Einsparpotenziale elektrischer und digitaler Technologien im Gebäude: Was Technik leisten kann

30 % der deutschen Treibhausgasemissionen und 35 % des Endenergieverbrauchs gehen auf den Gebäudesektor zurück. Klimaneutralität und Energiewende lassen sich deshalb nicht ohne eine umfangreiche Transformation des Gebäudebestands erreichen. Kernpunkte dieser Transformation sind der Einsatz erneuerbarer Energien und das Ausphasen fossiler Brennstoffe. Dazu kommen intelligente Stromerzeugung, die Nutzung von flexiblen Strompreisen sowie die Bereitstellung von Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität.

Um diese Potenziale zu quantifizieren und gesamtheitlich zu betrachten, haben Fraunhofer ISI und ZVEI Berechnungen durchgeführt, die den Betrieb von Gebäuden mit verschiedenen Technologieszenarien simulieren. Ziel ist, die Einsparungen im Zusammenwirken der Technologien zu betrachten. Bisherige Erhebungen haben häufig den Fokus auf einzelne Systeme gelegt und sind aufgrund unterschiedlicher Annahmen in vielen Fällen wenig vergleichbar. Die neuen Berechnungen zeigen, was Technik maximal leisten kann und welche Potenziale mit niederschwelligen Maßnahmen verbunden sind.

Mehrfamilienhäuser sind für das sozialverträgliche Gelingen der Energiewende besonders wichtig. Sie stellen ca. 18 % des Wohngebäudebestands in Deutschland dar und enthalten fast 55 % aller Wohnungen. 83 % der Haushalte wohnen zur Miete. Für diese Bürger sind die Potenziale zur Senkung von Betriebskosten („zweite Miete“) durch Elektrifizierung und Digitalisierung besonders relevant.

Durchführung der Berechnungen

Für die Berechnung der Einsparpotenziale wurden verschiedene Technologieszenarien verglichen. Die Potenziale der Szenarien 1 bis 5 (siehe Bild 1) basieren auf dem Vergleich mit dem Referenzszenario. Wichtig ist, dass die Gebäudehülle in allen Szenarien unverändert bleibt. Die Einsparungen, die sich aus dem Vergleich zwischen Referenz- und Technologieszenario ergeben, beziehen sich daher immer auf Gebäude mit derselben Bauphysik. In der Berechnung für Wohngebäude wurden die Analysen jeweils für die Energieeffizienzklassen A, C und F durchgeführt. Bei den Nichtwohngebäuden liegt der Fokus auf den Klassen A und C. Für die Bauphysik wurden die Modellgebäude aus dem Berechnungsverfahren des Gebäudeenergiegesetzes verwendet. Die Auswahl der Gebäude hat unter Berücksichtigung der Häufigkeit der Gebäude stattgefunden. Für das Mehrfamilienhaus wurde das Referenzgebäude aus Bild 2 verwendet.

Simuliert wurde der Gebäudebetrieb über ein Jahr mit der Annahme, dass die Gebäude in Potsdam stehen. Das zugrunde liegende Simulationsmodell wurde von Fraunhofer ISI und der TU Wien entwickelt. Es konzentriert sich auf den Betrieb eines Energiesystems und bezieht Gebäudehülle und -technik für eine stündliche Simulation ein. Somit erlaubt es eine detaillierte Analyse der Wechselwirkungen der verschiedenen gebäudetechnischen Systeme.

Bei den Szenarien 1 bis 3 werden schrittweise technische Fähigkeiten ergänzt. Der Einsatz einer Wärmepumpe, LED-Beleuchtung und Lüftung mit Wärmerückgewinnung eint diese Szenarien. In den Szenarien 2 und 3 kommen die lokale Energieerzeugung sowie -speicherung hinzu. Szenario 3 bildet ein vollausgestattetes Gebäude ab, das Sektorenkopplung durch Ladeinfrastruktur sowie eine Reaktion auf externe Preissignale ermöglicht. In den Szenarien 4 und 5 wurden alternative Technologien für die Erzeugung von Raumwärme (Elektrodirektheizung) und Warmwasser (Elektro-Durchlauferhitzer) eingesetzt. Bei den Nichtwohngebäuden wurde die Elektromobilität nicht mit einbezogen. Zudem legt Szenario 1 den Fokus auf die Potenziale von effizienter Beleuchtung und Lüftung mit Wärmerückgewinnung.

Ergebnisse

Bild 3 zeigt die Einsparpotenziale der Technologieszenarien im Mehrfamilienhaus. Für die Umrechnung der Energieverbräuche liegen die Annahmen in Bild 4 zugrunde. Bei der Ermittlung der Einsparpotenziale in den Szenarien mit lokaler Energieerzeugung ist der vor Ort erzeugte und genutzte Strom berücksichtigt. Strom, der eingespeist wird, wird mit der entsprechenden Einspeisevergütung bezahlt. Die Werte in Bild 3 sind über die drei Energieeffizienzklassen (A, C, F) gemittelt. Klar wird, dass besonders die Szenarien mit lokaler Energieerzeugung hohe Potenziale in allen drei Kategorien bieten. Blickt man tiefer in die Zahlen, zeigt sich, dass die Reaktion auf externe Preissignale dazu beiträgt, den Eigenverbrauch des lokal erzeugten Stroms zu steigern. In Szenario 3 bringt die Einbindung der Ladeinfrastruktur zusätzliche 12.000 kWh für die Ladung von Elektrofahrzeugen. Ein durchschnittliches E‑Fahrzeug fährt damit bis zu 70.000 km. Im Vergleich zwischen Einfamilien- und Mehrfamilienhaus zeigen die relativen Zahlen, dass hier eine hohe Ähnlichkeit der Potenziale besteht.

Häufig liegt bei Investitionsentscheidungen der Fokus auf den Investitionskosten. Die Berechnungen unterstreichen, dass die Einsparung bei den Betriebskosten für die Lebenszykluskostenbetrachtung essenziell ist. Gesellschaftlich relevant ist hier vor allem die Chance zur Senkung der Warmmiete.

Auffällig ist, dass in den Szenarien 4 und 5 trotz Einsparungen bei Energie und Emissionen unter den angenommenen Rahmenbedingungen keine finanzielle Einsparung erreicht wird. Dies resultiert daraus, dass für die Erzeugung von Raumwärme und Warmwasser zusätzlicher Strom im Vergleich zum Referenzszenario aufgewendet wird. Hier wird klar, dass die aktuellen Energiepreise noch nicht ausreichend die Effizienzgewinne durch Elektrifizierung reflektieren. In der Zukunft ist damit zu rechnen, dass sich durch den steigenden Anteil erneuerbaren Stroms, die Senkung der Stromsteuer und die Einführung des Zertifikatehandels für Treibhausgasemissionen im Gebäudesektor das Verhältnis von Strom- und Gaspreis zugunsten des Strompreises entwickelt. Über den Lebenszyklus der Produkte sind also auch finanzielle Einsparungen zu erzielen, besonders in Kombination mit lokaler Stromerzeugung.

Zudem sind für Stromdirektheizungen und elektrische Durchlauferhitzer die Investitionskosten geringer als bei anderen Wärmeerzeugungstechnologien. Die Möglichkeit, Anforderungen aus dem Gebäudeenergiegesetz mit diesen Technologien zu erfüllen, ist ein weiterer wichtiger Punkt.

Der Vergleich der Einsparpotenziale in verschiedenen Energieeffizienzklassen zeigt, dass mit steigender Durchlässigkeit der Gebäudehülle sich die relativen Einsparungen zum Gesamtenergieverbrauch in den Szenarien mit der Wärmepumpe und lokaler Stromerzeugung nahezu gleich verhalten. In den Szenarien 1 und 4 steigt die relative Einsparung von 61 auf 69 % bzw. von 41 auf 61 % von der Energieeffizienzklasse A auf F. Die absoluten Werte weisen einen deutlichen Anstieg der Energieeinsparung durchgängig auf. Deutlich wird, dass in allen Fällen erhebliche Einsparungen im Betrieb erzielt werden. Investitionen in zukunftsfähige Technik sind also nicht zwingend mit der Ertüchtigung der Gebäudehülle verbunden, um rentabel zu sein. In Szenarien mit lokaler Stromerzeugung und -speicherung sind über das Jahr gesehen vollständige Emissionsvermeidungen möglich, die von weiteren Einsparungen im Energiesektor ergänzt werden. Im Vergleich zur Referenzausstattung werden also mehr Treibhausgasemissionen vermieden als das Referenzgebäude im Betrieb ausstößt. So können Gebäude nur durch die Ergänzung der technischen Fähigkeiten zu Nullemissionsgebäuden werden.

Vorteilhaft ist, dass nicht alle Systeme gleichzeitig installiert werden müssen. Um im Lebenszyklus des Gebäudes nachzurüsten, ist darauf zu achten, dass bei Neubau und Kernsanierung nach vorne gedacht wird. Zu diesen Anlässen die richtigen Voraussetzungen bspw. mit einer zukunftsfähigen elektrischen Infrastruktur zu schaffen, spart Kosten bei der späteren Nachrüstung von technischen Fähigkeiten.

In Nichtwohngebäuden sind die Einsparpotenziale gesamtheitlich in einer ähnlichen Größenordnung wie in Wohngebäuden (siehe Bild 6). Hier fällt auf, dass die Automatisierung von Beleuchtung und auch von Lüftung mit Wärmerückgewinnung einen größeren Hebel darstellt. Im Vergleich auf Technologieebene bringt die Umrüstung auf eine automatisch gesteuerte LED-Beleuchtung 26 % mehr Einsparung mit sich als die Installation einer LED-Beleuchtungsanlage ohne Automatisierung. In Produktions-, Werkstatt-, Lager oder Fabrikgebäuden sind es sogar 31 %. Über einen Zeitraum von zehn Jahren lassen sich in den beiden Beispielgebäuden mit jeweils 1.750 m² Nutzfläche 60.000 kWh im Büro und 270.000 kWh im Industriegebäude sparen. Nimmt man einen Gewerbestrompreis von 19 ct/kWh an, ergibt sich eine Einsparung von 11.400 bzw. 51.300 Euro über zehn Jahre.

Erkenntnisse für die Praxis

Neben den gezeigten Maximalpotenzialen wird deutlich, dass die Sanierung von Gebäuden sowie die Ausstattung von Neubauten nicht ohne den Fokus auf die eingesetzte Gebäudetechnik sinnvoll ist. Für den resilienten, klimaneutralen und kostengünstigen Betrieb ist der Einsatz von erneuerbarem Strom als primärer Energieträger unerlässlich. Die dafür notwendigen Maßnahmen beweisen, dass sie Einsparungen im Betrieb mit sich bringen.

Ausblick

Im nächsten Schritt der weiteren Berechnungen werden die exemplarischen Ergebnisse für individuelle Gebäude auf den deutschen Gebäudebestand hochgerechnet. So ist es möglich, die Rolle eines elektrischen und digital ertüchtigten Gebäudebestands im Energiesystem der Zukunft aufzuzeigen. Neben Klimaschutz spielen die Unabhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen und eine Steigerung der Resilienz eine wichtige Rolle. Gebäude mit lokaler Stromerzeugung und -speicherung sind unabhängiger im Falle eines temporären Netzausfalls und können den Bezug aus dem Netz auf Preissignale anpassen. Diese technischen Fähigkeiten in Mehrfamilienhäusern zu schaffen, ist essenziell für eine sozialverträgliche Energiewende. Nur so können Mieter am Energiesystem der Zukunft beteiligt und bei Nebenkosten entlastet werden. Absehbar ist, dass diese Fähigkeiten auch die Attraktivität der Objekte steigern.

Auch wenn politische Rahmenbedingungen durch die ausstehende Umsetzung der EU-Gebäuderichtlinie (EPBD) und die Novellierung des Gebäudeenergiegesetzes aktuell noch im Fluss sind, sind die Technologien für die zukunftsfähige Ausstattung von Gebäuden vorhanden und erprobt. Die errechneten Einsparpotenziale zeigen deutlich, dass nur durch ihren Einsatz die zukünftigen Anforderungen an Gebäude zu erfüllen sein werden. Besonders mit Blick auf die EPBD ist zu erwarten, dass bestimmte technische Fähigkeiten, wie bspw. der Einsatz eines Systems zur Gebäudeautomatisierung, gefordert werden.

Der Autor

Louis Mersch
Louis Mersch ist Referent im Bereich Gebäude im ZVEI (Verband der Elektround Digitalindustrie). Seit seinem Studium der internationalen Beziehungen setzt er sich beim ZVEI für die Dekarbonisierung im Gebäudesektor durch elektrische und digitale Technologien ein. In der ZVEI-Plattform Gebäude betreut er Gremien, die sich mit den Rahmenbedingungen für die Transformation des Gebäudebestands beschäftigen.
www.zvei.org