Forschung im Fokus

Zeitalter der positiven Energiebilanzen erreicht

»An der Energiewende arbeiten wir nicht erst seit heute«, sagt Hans Erhorn, Leiter der Abteilung Wärmetechnik am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP. »Seit nahezu 30 Jahren forschen wir an Gebäuden, die gar keine oder möglichst wenig Energie für ihren Betrieb benötigen«.Die Aktualität des Themas lässt oft außer Acht, dass der jetzigen Debatte ein jahrzehntelanger Prozess der Entwicklung moderner Technologien für das energiesparende Bauen vorausgegangen ist. Gemeinsam mit seinem Team arbeitet der Diplom-Ingenieur seit vielen Jahren an Leuchtturmprojekten zum Thema Energieeffizienz von Gebäuden und kann auf diesem Gebiet aus einem reichen Erfahrungsschatz schöpfen.

Lange Zeit wurde im Expertenkreis das Nullenergiegebäude oder das Haus ohne Heizung – wie fälschlicherweise das Passivhaus lange bezeichnet wurde – als Meilenstein anvisiert. Dass ein Gebäude mehr Energie produziert, als es für seinen Betrieb verbraucht und damit zum Energieerzeuger werden könnte, war eine Vision in ferner, vielleicht sogar unerreichbarer Zukunft. Zweifellos ist die Entwicklung des Plus-Energiehauses ein weiterer Quantensprung auf dem Gebiet der Energieforschung, der durch die Initiative und das Engagement der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Fraunhofer IBP mit ermöglicht wurde. Inzwischen konzipiert das Wärmetechnik-Team neben verschiedenen Wohnhäuser, Schulen und weiteren Bildungsbauten, auch Verwaltungsgebäude und sogar Altbauten als Plusenergiegebäude »Jedes unserer bisher realisierten 190 spannenden Bauprojekte hat uns ein Stück weiter gebracht«, so der agile Energieexperte.

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Die Politik als Wegbereiter für die  Erforschung neuer Standards
Doch erst starke Partner, die gemeinsam an einem Strang ziehen, verschaffen Pilotvorhaben die nötige Durchschlagskraft. Die Politik leistet hierbei mit Demonstrationsvorhaben und Anschubfinanzierungen einen unverzichtbaren Part, wenn es darum geht, Trends in der Gesellschaft zu setzen und diese nachhaltig zu unterstützen sowie nötige Rahmenbedingungen für Veränderungen zu schaffen. Gleichzeitig bedarf es eines engagierten Teams, das die wissenschaftliche Umsetzung vorantreibt. Das Management von deutschen und europäischen Begleitforschungsinitiativen sieht Hans Erhorn als eine seiner wesentlichen Aufgaben an. Dazu gehören insbesondere, den Gesetzgeber bei seinen aufgelegten Programmen zu unterstützen und Partner aus der Praxis für die Umsetzung zu gewinnen, Demonstrationsvorhaben zu entwickeln und bautechnisch zu begleiten sowie mit ausgeklügelten Messkonzepten entsprechende Evaluierungen vornehmen. Sich entwickelnde übergeordnete Trends im Projektverlauf zu analysieren und daraus Handlungsmaximen abzuleiten oder beispielsweise gesammelte Erfahrungen in Leitfäden aufzubereiten, verdeutlichen die hohe Relevanz dieser Forschungsvorhaben. Nicht zu unterschätzen ist die Medienarbeit, denn die Information der Öffentlichkeit und der Wissenstransfer sind wichtige Ziele aller Beteiligten. Ein guter Draht zu den Ministerien, insbesondere in den Bereichen Wirtschaft und Bauen, jedoch ebenso zu Projektträgern und Baubehörden, Planern sowie zu Partnern aus der Bauindustrie ist für eine Forschungseinrichtung unabdingbar und zeichnen auch hier den Energiespezialisten Hans Erhorn aus.

Auf dem Weg zum Gebäude als Kraftwerk
Doch wie wird nun aus einem herkömmlichen Gebäude, das zum Beheizen und für Warmwasser in der Regel trotz Einsparmaßnahmen immer noch beachtliche Mengen an fossiler Energie benötigt, ein Energieproduzent hinsichtlich der jährlichen Energiebilanz? Am Beispiel des Effizienzhauses Plus in Berlin, das die Forscher des Fraunhofer IBP vom Wettbewerb bis zur Evaluierung intensiv betreuen, wird deutlich, welche Entwicklungsarbeit hinter derartigen Zukunftsprojekten steckt. Diese Leuchtturmprojekte zeichnen sich dadurch aus, dass die Energieeffizienz des Gebäudes bestmöglich gesteigert und gleichzeitig der Energiebedarf der Haushaltsprozesse so gering wie möglich gehalten wird. Was das Gebäude dann letztlich noch an Energie braucht, wird ausschließlich durch erneuerbare Energien, die in unmittelbarer Gebäudenähe anfallen – wie z. B. Solarenergie oder Erdwärme – gedeckt. Was sich so einfach anhört, ist häufig komplexe Technik.
Die zentrale Frage lautet: Wie wird ein Gebäude hoch energieeffizient? Ein kompakter Baukörper und die optimale Ausrichtung sind die Basisbausteine. Hinzu kommen Fenster in bestmöglicher Qualität, wärmebrückenfreie Konstruktionen und Bauteilanschlüsse sowie mit effizienter Technik gespickte Gebäude- und Regelungsanlagen. Wärmerückgewinnungssysteme in der Lüftung und in den Abwassersystemen helfen, Verluste zu begrenzen und ein konsequent durchgeführter hydraulischer Abgleich in den wasser- und Luft führenden Anlagenteilen sorgt zum Beispiel für geringere Antriebsenergien für Pumpen und Ventilatoren. Auch der Einsatz von Haushaltsgeräten mit höchster Energieeffizienz und der Einbau energieeffizienter Lichtsysteme, wie zum Beispiel eine LED-Beleuchtung in Verbindung mit Systemen zur vorrangigen Tageslichtnutzung tragen dazu bei, den Energiebedarf gering zu halten.
Nachdem in derartigen Gebäuden keine fossilen Energieträger mehr zum Einsatz kommen sollen, stellt sich die Frage nach den Alternativen. Welche erneuerbaren Energiequellen stehen zur Verfügung? Völlig kostenfrei können die Fensterflächen genutzt werden, die zum einen passiv Energie gewinnen und zum anderen durch die Ausbeute an Tageslicht den Energiebedarf vermindern. Aktiv lässt sich erneuerbare Energie über thermische Solarkollektoren, biogene Brennstoffe, Geothermie oder Umweltwärme erschließen. Stromerzeugende Systeme wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen bringen schließlich das »Plus«. Was im Gebäude nicht verbraucht wird, gelangt als Überschuss ins Netz der Energieanbieter. Batteriesysteme sorgen dafür, dass die Netzeinspeisung auf ein Minimum reduziert wird, um hierdurch Netzschwankungen gering zu halten und möglichen Folgeproblemen vorzubeugen.

Die Verifizierbarkeit von visionären Gebäudekonzepten
Damit die Bewertung der Gebäude auf einheitlichen Regeln basiert und dadurch die Kennwerte der Gebäudekonzepte vergleichbar werden, hat das Team der Abteilung Wärmetechnik die Rechenprozedur für das Energiehaus Plus mit allen anrechenbaren Komponenten entwickelt. Derzeit wird diese in ein Normenwerk und in begleitende Softwareprodukte umgesetzt. Um die Berechnungen der Gebäudekonzepte zu evaluieren, entwickelten die IBP-Forscher darüber hinaus ein ausgeklügeltes Messkonzept. So lässt sich feststellen, ob beispielsweise die Gebäudehülle luftdicht und die Fensteranschlüsse wärmebrückenfrei erstellt wurden, oder ob es Differenzen zwischen den Soll- und Ist-Zahlen bei der Effizienz der Anlagentechniken gibt. Die Messkonfiguration ist so ausgelegt, dass eine komplette monatliche Energiebilanz erstellt werden kann und dabei die Leistung der installierten Anlagentechnik sichtbar wird. Damit ist der Nutzer jederzeit informiert, ob seine Energiebilanz derzeit gut oder schlecht aussieht. Auch Lufttemperaturen und CO2-Konzentrationen in relevanten Räumen wie Wohn- oder Schlafzimmer werden kontinuierlich festgehalten. Welche Energiemenge die Photovoltaikanlage liefert und ob sie für den Eigenverbrauch genutzt oder im Netz zur Verfügung steht, wird ebenso aufgezeichnet wie der Verbrauch aller Elektrogeräte im Haus. Die Effizienz der Wärmepumpe und die Wärmemenge, die von ihr an die Heizungsverteilung abgegeben wird sowie Verbrauchswerte für die Raumheizung und die Bereitstellung von Warmwasser werden ebenfalls erfasst und ausgewertet. Mit den umfangreichen Messwerten erfolgt  die Bewertungsprozedur auf Praxistauglichkeit. So soll dafür gesorgt werden, dass die Vorherberechnung auch später zu vertrauenswürdigen Ergebnissen im praktischen Betrieb führt.

Parallel zur Wärmeversorgung erfolgt eine messtechnische Bewertung. Dazu werden die Betriebsdaten aller Hauptverbraucher und des Batteriespeichers separat aufgezeichnet, ebenso die Energiemenge für das Laden der Elektrofahrzeuge. Dem wird die aus den Photovoltaikanlagen gewonnene Strommenge gegenübergestellt und ins Verhältnis zum Gesamtbedarf gesetzt. Übers Jahr aufsummiert soll dabei der mit der Photovoltaikanlage »geerntete« Stromgewinn größer sein als der Gesamtstromverbrauch für Wohnen und E-Mobilität.

Transparenz und Transferleistung der Forschung
Damit das aus der Forschungs- und Entwicklungsarbeit generierte Wissen nicht auf den Schreibtischen oder den Köpfen der Wissenschaftler »verstaubt«, werden Messprojekte des Fraunhofer IBP im Internet für jedermann zugänglich aufbereitet: zum Beispiel das Effizienzhaus Plus in Berlin oder das Museum als Niedrigenergiegebäude.

Das Gebäude als Energielieferant schafft ein Szenario, das völlig neue Wege der Energieversorgung eröffnet. »Sowohl ausgereifte Konzepte für Gebäudetypen als auch hervorragend gebaute Gebäude sind jedoch Voraussetzung für einen nachhaltigen Erfolg«, bringt Hans Erhorn die Fakten auf den Punkt. Mit diesen Parametern im Gepäck können dann beispielsweise energetische Lösungen für Quartiere oder für ganze Städte angegangen werden.
(schw)

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Die monatliche Internetrubrik gibt Einblicke in die Forschungsarbeit des Fraunhofer IBP.

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