Wachsende Rolle von Gebäuden in den Energiesystemen
Auf den ersten Blick mögen Gebäude wie träge Strukturen wirken, riesige Kästen aus Beton, Stahl und Glas. In ihrem Inneren bieten sie jedoch Raum für viele Aktivitäten, von denen die meisten Energie benötigen. Der Energieverbrauch in Gebäuden wird für Beleuchtung, Heizung, Kühlung, Kochen und den Betrieb aller Arten von Geräten benötigt. Auf Gebäude entfällt etwa ein Drittel des weltweiten Endenergieverbrauchs, und sie sind der Schlüssel zum Erreichen von Netto-Null-Emissionen bis Mitte des Jahrhunderts. Um ihre Rolle bei der Umstellung auf Netto-Null-Emissionen spielen zu können, müssen Gebäude jedoch von passiven und ineffizienten Energieverbrauchern zu aktiven Teilnehmern am Energiesystem werden.
In einer modernen Netto-Null-Zukunft wären die meisten Gebäude mit einer Reihe digitaler Technologien ausgestattet, zusammen mit Energieeffizienzmaßnahmen und der Erzeugung und Speicherung erneuerbarer Energie vor Ort. Ein solcher Wandel würde es den Gebäuden nicht nur ermöglichen, Energie effizienter zu nutzen, sondern auch mit dem Netz zu interagieren, um kostspielige Nachfragespitzen zu begrenzen. Die Stromkosten würden für die Verbraucher sinken, so dass sie mehr Kontrolle über ihren Energieverbrauch und ihren Wärmekomfort hätten. Außerdem würde dies die Überlastung des Netzes verringern und den Bedarf an fossilen Kraftwerken und den damit verbundenen Treibhausgasemissionen reduzieren.
Effizienz, Elektrifizierung und Dekarbonisierung sind der Schlüssel zu Netto-Null
Es ist eine Tatsache, dass Energieeffizienz der erste Schritt zum Erreichen von Netto-Null-Emissionen ist. Bei Gebäuden geschieht dies durch eine effizientere Gestaltung oder Modernisierung der Gebäudehülle und die Verwendung der leistungsfähigsten Geräte und Anlagen. Staatliche Maßnahmenpakete sind der Schlüssel, um diesen Prozess voranzutreiben. Sie sollten verbindliche Energieeffizienzanforderungen, Anreize für Industrie und Verbraucher sowie Informationsinstrumente und andere unterstützende Maßnahmen umfassen.
Weltweit werden heute 34% des gesamten Endenergieverbrauchs in Gebäuden durch Elektrizität gedeckt, und daher ist die vollelektrische Umstellung der vielversprechendste Weg in die Zukunft, da Elektrizität das Potenzial hat, völlig kohlenstofffrei zu sein. Die Photovoltaik ist heute die billigste Energiequelle, und bis 2030 könnten etwa 40% des gesamten Stromverbrauchs in Gebäuden durch Sonnen- und Windenergie gedeckt werden. Durch die Installation von Solarzellen können Gebäude selbst zu Standorten für die Stromerzeugung werden.
Für Heizung und Raumkühlung sind elektrische Wärmepumpen effizienter als die meisten bestehenden Systeme. In Europa zielt der REPowerEU-Plan darauf ab, die Zahl der Wärmepumpen bis 2030 zu vervierfachen, um die Abhängigkeit der Region von russischem Erdgas zu verringern, während weltweit jeden Monat 14 Millionen Wärmepumpen installiert werden müssen, um bis 2050 auf dem Weg zum Netto-Nullverbrauch zu sein.
Bestehende Netze sind nicht für stromproduzierende Gebäude geeignet, aber intelligente digitale Technologie kann helfen
Die inhärente Variabilität der erneuerbaren Energien stellt die Energiesysteme vor Herausforderungen, wie die berüchtigte Entenkurve zeigt. Der Standardnetzaufbau hat sich seit einem Jahrhundert nicht wesentlich verändert und ist hauptsächlich für den Betrieb mit großen zentralen Kraftwerken ausgelegt, die jederzeit Energie abgeben können. Die Erzeugung von Wind- und Sonnenenergie stellt eine Herausforderung für die Stabilität der Stromnetze dar, da sie dezentral und variabel ist, was ein Grund dafür ist, dass Länder wie Vietnam überschüssige erneuerbare Energien drosseln.
Moderne Stromnetze müssen flexibler werden, um zahlreiche dezentrale Energiequellen dynamisch zu integrieren und mit Gebäuden zu interagieren. Die gute Nachricht ist, dass intelligente digitale Technologien die Energienutzung und die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien optimieren können.
Netze können über Software-Algorithmen und intelligente Steuerungen mit Gebäuden kommunizieren und beispielsweise ein angeschlossenes Gerät oder eine Anlage (z. B. eine Wärmepumpe oder ein Kühlsystem) anweisen, seinen/ihren Stromverbrauch vorübergehend zu reduzieren (Lastabwurf) oder auf Zeiten zu verlagern, in denen der Strom sauberer oder billiger ist (Lastverschiebung). Demand-Response-Programme zur Bewältigung von Lastspitzen (z. B. Saver’s Switch Program in den Vereinigten Staaten, Demand Response in Singapur) bieten den Verbrauchern oft finanzielle Belohnungen.
Etwa 90% der globalen Ladestationen für Elektrofahrzeuge befinden sich in Gebäuden, und durch intelligentes Laden kann auf der Grundlage von Informationen aus dem Stromnetz die beste Ladezeit ermittelt werden (z. B. Charging Perks Pilot, PLN-Programm in Indonesien), vor allem, wenn dies durch nutzungsabhängige Tarifmechanismen unterstützt wird (wie in Italien).
Elektrofahrzeuge sind im Wesentlichen Batterien auf Rädern und können zur Energiespeicherung verwendet werden. Bidirektionales Laden mit Hilfe der Vehicle-to-Grid-Technologie kann sowohl Elektrofahrzeuge aufladen als auch gespeicherte Energie in das Netz einspeisen, um Nachfragespitzen auszugleichen. Ähnlich verhält es sich beim Vehicle-to-Home-Verfahren, bei dem die Energie für die Versorgung eines Hauses genutzt wird. Ein voll aufgeladenes Elektrofahrzeug kann ein durchschnittliches Haus mehrere Tage lang versorgen und in Kombination mit einer Solaranlage auf dem Dach netto emissionsfrei sein. Elektrische Warmwasserbereiter können auch als Speicher verwendet werden, wenn sie mit einem Speichertank ausgestattet und mit speziellen Steuergeräten “intelligent” gemacht werden. Wärmeenergie kann sogar in gut isolierten Gebäudehüllen gespeichert werden. In Arizona werden die Kunden dafür bezahlt, dass sie ihre Speicherkapazität dem Netz zur Verfügung stellen, fast so, als würde man ein freies Zimmer auf Airbnb vermieten, nur dass man Strom “beherbergt”.
Virtuelle Kraftwerke – intelligente digitale Plattformen, die lokale Energiespeicher, fortschrittliche Datenanalyse sowie intelligente und innovative Technologien (z. B. künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, Blockchain usw.) nutzen können – zeigen bereits in Australien, Kalifornien, Deutschland, China und anderen Ländern Vorteile für das Netz und die Verbraucher.
Virtuelle Kraftwerke können auch den Peer-to-Peer-Energiehandel erleichtern, indem sie es Gebäuden ermöglichen, ihren überschüssigen erneuerbaren Strom über eine Online-Plattform zu verkaufen. Ein solches Projekt läuft bereits seit mehreren Jahren in einem Stadtteil von Bangkok. Ähnliche Pilotprojekte gibt es in Bangladesch, Australien, den Vereinigten Staaten, Malaysia, Singapur, Indien und Japan. Damit sie sich jedoch ausbreiten können, müssen nicht nur die Gebäude und Systeme effizienter werden, sondern auch die Netze müssen die verteilten Energieressourcen besser verwalten. Es handelt sich um einen dramatischen Wandel, vergleichbar mit dem Übergang von einem einzigen Fernsehsender zu einer neuen vernetzten Welt, in der jeder seine eigenen Inhalte erstellen und teilen kann.
Politische Maßnahmen zur Förderung des Übergangs zur Interaktion zwischen Gebäuden und Netzen
Es gibt bereits verschiedene kosteneffiziente Lösungen, um Gebäude wesentlich effizienter, intelligenter, vernetzter und flexibler zu machen. Allerdings hinken Politik und Investitionen dem technischen Fortschritt hinterher. Die Regierungen müssen damit beginnen, Gebäude als dynamische Erweiterungen des Stromnetzes zu betrachten, die ihren Verbrauch und ihre Produktion als Reaktion auf Engpässe und Preise anpassen können, während sie gleichzeitig Flexibilität bieten und Emissionen reduzieren.
Um diesen Wandel herbeizuführen, müssen die Bauvorschriften die Energieeffizienz verbessern und Anforderungen für die Erzeugung von Solarenergie vor Ort, für Speichersysteme, für die intelligente Aufladung von Elektrofahrzeugen und für die Verbindung von Gebäuden mit dem Netz einführen. Kalifornien hat seine Vorschriften für neue Gebäude bereits aktualisiert, während die EU-Länder einen Indikator für intelligente Bereitschaft testen und einführen. Gebäude müssen mit intelligenten Sensoren und Steuerungen sowie mit offenen Kommunikationsstandards (wie OpenADR) ausgestattet werden, um die Interoperabilität zwischen Gebäudesystemen und dem Stromnetz zu gewährleisten.
Politische Unterstützung ist entscheidend. Eine kürzlich erlassene Verordnung im US-Bundesstaat Washington schreibt beispielsweise vor, dass elektrische Warmwasserspeicher mit einem speziellen standardisierten Anschluss ausgestattet sein müssen, der eine Bedarfssteuerung ermöglicht.
Die Regulierungsbehörden können das Potenzial effizienter netzgekoppelter Gebäude auch erschließen, indem sie die Strommärkte und die Endkundentarife so gestalten, dass die Interessen der Verbraucher mit den Anforderungen des Netzes in Einklang gebracht werden, indem sie dezentrale Energieressourcen durch spezielle Akteure (wie virtuelle Kraftwerke) bündeln und ihnen die Teilnahme an den Großhandels- und Hilfsstrommärkten ermöglichen (z. B. im Falle von Großverbrauchern in Australien).
Solche politischen Entwicklungen und ihre Umsetzung werden von den politischen Entscheidungsträgern in der ganzen Welt erhebliche Anstrengungen erfordern, um Chancen und Risiken zu analysieren, z. B. in Bezug auf Cybersicherheit und Datenschutz. Die IEA unterstützt die Regierungen bereits dabei, die Modernisierung des Stromsystems durch ihre 3DEN-Initiative zu beschleunigen und im Rahmen ihres E4-Programms politische Maßnahmenpakete für die Energieeffizienz in Schwellenländern zu entwickeln.