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low THERM - high FLEX. Energieflexibilisierungs- und Temperaturabsenkungspotentiale in der Wärmeversorgung von Bestandsgebäuden zur stärkeren Integration erneuerbarer volatiler Energiequellen


Sauerwein, David Friedrich
Darmstadt (Deutschland)
Selbstverlag
2022, 278 S., Abb., Tab., Lit.

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[Quelle: https://d-nb.info]

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Diese Arbeit untersucht Möglichkeiten zur Einsparung von Treibhausgasen (THG) im Nichtwohngebäudebestand. Quantifiziert werden die Potentiale der Strategien „Temperaturabsenkung“ (TAS) und „Energieflexibilisierung“ (FLEX) unter Berücksichtigung von thermischen Komfortanforderungen. Dabei wird TAS über Deckenheizsysteme und FLEX über die aktive Nutzung der Gebäudespeichermasse erreicht. Vor dem Hintergrund der Notwendigkeit, zukünftig verstärkt erneuerbare Energien zu nutzen, sind die Strategien TAS und FLEX ein wichtiger Baustein zur Dekarbonisierung von Gebäudeenergiesystemen. Obwohl die Sanierung des Gebäudebestands als ein zentraler Schlüssel zur Erfüllung der Energie- und Klimaziele angesehen wird, konzentrieren sich bisherige Ansätze vorrangig auf Wohngebäude im Neubaubereich. Deshalb fokussiert diese Arbeit auf den Nichtwohngebäudebestand und sucht insbesondere alternative Sanierungskonzepte für Gebäude, für die die Umsetzung „herkömmlicher“ Strategien des energieeffizienten Bauens (z. B. außenliegender Wärmeschutz) problematisch ist. Bislang liegt kein Instrumentarium vor, das es Planern ermöglicht, den Einfluss verschiedener Sanierungsoptionen im Gebäudebestand zur Umsetzung der Strategien TAS und FLEX auf das THG-Einsparpotential abzuschätzen. Diese Lücke füllt diese Arbeit. FLEX und TAS tragen auf unterschiedlichen Wegen dazu bei, THG-intensive Energieträger in der Versorgung von Gebäuden zu ersetzen. Energieflexibilität ist in Energieversorgungssystemen, die zunehmend auf volatilen, d. h. wetterabhängigen, erneuerbaren Energien beruhen, eine wichtige Gebäudeeigenschaft. Sie ermöglicht es Gebäuden, im Stromnetz vorhandene Überschüsse an erneuerbaren Energien zu speichern und damit in Zeiträumen, in denen das erneuerbare Angebot nicht ausreicht, auf den Bezug fossiler Energien zu verzichten. Heizsysteme im unsanierten Gebäudebestand beruhen in der Regel auf hohen Systemtemperaturen. Um jedoch erneuerbare Wärme, die häufig auf einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau vorliegt, effizient in Gebäudeenergiesysteme einbinden zu können, sind Niedertemperatur-Flächenheizsysteme erforderlich. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Untersuchung des THG-Einsparpotentials von TAS und FLEX anhand eines generischen Modellraums. Sie erfolgt durch Variation gebäudespezifischer Einflussparameter in Sensitivitätsanalysen. Das zentrale Ergebnis stellt dar, dass selbst bei unsanierter Gebäudehülle durch den Einsatz flexibel betriebener Deckenheizsysteme in Kombination mit einer Wärmepumpe eine Senkung der THG-Emissionen um ca. ein Drittel gegenüber einer Referenzvariante mit Heizkörpern und einem erdgasbetriebenen Kessel möglich ist. Die in diesem ersten Schritt gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend in einer Fallstudie genutzt. Für die Sanierung des Architekturgebäudes auf dem Campus Lichtwiese der TU Darmstadt wurden zwei Varianten mit unterschiedlicher Qualität der Gebäudehülle untersucht. Es zeigt sich, dass allein durch Anwendung der Strategien der TAS und FLEX bei unveränderter Gebäudehülle die jährlichen THG-Emissionen für den Raumwärmebedarf um ca. ein Viertel abgesenkt werden können. Nach einer moderaten Ertüchtigung des baulichen Wärmeschutzes steigt das jährliche Einsparpotential sogar auf bis zu 82 %, wobei sowohl die Anforderungen des Denkmalschutzes als auch des thermischen Komforts erfüllt werden. Die Untersuchungsergebnisse belegen die Wirksamkeit der Strategien TAS und FLEX zur THG-Einsparung im Gebäudebestand für ein Gebäude, das mit ausschließlich „konventionellen“ Strategien nur bedingt sanierbar wäre.




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Im Rahmen eines zweijährigen Forschungsvorhabens wurden am IfE Modellkonfigurationen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und CO2-Bilanz von Blockheizkraftwerken entwickelt. Blockheizkraftwerke (BHKW) zeichnen sich durch eine hohe Energieeffizienz aus, da bei der gekoppelten Stromerzeugung die Abwärme nicht wie bei konventionellen Kraftwerken ungenutzt an die Umgebung abgeführt wird, sondern z.B. für Heizzwecke oder als Prozesswärme in Industriebetrieben eingesetzt wird. Bestehende Anlagen nutzen ihre wirtschaftlichen und ökologischen Potentiale jedoch oftmals nicht voll aus, da sie nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen, eine ungünstige Betriebsweise aufweisen oder nicht auf die aktuellen gesetzlichen Rahmenbedingungen abgestimmt sind. Vor diesem Hintergrund wurden vom IfE über einen Zeitraum von zwölf Monaten zunächst die realen Betriebsdaten von 18 bundesweit ausgewählten Blockheizkraftwerken (darunter eine Brennstoffzelle und sieben Anlagen in Bundesliegenschaften) erfasst und energetisch, wirtschaftlich und ökologisch bewertet. Dabei zeigte sich bei der Mehrzahl der Anlagen Potential die Kosten und CO2-Emissionen zu senken, z.B. durch Ersatz veralteter BHKW-Module mit modernen und effizienteren Aggregaten, Erweiterung um zusätzliche Module oder Umstellung auf einen regenerativen Brennstoff. Anhand der real existierenden Anlagen wurden daraufhin alternative Modellkonfigurationen entwickelt, die beispielhaft Möglichkeiten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Minderung der Treibhausgasemissionen darstellen. Die Spanne der Modellkonfigurationen reicht dabei von einfachen nichtinvestiven Maßnahmen, wie z.B. die Optimierung der Wartungstermine oder die Umstellung von Erdgas auf Biomethan, über die Nachrüstung von Systemen zur Abgasnachverstromung bis hin zum Umbau des gesamten Energiesystems, z.B. auf Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen können die spez. Energiekosten der untersuchten Systeme im Mittel um ca. 9,0 Prozent und die CO2-Emissionsfaktoren für die Strom- und W


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