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Ein internationales Spotlight auf die Bilanzierung von Null- und Plusenergiegebäuden

„Nullenergie“ und „Plusenergie“ sind visionäre Konzepte, die erst noch für die breite Baupraxis konkretisiert und nachvollziehbar gemacht werden müssen, auch wenn der Markt sie bereits anpreist. Eine Forschungsgruppe nutzte die Struktur der Internationalen Energieagentur (IEA) und befasste sich ab Oktober 2008 fünf Jahre lang im Rahmen des „Solar Heating and Cooling/Energy in Buildings and Communities Programme“ (SHC/EBC) mit Fragen und Themen rund um Nullenergiegebäude und deren Charakterisierung.

Abbildung 1: Plusenergiegebäude, wie sie im Projekt "Towards Net zero Energy Solar Buildings (NZEB)" analysiert wurden. Quelle: IEA SHC/EBC Task 40

Zielsetzung

Zugegeben, der Begriff „Nullenergie“ ist nicht besonders geeignet, den Markt in deutschsprachigen Ländern zu fluten. Daher verwendet z.B. Österreich eher den Begriff „Plusenergie“ oder das „Plus“ generell, wenn es um neue Gebäudetechnologien geht. Ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg dahin führt über die „nearly zero energy buildings“, die in der Letztfassung der EU Gebäuderichtlinie gefordert werden. Beim Plusenergiegebäude angelangt könnte dann der Übergang von der primärenergetischen „Effizienzskala“ zu einer primärenergetischen Bilanz im Energieausweis, ähnlich der aus Abbildung 2, erfolgen. Dabei bezeichnet „electricity load match“ bzw. „thermal load match“ die Übereinstimmung zwischen Erzeugung und Bedarf von elektrischer und thermischer Energie.

Jedenfalls wurden Plusenergiegebäude bisweilen nicht klar definiert, so dass zuallererst eine international abgestimmte Definition, Anforderungen und Systemgrenzen erarbeitet werden mussten. Ziel war das Vorliegen einer allgemein gültigen, international abgestimmten Definitionsmethodik und die Analyse von bestehenden netzintegrierten Null-Energiegebäuden unter Beachtung folgender Fragestellungen:

• Welche Ansätze und gesetzlichen Bestimmungen gibt es in verschiedenen Ländern?
• Wie wird bilanziert?
• Wo liegen die Systemgrenzen?
• Welche Technologien und gesamtheitlich betrachteten Systeme der Energiebedarfsreduktion und Energiebereitstellung sind zielführend?

Einheitliche Definition für Netto-Nullenergiegebäude (Net Zero Energy Building, NZEB)

Die etwa 20 am IEA-NZEB Projekt beteiligten LändervertreterInnen aus vier Kontinenten einigten sich auf ein einheitliches Bilanzierungsschema, das in Abbildung 3 dargestellt ist. Für das Grundprinzip mit Energiebedarf (Input) und Energiegutschriften (Output) werden notwendige Kriterien (Bildanzierungskategorien) definiert und dann bilanziert. Diese Kriterien können sich national oder je nach Anwendung oder Zielsetzung der Bilanzierungsmethode ändern. Sie werden in vier Gruppen eingeteilt:

1. Indikatoren oder Messgrößen
2. Gebäudenergiebilanz – Energiebedarf plus nutzungsspezifische Verbräuche
3. Bilanzgrenze der Energiegutschriften
4. Bilanzierungszeitraum

Auf dieser Grundlage können vier „Standards“ definiert werden, abhängig von der jeweiligen Umsetzung von (Nahe-)Nullenergiegebäuden im nationalen normativen Rahmen. In Tabelle 1 sind diese vier Standards in Abhängigkeit ihrer Bilanzierung und Bewertung dargestellt.

Der Standard „Nahezu Nullenergie“(„Nearly Net ZEB“, auch „Net ZEB limited“), ist in Hinblick auf die EU-Gebäudeeffizienz-Richtlinie konzipiert. Die Standards „Primärenergetische“ bzw. „Strategische Nullenergiegebäude“(„Net ZEB primary/strategic“) unterscheiden sich nur hinsichtlich der Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Energieträger. Während „Primärenergetische Nullenergiegebäude“ mit Primärenergiefaktoren gewichtet wird, und zwar der Bedarf wie auch die Erzeugung mit denselben Faktoren („symmetrisch“), können bei „Strategischen Nullenergiegebäuden“ politische oder anderweitige Faktoren eingesetzt bzw. unterschiedliche für Bedarf und Erzeugung („asymmetrisch“) verwendet werden. Einer dieser beiden Standards entspricht am wahrscheinlichsten dem zukünftigen Standard für Niedrigstenergiegebäude in Österreich. Der vierte Standard „Nullemissionsgebäude“ („Net ZEB emission“, auch „Net ZEB carbon“), gewichtet die durch das Gebäude verursachten Treibhausgasemissionen. Auf der Website des Projektes ist ein Evaluationstool abrufbar, das die vier Definitions-Standards abbildet [2].

Rein rechnerisch kann so ein Gebäude ohne gute thermische Qualität genauso ein Nullenergiehaus sein. Jedoch ist eine hohe Energieeffizienz der Gebäude jedenfalls sinnvoll. Denn je größer der Energiebedarf des Nullenergiegebäudes, desto größer muss der Anteil nutzbarer Erneuerbarer Energien vor Ort sein (mehr PV-Flächen, mehr thermische Kollektoren, etc.). Da diese aber im gemäßigten Klima nicht regelmäßig Energie liefern können, werden dabei auch die Ansprüche an das Netz als Speicher und Lastausgleich größer. Diese Disbalance zwischen einerseits Energieerzeugung vor Ort und Energiebedarf und andererseits die Energieeinspeisung ins und Energieentnahme aus dem Netz wird allgemein als „Mismatch“ bezeichnet.

Solange der Energiebedarf des Gebäudes zu Zeiten guter Versorgung aus dem Netz anfällt ist er keine „Belastung“ für das Netz. Sobald eine immer größer werdende Anzahl von Gebäuden zu Spitzenzeiten Energie aus dem Netz beziehen oder bei ohnehin guter Versorgung zusätzlich einspeisen will, wird das Netz stärker belastet. Diese Zusammenhänge mit dem Netz sind sehr wichtig in der Darstellung von NZEB und werden als „grid interaction“ beschrieben. Sowohl für die kurzfristige Investition, als auch für den langfristigen Betrieb wird es wirtschaftlicher sein, den Mismatch gering zu halten. In Hinblick auf die Interaktion des NZEB mit den Netzen und auf verschiedene Energieträger kann der Mismatch mit verschiedenen Faktoren beschrieben werden [3].

Einfacher darzustellen ist die zeitliche Übereinstimmung zwischen Energiegewinnung und -bedarf vor Ort und wird als „load match“ bezeichnet. Abbildung 4 zeigt als Beispiel einen „Electricity load match“-Faktor von 55,8%, d.h. 55,8% des Primärenergiebedarfs werden monatlich zeitgleich durch die Energieproduktion abgedeckt.

Sinkt der Bilanzierungszeitraum auf niedrigere Zeitintervalle wie Tage, Stunden oder gar Minuten so werden weit geringere „load match“- Faktoren erzielt. Bei einer stündlichen Bilanzierung einer Vielzahl untersuchter Gebäude lässt sich bei einem rein über PV-Strom versorgtem Nullenergiegebäude mit Wärmepumpe ein „load match“- Faktor von unter 30% feststellen. Diese Disbalance kann durch den Zusammenschluss verschiedener Gebäude mit unterschiedlichen Nutzungen, dem vermehrten Einsatz von solarthermischen Kollektoren in Kombination mit Speichern und intelligenter Gebäudetechnik verringert werden. Ein Nachfolgetask der Internationalen Energieagentur zur „Mismatch“ und „Grid Interaction“ Analyse ist derzeit gerade in Vorbereitung.

Abbildung 3: Grundprinzip Input/Output, notwendige Festlegungen und beispielhafte Bilanzierung eines Nullenergiegebäudes [1]

Abbildung 4: Beispiel einer "Electricity Load Match" von 55,%, was bedeutet, dass 55,8% des Strombedarfs auch tatsächlich in monatlicher Übereinstimmung vor Ort erzeugt werden kann. Quelle: EURAC

Tabelle 1: Die vier Standards, auf denen die Definition von Nullenergiegebäuden aufbaut

Bilanzgrenzen der Energieerzeugung

Der Begriff Nullenergiegebäude bezieht sich meist auf das einzelne Gebäude mit lokaler Energieerzeugung, hat aber einen Netzanschluss. Die lokale Energieerzeugung muss an dem betrachteten Gebäude oder auf den zum Gebäude gehörigen Zubauten auf dem Grundstück erfolgen (z.B. auf dem Garagendach). Diese gebäudebezogene Bilanzgrenze stößt jedoch sehr schnell an Grenzen, da Gebäude in vielen Fällen nicht die Möglichkeit haben, vor Ort genügend Erneuerbare Energie zu nutzen, siehe auch Artikel „Plusenergiegebäude als Mogelpackung?“ dieser Ausgabe. Aus diesem Grund sind auch andere Bilanzgrenzen denkbar (siehe Abbildung 5).

Eine weitere Möglichkeit, die Bilanzgrenze zu erweitern, ist der Kauf von Anteilen z.B. an einer Windkraft- oder Photovoltaikanlage. Die anteilsmäßig erzeugte extern produzierte Energie kann in die Bilanz angerechnet werden. Mit dieser Variante wird die strenge Definition der lokalen Energieerzeugung am Gebäude aber erweitert. Produzierte Energie aus Gemeinschaftsanlagen mit verschiedenen TeilhaberInnen, z.B. einer Photovoltaikanlage auf einem Parkhaus, könnten somit angerechnet werden. Die Nullenergiebilanz würde in diesem Fall nicht mehr direkt am Gebäude sondern durch Anteile an standortfernen Anlagen erreicht. Inwieweit ein Nullenergiegebäude rein durch Zukauf von „grüner“ Energie realisiert werden kann ist jedoch fraglich. Der Bilanzausgleich zwischen mehreren zusammengehörigen Gebäuden, in deren Verbund Differenzen ausgeglichen werden, wäre ebenso eine denkbare Erweiterung dieser Grenze. Die Definition obliegt dem strategischen Ziel der Bilanzierung.

Abbildung 5: Verschiedene Bilanzgrenze von Nullenergiegebäuden. Quelle: NREL

Datenbank von internationalen Nullenergiegebäuden

Mittels einer weltweiten Bestandsaufnahme wurden annähernd 300 Null- und Plusenergiegebäude erfasst und analysiert. Anhand gebauter Beispiel- und Demonstrationsprojekte wurden Erkenntnisse über verschiedene Konzepte, technische wie architektonische Lösungswege, Energiekennwerte und Erfahrungen gesammelt, gegenübergestellt und ein Maßnahmenkatalog formuliert. Durch die Einbettung der bereits in Österreich realisierten Nullenergiegebäude wie die „Haus der Zukunft Plus“-Demoprojekte „Sanierung Johann Böhm Straße 34-36“ in Kapfenberg und der „Plusenergieverbund Reininghaus Süd“ in Graz in das internationale Forschungsprojekt erfolgte ein internationaler Informationsaustausch. Teile dieser Datenbank von Gebäuden aus verschiedenen Klimazonen werden Mitte 2014 in einem Buch beim Verlag „Ernst & Sohn“ veröffentlicht und finden sich in einer Weltkarte [4].

Wichtig war hierbei der Vergleich zwischen errechneten bzw. simulierten Verbräuchen und den Ergebnissen des Gebäudemonitoring, das anhand einer eigens für dieses IEA-Projekt entwickelten standardisierten Vorgangsweise entwickelt wurde.

Mess- und Nachweisverfahren für NZEB

Die Erfassung der Nullenergiegebäude z.B. im Net ZEB Evaluation Tool setzt standardisierte Nachweise der Primärenergieflüsse oder CO2-Emissionen voraus, die aus den Endenergiebedarfsberechnungen oder eben aus den detaillierten Messungen der Verbräuche abgeleitet werden können. Auch die visuelle Darstellung der Energieflüsse und Zusammenhänge in der Gebäudetechnik wurden im Projekt erarbeitet (siehe ein Beispiel der Plusenergiehäuser in Weiz in Abbildung 6).

Die messtechnische Analyse muss die Energieflüsse erfassen, die Funktion der Gebäudeteile mit Normalanforderungen und die Funktion der Gebäudeteile mit speziellen Anforderungen überprüfen. Diese speziellen oder kritischen Teile von Gebäuden wie z.B. süd-westorientierte Dachwohnungen auf der Nordhalbkugel müssen auch im Stichprobenumfang für Messungen und Behaglichkeitsuntersuchungen berücksichtigt werden. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel dazu.

Abbildung 6: Darstellung der energieflüsse und detaillierten Haustechniknutzung der Plusenergiehäuser in Weiz. Quelle: AEE INTEC auf Basis von Daten Arch. DI Erwin Kaltenegger

Abbildung 7: Beispiel für die Anzahl und Auswahl von zu messenden Wohnungen in einem Komplex von fünf Wohngebäuden - einige Wohnungen (grün) werden im Zufallsprinzip, die kritischen Wohnungen (rot) bewusst ausgewählt. Quelle: AEE INTEC

Netz-Interaktion von Nullenergiegebäuden und Ausblick

Auf internationaler Ebene wird zurzeit sehr stark über die Sinnhaftigkeit der Bilanz auf Jahresbasis diskutiert. In mittel- und nordeuropäischen Breiten wird in der Wintersaison immer Heizwärmebedarf gegeben, die Produktion vor Ort mit PV oder Solarthermie durch die schwächere Globalstrahlung naturgemäß aber niedriger sein. So lange Verbrauch und Produktion über eine Vielzahl an ProduzentInnen und NutzerInnen nicht besser übereinstimmen, stellt sich die Frage, was eingespeiste, aber nicht benötigte elektrische oder Wärmeenergie wert ist.

Das heißt, dass wenn ein Gebäude bei einer Betrachtung über ein gesamtes Jahr zwar als Null-Energiegebäude bilanziert werden kann, aber Gutschriften für die Bilanzierung (siehe Abbildung 3) nur vergeben werden, wenn tatsächlich eine Nachfrage besteht, dann wird das Ziel „Nullenergie“ weit verfehlt, und das Netz übermäßig belastet. Dies zeigt sich bei monatlicher, stündlicher und erst recht bei laufender Bilanzierung (z.B. im 10 min-Takt). Die erhöhte Netzinteraktion in diesen Fällen, v.a. bei Netzen mit hohem Anteil an erneuerbaren Energieträgern, ist und wird weiterhin Thema von Forschungsprojekten sein, und stellt nicht nur an die Netze erhöhte Flexibilitäts- und Speicheranforderungen, sondern auch an die Gebäude.

Literatur

1. Voss, Sartori, Lollini et. al., IEA Task 40 - How Definitions And Regulations Affect the Solutions
2. Siehe Net ZEB Evaluation Tool unter http://task40.iea-shc.org/net-zeb, aufgerufen am 30.1.2014, 14:00
3. Salom J. et al., analyses of load match and grid interaction indicators in Net Zero energy Buildings with high resolution data, A report of Subtask A, October 2013
4. Musall E., bergische Universität Wuppertal, Net zero-energy buildings - Map of international projects, Stand 09.2013, abrufbar unter http://www.enob.info/en/net-zero-energy-buildings/map

Autorenbeschreibung

Arch. DI Tobias Weiß ist Mitarbeiter von Nussmüller Architekten ZT GmbH und Fachbereichsleiter an der FH Salzburg für nachhaltiges Bauen – Studiengang smart Building , E-mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

DI Armin Knotzer ist Mitarbeiter von AEE INTEC, Bereich Nachhaltige Gebäude. E-mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Dieses Projekt wurde im Rahmen der IEA Forschungskooperation im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie durchgeführt.