Energie und Ressourcen effektiv nutzen. Dafür müssen Strom- und Wärmeversorgung auch erneuert werden. Wie dies am besten umzusetzen ist, lässt sich auf verschiedenen Wegen bestreiten. Prof. Roland Koenigsdorff von der
Hochschule Biberach begleitet unter anderem Projekte, die eine sogenannte thermisch-energetische Simulation als Grundlage nutzen. Wie das genau funktioniert und wie eine solche computerbasierte Berechnung in der Praxis dann letztlich umgesetzt wird, erfahren Sie in unserem Experteninterview.
Roland Koenigsdorff: Bei der thermisch-energetischen Gebäudesimulation (TEG) wird der Energie- und Temperaturhaushalt via Computer Stunde für Stunde berechnet, häufig für das ganze Jahr. Das Gebäude wird dafür in einzelne miteinander verbundene Bereiche – Zonen – unterteilt. Eine Zone umfasst dabei einen oder mehrere gleichartige Räume.
Für jede Zone wird berechnet, wie viel Wärme zu- und abgeführt wird und welche Temperatur sich daraus für die Räume ergibt. Das beeinflusst letztlich auch die thermische Behaglichkeit für die Bewohner. Dabei werden alle wesentlichen Energieströme berücksichtigt:
- Sonneneinstrahlung
- Wärmeabgabe von Personen, Beleuchtung und Geräten
- Wärmeverluste (oder im Sommer Gewinne) aus der Lüftung sowie durch Fenster und Wände
- Einfluss der Heiz- und Kühleinrichtungen.
Im Zentrum steht die Wärmeaufnahme und -abgabe in sowie aus den Massivbauteilen im Gebäude (Böden, Decken, Wänden usw.). Dabei wird diese sowohl nach innen als auch nach außen betrachtet. In den Massivbauteilen wird Wärme gespeichert und verzögert wieder abgegeben, weshalb man bei der Berechnung im Computer von dynamischer Simulation spricht: Ein Gebäude reagiert verzögert auf innere und äußere Einflüsse. Je schwerer seine Bauart ist, desto deutlicher wird dies.
Roland Koenigsdorff: Ganz konkret können damit Gebäude bereits in der Planung auf den Prüfstand gestellt und optimiert werden. Es lässt sich in Varianten untersuchen, welche Energiebedarfe und Energiekosten zu erwarten sind und welche Heiz- und Kühlleistungen benötigt werden, damit es nie kalt oder zu warm in den Räumen wird. Bei Neu- und Bestandsbauten ohne Kühlung kann berechnet werden, wie warm die Gebäude im Sommer werden – heute, aber auch in Zukunft unter dem Einfluss des Klimawandels.
Ergänzend beziehungsweise in direkter Kopplung mit der TEG gibt es auch die thermisch-energetische Anlagensimulation (TEA). Dabei werden Lüftungs- und Klimaanlagen sowie Wärme- und Kälteerzeugungsanlagen für Gebäude und ganze Areale im Hinblick auf ihre Auslegung, ihren Energieverbrauch sowie ihre Regelung und Betriebsführung untersucht.
Da eine solche Simulation einen gewissen Aufwand bedeutet, wird sie in der Praxis vor allem bei komplexeren und größeren Gebäuden angewendet. Beispielsweise in Büro-, Labor- und Produktionsgebäuden oder unter anderem auch in Veranstaltungshallen. In der Wissenschaft umfasst der Anwendungsbereich der TEG grundsätzlich alle Gebäudetypen. So wurden Passivhäuser in Deutschland zuerst simuliert, bevor sie gebaut wurden.
Roland Koenigsdorff: Das Areal der Hochschule für Polizei in Biberach a. d. Riß hat eine lange Geschichte. Die Gebäude für die Ausbildung und zum Teil auch Unterbringung für bis zu 700 Nachwuchskräfte stammen mehrheitlich aus den 70er Jahren. Diese wurden bislang von einer zentralen Gaskesselanlage in einem Heizhaus über ein areal-eigenes Nahwärmenetz mit Wärme sowie aus dem öffentlichen Netz mit Strom versorgt. Als die Gaskessel veraltet und unbrauchbar wurden, entschloss sich die Landesbauverwaltung in Baden-Württemberg auf Initiative von SüdWestStrom aus Tübingen, das Pilotprojekt eines „virtuellen Stromspeichers“ umzusetzen.
Roland Koenigsdorff: Gebaut wurde eine Wärme- und Stromversorgungsanlage, die aus zwei Blockheizkraftwerk-Modulen (BHKW), einer Wärmepumpe, einem elektrischen Durchlauferhitzer, einem Gaskessel sowie großen Wärmespeichern mit insgesamt 500 Kubikmeter Volumen besteht. Diese Anlage kann über zwei Megawatt (MW) Wärmeleistung und gut 800 Kilowatt (kW) elektrische Leistung liefern, aber auch circa 500 Kilowatt Strom verbrauchen. Zusammen mit den Wärmespeichern ist es damit möglich, die Wärmeerzeugung mit der heutigen und vor allem der zukünftigen regenerativen Stromversorgung zu koppeln.
Roland Koenigsdorff: Die Energiequellen Sonne und Wind bewirken eine zunehmend wetterabhängige, fluktuierende Stromerzeugung und Einspeisung in die Netze. Zeiten mit einem Überschuss an Strom stehen Zeiten mit einem Mangel an Strom aus Sonne und Wind gegenüber. Die Anlage in der Hochschule für Polizei kann nun Wärme erzeugen und über eine gewisse Zeit zwischenspeichern, indem sie Überschussstrom aus dem Netz verbraucht. Alternativ können aus Gas sowohl Wärme als auch Strom erzeugt und in das Wärmenetz beziehungsweise öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Zudem lassen sich mit der Energieerzeugung große Teile des Eigen-Strombedarfs des Areals decken, welches in diesen Zeiten weitestgehend neutral gegenüber dem Stromnetz wird.
Roland Koenigsdorff: Überschüssiger Strom wird also aus erneuerbaren Energien, wie es ihn zukünftig vermehrt geben wird, in Wärme umgewandelt. Aus Gas kann neben Wärme auch Strom erzeugt werden, wenn einmal zu wenig regenerativer Strom verfügbar ist. So wird das Gasnetz zum virtuellen Stromspeicher. Auf lange Sicht sollte das Gas zunehmend nicht aus fossilen Quellen stammen, sondern ebenfalls aus erneuerbaren Energiequellen.
Roland Koenigsdorff: Technisch kann so etwas auch in einem kleineren Maßstab umgesetzt werden, zum Beispiel mithilfe einer Brennstoffzelle (
Mikro-KWK) und einer kleinen Wärmepumpe. Die spezifischen Kosten sind dann aber deutlich höher als bei großen Anlagen. Aus wirtschaftlichen Gründen ist den größeren Einheiten der Vorzug zu geben - also die Versorgung großer Gebäude oder besser noch von Gebäude-Ensembles oder Arealen mit Nahwärmenetzen.
Roland Koenigsdorff: Die Energiewende in Deutschland hat derzeit leider an Schwung verloren. Die zugegebenermaßen hohen Stromkosten, nicht zuletzt durch den Anstieg der EEG-Umlage, haben die Politik auf die Bremse treten lassen. Windräder und Strommasten stoßen zunehmend auf Widerstände. Die notwendigen Umgestaltungs- und Abstimmungsprozesse in Politik, Gesellschaft und Wirtschaft gehen nur langsam voran und diese Zähigkeit führt teilweise zu einer gefühlten Lähmung.
Roland Koenigsdorff: Betrachtet man das Thema der erneuerbaren Energien in einer historischen Gesamtschau, ergibt sich dagegen ein sehr positives Bild: Noch in den 90er Jahren war der Mainstream die Aussage „Sonne, Wind oder Wasser können auch langfristig nicht mehr als vier Prozent unseres Strombedarfs decken“. Dies ist inzwischen durch die Praxis widerlegt, wir hatten 2017 bei der Stromerzeugung einen regenerativen Anteil von einem Drittel. Im Strombereich ist die Energiewende bereits heute ein Erfolg. Diese zunächst angezweifelte Entwicklung sollte als Ermutigung für die Zukunft dienen. Man darf Risiken und Probleme nicht kleinreden und muss diesbezüglich sorgfältig und verantwortungsbewusst vorgehen. Aber deshalb die Energiewende scheitern zu lassen, wäre äußerst fatal und unverantwortlich.
Roland Koenigsdorff: Man sollte ab jetzt vom Ziel einer nahezu vollständig regenerativen Energieversorgung her denken und die Weichen entsprechend stellen. In der Stromversorgung müssen die energiewirtschaftlichen Randbedingungen so gestellt werden, dass sich lokale Geschäftsmodelle mit regenerativ erzeugtem Strom mehr lohnen. Die Stichworte sind hier: Stromspeicher, Eigen- und Mieterstrom. Der virtuelle Stromspeicher in Biberach hat seine Funktionsfähigkeit nachgewiesen, kann aber energiewirtschaftlich sein Potenzial wegen der derzeitigen Preisgestaltung am Energiemarkt noch nicht voll ausschöpfen. Hier gilt es nachzujustieren.
Die großen Herausforderungen sind jedoch die Sektoren Wärme und Verkehr. Wir brauchen deutlich mehr Anreize, Unterstützung, aber auch klare Anforderungen für die energetische Sanierung und den Einsatz erneuerbarer Energien in der Wärmeversorgung im Gebäudebestand. Auch müssen noch schlummernde Potenziale wie zum Beispiel bei der Geothermie wesentlich besser erschlossen werden.
Beim Verkehr brauchen wir eine Wende des Verkehrssystems, die über Elektroantriebe hinausgeht, das heißt grundsätzlich weniger Individualverkehr mit PKWs sowie innovative Lösungen für den Transportsektor.
Roland Koenigsdorff: Eine Grundentscheidung für uns war, so zu wohnen, dass die ganze Familie (solange alle Kinder noch im Haus waren, vier Personen) mit einem PKW auskommt. In Biberach a. d. Riß als mittelgroße Stadt mit 30.000 Einwohnern hatten wir das Glück, ein Haus in ruhiger Lage am Stadtrand zu finden, von dem aus man durchaus auch noch zu Fuß in das Stadtzentrum, zu unseren Arbeitsstellen oder zum Bahnhof kommt. Unser Auto ist seit 2010 ein Hybridfahrzeug, mit 30 Prozent weniger Spritverbrauch als sein Vorgänger.
Daneben haben wir eine Photovoltaik- und eine solarthermische Anlage zur Trinkwassererwärmung sowie Heizungsunterstützung. Den Stromverbrauch konnten wir über die Jahre spürbar reduzieren: Austausch von Heizungspumpen, Kühlschrank oder Leuchtmitteln durch möglichst energieeffiziente Geräte sowie Steckerleisten mit Schalter, die auch betätigt werden. Aber es bleibt noch viel zu tun: das Haus verbraucht noch zu viel Wärme.
Ich denke, jede einzelne Person kann und sollte zur Energiewende beitragen. Zunächst persönlich durch sparsames Verhalten bei Strom, Wärme und vor allem auch im Verkehr. Wenn ich eine Strecke mit dem Fahrrad fahre, tue ich gleichzeitig etwas für die Gesundheit. Bei der Ernährung ist es genauso. Zum Beispiel ist es sinnvoll, weniger Fleisch zu essen, ohne dass man gleich zum Vegetarier werden muss. Wenn es um anspruchsvolle Fragen wie eine Gebäudesanierung geht, sollte man unbedingt professionelle Beratung in Anspruch nehmen und sich z. B. einen individuellen Sanierungsfahrplan erstellen lassen.
Daneben ist aber auch bürgerschaftliches Engagement im persönlichen und weiteren Umfeld gefragt: Wie trage ich zu einer sachlichen Diskussion zu neuen Windkraftanlagen und Stromleitungen bei, sodass für Befürworter und Gegner tragbare Lösungen gefunden werden? Welche Bedenken diesbezüglich und auch in Bezug auf bestimmte Technologien sehe ich als berechtigt und welche sind nicht wirklich begründet? Sind Gemeinschaftslösungen in der Wärmeerzeugung zum Beispiel mit Nahwärmenetzen eine sinnvolle Alternative für die Gemeinde, das Quartier, die Stadt, in der ich lebe? Wie weit kann und will ich mich persönlich, finanziell und politisch für die Zukunft der Energieversorgung, des Klimas und der Verfügbarkeit von Ressourcen engagieren?
