Gebäude sind für etwa 36 % der Emissionen in der Europäischen Union verantwortlich. Von diesen Gebäuden sind 35 % älter als 50 Jahre und 75 % gelten als nicht energieeffizient [1], was ein beträchtliches Einsparpotenzial erwarten lässt. Für Deutschland ergibt sich ein ähnliches Bild beim Gebäudebestand [2]. Abb. 1 zeigt den gesamten Wärme- und Kältebedarf deutscher Gebäude aus dem Wohn- und GEG-relevanten Nichtwohnbereich auf, eingeteilt in Baualtersklassen und Gebäudenutzungstypen.
Der Anteil von Wohngebäuden am Gesamtenergiebedarf ist etwa dreimal so hoch wie der des Nichtwohnbereichs. Es fällt außerdem auf, dass in nahezu jeder Nutzungsklasse mehr als die Hälfte des Bedarfs auf Gebäude entfällt, die vor 1979 und damit in der Zeit vor den ersten Regularien zu Wärmeschutz und Energieeffizienz erbaut worden sind und somit ein hohes Einsparpotenzial aufweisen.
Will die Europäische Union das selbst auferlegte Ziel schaffen, die Emissionen bis 2030 um 55 % gegenüber 1990 zu reduzieren, muss der Gebäudebereich laut EU renovation wave [3] 60 % gegenüber 1990 einsparen und soll bis 2050 klimaneutral sein. In Deutschland soll der Gebäudebestand die Klimaneutralität bereits 2045 erreichen, Er soll im Jahr 2030 nur noch 67 Mio. Tonnen CO₂ ausstoßen, während es 1990 noch 210 Mio. Tonnen CO₂ waren [4]. Neben dieser Zieldefinition empfiehlt der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) als zentraler wissenschaftlicher zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen, maximale Emissionsbudgets die noch ausgestoßen werden dürfen, um das 1,5 °C-Ziel einzuhalten [5]. Dieses Ziel bezieht sich nicht auf ausgestoßene Emissionen pro Jahr, sondern auf über die Zeit kumulierte Emissionen. Vor den beschriebenen Hintergründen werden in diesem Beitrag zwei Fragen fokussiert:
Um diese Fragen zu beantworten, werden nachfolgend Modernisierungsfahrpläne mittels mathematischer Optimierungsverfahren vorgestellt und anschließend auf typische Gebäude des deutschen Gebäudebestands angewendet.
Bild: RWTH Aachen / ERC, Datenquelle: Hotmaps Project2
Bild: RWTH Aachen / ERC
Modernisierungsfahrpläne als langfristige Planungsgrundlage
Zur Modernisierung des Bestands ist aufgrund der hohen Gebäudezahl und ihrer Heterogenität hinsichtlich Nutzung, Alter und Standort sowie bestehender Ausstattung eine systematische Planung notwendig. Weitere Herausforderungen sind begrenzte Handwerkskapazitäten, um die Maßnahmen überhaupt umsetzen zu können sowie häufig limitierte Investitionsmöglichkeiten der Gebäudeeigentümer. Darüber hinaus ergeben sich aus der unterschiedlich langen Lebensdauer verschiedener Bauteile und Anlagenkomponenten ganz verschiedene Zeitpunkte, an denen ein Austausch ökonomisch sinnvoll ist (sog. Sowieso-Kosten). Diese Aspekte und mögliche weitere individuelle Gründe sind bei der Modernisierungsplanung zu bedenken, um sich klar zu machen, dass nicht alle Maßnahmen und Bauteile zu einem Zeitpunkt modernisiert werden können beziehungsweise sollten. Mit einem Modernisierungsfahrplan kann man diesen zeitlichen Wechselwirkungen begegnen.
Mit der novellierten EPBD-Richtlinie hat die EU ihren Mitgliedsländern Vorgaben zur Einführung von Renovierungspässen (renovation passports) gemacht, welche die zeitliche Abfolge von Maßnahmen enthalten [6]. In Deutschland werden sie bereits als individuelle Sanierungsfahrpläne (iSFP) im Rahmen der neuaufgesetzten Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) gefördert [7].
Veränderliche Umwelt-Randbedingungen
Das Planen unterschiedlicher Modernisierungszeitpunkte erfordert es, die sich mit der Zeit verändernden Randbedingungen in die Überlegungen einzubeziehen. Dazu gehören ökonomische Veränderungen wie Energiepreise oder die jeweils nötigen Investitionen in die Modernisierungsmaßnahmen. Außerdem bedingt der technische Fortschritt zum Beispiel sich verändernde Wirkungsgrade bei der Anlagentechnik.
Auch ökologische Randbedingungen, wie die Emissionen des öffentlichen Strom-Mix durch den Ausbau erneuerbarer Energien, verändern sich stetig. Daraus lässt sich schließen, dass unterschiedliche Maßnahmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten vorteilhaft hinsichtlich Kosten und Emissionseinsparung sein werden. Darüber hinaus können Maßnahmen im Rahmen einer langfristige Modernisierungsplanung zu unterschiedlichen Zeitpunkten in Abhängigkeit voneinander geplant und Synergieeffekte genutzt werden.
Modellbasierte Ermittlung optimierter Modernisierungsfahrpläne
Für die Planung von Modernisierungen und entsprechenden Fahrplänen wird üblicherweise auf Bewertungsmethoden zurückgegriffen, in denen Energiekonzept-Varianten mittels gewichteter Kriterien miteinander verglichen werden. Optimierungsmodelle sind eine vielversprechende Alternative, die man bereits auch in vielen anderen Bereichen nutzt.
Optimierungsmodelle als rationale Entscheidungshilfe für Gebäudeenergiesysteme
Wer Optimierungsmodelle zu Hilfe nimmt, trifft seine Entscheidungen auf Grundlage mathematisch hinterlegter Zusammenhänge. Hierzu wird in einem ersten Schritt festgelegt, welche Entscheidungen getroffen werden sollen. Bei Gebäudeenergiekonzepten kann das beispielsweise die Dimensionierung der Anlagentechnik und der Grad der Gebäudehüllendämmung sein. In einem zweiten Schritt wird die sogenannte Zielfunktion definiert. Hier wird festgelegt, welche Bewertungsgröße des Energiekonzepts minimiert oder maximiert werden soll. Dies kann beispielsweise die Minimierung der totalen Kosten oder CO₂-Emissionen eines Konzepts sein oder die Maximierung des Anteils Erneuerbarer Energien. Im dritten Schritt werden Nebenbedingungen definiert, die vom Modell eingehalten werden müssen. Eine solche Bedingung kann zum Beispiel sein, dass die Bedarfe des Gebäudes zu jedem Zeitpunkt von den Energieerzeugern gedeckt sein müssen.
Zielfunktionen, Entscheidungsgrößen und Nebenbedingungen sind über mathematische Zusammenhänge zu einem Modell verknüpft. Mit diesem Modell können Lösungen für die Entscheidungsgrößen durch Algorithmen gefunden werden, mit denen die gegebene Zielfunktion minimal (oder maximal) wird. Dies kann als fundierte Grundlage für die weitere Detailplanung des Energiekonzepts durch Planende und Ausführende dienen. Gegenüber einem Variantenvergleich verschiedener Konzepte hat der modellbasierte Ansatz den Vorteil, dass alle technisch möglichen Optionen vom Algorithmus durchsucht werden. Zudem ist eine hohe Flexibilität gegeben, da weitere Nebenbedingungen wie zum Beispiel ein sich veränderndes Budget oder zusätzliche Anlagenkomponenten mit geringem Aufwand hinzugefügt werden können, um erneut die optimale Lösung zu ermitteln.
Optimierte Modernisierungsfahrpläne
Im Rahmen des BMWK-geförderten Projekts Roadmap für einen klimaneutralen Gebäudebestand (RokiG [8]) entwickeln die Autoren am Lehrstuhl für Gebäude- und Klimatechnik der RWTH Aachen University ein Optimierungsmodell zur Ermittlung von Modernisierungsfahrplänen. Eine detaillierte Beschreibung kann einer peer-reviewed Veröffentlichung entnommen werden [9].
In diesem Modell sind als Zielfunktionen die Summe der totalen Kosten eines Fahrplans und die kumulierten Emissionen über einen Zeitraum von bis zu 30 Jahren enthalten. Die totalen Kosten setzen sich aus Investitionen, Energie- sowie Wartungs- und Instandhaltungskosten für die verwendete Anlagentechnik und Dämmung zusammen. Die kumulierten Emissionen ergeben sich aus den hinterlegten Energieträgern: feste Biomasse, Gas und Strom. Entscheidungsvariablen sind die Anlagendimensionierung zur Wärme-, Kälte- und Stromerzeugung sowie zur Wärme- und Stromspeicherung. Außerdem wird über die Dämmung der Außenwände, des Dachs, der Kellerdecke und über den Austausch der Fenster entschieden.
Eine Übersicht aller möglichen Entscheidungen, sprich die sogenannte Superstruktur des Modells, zeigt Abb. 2. Betrachtet wird hier auch, dass Bestandsanlagen bis zum Ende ihrer Lebensdauer weiterverwendet werden können und dass bei der Installation von Niedertemperatur-Erzeugungsanlagen (Wärmepumpen und Solarthermie) auch das Wärmeübergabesystem, wie zum Beispiel alte Radiatoren, gewechselt werden müssen. Oder inwieweit eine umfassende Dämmung der Hülle nötig ist, damit niedrige Vorlauftemperaturen tatsächlich zur Wärmebereitstellung ausreichen.
Damit Modernisierungsfahrpläne entstehen, wird vom Modell, zusätzlich zur Dimensionierung der Anlagentechnik und Dämmung, der Zeitpunkt bestimmt, an dem ein Anlagentausch oder eine Bauteildämmung umgesetzt werden soll. Eine wichtige Grundlage für die Dimensionierung ist die dynamische Bedarfsberechnung innerhalb des Modells. In dieser wird während der Optimierungsrechnung für jede Stunde eines Jahres der Wärme-, Kälte- und Strombedarf bestimmt. Basierend auf Daten der Norm SIA 2024 [10] erfolgt diese Bedarfsberechnung für verschiedene Nutzungszonen des Gebäudes, sodass Wohn- und Nichtwohngebäude abgebildet werden können.
Wichtige Nebenbedingungen, die vom Modell im Zuge der Entscheidungsfindung eingehalten werden müssen, sind unter anderem, dass nur technisch mögliche Betriebspunkte der Anlagen erlaubt sind und alle Bedarfe des Gebäudes zu jedem Zeitpunkt von den Anlagen gedeckt sein müssen. Außerdem sind Preise, Wirkungsgrade und der Emissionsfaktor des öffentlichen Stromnetzes auf Grundlage von Prognosen für jedes Jahr mit einem individuellen Wert hinterlegt, wodurch zeitliche Änderungen der Randbedingungen abgebildet werden. Überdies werden Emissionsziele für die im folgenden Kapitel dargestellten Auswertungen zu bestimmten Jahren gesetzt, die einzuhalten sind.
Der Heterogenität des Gebäudebestands trägt die Verwendung sogenannter Typgebäude Rechnung. Diese Typgebäude sind hinsichtlich Gebäudenutzung, Baujahr, Geometrie, Standort sowie Bestandsanlagen repräsentativ für eine Gebäudegruppe des Bestands und werden auf Grundlage diverser Datenquellen definiert. Das ermöglicht es, Trends und Empfehlungen für die jeweilige Gruppe des Gebäudebestands abzuleiten.
Bild: RWTH Aachen / ERC
Bild: RWTH Aachen / ERC
Fahrplan eines typischen Gebäudes
Um die Vorgehensweise zu verdeutlichen, betrachten wir als Fallbeispiel ein konventionelles Bürogebäude aus dem Baujahr 1980 mit baujahrestypischen U-Werten der Gebäudehülle. Zur Wärme- und Kälteversorgung nehmen wir an, dass ein Gaskessel und eine Kompressionskältemaschine im Bestand verbaut sind. Als Emissionsziel dient das Ziel für den deutschen Gebäudebestand im Jahr 2030, sodass das betrachtete Gebäude bis dahin nur noch 31 % seiner aktuellen Emissionen ausstoßen darf. Weitere Ziele sind für Deutschland bisher nicht in Werten festgehalten, weshalb im Modell für 2040 die erlaubten Emissionen auf 16 % des heutigen Standes linear extrapoliert wurden.
Abb. 3 und Abb. 4 zeigen den Modernisierungsfahrplan für die Gebäude, anhand dessen wir die Ergebnisse der Methode aufzeigen wollen. Daraus sind keine allgemeinen Technologieempfehlungen für diesen Gebäudetyp ableitbar, da hierzu weitere Auswertungen mit anderen Gebäuden des gleichen Typs sowie mit variierten Modellparametern, wie zum Beispiel Energiepreisen, notwendig sind. In dem Säulendiagramm in Abb. 3 sind die installierten Anlagen der jeweiligen Jahre des Fahrplans und deren Leistung sowie die Maßnahmen zur Gebäudedämmung aufgetragen. In Abb. 4 sind die für diese Energiesysteme notwendigen Investitionen jedes Jahres aufgeführt sowie der Verlauf der Emissionen und der prozentuale Anteil an den ursprünglichen Emissionen des Bestandsgebäudes. Investitionen in der Zukunft werden mittels der Kapitalwertmethode abgezinst.
Der Fahrplan enthält hohe Anfangsinvestitionen für Anlagentechnik und Fenstertausch. Der bestehende Gaskessel kann zunächst bestehen bleiben und wird durch ein Blockheizkraftwerk zur Wärme- und Stromerzeugung ergänzt. Mit einem zusätzlichen elektrischen Heizstab, einem Pelletskessel und einer PV-Anlage sowie durch den Austausch der Fenster lässt sich das Emissionsziel im Jahr 2030 erreichen.
Für das nächste Emissionsziel im Jahr 2040 sind weitere Modernisierungen erforderlich. Hierzu wird die Wärmeversorgung teilweise elektrifiziert und eine Geothermie-Wärmepumpe gekauft. Um den zusätzlichen Strombedarf für die Wärmebereitstellung möglichst aus der PV-Anlage zu decken, wird zu diesem Zeitpunkt ebenfalls eine Batterie angeschafft. Zudem sinkt durch weiteres Dämmen der Hülle im Jahr 2040 der Heizwärmebedarf. Durch das Dämmen lässt sich auch die Vorlauftemperatur des Heizsystems reduzieren, sodass die Wärmepumpe ohne den Austausch des Wärmeübergabesystems effizient betrieben werden kann. Aufgrund des steigenden Kältebedarfs, der in gut gedämmten Nichtwohngebäuden zu erwarten ist, wird die Kompressionskältemaschine durch passive Kälte aus der Geothermie-Wärmepumpe unterstützt.
Einfluss von Emissionszielen auf kumulierte Emissionen
In Abb. 5 sind die totalen Kosten und kumulierten Emissionen mehrerer Modernisierungsfahrpläne verschiedener Gebäudetypen gegenübergestellt. Für die rot markierten Fahrpläne wurden Emissionsziele analog zur vorherigen Auswertung gesetzt und die totalen Kosten im Optimierungsmodell minimiert. Die anderen Fahrpläne enthalten keine jährlichen Emissionsziele, stattdessen Vorgaben für die kumulierten Emissionen, welche über einen gesamten Fahrplan im Gebäude entstehen. Der einzuhaltende Grenzwert dieser kumulierten Emissionen wurde mit ansteigender Nummerierung der Fahrpläne immer weiter verringert. Man sieht, dass mit sinkenden kumulierten Emissionen die Kosten der Fahrpläne steigen. Diese Kostensteigerung verläuft in allen Typgebäuden zunächst flach und steigt stark in Fahrplannummer 6 an, der die minimal möglichen kumulierten Emissionen enthält.
Für die Fahrpläne mit jährlichen Emissionszielen wurden keine Grenzen für die kumulierten Emissionen festgesetzt, sondern im Nachgang der Optimierungsrechnung ermittelt. Es fällt auf, dass in allen Gebäudetypen die kumulierten Emissionen der Fahrpläne mit Emissionszielen vergleichsweise hoch sind. Mit nur geringen Mehrkosten könnte mit anderen Fahrplänen (Nr. 4 und 5 beim Bürogebäude, Nr. 3 bis 5 bei den anderen Gebäuden) deutlich mehr kumulierte Emissionen eingespart werden, was dem eingangs angesprochenen begrenzten Emissionsbudget zugutekommen würde. Es lässt sich also schlussfolgern, dass Emissionseinsparpotenziale mit dem alleinigen Setzen von Emissionszielen zu bestimmten Zeitpunkten ungenutzt bleiben.
Bild: RWTH Aachen / ERC
Zentrale Erkenntnisse
Mit der vorgestellten Methode lassen sich langfristige Technologieempfehlungen zu bestimmten Zeitpunkten ableiten, um die gesteckten Emissionsziele zu erreichen. Diese Empfehlungen unterscheiden sich für die jeweiligen Gebäudetypen vor allem wegen deren unterschiedlicher Nutzung. Es ist zu erkennen, dass Maßnahmen der Gebäudehülle und der Anlagentechnik in den Fahrplänen aufeinander abgestimmt werden, um Synergien zu nutzen.
Dabei sollte man bedenken, dass die Methode ein mathematisch optimales Ergebnis hervorbringt, das in den frühen Planungsphasen des Energiekonzepts oder für einen Masterplan des Gebäudes als fundierte Grundlage dienen kann. Bei der Überführung in die Praxis sind weitere Aspekte zu beachten. So können sich beispielsweise Einschränkungen für die Nutzenden durch die Maßnahmen ergeben, oder es kommt zu Synergien zwischen den ausführenden Gewerken, weshalb es sinnvoll sein kann, die Anzahl der Modernisierungszeitpunkte zu verringern beziehungsweise Maßnahmen zu kombinieren. Aus den Auswertungen zu Emissionszielen lässt sich die Empfehlung ableiten, dass die kumulierten Emissionen eines Gebäudes über die nächsten Jahre in die Strategie zur Emissionseinsparung des Bestands einbezogen werden sollten.
Im zweiten Teil dieses Beitrags in der nächsten GEB-Ausgabe gehen wir den Fragen nach, welche Modernisierungsmaßnahmen sich bei beschränkten Handwerkskapazitäten in den Fahrplänen umsetzen lassen und welchen Einfluss künftige Energiepreisentwicklungen haben.
Literatur und Quellen
[1] Buildings Performance Institute Europe (BPIE), Europe’s buildings under the microscope - a country-by-country review of the energy performance of buildings. Brussels, Belgium, 2011, https://t1p.de/30GEB0922
[2] Eigene Abbildung, Datenquelle: Pezzutto et al., Hotmaps Project, D2.3 WP2 Report – Open Data Set for the EU28, 2018, https://t1p.de/31GEB0922
[3] Europäische Kommission, A Renovation Wave for Europe - greening our buildings, creating jobs, improving lives. Brussels, Belgium: Publications Office of the European Union, 2020
[4] Bundesregierung Deutschland, Klimaschutz für Gebäude, 2022,
https://t1p.de/32GEB0922
[5] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Climate Change 2022:
Impacts, Adaptation and Vulnerability. Geneva, Switzerland: IPCC, 2022,
https://t1p.de/33GEB0922
[6] Gebäudeforum Klimaneutral, Die EPBD-Novelle: Ein Überblick, 2022,
https://t1p.de/34GEB0922
[7] Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, Bundesförderung für effiziente Gebäude, 2022, https://t1p.de/35GEB0922
[8] Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik, Übersicht Forschungsprojekt
RokiG, 2022, https://t1p.de/36GEB0922
[9] Jan Richarz, Sarah Henn, Tanja Osterhage, Dirk Müller. Optimal scheduling of
modernization measures for typical non-residential buildings, Energy, 2022, 238 (A): 121871, https://t1p.de/37GEB0922
[10] Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (SIA), Richtlinie 2024: Raumnutzungsdaten für Energie- und Gebäudetechnik, 2015
Die Autoren bedanken sich ausdrücklich für die finanzielle Unterstützung des Forschungsvorhabens durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Projektförderkennzeichen 03EWB002A).
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