Isolation

Die Seidenraupe spinnt sich mit ihrem Speichel einen gut isolierenden Kokon, der die Puppe während der Metamorphose vor widrigen Wetterverhältnissen schützt. Seide wird für ihre geringe Dichte und für die isolierenden Eigenschaften geschätzt.

Effizienzpotenziale im Gebäudebereich

Nachhaltige Erneuerung des alten Gebäudebestandes

Um möglichst grosse Wirkung zu erzielen, liegt es nahe, dort anzusetzen, wo am meisten Energie verbraucht wird und wo das grösste Effizienzpotenzial besteht: im Gebäudebereich. Forschungsinstitutionen und Vertreter der Bauwirtschaft auf nationaler und internationaler Ebene entwickeln leistungsfähige Isolationsmaterialien und neue Renovationstechnologien für den riesigen Bestand an Altbauten. Zu ihnen gehört die Schweizer Materialforschungsanstalt Empa, deren Arbeiten wir im folgenden Beitrag vorstellen.

Die Schweiz ist zur Deckung ihres Endenergiebedarfs zu drei Vierteln auf Importe von Gas und Erdölprodukten angewiesen. Betrachtet man auch die Primärenergie, welche für die Elektrizitätserzeugung notwendig ist, so beträgt die Auslandabhängigkeit gar 80 Prozent. Mit einem Anteil von rund 46 Prozent am inländischen Endenergieverbrauch nimmt der Schweizer Gebäudepark mit 1,64 Millionen Wohngebäuden den Spitzenplatz unter den Verbrauchskategorien ein. 2011 wurden in der Schweiz rund 3,5 Millionen Tonnen Heizöl und 3,1 Milliarden Kubikmeter Gas zum Heizen eingesetzt. Fossile Energien lassen sich also dann einsparen, wenn es gelingt, den Heizwärmebedarf zu senken.

Veralteter Gebäudepark

Gebäude, die zwischen 1920 und 1970 gebaut wurden, benötigen für Raumwärme und Warmwasser jährlich über 200 Kilowattstunden Energie pro Quadratmeter. Als Folge der Ölkrisen setzten sich ab Anfang der 80-er Jahre strengere bauliche Standards durch. Der jährliche Energieverbrauch von Neubauten mit MINERGIE resp. MINERGIE-P Standard beträgt für Heizung, Kühlung, Lüftung und Warmwasser 30 bis 50 KIlowattstunden pro Quadratmeter und damit weniger als einen Viertel im Vergleich zu einem Altbau. Die Rate der energetischen Gebäudesanierungen ist heute jedoch sehr tief. Bei der Ausrichtung der Energiegesetze und technischer Neuerungen auf Neubauten geht vergessen, dass der Gebäudeenergiebedarf bis auf weite Sicht von Bauten bestimmt wird, die vor dem Jahr 2000 erstellt wurden (vgl. Grafik auf Seite 17).

Ein wirksamer Ansatz besteht also darin, die alte Bausubstanz mit dem hohen Energieverbrauch nachhaltig zu sanieren. Auch der Bund ortet im Gebäudebereich ein grosses Effizienzpotenzial und legt einen der Schwerpunkte der Energiestrategie auf diesen Bereich. Um den Gesamtenergieverbrauch der Gebäude bis 2050 um 28 Terawattstunden gegenüber der Trendentwicklung zu senken, soll die Quote an energetischen Sanierungen am bestehenden Gebäudepark deutlich erhöht werden. Wie lässt sich dieses ambitiöse Ziel in der Praxis erreichen?

Die Kosten für die Energie sind heute zu tief, als dass sich eine Gebäu- desanierung rein aus finanzieller Sicht lohnen würde. Eine gesamtheitliche Erneuerung kann hingegen einen zusätzlichen Mehrwert bezüglich Komfort schaffen und passt Gebäude bezüglich ihrer Grundrisse und Raumaufteilung den heutigen Bedürfnissen an. Eine umfassende Sanierung beinhaltet alle Aspekte des Wohnens: von der Energieversorgung über die Lüftung, Raumaufteilung und Lichtzufuhr zur Wärmedämmung und Haustechnik.

Hochdämmender Spezialputz

Das grösste Optimierungspotenzial in Bezug auf die Heizenergie liegt bei der Wärmedämmung. Um den Wärmeverlust durch die Gebäudehülle einzuschränken, können unterschiedliche Baustoffe und Bauteile zum Einsatz kommen. Geht es etwa darum, die Optik einer historischen Gebäudefassade zu erhalten, eignet sich eine Innenverkleidung aus Dämmputz am besten. Eine Putzverkleidung lässt sich zudem bei verwinkelten Treppenhäusern, Rundbögen und Stützmauern wesentlich leichter anbringen als Dämmplatten, die erst mühsam zugeschnitten werden müssen. Die Schweizer Materialforschungsanstalt Empa (siehe Box auf Seite 19) hat zusammen mit einem Industriepartner einen Putz aus Aerogel entwickelt, der über bessere Dämmungseigenschaften als eine Polystyrolplatte verfügt. Aerogel wird wegen seiner Optik auch als «gefrorener Rauch» bezeichnet und verdankt seine isolierende Eigenschaft vor allem der geringen Dichte: das Material besteht zu fünf Prozent aus Silikat, der Rest ist Luft. Es handelt sich um ein rein mineralisches Produkt, das problemlos im Innenraum angewendet werden kann, weil dabei keine organischen Schadstoffe entstehen. Das Spezialprodukt ist seit Ende 2012 auf dem Markt und bringt eine bedeutende technologische Neuerung bei der Wärmedämmung.

Chemische Wärmespeicherung

Ein anderer Ansatz besteht darin, nach einer Möglichkeit zu suchen, wie die Überschusswärme, welche während der Sommermonate gewonnen wird, für die Wintermonate «aufgehoben» werden kann. Die Globalstrahlung, also die direkte und diffuse Sonnenstrahlung, verläuft konträr zur Jahresheizkurve: wenn der Heizbedarf hoch ist, ist die Globalstrahlung tief und umgekehrt. Überschüssige Sonnenenergie geht heute verloren, weil sich die Möglichkeiten zur langfristigen Speicherung von Wärme noch in einer experimentellen Phase befinden. In Forschungsarbeiten wird versucht, die über Solarzellen gewonnene Energie zum Aufkonzentrieren einer Natronlauge (NaOH) zu nutzen. Für den Wärmebezug wird der Lauge wieder Wasser zugesetzt. Bei diesem Prozess wird Wärme freigesetzt. Der Vorteil dieses chemischen Speicherprinzips liegt darin, dass die Wärme ohne Verlust gespeichert werden kann. Es handelt sich also um eine äusserst effiziente Speichermethode. Noch ist allerdings die Antwort auf die Frage, was die Kilowattstunde gespeicherte Wärme kostet, ausstehend, und der Weg zur Marktfähigkeit dürfte damit noch einige Zeit in Anspruch nehmen.

Nachhaltige Bauerneuerung anstatt punktuelle Instand- stellung

Die herkömmliche Gebäuderenovation entspricht häufig eher einer Instandstellung als einer Modernisierung für die kommenden Generationen. Anstatt ein Gebäude auf langfristige Sicht fit zu machen, konzentrieren sich die Eingriffe auf einzelne, dringende Massnahmen, um die Rendite einer Liegenschaft nicht unnötig zu schmälern. Es geht vergessen, dass nach 50 Jahren Nutzung und bescheidenen Unterhaltskosten massiv in ein Gebäude investiert werden muss, damit es für weitere 50 Jahre angemessen genutzt werden kann.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Empa am Projekt «CCEM-Retrofit» beteiligt, in welchem zusammen mit Industriepartnern Lösungen für eine nachhaltige Erneuerung von Mehrfamilienhäusern und Wohnbausiedlungen erarbeitet wurden. Das resultierende Konzept ist einfach: Über das bestehende Gebäude wird eine weitgehend vorfabrizierte, neue Gebäudehülle gelegt. Diese neue Hülle schafft die Möglichkeit für wertvermehrende An- und Aufbauten und bietet Gewähr, dass das Gebäude nach der Renovation den höchsten Ansprüchen an Energieeffizienz und Komfort entspricht. In der Regel wird die meist massiv gebaute Aussenhülle des Altbaus als tragende Unterkonstruktion für die neue, hoch isolierende Fassadenbekleidung verwendet. Die Dämmschicht wird dazu verwendet, ein Lüftungssystem zu integrieren. Damit können aufwändige Umbauarbeiten im Innern des Hauses vermieden werden. Damit die Fassadenelemente weitgehend in der Fabrik gefertigt werden können, wird das bestehende Gebäude mit Lasertechnik exakt vermessen. Die Vorfabrizierung der Renovationsmodule bringt mehrere Vorteile: es ermöglicht einen einfachen Bauprozess und eine gute Koordination der Arbeiten. Die Innenräume können während der Bauarbeiten durchgehend bewohnt bleiben.

Vom Einzelbau zum intelligenten Stadtsystem

Noch grössere Effizienzeffekte werden erzielt, wenn die Erneuerung nicht nur auf der Stufe eines einzelnen Gebäudes, sondern für eine grössere Einheit erfolgt. Dazu muss die Gebäudetypologie eines Quartiers erfasst werden. Es kann sinnvoll sein, einige Gebäude zu identifizieren, die abgerissen und durch einen energiepositiven Neubau ersetzt werden. Andere Gebäude werden nach dem oben beschriebenen Verfahren umfassend erneuert. Historische, schützenswerte Gebäude können vielleicht für die saisonale Speicherung von Wärme eingesetzt werden, da in diesen Gebäuden oftmals der dazu notwendige Platz vorhanden ist. Die Gebäude werden über einen so genannten «Energy Hub» miteinander verbunden. Im Energie-Knotenpunkt des Quartiers werden die verschiedenen Funktionen des Energiemanagements zusammengeführt: von der Verteilung über die Umwandlung bis zur Speicherung von Wärme, Kälte und Strom. Dezentrale, erneuerbare Produktionsanlagen können am Energie-Knotenpunkt angeschlossen werden und einen Teil der Stromversorgung übernehmen. Werden die einzelnen Gebäude oder Verbrauchseinheiten zusätzlich mit Steuerungs- und Kommunikationsmodulen ausgestattet, kann der Verbrauch innerhalb des Quartiers optimal ausgeglichen und der fluktuierenden Produktion angepasst werden. Damit entsteht eine flexible Netzeinheit, die wie ein virtuelles Kraftwerk funktioniert (siehe Beitrag auf Seite 20-21).

Mehrere Quartiere mit intelligentem Energiesystem können untereinander zu grösseren intelligenten Einheiten verbunden werden. So lassen sich ganze Stadtteile und Agglomerationen an das regionale Stromnetz anbinden, welches wiederum mit dem nationalen Netz verbunden ist. Ziel ist es immer, die Energieflüsse auf der tiefst möglichen Netzebene zu halten. Das Versorgungsmodell der Zukunft basiert auf dem Prinzip, die unregelmässig anfallende und dezentrale Produktion aus den neuen Erneuerbaren möglichst auf regionaler Ebene zu verwerten, d.h. zu verteilen oder bei Überschuss zu speichern. Damit können Netzausbauten reduziert werden. Dies erübrigt allerdings nicht den Aufbau eines hochleistungsfähigen Supergrids, mit welchem Strom über weite Distanzen transportiert werden kann.

Interview mit Dr. Peter Richner, Stv. Direktor Empa, Vorsteher des Departements für Bau- und Maschineningenieurwesen

«Eine umfassende Erneuerung schafft Mehrwert»

Was sind die Vorteile des im CCEM-Retrofit verfolgten Ansatzes zur Wohnbauerneuerung gegenüber einer herkömmlichen Gebäuderenovation?

Nebst der energetischen Ertüchtigung werden in einer umfassenden Erneuerung auch die heutigen Ansprüche an Wohnraum mitberücksichtigt. Zudem erlaubt unser Ansatz auch die Erweiterung der Wohnfläche, beispielsweise durch den Umbau von Balkonen in Wintergärten. In den beiden Pilotprojekten wurde das bestehende Dach entfernt und durch eine zusätzliche Wohnung ersetzt. Faktisch war dieser zusätzliche Wohnraum dafür verantwortlich, dass sich die Projekte auch ökonomisch rechnen.

Wie bringt man Gebäudebesitzer - abgesehen von finanziellen und steuerlichen Anreizen - dazu, Altbauten umfassend zu modernisieren?

Viele Mehrfamilienhäuser, die zwischen 1950 und 1970 erstellt worden sind, befinden sich an attraktiver Lage, entsprechen aber nicht mehr unseren heutigen Erwartungen in Bezug auf Komfort und Energieeffizienz – sie gehören eindeutig nicht mehr zur Topliga unter den Gebäuden. Mit einer umfassenden Erneuerung ist ein Wiederaufstieg möglich. Damit verfügt der Besitzer wieder über eine Liegenschaft, die den modernen Anforderungen genügt und eine entsprechende Rendite abwirft.

Wie soll ein Hausbesitzer bei der Entscheidung zwischen Instandhaltung, umfassender Erneuerung oder Ersatzbau am besten vorgehen? Gibt es Entscheidungshilfen?

Wir haben mit dem «Retrofit Advisor» ein Tool entwickelt, das es dem Besitzer eines Mehrfamilienhauses auf einfache Art erlaubt, das Potenzial seiner Liegenschaft zu ermitteln. Dabei werden die Optionen «Pinselrenovation», umfassende Erneuerung gemäss dem Retrofit-Konzept und Ersatzneubau miteinander bezüglich Ökonomie, Ökologie und gesellschaftlichem Impact verglichen. Der Benutzer kann dabei eigene Gewichtungen vornehmen und unterschiedliche Varianten miteinander vergleichen. Diese erste Analyse dient als Grundlage für die Detailplanung. Momentan sind wir daran, den Retrofit-Advisor im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes zu erweitern und auf eine Internetplattform zu transportieren.

Gibt es bereits Ansätze in der Praxis, wie energetische Optimierungen auf Ebene der Quartiere oder ganzer Stadtteile umgesetzt werden können?

Erste Ansätze sind vorhanden und verschiedene kommunale Energieversorgungsunternehmen gehen in diese Richtung. Zu den zentralen Fragen, die noch nicht abschliessend beantwortet sind, gehören die ideale Grösse eines Verbundes, die technischen Lösungen, welche im Energiehub zum Einsatz kommen sollen, die Regeltechnik und natürlich auch juristische Fragen wie ‹Gibt es einen Anschlusszwang?›, ‹Wie wird abgerechnet?›.

Die Innovationsgeschwindigkeit im Bausektor ist vergleichsweise tief. Was braucht es für einen erfolgreichen Technologietransfer?

Bauinvestitionen sind in der Regel sehr teuer und auf einen langen Zeitraum ausgerichtet. Das führt dazu, dass Bauherren tendenziell risikoavers sind – man will sicher sein, dass die vorgeschlagenen technischen Lösungen in der Praxis funktionieren. Damit besteht eine vergleichsweise grosse Hürde des Transfers von Resultaten aus der Forschung in die Praxis. Der effizienteste Weg, den Technologietransfer zu fördern, sind Demonstrationsprojekte, bei denen unter realistischen Bedingungen die Praxistauglichkeit neuer Lösungen nachgewiesen wird. Aus diesem Grund hat die Empa zusammen mit Partnern aus dem ETH-Bereich das Konzept «NEST» entwickelt. NEST ist eine Forschungs- und Technologietransferplattform, auf der neue Resultate aus Forschung und Entwicklung im Massstab 1:1 erprobt und demonstriert werden können.

Das Effizienzpotenzial im Gebäudebereich beträgt rund 50 Prozent. Wie sieht es mit dem Potenzial bei der Mobilität und in der Industrie aus?

Technisch gesehen wurden in der Mobilität in den letzten Jahrzehnten grosse Effizienzfortschritte gemacht. Hauptstossrichtungen sind effizientere Motoren, Hybridisierung und Leichtbau. Meiner Ansicht nach liegt die grösste Herausforderung im stetigen Wachstum der Mobilität. Faktisch ist es so, dass alle Effizienzgewinne der letzten Jahre durch Mehrkonsum kompensiert worden sind.

Optimistischer bin ich für den Industriesektor. Ökonomisch sinnvolle Effizienzmassnahmen werden relativ zügig umgesetzt. Neu technische Entwicklungen werden diese Entwicklung weiter begünstigen. Eine wichtige Rolle kann der industrielle Sektor im Zusammenhang mit den lokalen Energieverbünden spielen, da er oftmals ein zum Wohnbereich komplementäres Lastprofil aufweist. Damit können Industriebetriebe z.B. als Abnehmer von Überschusselektrizität dienen und umgekehrt Prozesswärme in den Verbund einspeisen.

Reichen Effizienzmassnahmen aus, um den Energiebedarf vom Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum zu entkoppeln, oder müssen wir in Zukunft auch über die Suffizienz nachdenken?

Wie das Beispiel der Mobilität aufzeigt, erreichen wir mit Effizienz-massnahmen alleine die gesteckten Ziele nicht. Ob wir als Gesellschaft in der Lage sind, unseren Konsum freiwillig einzuschränken und welche ökonomischen Auswirkungen ein solcher Schritt haben würde, ist schwierig zu sagen. Meines Erachtens müssen wir diese Diskussion jedoch führen, um zu sehen, welche Lösungen denkbar wären und wie deren Akzeptanz in der breiten Bevölkerung aussieht. Würden wir den europäischen und nordamerikanischen Ressourcenverbrauch auf die globale Ebene extrapolieren, wird sofort klar, dass wir auf viel zu grossem Fuss leben. Der Pro-Kopf-Energiebedarf in Entwicklungs- und Schwellenländern beträgt einen Bruchteil unseres Bedarfs. Der Rest der Menschheit hat aber ebenso ein Anrecht auf wirtschaftliche Entwicklung und Wohlstand wie wir. Falls wir in den nächsten Jahren nicht ganz unerwartete technologische Durchbrüche erzielen, werden wir uns also mit der Frage der fairen Verteilung des Zugangs zu Ressourcen auseinandersetzen müssen. Das kann nur heissen, dass wir uns mit etwas weniger begnügen müssten. Dieser Schritt muss ja nicht zwangsläufig mit einem Verlust an Lebensqualität verbunden sein.

Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Für verschiedene Industriepartner nimmt die Empa Forschungsaufträge wahr, erstellt Studien und Gutachten und engagiert sich in der universitären Aus- und Weiterbildung. Die Empa verfügt über Standorte in Dübendorf, St. Gallen und Thun und beschäftigt rund 940 Mitarbeitende, wovon 140 Doktorierende. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören unter anderem nanostrukturierte Materialien, Materialien für Energietechnologien und neue Antriebstechnologien.

Weitere Informationen unter: www.empa.ch
Zum Retrofit-Programm: http://www.empa-ren.ch/CCEM-Retrofit.htm

Energieverbrauch Wohngebäude nach Baujahr
(Quelle: Empa)