Die Technologien der Zukunft

Wird der gesamte Energieverbrauch der Schweiz betrachtet, so entfallen knapp $$50\,\%$$​ der eingesetzten Energie nur auf den Betrieb von Gebäuden. Dies hat ca. $$25\,\%$$​ der $$CO_2$$​-Emissionen zur Folge. Gebäude haben daher einen hohen Stellenwert für die Energiewende und den Klimaschutz.

Andererseits können Gebäude schon heute so effizient gebaut werden, dass sie über ein ganzes Jahr betrachtet mehr Energie aus am Gebäude installierten erneuerbaren Energien produzieren können als sie selbst verbrauchen. Dementsprechend spricht man von Plusenergiegebäuden. Allerdings beträgt der Anteil von Neubauten nur ca. $$1\,\%$$ pro Jahr, und der Gebäudebestand hat einen ungleich höheren Energieverbrauch. Zudem werden ca. $$60\,\%$$​ der Altbauten mit fossilen Energien beheizt, insbesondere Öl, was mit hohen $$CO_2$$​-Emissionen verknüpft ist. Abbildung 1 zeigt den Heiz- und Warmwasserwärmeverbrauch im Kanton Zürich abhängig vom Baujahr. Dieses Bild entspricht auch den anderen Kantonen in der Schweiz und den Ländern in Zentral- und Nordeuropa.

Abb. 1: Gebaute Wohnfläche und Energiekennzahl Wärme im Kanton Zürich, Quelle: CCEM Advanced Retrofit

Eine wesentliche Reduktion wird bei Neubauten oder renovierten Gebäuden durch eine bessere Wärmedämmung erzielt. Abbildung 2 zeigt die Entwicklung des Energieverbrauchs eines Gebäudes in Abhängigkeit des Baujahres aufgeschlüsselt nach sogenannten Transmissionsverlusten (rot), also Wärmeverlusten über die Gebäudehülle, Lüftungsverlusten durch Luftaustausch (gelb) und für die Warmwassererwärmung (blau). Das Niveau der Wärmedämmung wird über die Dicke der schwarzen Linie dargestellt und die Zahl zeigt den resultierenden Jahreswärmebedarf. Mit heutigem Baustandard kann der Energieverbrauch um über $$90\,\%$$​ im Vergleich zum Altbau gesenkt werden. Bei einem sogenannten Netto-Nullenergiegebäude ganz rechts ist die Jahresenergiebilanz aus verbrauchter und am Gebäude produzierter Energie gerade ausgeglichen.

Abb. 2: Entwicklung des Wärmebedarfs von Wohnhäusern, Quelle: bearbeitet nach Viessmann

Der Energieeinsatz für die Beheizung des Gebäudes kann ebenfalls grösstenteils durch erneuerbare Energie gedeckt werden, wenn ein grosser Teil aus der Umgebung entnommen wird. Dies kann über eine Wärmepumpe realisiert werden. Das Prinzip der Wärmepumpe ist in Abbildung 3 dargestellt. Aufgrund eines Naturgesetzes, dem sogenannten 2. Hauptsatz der Thermodynamik, fliesst Wärme immer von warm nach kalt. Mit der Wärmepumpe kann diese Richtung durch Zwischenschalten eines Prozesses aber umgekehrt werden, wofür allerdings elektrische Energie benötigt wird. Auf der kalten Seite der Wärmepumpe befindet sich ein Wärmetauscher zur Umgebung, über den Wärme auf tiefem Temperaturniveau in den Prozess eingekoppelt wird. Da die Umgebung insbesondere im Winter recht kalt ist, wird dafür ein Stoff, ein sogenanntes Kältemittel eingesetzt, das schon bei tiefen Temperaturen verdampft, wobei dem Prozess Wärme zugeführt wird.

Abb. 3: Funktionsschema einer Wärmepumpe, Quelle: bwp

Die Verdampfungstemperatur kann über den Druck, unter dem der Stoff vorliegt, beeinflusst werden. Diese Eigenschaft wird auch ausgenutzt, um bei höherer Temperatur Wärme an das Heiz- oder Warmwassersystem abzugeben, indem der Druck im System über einen Verdichter entsprechend erhöht wird, wodurch das Gas nun bei hoher Temperatur wieder verflüssigt werden kann. Dazu wird elektrische Energie benötigt. Bei der Verflüssigung wird Wärme frei, die über einen zweiten Wärmetauscher an das Heizwasser übertragen wird. Um die Wärmepumpe kontinuierlich zu betreiben, muss nach der Wärmeabgabe der Druck wieder über ein Entspannungsventil abgesenkt werden, um wieder Wärme aus der Umgebung aufzunehmen. Da ein grosser Teil der Wärme aus der Umgebung stammt, wird deutlich weniger elektrische Energie gebraucht, so dass die Wärmepumpe eine sehr hohe Effizienz erzielt. Bei Wärmeentzug aus der Aussenluft wird ca. ein Verhältnis von $$3$$​ erreicht, also für $$3 \,kWh$$​ Wärme muss nur $$1 \,kWh$$​ elektrische Energie aufgewendet werden. Dieses Verhältnis bezeichnet man als Jahresarbeitszahl (JAZ). Bei Erdreich als Wärmequelle, das im Winter eine höhere Temperatur als die Aussenluft hat, wird sogar ein Verhältnis von $$4$$​ und höher erreicht. Wird die Elektrizität nun noch aus erneuerbaren Quellen produziert, verursacht die Wärmepumpe im Betrieb keine $$CO_2$$​-Emissonen. Nach Untersuchungen können in der Schweiz durch Einbau einer Wärmepumpe im Altbau die $$CO_2$$​-Emissionen um bis zu $$90\,\%$$​ gesenkt werden.