Die sich in den nächsten Jahren umfassend verändernde Energieversorgungsstruktur führt zu im Zeitverlauf ständig sich ändernden Primärenergiefaktoren. Allein dadurch eignet sich der bislang vielfach benutzte nicht erneuerbare Primärenergiebedarf nicht mehr für eine Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden.

Um einen neuen, dauerhafter geeigneten Effizienzmaßstab zu gewinnen, geht diese Arbeit wie folgt vor:

1. Es wird von einer Umstellung auf eine vollständig erneuerbare Energieversorgung ausgegangen (bis ca. 2060 möglich). Heute gebaute oder sanierte Gebäude werden den längsten Teil der Nutzungsdauer diese Versorgungsstruktur nutzen.

2. Dazu wird von den dauerhaft nachhaltig verfügbaren erneuerbaren Energiequellen Photovoltaische Stromerzeugung, Windenergieanlagen, Wasserkraft und nachhaltig verwendete Biomasse(-abfälle) ausgegangen. Diese Technologien stehen in bereits entwickeltem Umfang zur Verfügung und sind prinzipiell für den Aufbau einer vollständig nachhaltigen Energieversorgung geeignet [Welter 2012]. Dies wird durch die hier durchgeführte Studie noch einmal bestätigt. Diese Form der Energieerzeugung ist in der Vergangenheit immer kostengünstiger geworden, sie wird bis 2020 zu insgesamt ökonomisch vertretbaren Kosten verfügbar sein. Die Energiekosten werden jedoch zunächst nicht unter das heutige (2013) Niveau fallen.¹⁾

3. Die Unterschiede der Erneuerbaren zu den bisherigen Energiesystemen sind:

• Erneuerbare Energie steht im Zeitverlauf nur zu den durch die meteorologischen Bedingungen gegebenen Mengen zur Verfügung. Die Leistungen schwanken stark und können sogar auf nahe Null zurückgehen. In der Konsequenz muss ein erneuerbares Energiesystem über eine adäquate Energiespeicherstruktur verfügen.

• Erneuerbare Quellen weisen nur geringe Energiedichten auf. Daher sind große Flächen für die Sammlung der benötigten Energiemengen erforderlich. Der Anspruch an die Flächennutzung erweist sich als das zentrale Ressourcenproblem der erneuerbaren Versorgung.
  

Zur Lösung des ersten Teilpunktes im Abschnitt 3 (witterungsabhängige Erzeugung) wird hier ein zweistufiges Speicherkonzept angelegt:

• Eine kurz- und mediumzeitliche Netzspeicherstruktur. Diese besteht aus herkömmlichen im Netz verteilten Speichereinheiten mit nur geringen Umwandlungsverlusten (2 bis 35 %) und mehr als 60 Speicherzyklen pro Jahr. Hierfür stehen z.B. Pumpspeicherwerke, andere mechanische Speicher und Akkumulatoren zur Verfügung. Mit zu diesem Speicher gehören die von den Anwendungen selbst verfügbar gemachten Kapazitäten, also z.B. die WW-Tanks bzw. die Wärmekapazität der Gebäude (hier wird ein Temperaturhub von 1 K als zulässig angesehen, wodurch ein Speicherverlust von ca. 10% resultiert). Eine kurze Rechnung zeigt, dass alle hier genannten Systeme für Langzeitspeicher (weniger als fünf Zyklen im Jahr) auch bei sehr starker Kostendegression nicht entfernt in Frage kommen (vgl. [Feist 2013b]).

• Ein saisonaler bzw. Langzeit-Speicher. Hierfür stehen wegen der hohen Kosten und geringen Speicherdichten keine exergetischen Speicher zur Verfügung. Vielmehr wird von einer Energieumwandlung in leicht speicherbare Brennstoffe ausgegangen (z.B. Wasser-Elektrolyse und H₂-Gewinnung, dieses evtl. als Zwischenspeicher (Umwandlungsnutzungsgrad bis hier mit 63 % angesetzt), Umwandlung in synthetisches Methan (3 H₂ + CO₂ → CH₄ + 2 H₂O), auch EE-Gas genannt, der Umwandlungswirkungsgrad bis hier wird mit 57 % angesetzt) [Nitsch 2012], [Welter 2012]. Das Methan wird nahezu verlustlos in Erdspeichern gelagert - der Ansatz für EE-Methan beim privaten Nutzer liegt damit bei einer Aufwandszahl von 1,75 kWh/kWh. Bei 53 % Nutzungsgrad im GUD-Kraftwerk zur Rückverstromung wird optimal ein Nutzungsgrad von um 33 % erreicht, die Einbeziehung des Eigenverbrauchs des Umwandlungssektors und der Verteilverluste führt auf einen Gesamtnutzungsgrad der saisonalen Speicherung für das Stromangebot beim privaten Nutzer von rund 30 %. Durch die Umwandlungsverluste entsteht ein höherer Bedarf an Primärstrom, der aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt werden muss. Diese Bedarfserhöhung ist umso größer, je schlechter die jahreszeitliche Korrelation zwischen dem Leistungsbedarf der Energieanwendung und der primären Erzeugungsstruktur ist - hierdurch wird der Flächenbedarf der erneuerbaren Erzeuger erhöht (vgl. Kapitel 2).

• Der zweite Punkt in Abschnitt 3 (geringe Energiedichten) definiert die Ressourcen-Inanspruchnahme der erneuerbaren Struktur - nämlich die in Anspruch genommene Fläche. Diese ist grundverschieden von der einer fossilen Energiewirtschaft - der Ressourcenverbrauch der letzteren ist irreversibel (verbrauchte Kohlenwasserstoffe) und die Entsorgung der Produkte stellt eine irreversible Belastung dar (CO₂ in der Atmosphäre bewirkt den Klimawandel, CO₂ im Wasser eine Versauerung). Demgegenüber ist der Ressourcenbedarf der erneuerbaren Erzeugung eher ästhetischer Natur: Windräder sind in der Landschaft sichtbar, PV-Anlagen werden große Bereiche der Nutzflächen belegen müssen. Für PV-Anlagen ist es naheliegend, ohnehin genutzte Flächen für die Montage zu verwenden (z.B. Hausdächer, geeignete Fassaden, Verkehrswege und deren Randbereiche). Ein mit der Flächeninanspruchnahme verbundenes Problem ist sozialer und ökonomischer Natur: Bereits heute ist Grund und Boden die letztlich teuerste natürliche Ressource. Das liegt vor allem daran, dass es eine ausgeprägte Nutzungskonkurrenz um die Ressource „Land“ bereits heute gibt und dass wegen der weltweit zunehmenden Bevölkerung und den noch schneller steigenden Ansprüchen diese Ressource vermutlich künftig als noch wertvoller angesehen werden wird. Ein Maßstab für die Inanspruchnahme der erneuerbaren Ressource ist der insgesamt benötigte Primärstrom (in kWh aus Wind-, Wasser- und PV-Kraftwerken erzeugten Stromes). Diese Größe wird im Folgenden als ‚Primärenergie ERneuerbar‘, abgekürzt PER, bezeichnet. PER ist ein gut geeigneter Maßstab für die Bewertung der Nachhaltigkeit einer Struktur. Zur noch besseren Veranschaulichung kann PER auch eine pauschalisierte Umrechnung in regionsspezifisch benötigte äquivalente PV-Erzeugungsfläche erfolgen; dabei kann derzeit von einem Gesamt-PV-Nutzungsgrad inkl. Leitungs- und Umwandlungsverlusten sowie Verschattung und Verschmutzung von 10% ausgegangen werden. Durchschnittlich für Mitteleuropa können 1000 kWh/(m²a) an Globalstrahlung angesetzt werden, so dass je 1 MWh eine äquivalenten PV-Erzeugungsfläche von etwa 10 m² erforderlich ist.
  
  

Methodik

Beispiel: Gesamtstromdeckung für ein Passivhaus

Ermittlung anwendungsspezifischer PER-Faktoren

Erste Bewertungsvergleiche

Die bisherigen Untersuchungen zeigen bereits, dass eine vollständig erneuerbare regionale Energieversorgung mit heute verfügbarer Technik auch in Mitteleuropa auf der Basis hoher Effizienz ohne weiteres technisch und ökonomisch darstellbar ist. Die Umstellung wird einige Jahrzehnte benötigen, denn sie muss sich in die Ersatz- und Erneuerungszyklen einbetten, sonst sind die entstehenden Kosten zu hoch.

Bereits durchgeführte Parameterstudien an verschiedenen Standorten in Deutschland zeigen, dass die zugehörigen PER-Faktoren sich nur wenig unterscheiden. Selbst für andere Standorte in Europa (und sogar weltweit, mit Ausnahme der Tropen) liegen die Faktoren für jeweils gleiche Anwendungen nicht sehr weit auseinander. Das PHI führt gerade auf der Basis der vorhandenen Klimazonenstudie ([Schnieders et al., 2012], s. auch [IPHT 2012]) eine globale Untersuchung durch, welche die PER-Faktoren für alle Klimadatensätze im PHPP ermittelt. So wenig sich die PER-Faktoren unterscheiden, so deutlich sind allerdings die mittleren erforderlichen PV-Flächen zur Erzeugung von 1 MWh verschieden: Sie betragen in Deutschland typischerweise 10 m², in Rom nur 6,5 m², in San Francisco 5,5 m² und inmitten der Sahara sogar nur 4,3 m² wogegen für Kiruna oder Murmansk sogar 12 m² erforderlich werden. Alle diese äquivalenten Solarflächen liegen aber innerhalb der technisch und ökonomisch noch sinnvollen Spanne, so dass (abgesehen von der regionalen Verfügbarkeit auch anderer erneuerbarer Primärenergieressourcen) eine PV-Versorgung von Passivhäusern weltweit regional realisierbar ist. Die erforderlichen Speicherkapazitäten und die PER-Faktoren verringern sich, wenn ein überregionaler Energieverbund besteht - am besten geeignet dafür ist eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, weil sich dann an unterschiedlichen Orten erzeugter Primärstrom im Netz unmittelbar ergänzen kann - solche Lösungen setzen den Willen zu fairer internationaler Kooperation voraus; sie würden zu günstigeren Energiepreisen (vor allem im Winter) führen, allerdings ebenfalls auf absehbare Zeit das heute bestehende Preisniveau nicht unterbieten.

Die bisher ausgeführten Simulationsläufe zeigen, dass insbesondere vor dem Hintergrund einer künftig vollständig erneuerbaren Energieversorgung

• der Ansatz einer vorausgehenden Optimierung der Effizienz der Gebäudehülle und des Lüftungssystems zielführend ist. Mit den (letztlich durch Komfort- und ökonomische Kriterien) gegebenen funktionalen Kriterien für das Passivhaus besteht eine weltweit sehr gut geeignete Ausgangsbasis für eine vollständig erneuerbare Energieversorgung. Stark saisonal unterschiedliche Anwendungen wie Heizung (oder in sommerheißen Regionen Kühlung) führen zu zusätzlichen Netz-, Umwandlungs- und Speichersystemen sowie zu einer weit steileren Zunahme der erforderlichen Primärstromerzeuger, wodurch insbesondere für solche Anwendungen hohe Energiepreise resultieren werden. Mit dem Passivhausstandard lassen sich Aufwand und Kosten in einem vertretbaren Rahmen halten.

• Wärmepumpensysteme, die mit Elektrizität aus dem öffentlich zugänglichen Netz arbeiten, zur höchsten Gesamteffizienz führen, solange die Nutzwärmebedarfswerte im Bereich der Passivhausanforderungen bleiben.

• sommerliche Kühlung nicht mehr die Energieanwendung in Gebäuden darstellt, die um jeden Preis ganz vermieden werden muss. Solange der Nutzkältebedarf auch dabei im Bereich der Passivhausanforderungen bleibt, fügt sich die Kältebedarfsdeckung insbesondere bei Installation von PV-Systemen gut in das EE-Konzept ein.
  
  

[AkkP 22] Lüftungsstrategien für den Sommer. Protokollband Nr. 22 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut; Darmstadt 2003.

[AkkP 31] Energieeffiziente Raumkühlung. Protokollband Nr. 31 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut; Darmstadt 2005

[AkkP 36] Heizung mit Biobrennstoffen für Passivhäuser. Protokollband Nr. 36 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut; Darmstadt 2007

[AkkP 41] Sommerverhalten von Nichtwohngebäuden im Passivhausstandard; Projekterfahrungen und neue Erkenntnisse. Protokollband Nr. 41 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut; Darmstadt 2012
(Einige Abschnitte aus dieser Publikation sind auf Passipedia verfügbar → Link)

[AkkP 42] Feist, W. und Ebel, W.: Ökonomische Bewertung von Energieeffizienzmaßnahmen. Protokollband Nr. 42 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut; Darmstadt 2013

[AkkP 46] Feist, W. und Krick, B.: Nachhaltige Energieversorgung mit Passivhäusern. Protokollband Nr. 46 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut; Darmstadt 2012
(Einige Abschnitte aus dieser Publikation sind auf Passipedia verfügbar → Link)

[AkkP 49] Energieeffiziente Warmwassersysteme; Protokollband Nr. 49 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut; Darmstadt 2014

[Feist 1997] Feist, W.: „Vergleich von Messung und Simulation“; Protokollband Nr. 5 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut, Darmstadt 1997

[Feist 2013a] Feist, W.: „Passivhaus-Effizienz macht die Energiewende wirtschaftlich“; Tagungsband der 17. Internationalen Passivhaustagung; Passivhaus Institut, Darmstadt / Frankfurt 2013

[Feist 2013b] Feist, W.: „Energiekonzepte – das Passivhaus im Vergleich“; Tagungsband der 17. Internationalen Passivhaustagung; Passivhaus Institut, Darmstadt / Frankfurt 2013

[Feist 2014] Feist, W.: „Das Passivhaus ist mehr“; Tagungsband der 18. Internationalen Passivhaustagung; Passivhaus Institut, Darmstadt / Aachen 2014

[IPHT 2012] Tagungsband der 16. Internationalen Passivhaustagung; Passivhaus Institut, Hannover / Darmstadt 2012

[Kaufmann/ Feist 2001] Kaufmann, B. und Feist, W.: „Vergleich von Messung und Simulation am Beispiel eines Passivhauses in Hannover-Kronsberg“, Stadtwerke Hannover, Juni 2001.

[Kaufmann 2012] Kaufmann, B.: „Bewertung leitungsgebundener Energieträger: Wärmeverteilverluste von Fern/Nahwärmenetzen Szenarien für die optimierte Fernwärmenutzung aus KWK“, Protokollband Nr. 46 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut, Darmstadt 2012

[Krick 2012] Krick, B.: „Zur künftigen Bewertung des Energiebedarfs von Passivhäusern“, Protokollband Nr. 46 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut, Darmstadt 2012

[Nitsch 2012] Nitsch, J. et al: Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, Stuttgart 2012

[Peper/Feist 2001] Peper, S.; Feist, W.; Kah, O.: „Messtechnische Untersuchung und Auswertung – Klimaneutrale Passivhaussiedlung Hannover-Kronsberg“, Passivhaus Institut, Hannover 2001.

[PHPP] PHPP Passivhaus Projektierungs Paket. Programm und Handbuch, Autoren: Feist, W., Schnieders, J. et al. Passivhaus Institut, Darmstadt 1998-2014

[Schnieders 2012] Schnieders, J.; Feist, W. et al: „Passivhäuser für verschiedene Klimazonen“. Passivhaus Institut. Darmstadt, Mai 2012; sowie Englisch: „Passive Houses for Different Climate Zones“ Passive House Institute, Darmstadt 2012
(Diese Publikation ist in englischer Sprache auf Passipedia verfügbar → Link)

[Vallentin 2011] Vallentin, R.: „Energieeffizienter Städtebau mit Passivhäusern – Begründung belastbarer Klimaschutzstandards im Wohnungsbau“ Dissertation TU, München, Göttingen: Cuvillier Verlag, 2011

[Welter 2012] Welter, P. „Vollversorgung mit Sonne und Wind bis 2030“, Photon Oktober 2012

Übersicht der Passipedia Artikel zum Thema Nachhaltige Energieversorgung mit Passivhäusern

Übersicht aller Beiträge zur 18. Internationalen Passivhaustagung 2014 in Aachen

Tagungsband zur 18. Internationalen Passivhaustagung 2014 in Aachen