Die Integration von erneuerbaren Energien in Gebäude

Der Nachhaltigkeitsaspekt ist längst auch im Gebäudesektor angekommen. Die Integration der erneuerbaren Energien in die Gebäudeplanung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu grünen Gebäuden. Einem Bericht der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien (IRENA) zufolge machen die erneuerbaren Energien 43 % der weltweit installierten Stromkapazität aus. Mit der Integration von Solar-, Wind- und Erdwärmetechnologien in die Gebäudeplanung werden Gebäude zum Ökosystem. 

In diesem Artikel schauen wir uns an, wie die erneuerbaren Energien in Gebäude integriert werden können, sei es durch Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen oder durch geothermische Heizungen. Bevor wir uns aber die einzelnen innovativen Systeme und ihre Herausforderungen anschauen, erläutern wir, warum die Erneuerbaren im Vergleich zu fossilen Energiequellen besser für die Gebäudetechnik sind. 

Die Bedeutung der erneuerbaren Energien für die Gebäudeplanung

Erneuerbare Energieträger erneuern sich im Gegensatz zu fossilen Energieträgern (Kohle, Erdöl, Erdgas) verhältnismässig schnell und stehen praktisch unerschöpflich zur Verfügung. Zu diesen Energieformen gehören die Solarenergie, die Wind– und Wasserkraft, aus Biomasse gewonnenes Biogas und Geothermie. Werden diese Energieträger in Gebäude integriert, kann nicht nur die Gesamtenergieeffizienz, sondern auch der CO2-Fussabdruck der Gebäude verbessert werden. 

Da mit den erneuerbaren Energien Treibhausgasemissionen vermieden werden, leisten sie einen wichtigen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel. Sie ermöglichen eine dezentrale Energieversorgung, also die Stromerzeugung vor Ort, und sorgen so für Stabilität und Unabhängigkeit, während sie gleichzeitig die Umwelt schützen. 

Auch aus wirtschaftlicher Sicht lohnt sich die Einbeziehung erneuerbarer Energien in Gebäude. Erneuerbare Energien sind nicht nur günstiger als fossile, sondern sorgen auch für mehr Stabilität bei der Preisentwicklung, da sie, was die Preise betrifft, weniger volatil sind. Darüber hinaus kann die Nutzung erneuerbarer Energien in Gebäuden die Immobilienpreise erhöhen und die Luftqualität in Innenräumen verbessern.

Innovative erneuerbare Energiequellen für Gebäude

Nachdem wir uns mit den Vorteilen erneuerbarer Energiequellen befasst haben, konzentrieren wir uns nun auf die jeweiligen Möglichkeiten, wie die erneuerbaren Energien in die Gebäude integriert werden können und Häuser damit zu grünen Gebäuden machen. 

Photovoltaik und Solarthermie

Bei einer Photovoltaikanlage wandeln Solarmodule, meistens auf Siliziumbasis, die Sonnenenergie in Strom um. Es gibt drei Arten von Solarmodulen: monokristalline, polykristalline und Dünnschichtmodule. Sie können in die Fassade oder das Dach von Gebäuden integriert werden. Der Ausbau der Erneuerbaren stieg 2023 um fast 50 % im Vergleich zum Vorjahr, was vor allem auf die Expansion des boomenden Photovoltaikmarkts in China zurückzuführen ist.

Arten von Solarzellen

• Monokristalline Solarmodule: Diese aus einer Einkristallstruktur gefertigten Module sind für ihre hohe Effizienz und ihr elegantes Aussehen bekannt. Sie sind zwar oft teurer als andere Solarzellen, aber auch effektiver und platzsparender.
• Polykristalline Solarmodule: Sie sind preiswerter als monokristalline Solarzellen, haben aber aufgrund der vielen Siliziumkristalle oft einen geringeren Wirkungsgrad. Sie sind eine beliebte Wahl für grössere Anlagen, bei denen der Platz keine Rolle spielt.
• Dünnschichtmodule: Zur Herstellung dieser Module wird ein Substrat mit einer oder mehreren Schichten photovoltaischen Materials bedeckt. Aufgrund ihrer Flexibilität, ihres geringen Gewichts und ihres halbtransparenten Materials können sie unter anderem in Fenster und Fassaden integriert werden.

Solarthermie 

Bei der Solarthermie wird die Sonnenwärme von Kollektoren absorbiert und an eine Solarflüssigkeit weitergegeben. Diese transportiert die Wärme über einen Wärmetauscher in den Solarspeicher, um bei Bedarf Warmwasser oder Heizwärme bereitzustellen. Diese Technik wird häufig in Industriebetrieben und Fernwärmesystemen eingesetzt, da sie für grosstechnische Anwendungen sehr effizient ist.

Windenergie

Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in Strom um. Zu den neuen Entwicklungen in der Windtechnologie gehören vertikale Windkraftanlagen. Die Windräder mit vertikal verlaufenden Rotorblättern sind deutlich kleiner als die klassischen Windräder und funktionieren auch in turbulenten Windverhältnissen gut, weshalb sie auch in Städten installiert werden können. Für die grossflächige Stromversorgung werden allerdings grosse klassische Windkraftanlagen verwendet, die jährlich bis zu Tausende Haushalte mit Strom versorgen können. Dem Global Wind Energy Council zufolge erreichte die gesamte Windkraftleistung bis Ende 2023 mehr als 906 Gigawatt, was einem Anstieg von 9 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Neben der Photovoltaik ist auch die Windkraft eine der wichtigsten erneuerbaren Energien. Durch vertikale Windräder können in Zukunft auch in den Städten Windkraftanlagen gebaut werden. 

Arten von Windrädern

• Horizontale Windkraftanlagen: Bei diesen Anlagen drehen sich die Rotorblätter um eine horizontale Achse. Sie sind am weitesten verbreitet und werden in der Regel in grossen Windparks eingesetzt, um Tausende Haushalte jährlich mit Strom zu versorgen. 
• Vertikale Windkraftanlagen: Aufgrund ihrer vertikalen Ausrichtung können diese Anlagen den Wind aus verschiedenen Richtungen aufnehmen, was bei unvorhersehbaren Windverhältnissen, wie es in Städten der Fall ist, von Vorteil ist. Durch ihre geringe Grösse können die Anlagen in unmittelbarer Nähe zu Gebäuden und Bauwerken aufgestellt werden, wodurch die Energiemenge, die auf kleinen Flächen aufgefangen werden kann, maximiert wird.

Integration von Windkraftanlagen in die Gebäudeplanung

Kleinere Anlagen können auf Dächern montiert oder in die Gebäudestruktur integriert werden und stellen eine direkte Quelle für erneuerbare Energien dar. Diese Methode funktioniert gut in städtischen Umgebungen mit begrenztem Platz und viel Wind. Wenn genügend Windressourcen vorhanden sind, können Gebäude einen grossen Teil ihres Energiebedarfs durch frei stehende Windkraftanlagen decken, die in der Nähe aufgestellt werden. Diese Anlagen können von kleinen kommunalen Windprojekten bis zu grossen Windparks reichen, die Energie direkt in das Netz einspeisen.

Geothermie

Geothermische Systeme verwenden die oberflächennahe Erdwärme zum Heizen und Kühlen. Dafür entziehen Wärmepumpen dem Erdreich im Winter Wärme oder führen ihm Wärme im Sommer zu. Erdwärmepumpen sind nicht nur hocheffizient, sondern auch weniger abhängig von der Aussentemperatur. Je nach Fläche und Bodenbeschaffenheit werden verschiedene Arten von Erdwärmepumpen verwendet, z. B. horizontal, vertikal und Oberflächenwasser-Wärmepumpen. Nach Angaben des US-amerikanischen Energieministeriums können Erdwärmepumpen den Energieverbrauch im Vergleich zu Luftwärmepumpen um bis zu 44 % und im Vergleich zu herkömmlichen Klimaanlagen um 72 % senken. 

Arten von geothermischen Systemen

• Horizontale Systeme: Horizontal verlegte Erdkollektoren benötigen viel Platz, aber dafür keine tiefen Bohrungen, weshalb sie günstiger sind.
• Vertikale Systeme: Vertikal verlegte geothermische Systeme benötigen dagegen nur wenig Aufstellfläche, da in die Tiefe gebohrt wird. Sie sind wegen der notwendigen Bohrungen allerdings auch teurer.
• Oberflächenwasser-Wärmepumpen: Diese Systeme tauschen Wärme mit einem nahegelegenen Oberflächengewässer, wie Seen, Flüsse, Teiche etc. aus. Auch wenn sie einen hohen Wirkungsgrad haben, sind sie nicht überall anwendbar, da das Oberflächenwasser gewisse Qualitätskriterien erfüllen muss.

Die Integration geothermischer Systeme in die Gebäudeplanung

Die effektive Integration geothermischer Systeme in die Gebäudeplanung erfordert viel Planung. Hier finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für eine effektive Integration. 

1. Standortbewertung: Vor der Installation ist eine gründliche Standortbewertung erforderlich. Dazu gehört die Untersuchung der Boden- und Gesteinsart, da sie die Effizienz des Erdwärmetauschers beeinflussen kann, das Vorhandensein von Grundwasser, das die Wärmeübertragungsfähigkeiten verbessern kann, und die Verfügbarkeit von Fläche, um die Art des Systems (horizontal, vertikal, Oberflächenwasser) zu bestimmen, das verwendet werden kann. 
2. Planung des Erdwärmetauschers: Das in der Erde verlegte Rohrsystem leitet die Wärmeenergie aus dem Erdreich oder dem Oberflächenwasser zum Heizen und Kühlen in das Gebäude. 
3. Integration in die Gebäudesysteme: Das System muss in die HLK-Systeme (Heizung, Lüftung und Kühlung) des Gebäudes integriert werden. Die geothermische Wärmepumpe kann an das Leitungsnetz des Gebäudes oder an die Fussbodenheizung angeschlossen werden, um die erwärmte oder gekühlte Luft oder das Wasser zu verteilen. 
4. Integration eines Energiemanagementsystems (EMS): Ein EMS kann so konfiguriert werden, dass es das geothermische System automatisch während der Nebenzeiten betreibt, um eine optimale Effizienz und eine Senkung der Energiekosten zu erreichen. Es bietet auch eine kontinuierliche Überwachung, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäss und effizient arbeitet. 

Bioenergie

Biomasse, also organische Materialien wie Holzpellets oder landwirtschaftliche Abfälle, kann für die Heizung und die Stromerzeugung verwendet werden. Durch die Integration von Biomassekesseln oder Kraft-Wärme-Kopplungssystemen (KWK) in die Gebäudeplanung können Raumheizung und Warmwasser effektiv bereitgestellt werden, was die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert und die CO2-Emissionen senkt. Im Gegensatz zur Sonnen- oder Windenergie ist die Bioenergie wetterunabhängig, was sie zu einer zuverlässigen Energiequelle macht. 

Daher ist es nicht verwunderlich, dass diese Energieform laut der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien etwa 10 % des weltweiten Endenergieverbrauchs ausmacht. Darüber hinaus entfallen etwa drei Viertel der weltweit genutzten erneuerbaren Energien auf Bioenergie. Im Diagramm sehen Sie, wie die Nutzung von Bioenergie in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen ist. 

Wasserkraft

Während gross angelegte Wasserkraftprojekte für einzelne Gebäude möglicherweise nicht realisierbar sind, können Kleinstwasserkraftanlagen nahtlos in Bauwerke in der Nähe von Gewässern wie Flüssen, Bächen oder sogar künstlichen Wasserkanälen integriert werden. Diese Systeme wandeln die mechanische Energie der Wasserströmung mit Turbinen oder Wasserrädern, die mit Generatoren verbunden sind, in elektrische Energie um.

Die Integration von Kleinstwasserkraftanlagen in die Gebäudeplanung erfordert eine sorgfältige Standortbewertung, hydraulische Planung und Systemauslegung, um die Energieerzeugung zu optimieren und gleichzeitig die Umweltauswirkungen zu minimieren. 

Herausforderungen bei der Integration von erneuerbaren Energien in die Gebäudeplanung

Die Integration erneuerbarer Energiequellen in Gebäude bringt viele Vorteile mit sich. Es gibt jedoch einige Faktoren, die vor der Umsetzung berücksichtigt werden müssen, darunter: 

• Kosten: Die hohen Anfangspreise der Technologie und die Schwierigkeit, Finanzmittel für Energiespeicherlösungen zu erhalten, sind zwei der finanziellen Hindernisse für die Integration von Systemen zur Nutzung erneuerbarer Energien. Finanzielle Anreize wie Steuernachlässe und Subventionen können diese Kosten jedoch ausgleichen und die Rentabilität von Projekten im Bereich der erneuerbaren Energien erhöhen.
• Platzmangel und städtische Integration: Die Installation von Grossanlagen für erneuerbare Energien kann durch räumliche Beschränkungen im städtischen Umfeld behindert werden. Die Lösung dafür könnten kleinere und flexiblere Systeme, wie vertikale Windkraftanlagen, sein oder die Erzeugung erneuerbarer Energie an anderen Standorten. 
• Regulatorische Hürden: Es gibt viele Regeln und Vorschriften, die es zu beachten gilt, sei es, was den Anschluss an das Stromnetz oder die Einspeisevergütung betrifft. Diese sind von Land zu Land unterschiedlich, weshalb eine frühzeitige Einbindung von Gesetzgebern und Aufsichtsbehörden in das Projekt wichtig ist, um Verzögerungen zu vermeiden. 

Fazit

Die Integration erneuerbarer Energiequellen in Gebäude ist ein wichtiger Schritt, um den Gebäudesektor nachhaltiger zu machen. Durch die Nutzung von Sonnen- und Windenergie, Geothermie, Bioenergie und Wasserkraft können Gebäude ihren CO2-Fussabdruck verringern, ihre Energieunabhängigkeit erhöhen und den Umweltschutz fördern. Diese allumfassende Strategie mindert nicht nur die negativen Folgen des Klimawandels, sondern fördert auch die Entwicklung von Gemeinschaften, die Schaffung von Arbeitsplätzen und den wirtschaftlichen Fortschritt. Gebäude werden in Zukunft nicht nur weniger Energie verbrauchen, sondern auch der Gesundheit und dem Wohlbefinden des Planeten und der Bewohner zugutekommen, wenn Architekten, Ingenieure und Gesetzgeber weiterhin die Integration erneuerbarer Energien betonen.