt et al., Fachkräftebedarf für die Energiewende in Gebäuden (2018), https://t1p.de/GEB102234

[7] Kenkmann u. Braungardt, Das Handwerk als Umsetzer der Energiewende im Gebäude­sektor (2018), https://t1p.de/GEB102235

[8] Richarz et al., Optimal scheduling of modernization measures for typical ­non-­residential buildings. Energy (2022);238(A):121871, https://t1p.de/GEB102243

[9] Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik, Übersicht Forschungsprojekt ­RokiG (2022), https://t1p.de/GEB102237

[10] Europäische Kommission, EU reference scenario 2016 (2016),
https://t1p.de/GEB102238

[11] Prognos, Strompreisprognose (2022), https://t1p.de/GEB102239,
https://t1p.de/GEB102240

[12] Deutsches Pelletinstitut (DEPI), Energiekrise beeinflusst Pelletpreis (2022),
https://t1p.de/GEB102241

GEB

Grundlegende Informationen zum Thema finden Sie auch in unserem Dossier Expertenwissen mit Beiträgen und News aus dem GEB:

www.geb-info.de/themen/expertenwissen

Jan Richarz

hat Maschinenbau und Energietechnik studiert und ist seit 2017 wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik (EBC) im E.ON Energy Research Center (ERC) der RWTH Aachen.

Bild: EBC

Dominik Hering

hat Energietechnik studiert, bis 2021 am Forschungszentrum Jülich als Doktorand gearbeitet und arbeitet seit 2022 am EBC im E.ON ERC der RWTH Aachen.

Bild: EBC

Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller

ist Professor an der RWTH Aachen University und Leiter des EBC im E.ON ERC der RWTH Aachen sowie des Instituts für Energie- und Klimaforschung - Modellierung von Energiesystemen (IEK-10) der Forschungszentrum Jülich GmbH.

Bild: EBC