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Zur künftigen Bewertung des Energiebedarfs von Passivhäusern

Die CO2-Problematik

CO2-Kreislauf und Klimawandel

Durch Photosynthese entziehen Pflanzen der Atmosphäre CO2 (Kohlendioxid) und binden es während ihres Wachstums in ihrer Struktur. Wird die Pflanze verbrannt, verrottet sie, oder wird gefressen, gelangt das CO2 zurück in die Atmosphäre, wo es anderen Pflanzen zum Wachstum zur Verfügung steht. Auf diese Weise entsteht ein, durch die Sonne via Photosynthese angetriebener CO2-Kreislauf, in dem die Pflanzen CO2-Speicher sind.

Im Laufe der Erdgeschichte gelangten große Mengen in Biomasse gebundenen Kohlendioxids nicht wieder in die Atmosphäre, sondern wurden durch geologische Prozesse in der Erdkruste eingelagert und zu den fossilen Energieträgern wie Öl, Kohle, Gas oder in jüngerer Zeit zu Torf. Diese fossilen Energieträger sind also nichts anderes als gespeicherte Sonnenenergie.

Seit der Mitte des 18. Jahrhunderts werden diese fossilen Energieträger in großem Maß gefördert und verbrannt. Auf diese Weise gelangt das CO2, welches der Atmosphäre über Jahrmillionen entzogen wurde in einem relativ kurzen Zeitraum zurück in die Atmosphäre, wo es sich anreichert.

CO2 hat für Licht im sichtbaren Bereich eine hohe Transparenz, im Bereich der Infrarotstrahlung jedoch eine niedrige. CO2 (und andere Treibhausgase) in der Atmosphäre lassen so einen größeren Teil sichtbaren Sonnenlichtes zur Erde durch, wo es die Erdoberfläche erwärmt und als langwelliges Licht im fernen infraroten Bereich wieder in Richtung des Weltraumes abgestrahlt wird. Je mehr Treibhausgas sich in der Atmosphäre befindet, umso kleiner wird der Anteil dieser Strahlung, den die Atmosphäre passieren lässt und umso größer wird der Anteil der Strahlungsenergie, die im System Erde verbleibt. Also steigt die Temperatur der Atmosphäre mit steigender Treibhausgaskonzentration. Der messbare Anstieg der Erdtemperatur korreliert mit dem erhöhten CO2-Ausstoß durch die Verbrennung fossiler Energieträger. Wir sprechen vom anthropogen induzierten Treibhauseffekt, der menschengemachten Erderwärmung.

Diese Erderwärmung führt zu steigenden Meeresspiegeln, Wetterextremen, Verschiebung von Klimazonen, Ausbreitung von Wüsten und bedroht auf diese Weise das Leben auf der Erde wie wir es kennen. Um dem entgegen zu wirken, muss der anthropogene Netto-CO2-Ausstoß möglichst kurzfristig reduziert und mittelfristig gestoppt werden. Möglicherweise wird es sogar nötig, der Atmosphäre das CO2 aktiv zu entziehen. Dies kann beispielsweise durch Aufforstung, Einlagerung von Biomasse in aufgelassene Bergwerke oder das Anlegen von Mooren geschehen. Eine andere Möglichkeit ist die Verpressung von CO2 im Untergrund oder in der Tiefsee. Beide Methoden sind jedoch umstritten und deren Nachhaltigkeit ist zweifelhaft.

In diesem Zusammenhang kann ein verbreitetes Missverständnis aufgeklärt werden. Regenwälder sind ohne Zweifel sehr wichtig für die Regulierung des Klimas. CO2-Senken sind sie aber nur dann, wenn sie sich ausdehnen. In Regenwäldern herrscht ein Gleichgewicht aus Biomasse-Auf- und Abbau (Klimax-Stadium), was sich in der sehr dünnen Humusschicht zeigt. Der Atmosphäre wird so viel CO2 entzogen, wie im gleichen Zeitraum durch Verrottung oder durch die Tiere des Waldes emittiert wird. Damit sind Regenwälder CO2-neutral und bilden einen eigenen CO2-Kreislauf, solange sie weder schrumpfen noch wachsen. Sie sind CO2-Speicher. Wachsen Regenwälder nehmen sie CO2 auf, der Speicher vergrößert sich (nur in diesem Fall sind sie CO2-Senken). Schrumpfen sie (wie dies momentan in erschreckendem Ausmaß durch Rodung und Brandrodung der Fall ist), entlädt sich der Speicher, CO2 wird frei – der Regenwald wird zur CO2-Quelle. Eine CO2-Senke ist das Meer, welches zurzeit mehr CO2 aufnimmt, als abgibt. Die hier ablaufenden Prozesse sind jedoch hochkomplex und nicht zur Gänze verstanden. Möglicherweise wird das Meer zukünftig, z. B. durch Erwärmung und eine veränderte Meeresflora, zur CO2-Quelle.

Langfristig ist eine Energieversorgung, die in nennenswertem Umfang Netto-CO2-Emissionen freisetzt, nicht nachhaltig, da keine langfristig gesicherten natürlichen CO2-Senken zur Verfügung stehen und so alle CO2-Emissionen einen weiteren Temperaturanstieg nachsichziehen. Es bedarf also der sogenannten Dekarbonisierung der Energieversorgung. Die Energieversorgung muss zwar nicht CO2-frei, aber CO2-neutral werden. In einer nachhaltigen Energieversorgung darf nur so viel CO2 emittiert werden, wie in gleichem Zeitraum gebunden wird. Dieses Prinzip erlaubt die Verbrennung von Biomasse und fossiler Energie, wenn im gleichen Zeitraum der Atmosphäre die gleiche Menge Kohlenstoff entzogen wird. Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung entsteht beispielsweise bei der Verbrennung von Erdgas bezogen auf die enthaltene Energie weniger CO2 als bei der Verbrennung von Holz. Wird nun CH4 (Methan) anstelle von Holz verbrannt und dafür gesorgt, dass das CO2 langfristig gebunden, also sequestriert wird (beispielsweise durch die Aufforstung von Wäldern oder das Einlagern von Biomasse in aufgelassenen Bergwerken), so wird mehr Energie nutzbar, als bei der direkten Verbrennung von Holz.

Gebäudeoptimierungsziel „CO2-neutral“ – ein Ansatz, der zu kurz greift

CO2-neutral ist ein Gebäude, wenn es keine Netto-CO2-Emissionen aufweist. Im öffentlichen Diskurs wird CO2-Neutralität häufig mit Nachhaltigkeit gleichgesetzt. Neben der berechtigten Frage, ob eine CO2-Neutralität eines Gebäudes in absehbarer Zeit überhaupt möglich, oder nur ein Rechentrick ist, muss klargestellt werden, dass das Postulat „Null-Emission = nachhaltig“, einem systematischen Fehler unterliegt, wenn nicht zumindest die Systemgrenze global gefasst wird:

Auch CO2-freie (oder richtiger CO2-arme) Energieträger sind nur in endlichem Maße verfügbar, jede Kilowattstunde aus erneuerbaren Energien kann nur einmal genutzt werden. Ist die Grenze der Verfügbarkeit erreicht, muss auf fossile (nicht nachhaltige und nicht erneuerbare) Energieträger zurückgegriffen werden.

Beispiel: Stellen wir uns ein Dorf mit 100 Häusern vor, das mit erneuerbarer Heizwärme versorgt werden soll. Dazu können jährlich 200 Festmeter Holz geerntet werden. Andere erneuerbare Energien stehen (im Beispiel) nicht zur Verfügung und zum Transport und zur Verarbeitung des Holzes werden keinerlei fossile Energieträger eingesetzt. Die bestehenden Gebäude haben einen Jahresenergiebedarf von 20 Festmetern Holz, (im Bereich des Üblichen für ein Einfamilienhaus in kühlgemäßigtem Klima).
Mit den verfügbaren 200 Festmetern Holz könnten 10 Gebäude versorgt werden. Diese 10 Gebäude sind nun, bezüglich der Heizwärmeversorgung „CO2-neutrale“-Gebäude. Aber nachhaltig sind sie deshalb nicht: Die 90 restlichen Gebäude müssen nach wie vor fossil geheizt werden. Das Ziel, die regenerative Heizwärmeversorgung des Dorfes, kann so nicht erreicht werden.

Aus diesem Beispiel wird klar, dass der „Zero-Carbon“-Ansatz deutlich zu kurz greift, da er die Begrenztheit der Ressourcen nicht einbezieht. Im Beispiel wäre die Heizwärmeversorgung des Dorfes erst dann nachhaltig, wenn alle Gebäude mit dem nachhaltig verfügbaren Holz beheizt werden können. Pro Gebäude stehen unter dieser Prämisse 2 Festmeter Holz zur Verfügung. Eine Lösung gibt es sogar in diesem Fall: das ist eine Holzmenge, mit der sich ein Einfamilien-Passivhaus durchaus beheizen lässt.

Die Forderung nach CO2-Freiheit oder „Dekarbonisierung“ ist, wie bereits festgestellt, durchaus korrekt und Bedingung für eine zukünftige nachhaltige Energieversorgung. Jedoch darf sie sich nicht auf die Bilanzgrenze des Gebäudes beziehen. Und auch nicht auf die Bilanzgrenze des Dorfes, da dem Nachbardorf möglicherweise weniger Energie zur Verfügung steht. In letzter Konsequenz ist die globale Betrachtung korrekt. Jedoch sind, bedingt durch unterschiedliche Klimate, gerade im Kontext der Gebäudeklimatisierung, stark unterschiedliche Randbedingungen und Anforderungen gegeben. Zudem unterscheidet sich die Verfügbarkeit verschiedener Energieträger in den Teilen der Welt. Auch sollen die durch den Transport von Energie entstehenden Abhängigkeiten und Konfliktpotentiale in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Am sinnvollsten scheint daher eine Betrachtung von Regionen ähnlichen Klimas und ähnlicher erneuerbarer Ressourcenlage zu sein, die basierend auf den regionalen Ressourcen, weitgehend CO2-neutral und energieautark zu versorgen sind.

CO2-Emissionen durch den Gebäudebetrieb

Um den Energiebedarf von Gebäuden hinsichtlich der Auswirkungen auf das Klima bewerten und vergleichen zu können, ist es sinnvoll, die durch den Gebäudebetrieb verursachten CO2-Emissionen auszuweisen.

Jeder Energieträger verursacht abhängig von seiner chemischen Zusammensetzung spezifische CO2-Emissionen. So wird bei der Verbrennung von Wasserstoff kein CO2 emittiert, da ein Wasserstoffmolekül (H2) keinen Kohlenstoff enthält. Methan (CH4) enthält 4 Wasserstoffatome und ein Kohlenstoffatom. Bei der Verbrennung von Methan entsteht, relativ zur umgesetzten Energie, weniger CO2 als beispielsweise bei Butan (Flüssiggas, C4H10), bei Erdöl oder gar Steinkohle, die kaum Wasserstoff, sondern fast ausschließlich Kohlenstoff enthält. Bei biogenem Methan (Biogas) entsteht genau so viel CO2 wie bei fossilem. Allerdings kann davon ausgegangen werden, dass der Kohlenstoff durch Pflanzenwachstum erst vor kurzer Zeit der Atmosphäre entzogen wurde. Daher ist Biogas (abgesehen von der zur Herstellung benötigten Hilfsenergie) CO2-frei. Gleiches gilt für jede Art von Biomasse, solange das durch die Verbrennung freigesetzte CO2 im gleichen Zeitraum durch andere Pflanzen gebunden wird.

Nun ist Kohlenstoffdioxid zwar das mengenmäßig dominante, aber nicht das einzige Treibhausgas. Andere Gase wie z. B. Methan, Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) oder Lachgas haben ein weit höheres Treibhauspotential (z. B. ist das Treibhauspotential von FCKW über 14.000-mal höher, als das von CO2). Um die Klimawirkung eines Energieträgers oder eines Stoffgemisches anzugeben, wird das Treibhauspotential verschiedener Stoffe auf die Wirkung von CO2 bezogen. Es entsteht das so genannte CO2-Äquivalent „CO2e“. Dieses erlaubt beispielsweise die Abschätzung der Treibhauswirkung des Stoffgemischs Biogas, das sich zum einen aus den Endprodukten der Verbrennung, zum anderen aus dem Methanschlupf, dem Verlust an Methan (CO2e = 25) während des Herstellungsprozesses und des Transportes zusammensetzt. Das CO2-Äquivalent (in kg CO2e/kWhEndE) ist daher eine geeignete Größe zur Bewertung der Klimabelastungen durch den Gebäudebetrieb. Wobei an dieser Stelle angemerkt werden muss, dass dieser Kennwert eine Momentaufnahme darstellt. Da z. B. Strom einen immer höheren Anteil an erneuerbaren Energien oder Strom aus Gaskraftwerken einerseits, einen immer geringeren Anteil an Strom aus Kernkraftwerken andererseits enthält, ist sein CO2-Äquivalent einem ständigen Wandel unterworfen und wird in einer zukünftigen nachhaltigen Energieversorgung gegen Null gehen.

Daraus leitet sich ab, dass die Klimabewertung von Energieträgern zwar in einer Übergangszeit und auch nur dann, wenn die Ausweisung des CO2e ein Umschwenken von Energieträgern mit hohem CO2e zu Energieträgern mit niedrigem CO2e führt, hochgradig relevant ist, jedoch obsolet wird, sobald die Nachhaltigkeit erreicht wurde. Abbildung 1 zeigt die CO2-Äquivalente verschiedener Energieträger.

Abbildung 1:
Kumulierter Energieverbrauch (KEV) ausgewählter Endenergieträger und zugehörige CO2-Äquivalente.


Daten: [GEMIS 4.6, Ergebnisdatei] / Zusammenstellung und Grafik: PHI


Weiterführende Abschnitte für Mitglieder der IG Passivhaus

Forschungs- und Entwicklungsbedarf, Fazit

Das Passivhaus Institut plant, die hier erörterten Themen und Bewertungen in einer weiter entwickelten Version in das PHPP 9.0 2014 zu implementieren. Dabei werden die Algorithmen zur Bewertung nach Abschnitt Vorschlag für die zukünftige Bewertung und Kennzeichnung des Energiebedarfs von Passivhäusern einfließen.

Von der Weiterentwicklung des PHPP abgesehen, ergibt sich weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf zur Rolle von Gebäuden im Allgemeinen und Passivhäusern im Speziellen in einer zukünftigen Energieversorgung: Welche Energiebilanz können Gebäude im jahreszeitlichen Verlauf aufweisen? Welche weiteren Möglichkeiten gibt es, im Zusammenhang mit dem Gebäude Energie zu erzeugen und einzusparen? Wie können die Komponenten der Gebäudehülle und Gebäudetechnik in Richtung noch besserer Performance weiter oder neu entwickelt werden? Kann das Gebäude in Zukunft als ein Energiespeicher funktionieren und wie stellen sich solche Möglichkeiten wirtschaftlich dar?

In diesem Beitrag konnte gezeigt werden, dass die Mengengerüste nachhaltig verfügbarer Energie ausreichen, um Gebäude, für die 1/3 dieser Energie genutzt werden kann, weltweit behaglich klimatisiert und betrieben zu können. Unter der Prämisse, dass sie überall auf der Welt, also nicht nur in Heiz-, sondern gerade auch in Kühl- und Entfeuchtungsregionen, effizient klimatisiert werden. Und dass auch für alle weiteren Energieanwendungen, die im Zusammenhang mit der Nutzung des Gebäudes stehen, Geräte mit bestmöglicher Effizienz zur Anwendung kommen.

Das Bestehen dieser Möglichkeit impliziert noch lange nicht, dass die Energiewende rechtzeitig umgesetzt werden kann. Jedoch besteht die Chance einer Möglichkeit, die umso realistischer wird, je mehr Menschen sich aktiv an der Umsetzung der Energiewende beteiligen. Bei der Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden kann dies, wie im vorliegenden Beitrag und in den Beiträgen „Weitere Effizienzpotentiale“ sowie „Regionale Konzepte zur nachhaltigen Energieversorgung von Passivhäusern“ und „Nachhaltige Energieversorgung mit Passivhäusern“ aus dem Protokollband Nr. 46 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser (Protokollband hier bestellen) gezeigt wird, zum wirtschaftlichen Vorteil der Akteure geschehen. Die Energiewende ist machbar, wenn wir uns nur entscheiden, konsequent und gemeinsam darauf hinzuarbeiten.

Literatur

[AkkP 36] Feist, Wolfgang (Hrsg.): Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser Nr. 36 „Heizung mit Biobrennstoffen für Passivhäuser“, Passivhaus Institut Darmstadt 2007

[DBFZ 2008] Seidenberger, Thrän, Offermann, Seyfert, Buchhorn, Zeddies: Global Biomass Potentials: Investigation and assessment of data Remote sensing in biomass potential research Country specific energy crop potentials, Deutsches BiomasseForschungszentrum Leipzig, 2008

[Feist 2007] Feist, Wolfgang: Passivhäuser in der Praxis. In: [Fouad, Nabil (Hrsg.) 2007]

[Feist 2010] Feist (Hrsg.): Protokollband der 14. Passivhaus Tagung, Passivhaus Institut Darmstadt, 2010

[Feist 2011] Feist (Hrsg.): Protokollband der 15. Passivhaus Tagung, Passivhaus Institut Darmstadt, 2011

[Feist 2012] Schnieders, Feist (Hrsg.), Schulz, Krick, Rongen, Wirtz: „Passivhäuser für verschiedene Klimazonen“, Passivhaus Institut Darmstadt, 2012

[Fouad, Nabil (Hrsg.) 2007] Fouad, Nabil (Hrsg.): Bauphysikkalender 2007; Ernst&Sohn, Berlin 2007

[e[r]e 2010] Greenpeace International, European Renewable Energy Council (Hrsg.): Greenpeace Energy [r]evolution 2010

[GEMIS 4.6 Ergebnisdatei] Ökoinstitut Darmstadt: GEMIS 4.6, Ergebnisdatei, August 2010

[Großklos 2009] Großklos, Marc: Kumulierter Energieaufwand und CO2-Emissionsfaktoren verschiedener Energieträger und -versorgungen, Institut für Wohnen und Umwelt, Darmstadt 2009

[Kah et.al. 2008] Kah, Feist, Pfluger, Schnieders, Kaufmann, Schulz, Bastian: Bewertung energetischer Anforderungen im Lichte steigender Energiepreise für die EnEV und die KfW-Förderung (Endbericht, Projektnummer 10.8.17.7-06.13). Passivhaus Institut Darmstadt, im Auftrag des Bundes-Verkehrsministeriums sowie des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung, 2008

[Nitsch 2007] Nitsch, Joachim: „Energetische Potentiale der Biomasse in Deutschland“, in: [AkkP 36], S. 9 ff.

[PHPP 6.1] Passivhaus Projektierungspaket 6.1, Passivhaus Institut Darmstadt 2011

[Strauß 2011] Strauß, Rolf-Peter: Solarthermie oder Solarstrom-Mikrowärmepumpe? In: [Feist 2011]

[Vallentin 2010] Vallentin, Rainer: Das Dilemma der mittleren Qualität, in: [Feist 2010], S. 415 ff.

[1a] Wikipedia: Erntefaktor. Zugriff am 10.06.2012

[1b] Wikipedia: Photovoltaik; Wirkungsgrad; Energetische Amortisation. Zugriff am 10.06.2012

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