Masterarbeit Omar Daouk

 

Optimale Sanierung von Wohngebäuden unter Berücksichtigung von LCA und zeitvarianten Faktoren

Mit über einem Drittel des gesamten Endenergieverbrauchs Deutschlands spielt der Gebäudesektor eine wichtige Rolle zur Erreichung der vorgegebenen CO2-Einsparziele. Eine Möglichkeit zur Reduktion von Treibhausgasemissionen ist die energetische Sanierung des Gebäudebestandes. Um den optimalen Sanierungsansatz aus dem großen Pool der Sanierungsmöglichkeiten für Gebäudehülle und Anlagentechnik effizient zu ermitteln, eignet sich der Einsatz von Optimierungsmodellen.

In dieser Arbeit wird ein innovatives Gebäudeoptimierungsmodell verwendet, um das Emissionseinsparpotenzial der verschiedenen Sanierungsmöglichkeiten für ein bestimmtes Wohngebäude umfassend zu vergleichen. Das Modell baut auf einem Basisoptimierungsmodell auf, welches diskrete Upgrades des Gebäudeenergiesystems und der Gebäudehülle beinhaltet und gleichzeitig die thermische Speicherkapazität der verschiedenen Hüllenkomponenten berücksichtigt. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Basismodell erweitert, um die verkörperten Emissionen der Gebäudekomponenten und den dynamischen Emissionsfaktor des Strommixes zu berücksichtigen. Die Leistung des Modells wird auch durch die Modellierung einer kontinuierlichen Technologieauswahl sowie einer Clusterung der Eingangsdaten verbessert. Nach einer detaillierten Analyse zeigt sich, dass der wöchentliche Clustering-Ansatz die tägliche Clusterung übertrifft, da so Energieströme über mehrere Tage hinweg berücksichtigt werden können.

Die Ergebnisse der Optimierungen zeigen, dass Energiespeichersysteme und der intelligente Betrieb von Energiesystemen notwendig sind, um das volle CO2 Einsparpotential der Gebäudesanierung zu erreichen. Gasbasierte Wärmeerzeugung hat nachweislich wirtschaftliche Vorteile, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt wird ein Gesamtemissionsschwellenwert erreicht, über den hinaus die Umstellung auf eine strombasierte Wärmeversorgung unvermeidlich wird. Der kombinierte Einsatz von Wärmepumpen, Elektroheizungen, Photovoltaikanlagen, Batterien und Wärmespeichern dominiert die Optimierungskonfigurationen, die zu den niedrigsten Emissionen führen. Die Sanierung von der Gebäudehülle beschränkt sich in den meisten Fällen auf moderate Wand- und Fensterumbauten. Die Gebäudehülle wird nur in dem Szenario vollständig nachgerüstet, das die geringstmöglichen Emissionen verursacht, aber zu einem erheblichen Kostenanstieg führt.

Anhand simulierter Netzemissionsfaktoren wird ein Vergleich zwischen den Jahren 2017, 2030 und 2050 vorgenommen, dessen Ergebnisse zeigen, dass ein direkter Vergleich aufgrund von Einschränkungen durch die verwendete Clustering-Methode nicht möglich ist. Die Ergebnisse zeigen auch, dass ein genauer Vergleich nur möglich ist, wenn den Schritten Clustering und Optimierung eine detaillierte Korrelationsanalyse vorausgeht.