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Swiss Competence Center for Energy Research

© SCCER FEEB&D, März 2015

Swiss Competence Center for Energy Research Future Energy Efficient Buildings & Districts

Forschungs- und Innovations-Roadmap

Datum: 31. März 2015


© SCCER FEEB&D, März 2015 Seite 2 / 18

Inhaltsverzeichnis

EINFÜHRUNG ............................................................................................................... 4

AP 1 GEBÄUDEHÜLLE .................................................................................................. 7

AP 2 ENERGIEMANAGEMENT FÜR GEBÄUDE ......................................................... 10

AP 3 DEZENTRALE URBANE ENERGIESYSTEME ...................................................... 13

AP 4 MARKTDIFFUSION UND IMPLEMENTIERUNG VON TECHNOLOGIEN ........ 16



Kurzfassung

Beinahe 50% des Endenergiebedarfs der Schweiz entfallen auf Gebäude. Diese Zahl soll nach den Vor-stellungen der Energiestrategie 2050 deutlich gesenkt werden. Als nationales Kompetenzzentrum für Energieforschung mit dem Schwerpunkt energieeffiziente Gebäude und Areale der Zukunft versucht das Swiss Competence Center for Energy Research "Future Energy Efficient Buildings and Districts" (SCCER FEEB&D) daher, gemeinsam mit führenden Partnern aus Industrie und Wissenschaft Lösungen für diese Herausforderung zu finden.

Dazu entwickelt das SCCER FEEB&D neue Materialien, Komponenten, Systeme und Konzepte, mit de-nen der Endenergiebedarf des schweizerischen Gebäudebestands in den kommenden Jahrzehnten um den Faktor 5 reduziert werden soll. Der Schwerpunkt der Arbeit des SCCER FEEB&D liegt dabei auf hocheffektiven Dämmmaterialien, modernen Verglasungskonzepten, auf der Tageslichtnutzung, der Einbeziehung erneuerbarer Energien und auf dem effizienten Betrieb von Gebäuden sowie ihrer Ein-bindung in lokale Multi-Energie-Netze. Zur Ergänzung dieses ganzheitlichen Ansatzes werden zudem sozioökonomische Fragestellungen untersucht, die sich in der Praxis aus der Umsetzung der neuen Konzepte ergeben.

Die vorliegende Forschungs- und Innovations-Roadmap beschreibt die Zielsetzungen der vier Ar-beitspakete (AP 1–4) Gebäudehülle, Energiemanagement für Gebäude, dezentrale urbane Energiesyste-me und Marktdiffusion und Implementierung von Technologien sowie deren Beitrag zu den übergeord-neten Zielen der Energiestrategie 2050.



Einführung

Die Innovations-Roadmap des Swiss Competence Center for Energy Research “Future Energy Efficient Buildings & Districts" (SCCER FEEB&D) stellt die strategische Planung für die Aktivitäten des SCCER in den kommenden Jahren dar, um die genannten Ziele und Ergebnisse zu erreichen. Der Rahmen für die Roadmap wird durch die Energiestrategie 20501-2 und die im Antrag vom 17. März 2014 dargestellte Vision des SCCER FEEB&D vorgegeben.

Entwickelt wurde die Roadmap in mehreren Workshops unter Einbeziehung von Partnern aus der In-dustrie und Wissenschaft. Bei Bedarf wird die Roadmap angepasst werden, vor allem sobald auf politi-scher Ebene ein abschliessender Entscheid zur Energiestrategie 2050 gefällt worden ist.

Die schweizerische Energiestrategie 2050 und der Gebäudebestand

Tabelle 1 bietet einen Überblick über die Zielsetzungen der Energiestrategie 2050 in Bezug auf Ge-bäude, ergänzt um die Höhe der entsprechenden CO2-Emissionen. Aus diesen Zahlen lässt sich der mögliche Verlauf der Energiewende für den schweizerischen Gebäudebestand ableiten, der in Abbil-dung 1 dargestellt ist. Zu den Schlüsselelementen der Energiestrategie 2050 gehören eine verbesserte Energieeffizienz, die als Endenergiebedarf im Verhältnis zur Energiebezugsfläche (in kWh/m2) gemes-sen wird, sowie eine geringere Kohlenstoffintensität der Energieversorgung, die in g CO2 eq/kWh aus-gedrückt wird. Diese beiden Grössen bilden die beiden Achsen des Schaubilds. Die Abbildung macht deutlich, wie sehr die Energiewende in den kommenden Jahren beschleunigt werden muss, um die genannten Ziele zu erreichen.

Vision und Auftrag des SCCER FEEB&D

Unsere Vision ist eine Reduktion des Endenergiebedarfs im schweizerischen Gebäudebestand um den Faktor 5 in den kommenden Jahrzehnten. Die Voraussetzungen für diese Vision schafft das SCCER FEEB&D durch

•! die Entwicklung neuer Materialien, Komponenten und Systeme zur Senkung des Energiebe-darfs einzelner Gebäude (Arbeitspaket AP 1 Gebäudehülle),

•! die Optimierung des Gebäudebetriebs und damit der Erhöhung der Energieeffizienz mithilfe modernster vorausschauender Gebäudeleittechnik, energieautarker Beleuchtungssysteme und der Verwendung von Gleichstrom aus gebäudeeigenen Solaranlagen (AP 2 Energiemanage-ment für Gebäude),

•! die Evaluierung des Potenzials von alternativen Energieverteilungssystemen, um den Einsatz von lokalen erneuerbaren Energieträgern mithilfe von Energieknoten und Multi-Energie-Netzen auf Arealebene zu erhöhen (AP 3 Dezentrale urbane Energiesysteme),

•! die Bewertung der wirtschaftlichen Tragfähigkeit der in AP 1-3 entwickelten Technologien und Konzepte und durch die Analyse der mit den neuen Lösungen verbundenen sozioökonomi-schen Faktoren, die auf der Ebene von Unternehmen wie auch gesamtgesellschaftlich unter-stützend oder hemmend wirken (AP 4 Marktdiffusion und Implementierung von Technolo-gien).

Aus der neuen Energiepolitik der Schweiz und den internationalen Anstrengungen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen erwächst die einmalige Chance, eine langfristige Strategie zur nachhalti-gen Erneuerung des schweizerischen Gebäudebestands auszuarbeiten und damit für die nächsten

1 „Die Energieperspektiven für die Schweiz bis 2050“, prognos, 2012 2 „Botschaft zum erstem Massnahmenpaket der Energiestrategie 2050“, Bundesrat, 2013



Jahrzehnte im gewünschten Masse Komfort und Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Der Auftrag des SCCER FEEB&D besteht darin, diese Chance in gesamtgesellschaftliches Kapital zu verwandeln.

Tabelle 1 Ziele der Energiestrategie 2050 (Szenario „Neue Energiepolitik”)1 Jahr 2000 2010 2020 2035 2050 Endenergiebedarf [PJ]

Heizwärme 270,8 301,5 249,7 165,4 107,9 Warmwasser 44,7 45,7 45,5 41,9 38,6 Beleuchtung 24,9 26,8 20,6 14,7 11,5 Belüftung, Klimatisierung, Hilfsenergie Gebäudetechnik 19,2 22,1 24,4 26,9 37,8 IKT, Unterhaltung 8,4 10,3 9,9 9,2 8,4

Gesamt [PJ] 368 406,4 350,1 258,1 204,2 Energiebezugsfläche [Mio m2] 624 709 799 884 937 Gesamtenergiebedarf je Einheit Energiebezugsfläche 100% 97,2% 74,3% 49,5% 37% CO2-Emissionen [Mio t CO2] 25,6 25,6 18,9 10,2 6,0

Abbildung 1 Möglicher Verlauf der Energiewende für den schweizerischen Gebäudebestand: Energie-effizienz (Endenergiebedarf in kWh im Verhältnis zur Energiebezugsfläche in m2) und Kohlenstoffintensität der Energieversorgung (Endenergiebedarf in CO2 eq/kWh)

20002010

2020

2035

2050

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Kohl

enst

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tens

ität

[g C

O2

eq/k

Wh]

Energieeffizienz [kWh/m2]



SCCER FEEB&D Roadmap

Das SCCER FEEB&D ist in vier Arbeitspakete unterteilt, die den strategischen Ansatz des SCCER wider-spiegeln (siehe Abbildung 2). In den folgenden Kapiteln soll die Relevanz jedes Arbeitspakets für die Energiestrategie 2050 zusammen mit einer Analyse der unterstützenden und hemmenden Faktoren erläutert werden. Überdies werden die quantitativen und qualitativen Ziele für den Zeitraum 2014-2016 zusammen mit einem Ausblick auf die Ziele für 2017-2020 und danach vorgestellt.

In der ersten Phase liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Validierung neuer Lösungen in allen vier Bereichen. In der zweiten Phase soll das Augenmerk zunehmend auf die Implementierung und Optimierung gerichtet werden. Darüber hinaus soll der von den neuen Lösungen ausgehende Beitrag zu den Zielen der Energiestrategie 2050 quantifiziert werden. Aus den Ergebnissen der ersten Phase werden sich sicherlich neue Fragestellungen für die Forschung ergeben, welche dann ebenfalls einzubeziehen sind.

Abbildung 2 Organisationsstruktur des SCCER FEEB&D mit den vier Arbeitspaketen „Gebäudehülle”,

„Energiemanagement für Gebäude”, „Dezentrale urbane Energiesysteme” und „Marktdiffusion und Implementierung von Technologien”



AP 1 Gebäudehülle

Motivation und Relevanz für die Energiestrategie 2050

Der Gesamtenergiebedarf an Heizwärme soll bis 2035 um 39% gegenüber dem Niveau des Jahres 2000 gesenkt werden (siehe Tabelle 1), während bei der Beleuchtung eine Reduktion um 41% ange-strebt wird. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, in der Gebäudehülle neuartige Materialien und Kon-zepte mit verbesserten Eigenschaften einzusetzen.

Sanierung der Gebäudehülle

Der Gesetzgeber hat in den vergangenen zehn Jahren die Dämmungsnormen für Gebäude deutlich verschärft. Konventionelle Lösungen reagieren auf die gestiegenen Anforderungen mit dickeren Dämmschichten. Allerdings sind die mit der Dicke der Gebäudehülle verbundenen Einschränkungen eines der Haupthindernisse für die energetische Sanierung, besonders bei alten oder denkmalge-schützten Gebäuden. Hocheffektive Dämmmaterialien auf Aerogelbasis bieten bei halber Dicke immer noch ähnliche thermische Eigenschaften wie herkömmliche Dämmstoffe. Damit könnten der Energie-bedarf für das Beheizen oder Kühlen eines Gebäudes gesenkt, der Komfort verbessert und gleichzeitig das äussere Erscheinungsbild und die Ästhetik des Gebäudes gewahrt werden.

Dynamische Verglasung

Neuartige Fenster mit dynamisch geregeltem Wärmeintrag der Sonneneinstrahlung tragen in Gebäu-den zu einer optimalen Nutzung von Energie und Tageslicht bei. Bislang kann der effektive g-Wert (Energiedurchlassgrad) der meisten derzeit installierten Fenster nicht verändert werden und weist nur eine vergleichsweise geringe Winkelabhängigkeit auf, so dass zwischen Sommer und Winter kaum Unterschiede bestehen. Wäre der g-Wert hingegen variabel, so könnte durch seine Herabsetzung im Sommer eine Überhitzung vermieden werden, während im Winter durch einen erhöhten Wärmeein-trag die Sonnenenergie weiter umfassend zur Verfügung stünde. Erreicht werden kann dies im We-sentlichen durch zwei Ansätze: durch neuartige Verglasungen mit winkelselektivem Energiedurchlass oder durch die Entwicklung von neuartigen „intelligenten“ Fenstern, die schaltbar sind. Die Regelung des g-Werts kann dabei mit einer Verbesserung von Tageslichtnutzung und Blendschutz bei vollstän-diger Erhaltung der Transparenz (Durchsichtigkeit) kombiniert werden.

Forschungs- und Innovations-Roadmap Übersicht AP 1

Hemmende

Faktoren

Unterstützende Faktoren

Kosten von Rohmaterialien und Massentauglichkeit von Laborverfahren

63%-Reduktion des Endenergiebedarfs von Gebäuden 58%-Reduktion der CO2-Emissionen von Gebäuden

Gebäude und Areale mit Nullbilanz (netto) oder als Anbieter von Energie

Verdoppelung der Sanierungsrateauf 2% pro Jahr

Sanierungsfertigmodule

Wie können wir hocheffektive Dämmmaterialien herstellen, die erschwinglich und passend für eine breite

architektonische Palette sind?

Wie stellen wir Verglasungssysteme her, die im Winter die Sonneneinstrahlung maximal nutzen und im Sommer vor Überhitzung

schützen, und begrenzenden Einsatz internerLichtquellen?

Nachfrage nach neuen Materialien, die den Energiebedarf senken, den Komfort erhöhenund maximale Planungs- und Gestaltungsfreiheit bieten

Entwicklung von hochisoliertenBaukomponenten aus neuartigem Aerogel mit Wärmeleitfähigkeit von < 0.015 W/mK und Produktions-

kosten von < 200 CHF/m3

Entwicklung einer dynamischen Verglasung mit winkelselektivem

Energiedurchlass

Entwicklung und Beurteilung einer neuen elektrochromen Festkörper-

Verglasungstechnik (optische Eigenschaften, Farbwiedergabe,

Schaltzeit)

Industrielle Massenproduktion von neuen Aerogeltypen

Optimierung und Massentauglichkeit neuer Verglasungskonzepte

39%-Reduktion des Heizwärmebedarfs, 41% bei Licht

Ziele Energie-strategie 2050


Fragestellungen für Forschung &

Innovation

Ziele zweite Phase(2017-2020)

Ziele erste Phase (2014-2016)



Unterstützende und hemmende Faktoren

Dem umfassenden Einsatz von hocheffektiven Dämmstoffen auf Aerogelbasis stehen derzeit die ho-hen Kosten von Aerogelmaterialien entgegen. Im Labor sind jedoch bereits neue Ansätze in der Ent-wicklung, mit denen die Herstellungskosten möglicherweise deutlich gesenkt werden können. Aller-dings muss noch der Nachweis erbracht werden, dass diese Ansätze sich auch für die industrielle Mas-senproduktion eignen.

Verglasungslösungen mit dynamischen Eigenschaften wurden bereits in der Vergangenheit angebo-ten, konnten sich aber aufgrund ihres Preises und ihrer mangelnden Haltbarkeit am Markt nicht durchsetzen. Radikal neue Ansätze, die auf Nano- und Mikrotechnologien zurückgreifen, eröffnen neue Chancen, müssen jedoch noch validiert und für die Massenproduktion tauglich gemacht werden.

Die Nachfrage nach neuen Materialien und Komponenten für die Gebäudehülle wird vor allem von der Notwendigkeit bestimmt, den Energieverbrauch von Gebäuden zu senken. Hinzu kommt, dass Nutzer, Eigentümer und Architekten nach Lösungen suchen, die den Komfort erhöhen, ohne dabei die Gestaltbarkeit von Gebäuden allzu sehr einzuschränken.

Ziele und Meilensteine für die erste Phase (2014-2016)


Eine neu entwickelte „Eintopf“-Produktionstechnologie (One pot-Verfahren) für Silikat-Aerogele aus günstigen Rohmaterialien wird derzeit mit Chargen von 20 kg erprobt und dient zur Herstellung von Silikat-Aerogelen mit einer Dichte von 0.1 kg/m3 und einer Wärmeleitfähigkeit von < 0.014W/mK. Bei der Erprobung sollen Stichproben charakterisiert werden, während gleichzeitig an einer neuen Me-thode zur Erzeugung von Eingangsstoffen für Silikat-Aerogele unter Verwendung günstigerer Rohstof-fe gearbeitet wird.

Auf der Anwendungsseite sollen wiederum neue energetische Sanierungskonzepte unter Berücksichti-gung der Wechselwirkung von Temperatur und Feuchtigkeit sowie der Wasseraufnahme durch die Kapillarwirkung von aerogelputzartigen Produkten entwickelt werden. Zu diesem Zweck soll eine Toolbox für die numerische Modellierung erstellt und validiert werden. Parallel dazu sollen durch di-rekte Entwicklungsprojekte (z.B. KTI) neue Produkte und verbesserte Sanierungssystemlösungen mit Schwerpunkt pastenartige Produkte wie Aerogel-Dämmputz oder Aerogel-Beton entwickelt werden.

Dynamische Verglasung und multifunktionale Gebäudehüllen

Das Konzept einer multifunktionalen statischen Verglasung mit Mikrostrukturen zur Umlenkung von Tageslicht und zum Schutz vor Sonneneinstrahlung soll an Demonstrationsobjekten erprobt werden. In früheren Arbeiten wurde bereits eine neuartige Variante in Simulationen getestet, wobei der Um-lenkungsteil des Konzepts (für Tageslicht, Blendschutz und Durchsichtigkeit) validiert werden konnte. Nun gilt es, Proben mit winkelabhängigem Durchlass herzustellen. Zur Validierung und für weiterfüh-rende Studien müssen die entwickelten Simulationstools mit Messdaten abgeglichen werden, die mit-hilfe der hergestellten Proben gewonnen werden. Ebenso sollen die vorhandenen Simulationstools zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Variante eingesetzt werden.

Für elektrochrome Fenster soll in der ersten Phase eine elektrochrome Festkörpervorrichtung herge-stellt werden. Dazu soll ein mehrschichtiges Nanokomposit aus elektrochromen Materialien und Fest-körpern als Ionenleiter entwickelt werden. Die optischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Trans-mission im gebleichten oder durchsichtigen Zustand, die Absorption sowie die Farbwiedergabe, wären dabei noch zu untersuchen. Ebenso müssen Verhalten und Leistungsfähigkeit kleiner Baugrupen, wie zum Beispiel die Schaltgeschwindigkeit und der Strombedarf für den Umschaltvorgang, bestimmt werden.



Ziele und Meilensteine für die zweite Phase (2017-2020) und danach


In der zweiten Phase soll die Implementierung des „One pot“-Verfahrens auf ein Pilotprojekt mit einer halbindustriellen Kapazität von mindestens 5’000 m3 Silikat-Aerogel ausgeweitet werden. Gleichzeitig sollen Konzepte für die Einbindung eines kostengünstigen Silikat-Vorläufer-Prozesses untersucht und für das bestehende Pilotprojekt eine favorisierte Prozessvariante vorgeschlagen werden. Die Einfüh-rung neuer Aerogel-Produkte in der Schweiz soll mit entsprechenden Marktstudien begleitet werden. Parallel dazu wird sich die Grundlagenforschung auf die Weiterentwicklung von einfacheren chemi-schen Verfahren konzentrieren, um die Aerogel-Materialien wasserabweisend zu machen und ihre mechanischen Eigenschaften durch eine geeignete Verstärkung der Gelstruktur zu verbessern.

Die neuen aerogelbasierten Sanierungslösungen und -produkte sollen sodann auf der NEST3-Plattform und in anderen Demonstrationsobjekten mit entsprechendem Bekanntheitsgrad erprobt werden. Die Produktentwicklung wird sich nun verstärkt auf Fertigmodule für die Sanierung konzent-rieren. Überdies soll das Augenmerk auf die Entwicklung von komplexen 3D-Anwendungstechnologien gerichtet werden, indem Machbarkeitsnachweise für das Konzept der Ein-bindung von Aerogel-Materialien in die digitale Fabrikation und Konstruktion mithilfe von 3D-Druckverfahren erbracht werden. Dabei werden aktiv neue Kooperationen mit dem Schwerpunkt einer Integration von Aerogelen in das NCCR Digital Fabrication angestrebt.

Dynamische Verglasung

In der zweiten Phase soll die Funktionalität der optischen Mikrostrukturen feinjustiert werden. Bei elektrochromen Fenstern sollen die Schalteigenschaften und Haltbarkeit der Vorrichtungen weiter verbessert werden. Die Produktionsverfahren sollen in enger Zusammenarbeit mit der Industrie für die Massenfertigung tauglich gemacht werden.

Partner

Partner aus der Wissenschaft: Empa, EPFL-LESO

Partner aus der Industrie: Fixit, Agitec, Flumroc, SwissINSO, BASF Schweiz

3 NEST ist eine dynamische, modulare Forschungs- und Demonstrationsplattform für zukunftsträchtige Bau- und Gebäudetechnologien auf dem Empa-Eawag-Campus (http://nest.empa.ch).



AP 2 Energiemanagement für Gebäude


Der gesamte Endenergiebedarf pro Quadratmeter, der durch den Betrieb von Gebäuden (Heizung und Strom) entsteht, soll bis 2035 gegenüber dem Jahr 2000 um die Hälfte reduziert werden. In einem ersten Schritt soll dabei durch effizientere Gebäudehüllen der Grundenergiebedarf gesenkt werden. In einem zweiten Schritt werden ein aktives Energiemanagement für Gebäude sowie intelligente Rege-lungsstrategien benötigt, um die für Gebäude bereitgestellte Energie optimal nutzen zu können.

Aktives Energiemanagement für Gebäude: In modernen Gebäuden ist das aktive Energiemanage-ment mit gewaltigen Herausforderungen und Chancen mit Blick auf die Energieeffizienz und die Ver-fügbarmachung von Energie verbunden. Mit den erneuerbaren Energien stehen heute zusätzliche Optionen für die Energieversorgung zur Verfügung. Und durch die Möglichkeit eines kooperativen Energiemanagements in urbanen Energieknoten (Hubs) lässt sich die Nutzung lokaler Energieressour-cen und die Bereitstellung lokaler Energieangebote optimieren.

Energieautarke Beleuchtungssysteme lassen sich mittlerweile durch den effektiven Einsatz moderns-ter Technologien zur Tageslichtnutzung im Verbund mit Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute (LED), energieeffizienten Leuchtmitteln und intelligenten Steuerungssystemen für Sonnenschutzvorrichtun-gen und elektrische Beleuchtungssysteme realisieren. Durch Beleuchtungssoftware kann zudem ihre Verbreitung im Alltag gefördert werden.

Gebäudesystemintegration: Durch neuartige Anwendungen und eine optimale Integration kann der Anteil von im Gebäude integrierten erneuerbaren Energieträgern an der Energieversorgung insgesamt weiter gesteigert werden (auf die 2013 bereits 2.8% der Stromversorgung entfielen). Angenehme und ästhetische Lösungen können dafür sorgen, dass neuartige Technologien in der Öffentlichkeit eine breitere Akzeptanz erfahren, was ihrer generellen Unterstützung zugutekommt.


63%-Reduktion des Endenergiebedarfs von Gebäuden

50%-Reduktion des Endenergiebedarfs von

Gebäuden

58%-Reduktion der CO2-Emissionen von Gebäuden

Verdoppelung der Sanierungsrate auf 2% pro Jahr


Gebäude und Areale mitNullbilanz (netto) oder als

Anbieter von Energie

Können in Quartierenadaptive Steuerstrategien mit kooperativemEnergiemanagement in Energie-knoten implementiert werden?

Wie kann die Nettoenergiebilanz von Gebäuden durch an der

Energiegewinnung beteiligte Fassaden verbessert werden?

BenutzerzentriertesEnergiemanagement

Komplexe Steuerung für grosse Gebiete

Implementierung der Ergebnisse aus Phase 1 in Leuchtturmprojekten

Niedrige Energiepreise und Unsicherheit über das technische und wirtschaftliche Potenzialneuer Technologien verhindern eine schnelleMarktpenetration.

Strengere Richtlinien (MuKEn 2014) und neue technische Entwicklungen (Internet der Dinge) eröffnenneue Möglichkeiten für den Betrieb von Gebäuden.

Regelungssysteme, die Schwankungen und Unsicherheiten

bei Belegung, Witterung, Energiepreisen und -angebot

berücksichtigen

Energieautarke Beleuchtungssysteme mit Tageslichtnutzung und

elektrischer Lichttechnik

Wie lässt sich der visuelle Komfort verbessern und gleichzeitig der

Energiebedarf für Licht reduzieren?

Planung und Entwicklung von baulich integrierten CIGS-Modulen (BiPV) für adaptive Solarfassaden mit Anschluss ans lokale Gleichstromnetz

Hemmende Faktoren





Innovation






Behindert wird die Einführung neuartiger Technologien, die potenziell zu einer effizienteren Energie-nutzung und einer optimalen Einbindung von erneuerbaren Energien in Gebäuden beitragen können, durch niedrige Energiepreise. Darüber hinaus erfordern einige der derzeit verfügbaren technischen Lösungen aufgrund ihrer Komplexität ein hohes Mass an Professionalität bei der Planung und Inbe-triebnahme von Systemen. Für neue, robustere Ansätze muss indes das technische und wirtschaftliche Potenzial erst noch belegt werden. Durch die Einführung der Mustervorschriften der Kantone im Ener-giebereich (MuKEn 2014) wird eine starke Nachfrage nach aktiven Energiemanagementsystemen für Gebäude und nach intelligenteren Möglichkeiten zur Regelung von Energieangebot und -nachfrage sowie zur Verbesserung des Komforts auf Gebäudeebene entstehen. Unterdessen wird eine wachsen-de Anzahl von Gebäudekomponenten ans „Internet der Dinge“ angeschlossen und wird uns so in Echtzeit Daten darüber liefern können, wie sich ein Gebäude verhält. Dies eröffnet wiederum neue Potenziale für eine intelligente Gebäudeleittechnik. Die Konsumenten werden dabei immer mehr zu sogenannten „Prosumenten“, die einen Teil ihres Energiebedarfs aus eigener Erzeugung decken und gleichzeitig damit am Energiemarkt partizipieren. Dies wiederum erfordert aktive Energiemanage-mentsysteme für Gebäude wie auch neue Methoden, um erneuerbare Energien in Gebäude zu integ-rieren.


Aktives Energiemanagement für Gebäude

Grundlage für ein aktives Energiemanagement in Gebäuden sind belastbare Daten über das Verhalten der Gebäude und ihrer Nutzer. Erstere Fragestellung soll mithilfe von halbautomatischen Erken-nungsmethoden zur Erstellung eines „energetischen Fingerabdrucks“ geklärt werden. Darüber hinaus sollen Tools entwickelt werden, um das Verhalten der Gebäudenutzer erkennen und prognostizieren zu können. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich wiederum intelligente Gebäudeleitsysteme füttern, die zudem Wettervorhersagen, Schwankungen der elektrischen Last und der Energiepreise berücksich-tigen. Die Regelungsarchitektur soll dabei so ausgelegt werden, dass zahlreiche Energieträger, Ener-gieknoten und lokale Multi-Energie-Netze eingebunden werden.

Energieautarke Beleuchtungssysteme

Visueller Komfort ist ein wichtiges Kriterium, besonders in gewerblichen Gebäuden. Durch die Entwick-lung von High Dynamic Range (HDR) Vision Controllern für Sonnenschutz und elektrische Beleuch-tung soll der visuelle Komfort der Gebäudenutzer verbessert werden. Gleichzeitig können solche Steu-erungssysteme den Strombedarf von 20-30 kWh/m2 auf 5 kWh/m2 erheblich reduzieren, so dass das Gebäude den Restbedarf durch baulich integrierte Photovoltaiksysteme (BiPV) decken kann. Durch die Verbesserung der Beleuchtungssoftware kann die Verbreitung von moderner Lichttechnik bei den entsprechenden Fachberufen (Beleuchtungsbranche, Energieberater und Architekten) gefördert wer-den, die damit zu Förderern einer energieeffizienten Beleuchtung avancieren.

Gebäudesystemintegration

Flexible CIGS-Dünnschicht-Solarmodule mit hohem Wirkungsgrad eröffnen neue Chancen für baulich integrierte Photovoltaiksysteme (CIGS BiPV). Deshalb sollen Simulationstools für CIGS-BiPV-Systeme und adaptive Solarfassaden (ASF) entwickelt werden. Überdies soll das Potenzial für die direkte Nut-zung des mit den BiPV-Systemen erzeugten Solarstroms im lokalen Gleichstromnetz analysiert und quantifiziert werden.




Die Ergebnisse der ersten Phase sollen in sogenannten Leuchtturmprojekten implementiert werden, um weitere Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit und das Verhalten der neuen Ansätze zu gewin-nen. Darüber hinaus soll ein besonderes Augenmerk auf benutzerzentrierte Energiemanagementsys-teme und komplexe Steuerungsstrategien für grosse Gebiete gerichtet werden. Die Partner aus der Industrie werden frühzeitig auf die Forschungsergebnisse zugreifen können, um mit geeigneten Mit-teln ihre beschleunigte Kommerzialisierung voranzutreiben.

Partner

Partner aus der Wissenschaft: EPFL-LESO, ETHZ-IfA, ETHZ-SuAT, HSLU

Partner aus der Industrie: Siemens Building Technologies, Misurio, BKW, BASF Schweiz, Regent Lighting, Relux Informatik, FLISOM, SwissINSO



AP 3 Dezentrale urbane Energiesysteme


Ziel einer Dezentralisierung der Energieversorgung im Rahmen der Energiestrategie 2050 ist die effek-tive Nutzung lokaler erneuerbarer Energien und Abwärmeressourcen sowie ein effizientes Energiema-nagement unter Einbeziehung von Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Verbrauch in Arealen un-terschiedlicher Grösse. Mit der Betrachtung ganzer Areale anstelle von einzelnen Gebäuden soll die Gesamteffizienz erhöht werden, indem Synergien zwischen dem unterschiedlichen Verhalten einzelner Gebäude genutzt und die Gesamtinvestitionskosten gesenkt werden. Ein Areal kann demnach eine Nettoenergiebilanz von null haben oder aber der umliegenden Region oder anderen dezentralen Energiesystemen (DES) überschüssige Energie anbieten. Durch die ganzheitliche Einbindung solcher DES in das gesamtschweizerische Energieversorgungssystem wird mit einer Reduktion der Endener-gienachfrage und der CO2-Emissionen der Schweiz insgesamt gerechnet.



Das Konzept der dezentralen Energiesysteme (DES) stösst derzeit bei den Gemeinden auf reges Inte-resse. Dennoch werden Umsetzungspläne häufig aufgeschoben oder gänzlich aufgegeben. Als Haupt-gründe hierfür sind mangelnde Kenntnisse über die ideale Grösse und Auslegung eines solchen Sys-tems, hohe finanzielle Risiken aufgrund hoher Investitionskosten sowie Rahmenbedingungen am Energiemarkt zu nennen, die eine zentralisierte Energieversorgung immer noch begünstigen. Der Trend hin zu dezentralen, kleinen Energiequellen, die sich im Eigentum von Privatpersonen befinden, erhöht das Bewusstsein für und den Wunsch nach mehr Autarkie im Eigenheim und im umliegenden


Gebäude und Bezirke mit Nullbilanz (netto) oder als



Wie kann der wirtschaftliche, ökologische und soziale Nutzen von

dezentralen Energiesystemenmaximiert und verbreitet werden? Welches Potenzial haben unter-

schiedlich dimensionierte DES in der Schweiz?

Welches Potenzial haben erneuerbare Energien, Abwärme und lokale Ressourcen, und wo

liegen diese Potenziale? Wie können lokale Ressourcen am effektivsten

ausgeschöpft werden?

Wie können DES anhand von wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Aspekten geplant, beurteilt & optimiert werden? Wie schneiden

DES im Vergleich zu anderen Energiestrategien ab?

Entwicklung ganzheitlicher Transformationsszenarien für DES-Neuinstallationen und Nachrüstprojekte mit unterschiedlichen Beteiligten


Gebäuden


Beurteilung anhand von 3–4 gemeinsamen Modellregionen mit unterschiedlichen DES-Typen

Mangel an quantitativen Daten zum technischen und wirtschaftlichen Potenzial von dezentralen Energiesystemen

Zunehmende Verlagerung hin zu einer dezentralen Energieerzeugung mit erneuerbaren Energien

Dynamische GIS-Datenbank zur Unterstützung der Raumplanung und

DES-Erschliessung

Simulationsplattform zur Planung und Optimierung von DES und für Benchmarking

gegenüber herkömmlichen Strategien

Best-Practice-Handbuch fürEnergieknoten und Multi-Energie-Netze einschl. techn. & wirtschaftl.

Aspekte

Kombination des DES-Ansatzes mit anderen SCCER Evaluierung und Verbreitung wichtigerErgebnisse aus Leuchtturmprojekten

Hemmende Faktoren





Innovation





Quartier. Strengere Umweltauflagen und die Liberalisierung des Strommarktes könnten dabei neue geschäftliche Chancen für DES eröffnen, besonders vor dem Hintergrund der voranschreitenden Ur-banisierung.


Datamining

Für eine raum- und zeitabhängige Steuerung von Energieangebot und -nachfrage ist die Entwicklung entsprechender Geodatenbanken und -tools geplant. Dazu sollen komplexe Verfahren zur Auswertung grosser Datenmengen (Datamining) über Energienachfrage und -ressourcen zusammen mit darauf abgestimmten Methoden zur Erfassung, Speicherung und Pflege der Datenbestände entwickelt wer-den. Überdies soll ein dynamisches datenbankgestütztes Geo-Informationssystem (GIS) zur Unterstüt-zung der Raumplanung und als Grundlage für die DES-Erschliessung entstehen.

Modellierung und Simulation

Vorgesehen ist die Entwicklung einer umfassenden quelloffenen Mehrmodell-Simulationsplattform, in der verschiedene DES-Konzepte geplant, bewertet und optimiert werden können. Auf diese Weise lassen sich die Vor- und Nachteile solcher DES-Konzepte mit den bestehenden Energieversorgungs-systemen und mit zentralen Erzeugungsstrategien vergleichen. Anhand von generischen und realen Fallbeispielen soll die Energiebilanz und das Energieangebot von ausgewählten DES-Szenarien unter Einbeziehung von Multi-Energie-Hubs bewertet werden. Bei dieser Bewertung sollen auch Fragen der Systemanfälligkeit, -robustheit und -flexibilität mit Blick auf die in AP4 dargestellten unterstützenden und hemmenden Faktoren beleuchtet werden. Durch eine Lebenszykluskostenrechnung und eine Le-benszyklusanalyse können verschiedene Versorgungsstrategien anhand von Benchmarks eingestuft und anhand von wirtschaftlichen und technischen Kriterien optimiert werden.

Leitlinien für den Aufbau der Energieinfrastruktur

Geplant ist die Entwicklung von Richtlinien zur Einbindung der DES in Neuerschliessungs- und Sanie-rungsprojekte (für Einzelgebäude und Areale). Die Empfehlungen sollen sowohl technische Aspekte als auch das Geschäftsmodell berücksichtigen und durch experimentelle Nachweise aus Laboranlagen und Leuchtturmprojekten untermauert werden. Der gesamte Entwicklungsprozess von der Planung bis zur Implementierung neuer Infrastrukturkonzepte soll harmonisiert und rationalisiert werden. Durch Dokumente, Tools, Testeinrichtungen und Leuchtturmprojekte soll ein umfassender Prozess zur schnellen Prototypenerstellung konzipiert werden.


Die generelle Zielsetzung der zweiten Phase (2017-2020) besteht darin, die Resultate der ersten Phase zusammen mit relevanten Ergebnissen aus den anderen Arbeitspaketen des SCCER FEEB&D und an-derer SCCERs zu konsolidieren, um ganzheitliche Transformationsszenarien für Standorterschliessun-gen, Gemeinden und Stadtteilen zu entwickeln. Dazu sollen die Instrumente und Methoden anhand der gemachten Erfahrungen und der Daten aus den Fallstudien erweitert und verfeinert werden, die gemeinsam mit den Industriepartnern in der ersten Phase entwickelt und analysiert worden sind. Ebenfalls berücksichtigt werden sollen dabei neue Erkenntnisse auf Gebäude- und Bezirksebene mit Blick auf die Technologien (Kommunikation, Steuerung, Speicherung und Umwandlung) und den Energiemarkt. Die Simulationstools und -leitlinien sollen wiederum in ganzheitliche Planungssupport-tools für die Industrie einfliessen. Eine umfassende Evaluierung und Verfügbarmachung der wichtigs-ten Ergebnisse zum Thema dezentrale urbane Energiesysteme wird in der zweiten Phase eine wesent-liche Rolle spielen. Leuchtturmprojekte sollen als Nachweis für ganzheitliche Konzepte dienen und die Hauptbeteiligten (Staat, Industrie und Konsumenten) dazu anregen, Konzepte, für die ein Machbar-keitsnachweis erbracht bzw. der betreffende Business Case belegt werden konnte, auch in anderen Bereichen, Quartieren und Städten umzusetzen.



Partner

Partner aus der Wissenschaft: HSLU, Empa, EPFL-LESO, UNIGE, ETHZ-BP, ETHZ-SuAT, ETHZ-SusTec, FHNW.

Partner aus der Industrie: SIG, CREM, BSF Swissphoto, Ville de Lausanne (SIL), Sorane, Amstein+Walthert, Bonnard et Gardel, Swisspower, Romande Energie, Stadt Zürich (Amt für Hochbau-ten), EWZ, Regio Energie Solothurn, BKW, energy-on/misurio.



AP 4 Marktdiffusion und Implementierung von Technologien


Das AP 4 prüft, wie Entscheidungsträger in Politik und Wirtschaft die Entwicklung und Einführung der SCCER FEEB&D-Technologien beschleunigen können. Eine zeitnahe Verbreitung und Umsetzung von Innovationen ist entscheidend, um die Ziele der Energiestrategie 2050 zu erreichen. Mit den AP 1–3 wird der potenzielle Beitrag von technischen Innovationen zur Energiestrategie 2050 evaluiert, so z.B. von Aerogel-Dämmstoffen, baulich integrierter Photovoltaik (BiPV), dynamischer Verglasung, aktivem Gebäudemanagement oder urbanen Energieknoten. Gleichzeitig sollen mit den AP 1–3 vornehmlich nicht technisch begründete Hemmnisse erkannt werden, wie beispielsweise die Ungewissheit hinsicht-lich der Wirtschaftlichkeit von Technologien oder Widerstände von Konsumenten, Unternehmen und Energieversorgern gegenüber Veränderungen, welche die Entwicklung, Verbreitung und Implementie-rung von SCCER FEEB&D-Technologien wesentlich behindern können.



Zu den Hemmnissen für die Einführung der SCCER FEEB&D-Technologien gehören neben den Tech-nologiekosten eine Reihe von nicht technisch begründeten Faktoren (z.B. Ungewissheit hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit von Technologien oder Widerstände von Konsumenten, Unternehmen und Energie-versorgern gegenüber Veränderungen). Mit der Aufgabenstellung des AP 4 sollen Massnahmen für Forschende, Manager und politische Entscheidungsträger entwickelt werden, um solche Hemmnisse zu überwinden.

Die Unterstützung der SCCER FEEB&D-Technologien durch politische Massnahmen und Investitionen der Wirtschaft ist als wesentlich anzusehen. Demnach liegt der Schwerpunkt des AP 4 auf der Untersu-chung solcher unterstützenden Faktoren. Mit den gewonnenen Erkenntnissen kann die Marktdurch-




Welches reale Potenzial hätte eine breite Umsetzung von Sanierungsplänen im Gebäudebestand?

Welche Richtlinien und welche unternehmensbezogenen

Innovationen beschleunigen die Entwicklung und Verbreitung der SCCER FEEB&D-Technologien?

Wie können Unternehmensverbünde und politische Entscheidungsträger technisch-

wirtschaftliche oder organisatorische Hindernisse bei der Implementierung von

dezentralen Energiesystemen überwinden?

Die Haupthemmnisse für AP 1–3 sind nicht technischer Natur (z.B. Ungewissheit hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit von Technologien, Widerstände von Konsumenten, Unternehmen und Energieversorgern gegenüber Veränderungen).

Die Unterstützung der SCCER FEEB&D-Technologien durch politische Massnahmen und Aktivitäten der Wirtschaft ist als wesentlich anzusehen.

Erkennen wichtiger Faktoren für die erfolgreiche Markteinführung einer

effizienten Gebäudetechnik

Erkennen wichtiger unterstützender Implementierungsfaktoren für Multi-Energie-Hubs und Leitlinien für die erfolgreiche Implementierung

Beurteilung des Energiesparpotenzials des schweizerischen Gebäudebestands

in Theorie und Praxis

Entwicklung politischer und organisationsbezogener Strategien zur Überwindung der erkannten Hemmnisse

Quantifizierung des Beitrags der SCCER FEEB&D-Technologien zum Erreichen der Ziele der Energiestrategie 2050


Gebäuden

Hemmende Faktoren





Innovation



Gebäude und Bezirke mit Nullbilanz (netto) oder als




dringung der neuen Technologien beschleunigt werden, was wesentlich zum Erreichen der Ziele der Energiestrategie 2050 beitragen wird.


Entwicklung und Verbreitung einer effizienten Gebäudetechnik

Ziel ist es, die technische Dynamik von früheren effizienten Gebäudetechnologien zu erkunden und die Mechanismen zu verstehen, die den Innovationsabhängigkeiten und Schlüsselakteuren zugrunde liegen, welche an der Entwicklung von organisatorischen Lösungen für die Verbreitung von effizienten Technologien beteiligt sind. Daraus lassen sich Rückschlüsse für die neuen Technologien ziehen, die in den AP 1–3 evaluiert werden, und organisatorische Innovationen finden, durch die technologische Entwicklungen auf Unternehmensebene gefördert werden.

Technisch-wirtschaftliche Beurteilung und sozioökonomische Implementierung von Multi-Energie-Hubs Ziel ist die Bewertung der technisch-wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit von DES unter Berücksichti-gung dynamischer Entwicklungen (z.B. technologische Lernprozesse) und ihrer regulatorischen Rah-menbedingungen. Ferner soll ein Verständnis für die institutionellen, technischen, lokalen und organi-satorischen Voraussetzungen für die Implementierung und den Betrieb von DES entwickelt werden.

Breite Umsetzung der Energieeffizienz in Gebäuden

Ziel ist die Analyse von Leistungsunterschieden bei einer Vielzahl von Fallstudien über die Gebäudesa-nierung, bei den tatsächlichen Bedingungen für Management und Nutzung nebst einer Beurteilung der Gesamtkosten der implementierten Lösungen sowie eine Bewertung der Energieeinsparpotenziale des schweizerischen Gebäudebestands in Theorie und Praxis.


Für die zweite Phase gilt eine doppelte Zielsetzung: Erstens sollen wesentliche Wissenslücken, die in der ersten Phase festgestellt wurden, durch entsprechende Forschungsanstrengungen geschlossen werden. Zweitens sollen Erkenntnisse aus der ersten Phase so weit generalisiert werden, dass daraus belastbare Empfehlungen für eine zeitnahe Verbreitung der SCCER FEEB&D-Technologien abgeleitet und ihr potenzieller Beitrag zu den Zielen der Energiestrategie quantifiziert werden kann.

Ausgehend von den technologischen Engpässen und erforderlichen Schlüsseltechnologien, die in der ersten Phasen festgestellt wurden, sollen noch umfangreichere und detailliertere Daten zur Evaluie-rung der Diffusion und Wirtschaftlichkeit der Technologien bereitgestellt werden. Aufbauend auf die Erkenntnisse, die in der ersten Phase für Einzelunternehmen gewonnen werden konnten, soll die un-ternehmensbezogene Forschung nun die Übertragbarkeit von Innovationsinterdependenzen und Fä-higkeitsanforderungen auf der Ebene von Unternehmensnetzen testen. Zu guter Letzt sollen Beurtei-lungsmöglichkeiten für Gebäudesanierungen durch Leitlinien und Empfehlungen weiterentwickelt werden, welche das bislang entwickelte Instrumentarium zur energetischen Sanierung des Gebäude-bestands konsolidieren.

Partner

Partner aus der Wissenschaft: ETHZ-BP, EPFL-LESO, HSLU, Empa, NFP-IMES, SCCER-CREST

Partner aus der Industrie: EWZ, SIG, BASF, Flumroc, Fixit, Amstein+Walthert, Regio Energie Solothurn



Team des SCCER FEEB&D bei der Peak Session 2015 (Januar 2015, Reka Solar-Feriendorf, Blatten-Belalp VS)

swiss competence center for energy research future energy ... · ikt, unterhaltung 8,4 10,3 9,9 9,2...

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