Auswirkungen des Klimawandels auf den Ertrag erneuerbarer Energien und den Energiebedarf von Gebäuden operative Temperatur [ C] 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 Globalstrahlung 26 C - Grenze Referenzzeitraum (TRY 2004) Außenlufttemperatur (TRY 2004) Ende 21. Jahrhundert (TRY 2085) Außenluftttemperatur (TRY 2085) 2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 800 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Zeit [h] Globalstrahlung [W/m²] Dipl.-Ing. Andreas Herrmann, TU Bergakademie Freiberg/ Deutschland 14. Symposium Energieinnovation EnInnov2016, Graz/ Österreich, 10.-12.02.2016
Agenda 1. Prognostizierte Klimaänderungen 2. Ertragsänderungen erneuerbarer Energien 3. Entwicklung des Energiebedarfs von Gebäuden 4. Anpassungsmaßnahmen 5. Thesen 2
1. Prognostizierte Klimaänderung MOTIVATION 3
1. Prognostizierte Klimaänderung ENTWICKLUNG DER TEMPERATUR 14 13 Jahreswerte gleitendes Mittel (11 Jahre) REMO, A1B STAR II, A1B Messdaten Prognose REMO, A1B Temperatur [ C] 12 11 10 9 8 STAR II, A1B 7 1900 1950 2000 2050 2100 Temperaturen von 1900 bis 2100 für Potsdam (Prognose mit den Regionalklimamodellen REMO und STAR II, A1B-Szenario) Temperaturanstieg bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um ca. 3 K (Referenzperiode von 1961 bis 1990) Zunahme extremer Hitzeperioden Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 4
1. Prognostizierte Klimaänderung ENTWICKLUNG DER GLOBALSTRAHLUNG Jahreswerte gleitendes Mittel (11 Jahre) REMO, A1B STAR II, A1B 1.200 Messdaten Prognose STAR II, A1B 1.150 Globalstrahlung [kwh/m²] 1.100 1.050 1.000 950 900 Zuverlässige Prognose der Globalstrahlung ist nicht möglich! (DWD 2011) REMO, A1B 850 1950 2000 2050 2100 Jahressummenwerte der Globalstrahlung von 1940 bis 2100 für Potsdam (Prognose mit den Regionalklimamodellen REMO und STAR II, A1B-Szenario) Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 5
2. Ertragsänderungen erneuerbare Energien PV-ANLAGEN 120 115 photovoltaic systems Deutliche Ertragssteigerung aufgrund höherer Strahlungswerte change in energy yield [%] 110 105 100 95 100.0 99.7 103.2 Geringe Ertragsminderung durch Temperaturanstieg 102.9 90 TRY 2010 reference period TRY 2035 impact of temperature TRY 2035 impact of radiation TRY 2035 impact of temperature and radiation Herrmann et. al.: Climate change impacts on photovoltaics, solar thermal energy, transparent insulation and energy demand in the building sector conference proceedings EuroSun 2014, International Conference on Solar Energy and Buildings, Aix-les-Bains/ France; doi:10.18086/eurosun.2014.08.02 6
2. Ertragsänderungen erneuerbare Energien SOLARTHERMISCHE ANLAGEN Jahresenergieertrag in Prozent 120 115 110 105 100 95 90 100 Vakuumröhrenkollektor (mittlere Absorbertemperatur: 50 C) Flachkollektor (mittlere Absorbertemperatur: 40 C) Schwimmbadkollektor (mittlere Absorbertemperatur: 26 C) 100 100 101 102 106 Referenzperiode TRY 2035 Temperatureinfluss 104 104 108 105 107 117 TRY 2035 Strahlungseinfluss TRY 2035 Temperatur- und Strahlungseinfluss Ertragssteigerung durch Strahlungs- und Temperaturanstieg Schwimmbadkollektoren profitieren am stärksten Strahlungseinfluss größer als Temperatureinfluss A. Herrmann, C. Dorn Auswirkunge n des Klimawandels auf den Ertrag von solarthermischen Anlagen und passiven Systemen Tagungsband OTTI, 24. Symposium Thermische Solarenergie 2014, Bad Staffelstein/ Deutschland 7 A. Herrmann, C. Dorn:Solarthermische Anlagen im Klimawandel Tagungsband Gleisdorf SOLAR 2014, 11. Internationale Konferenz für solares Heizen und Kühlen 2014, Gleisdorf/ Österreich
2. Ertragsänderungen erneuerbare Energien WASSERKRAFTANLAGEN s] ³/ [m s flu b sa re h Ja r re itle m 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 a r u n Ja a r F e b ru rz ä M ril p A a i M n i Ju li Ju st u g u A e r b m p te S e e r b k to O e r b o v e m N b e r m e ze D 1961-1990 1991-2011 Geringe Ertragsminderung aufgrund der Dichteänderung des Wassers Ertragsverschiebung vom 2. in das 1. Quartal Kein eindeutiger Trend für 3. und 4. Quartal sowie für Jahreswerte A. Herrmann: Auswirkungen des Klimawandels auf die Energiewirtschaft, 1. DER-Seminar 2013, Freiberg, 23.05.2013 8
3. Entwicklung des Energiebedarfs von Gebäuden PROGNOSTIZIERTE KLIMAÄNDERUNG Klimaparameter Veränderung Auswirkungen Temperatur - Temperaturanstieg - Zunahme extremer Hitzeperioden - Änderung des Energiebedarfs - Einfluss auf die Behaglichkeit im Sommer Globalstrahlung - Keine eindeutige Prognose möglich - Änderung des Energiebedarfs - Einfluss auf die Behaglichkeit im Sommer Niederschlag Hagel, Wind Schnee - Zunahme extremer Regenereignisse und Trockenperioden - Zunahme der Intensität und extremer Windereignisse (Tornados) - Zunahme der Starkniederschläge im Winter - Wasser- und Feuchtebelastung steigt - Überflutungsgefahr steigt - Schäden an Gebäuden und Energieinfrastruktur - Zunahme der Schneelasten Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 9
3. Entwicklung des Energiebedarfs von Gebäuden RANDBEDINGUNGEN Verwendete Klimadatensätze Bezeichnung Zeitraum Jahresdurchschnittstemperatur Erläuterung TRY 2004 1961-1990 8,8 C Standard-Referenzperiode TRY 2010 1988-2007 9,5 C (+0,7 K) derzeitiges Klima TRY 2035 2021-2050 10,7 C (+1,9 K) Klima zur Mitte des 21. Jahrhunderts TRY 2085 2071-2100 12,2 C (+3,4 K) Klima zum Ende des 21. Jahrhunderts Modellgebäude Dämmstandard nach EnEV 2014 Energetische Bilanzierung nach DIN V 4108-6: 2003-06 und DIN V 18599-2: 2011-12 Simulation der Raumtemperatur mit THERAKLES Modellgebäude Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 10
3. Entwicklung des Energiebedarfs von Gebäuden ENTWICKLUNG ENERGIEBEDARF Nutzenergiebedarf [%] (100% = TRY 2004) 200 Heizwärmebedarf Kühlbedarf Gesamtnutzenergiebedarf 190 180 160 153 140 120 117 100 100 100 100 89 94 90 92 80 75 69 60 40 20 0 TRY 2004 TRY 2010 TRY 2035 TRY 2085 Abnahme des Heizwärmebedarfs um ca. 30% Zunahme des Kühlbedarfs um ca. 90% Abnahme des Gesamtnutzenergiebedarfs um ca. 10% im Vergleich zum Referenzzeitraum (1961 bis 1990) Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 11
3. Entwicklung des Energiebedarfs von Gebäuden ENTWICKLUNG DES SOMMERLICHEN RAUMKLIMAS operative Temperatur [ C] 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 Globalstrahlung 26 C - Grenze Referenzzeitraum (TRY 2004) Außenlufttemperatur (TRY 2004) Ende 21. Jahrhundert (TRY 2085) Außenluftttemperatur (TRY 2085) 2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 800 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Zeit [h] Globalstrahlung [W/m²] Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 12
4. Anpassungsmaßnahmen PASSIVE TECHNOLOGIEN ZUR GEBÄUDEKÜHLUNG Einsatz von Phasenwechselmaterialien (PCMs) Verbesserung der Verschattung transparenter Bauteile Reduzierung des Absorptionsgrades opaker Oberflächen Reduzierung der internen Gewinne Erhöhte Nachtlüftung Gebäudebegrünung Erhöhte Nachtlüftung + Einsatz von PCMs Mikrokapseln Innenputz Wandaufbau mit PCM (Schossig et al. 2005) Gebäudebegrünung Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 13
4. Anpassungsmaßnahmen AUSWIRKUNGEN DER ANPASSUNGSMASNAHMEN operative Temperatur [ C] 34 34 32 32 30 28 30 26 28 24 26 22 24 20 22 18 16 20 Referenz Globalstrahlung 26 C PCMs- Grenze Begrünung Referenzzeitraum (TRY 2004) Außenlufttemperatur Reduzierung des Absorptionsgrades (TRY 2004) Halbierung der internen Wärmelasten Verbesserte Verschattung Erhöhte Ende 21. Nachtlüftung Jahrhundert (TRY 2085) Außenluftttemperatur Erh. Nachtl. und PCM(TRY 2085) Außenlufttemperatur (TRY 2085) 26 C - Grenze 2.000 1.600 1.800 1.400 1.600 1.400 1.200 1.200 1.000 1.000 800 800 600 600 400 400 200 200 Globalstrahlung [W/m²] 14 18 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Zeit [h] Verlauf der operativen Temperatur während eines Zeitraums von 5 Tagen unter Wirkung der Anpassungsmaßnahmen (TRY 2085) Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 14
4. Anpassungsmaßnahmen DARSTELLUNG DER ÜBERTEMPERATURGRADSTUNDEN Übertemperaturgradstunden [Kh] Referenzfall Einsatz von PCMs Gebäudebegrünung Reduzierung des Absorptionsgrades Halbierung der internen Wärmelasten Verbesserte Verschattung Erhöhte Nachtlüftung Erh. Nachtl. und PCM 2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 800 600 500 Kh - Grenze 400 200 0 TRY 2004 TRY 2010 TRY 2035 TRY 2085 Einfluss der Anpassungsmaßnahmen auf die Übertemperaturgradstunden Herrmann et. al.: Gebäude im Klimawandel. Einwirkungen und Anpassungsmaßnahmen,Tagungsband EffizienzTagung 2014, EffizienzTagung Bauen+Modernisieren, Hannover/ Deutschland 15
4. Anpassungsmaßnahmen Klimatische Einwirkungen auf Gebäude Zunahme der Temperatur Zunahme von Extremereignissen Abnahme des Heizund Zunahme des Kühlenergiebedarfs Zunahme von Sommerhitze Überflutungshäufigkeit Wind, Hagel und Starkregen A N P A S S U N G S M A ß N A H M E N Erhöhte Nachtlüftung Verschattung transparenter Bauteile Reduzierung der internen Lasten Niedriger Absorptionsgrad von Bauteiloberflächen Gebäudebegrünung Einsatz von Phasenwechselmaterialien Verwendung von robusten Baustoffen und Baukonstruktionen Anpassung der Regelwerke zur Berücksichtigung zukünftiger Extreme Erhöhung der Wind- und Hagelfestigkeit Trockene oder nasse Vorsorge Nutzungsbereichsverlagerung sowie der Bauwerksdichtigkeit A. Herrmann, C. Dorn.: Industriegebäude im Klimawandel. Zusammenhänge und Anpassungsmaßnahmen in: Unternehmensstrategien zur Anpassung an den Klimawandel. Theoretische Zugänge und empirische Befunde, oekom verlag, München, 2014, S. 141-151 16
5. Thesen ZUSAMMENFASSUNG (TEIL 1) Solarthermie: größte Gewinner des Klimawandels bzgl. der Erträge Photovoltaik: Ertragssteigerung durch höhere Strahlungswerte Wasserkraft: Ertragsverschiebung vom 2. ins 1. Quartal Windenergie: keine zuverlässige Prognose möglich Reduzierung der Betriebsstunden von wärmegeführten KWK- Anlagen um ca. 10 bis 15% Luftwärmepumpen: geringe Effizienzverbesserung Wirkungsgradreduzierungen für thermische Kraftwerke 17
5. Thesen ZUSAMMENFASSUNG (TEIL 2) Die Auswirkungen des Klimawandels auf Gebäude sind größer und relevanter als auf Energieerzeugungstechnologien. Die veränderten Klimabedingungen gefährden zukünftig vor allem die Behaglichkeit in Innenräumen im Sommer. Durch den Klimawandel reduziert sich bis zum Ende dieses Jahrhunderts der Heizwärmebedarf um ca. 1/3. Im Gegensatz dazu verdoppelt sich der Kühlbedarf. Mit passiven Maßnahmen kann auch zum Ende des 21. Jahrhunderts die Behaglichkeit gewährleistet werden. Bei der Planung von Gebäuden müssen zukünftig die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigt werden. 18
5. Thesen Vorhersagbar sind nur Tendenzen aufgrund der Vielzahl von Modellen mit unterschiedlichen Änderungssignalen. Klimaeffekte bleiben größtenteils unbemerkt, weil: Typische Schwankungen von Jahr zu Jahr liegen in einer ähnlichen Größenordnung wie die mittelfristigen Änderungen. Vorhersage der Temperaturentwicklung ist vergleichsweise robust. Die Prognose aller anderen Klimaparameter ist mit großen Unsicherheiten verbunden. Andere Effekte überlagen die Klimaeffekte, z.b. Energiepreisschwankungen, veränderte politische Rahmenbedingungen, Steuergesetze usw. Deutschland ist bisher vergleichsweise wenig vom Klimawandel betroffen. Ausblick Detaillierte Untersuchung von ausgewählten Anpassungsmaßnahmen 19
Vielen Dank! Dipl.-Ing. Andreas Herrmann TU Bergakademie Freiberg Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Gustav-Zeuner-Str. 7 09599 Freiberg Andreas.Herrmann@iwtt.tu-freiberg.de 20