Heizen, Photovoltaik und Betriebsoptimierung
Die Ziele der 2000-Watt-Gesellschaft bei den Gebäuden zu erreichen, liegt primär in der Kompetenz der Eigentümer/innen und der Betreiber/innen, indem sie Photovoltaik-Strom am Gebäude produzieren, die Verwendung von Energie im Betrieb optimieren und sich für eine energieeffiziente und CO2-freie Wärmeversorgung entscheiden.
Hintergrund
Heizen, Photovoltaik (PV) und die Verwendung von Energie in betrieblichen Prozessen bildeten einen weiteren Schwerpunkt von Energieforschung Stadt Zürich. Diese Themen wurden in fünf Projekten bearbeitet. Nachfolgend analysieren wir zunächst den Bereich Heizen und PV, wobei wir insbesondere der Frage nachgehen, wie weit erneuerbare Energien beim Ersatz von Heizungen zum Einsatz gelangen und welches Potenzial Photovoltaikanlagen bei Mehrfamilienhäusern haben. Anschliessend beleuchten wir die Ergebnisse aus Analysen zur Betriebsoptimierung.
Haupterkenntnisse Heizen und Photovoltaik
Einen wichtigen Beitrag zur Reduktion der Treibhausgasemissionen leisten der Ersatz fossil betriebener Heizsysteme durch Heizsysteme, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, sowie der Betrieb von PV-Anlagen. Auf städtischem Gebiet stellt aber der Bau von Anlagen zur Produktion erneuerbarer Energien eine besondere Herausforderung dar. Auf der einen Seite kann mit der Produktion erneuerbarer Energien der CO2-Ausstoss wesentlich gesenkt werden. Auf der anderen Seite stellen sich dem Einsatz erneuerbarer Energien in Städten spezifische Hemmnisse entgegen: Beispielsweise sind nicht überall Wärmepumpen, Holzheizungen oder PV-Anlagen realisierbar. Die Gründe dafür können einerseits technischer Natur sein – zum Beispiel knappe Platzverhältnisse oder eine schwierige Erschliessung, andererseits können auch juristische Gründe die Vorhaben erschweren: beispielsweise Schutz- und Sicherheitsbestimmungen. Und nicht überall steht Wärme aus erneuerbaren Energien über Fernwärmenetze zur Verfügung.
Einsatz erneuerbarer Energien beim Heizungsersatz
Wenn alte, fossil betriebene Heizsysteme ersetzt werden müssen, bietet sich eine gute Gelegenheit, auf erneuerbare Energien umzusteigen. Wie aber stellt sich der Ersatz von Heizungen in der Stadt Zürich dar? Welche Systeme werden neu eingesetzt, und werden sie mit erneuerbaren Energien betrieben? Wie präsentiert sich die Situation in der Stadt Zürich im Vergleich mit anderen Städten?
Schweizweit werden vermehrt fossil betriebene Heizungen durch solche ersetzt, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Gemäss einer Studie von Wüest & Partner aus dem Jahre 2015 werden bei Einfamilienhäusern aber immer noch in über der Hälfte aller Fälle die fossil betriebenen Heizungen durch ein gleiches System ersetzt. Bei den Mehrfamilienhäusern sind es sogar über zwei Drittel.
Noch drastischer präsentiert sich die Situation in der Stadt Zürich. Energieforschung Stadt Zürich konnte mittels statistischer Auswertungen bei Gebäuden von privaten Eigentümerschaften zeigen, dass in 88% aller Fälle Heizsysteme, die mit fossilen Energieträgern betrieben sind, wiederum durch fossile Anlagen ersetzt werden. In der folgenden Tabelle sind die entsprechenden Daten für die Stadt Zürich aufgeführt. In den Jahren 2010 bis 2018 wurden total 8'736 Fälle von Heizungsersatz analysiert. Gasheizungen wurden in 91% der Fälle mit neuen Gasheizungen ersetzt, Ölheizungen wurden entweder durch Gasheizungen (54%) oder neue Ölheizungen (26%) ersetzt. Wärmepumpen, Fernwärme oder Holzheizungen kamen vergleichsweise selten zum Einsatz: Gasheizungen wurden nur in 9% der Fälle durch Fernwärme oder Wärmepumpen ersetzt, beim Ersatz von Ölheizungen kamen in 19% der Fälle Fernwärme und Wärmepumpen zum Einsatz. Die Anzahl der Holzheizungen ist vernachlässigbar.
Energieträgerwahl beim Heizungsersatz zwischen 2010 und 2018 in der Stadt Zürich auf Gebäudeebene. Nicht enthalten sind Wechsel von nicht-fossilen zu fossilen und zu nicht-fossilen Energieträgern. Lesebeispiel: Von 4'666 Ölheizungen wurden 26% wiederum durch eine Ölheizung, 54% durch eine Gasheizung, 13% durch eine Wärmepumpe und 6% durch Fernwärme ersetzt. Durch Rundungsdifferenzen ergeben sich geringe Abweichungen von 100% (Transformation der Energieversorgung - Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energieträger beim Heizungsersatz FP 2.8).
Tabelle vergrössernHeizungsersatz: Städtevergleich
Ein Vergleich mit den Städten Basel, St.Gallen, Winterthur und Köniz macht deutlich, dass der seltene Ersatz von fossilen durch erneuerbare Energieträger beim Heizungsersatz in grösseren Städten eher die Regel als die Ausnahme darstellt: Die Werte für Basel-Stadt, St.Gallen und Winterthur sind vergleichbar mit jenen in der Stadt Zürich. Einzig in dem vergleichsweise ländlichen Köniz wird der Wechsel von fossilen Energieträgern zu erneuerbaren Energieträgern beim Heizungsersatz öfter vollzogen, wobei primär Wärmepumpen und Holzheizungen zum Einsatz kommen. Wobei auch hier immer noch über die Hälfte der Heizungswechsel von fossilen zu fossilen Systemen erfolgt.
Vergleich der Energieträgerwechsel auf Gebäudeebene zwischen Zürich, Basel, St.Gallen, und Köniz zwischen 2010 bis 2018, sowie Winterthur 2014 bis 2018 (Vertiefungsprojekt zum Heizungsersatz: Städtevergleich und Einsatz Luft-Wasser-Wärmepumpen FP-2.8.1).
Abbildung vergrössernGründe für die Wahl der Energieträger beim Heizungsersatz und Einflussmöglichkeiten
Mit einer Befragung von 530 Personen in der Stadt Zürich haben Forschende ermittelt, welches die wichtigsten Faktoren bei der Wahl des Heizsystems sind. Bei allen Befragten liegt der Ersatz der Heizung erst kurze Zeit zurück. Es zeigt sich, dass 53% der Befragten nicht geprüft haben, ob für sie eine Heizung mit erneuerbaren Energieträgern überhaupt in Frage kommt. Vielfach ist der Eigentümerschaft nicht bekannt, ob beispielsweise der Einsatz einer Wärmepumpe an ihrem Standort möglich wäre.
Neben diesen grundsätzlichen Entscheidungsmustern stellten sich drei weitere Einflussfaktoren als bedeutsam für die Wahl von fossilen Heizsystemen heraus – wobei der zweite und der dritte Faktor primär bei privaten Eigentümerschaften relevant ist:
- Höhe der Investitionskosten,
- Höhe der erwarteten Unterhalts- und Betriebskosten, sowie
- technisch ungünstige Voraussetzungen des Gebäudes für ein System mit erneuerbarer Energie (z.B. zu enge Platzverhältnisse, zu hoher Heizwärmebedarf).
Angesichts der Tatsache, dass bei der Hälfte der Fälle eines Heizungsersatzes der Einsatz von erneuerbaren Energien gar nicht erst geprüft worden ist, zeichnet sich hier ein erhebliches Potenzial zur Förderung erneuerbarer Energien ab. Daher haben Forschende untersucht, ob Wärmepumpen verstärkt als Alternative zu Gas und Ölheizungen eingesetzt werden können.
Möglichkeiten des Einsatzes von Wärmepumpen in städtischen Gebieten
Mit der Durchführung von Fallstudien und Befragungen haben Forschende ermittelt, welche Faktoren den Einsatz von Wärmepumpen im städtischen Gebiet fördern oder auch hemmen können. Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass Wärmepumpen sehr wohl eine Option für den Ersatz fossil betriebener Heizungen auf städtischen Gebieten darstellen. Allerdings gilt es insbesondere folgende Aspekte zu beachten:
- Wo eine Vorlauftemperatur von bis 60 Grad bei -8 Grad Aussentemperatur für Heizzwecke reicht, kann eine Wärmepumpe zum Einsatz kommen.
- Bezüglich der Grösse der Anlagen lassen sich keine allgemeinen Vorgaben formulieren.
- Zentral für den erfolgreichen Einsatz einer Wärmepumpe ist aber ein effektiver Lärmschutz, hohes Know-how der Installationsfirmen, ein einfaches Bewilligungsverfahren sowie tiefe Kosten beim Elektroanschluss.
Für die Stadt Zürich lässt sich daraus ableiten, dass das Bewilligungsverfahren bei unkritischen Fällen auf ein Anzeigeverfahren reduziert werden sollte. Das Verfahren zur Vergabe von Förderbeiträgen gilt es zu vereinfachen. Im Rahmen von Energieforschung Stadt Zürich wurde schliesslich ein Merkblatt entwickelt, welches den Entscheid für oder gegen den Ersatz fossiler Heizungen durch Wärmepumpen erleichtern soll.
Einsatz von Photovoltaikanlagen auf Mehrfamilienhäusern in städtischem Umfeld
Der Einsatz von erneuerbaren Energien beschränkt sich nicht nur auf das Heizen, sondern mehr und mehr rückt der Einsatz von Photovoltaikanlagen zur Stromproduktion ins Zentrum der Betrachtung. Diesen Aspekt hat Energieforschung Stadt Zürich auf dem Hunziker-Areal näher untersucht. Das 40‘000 Quadratmeter grosse Areal in der Stadt Zürich umfasst 13 Mehrfamilienhäuser und verfügt über mehrere Photovoltaikanlagen. Mittels Messungen und Befragung haben Forschende untersucht, wie sich der Eigenverbrauch von photovoltaisch erzeugtem Strom steigern liesse und ob Wechselwirkungen zwischen der Stromproduktion einerseits und dem Stromverbrauchsverhalten andererseits zu beobachten sind.
Die Analyse zeigt, dass es unter Berücksichtigung der geltenden Planungshilfen sowohl für die Konsumenten/innen, das Energieversorgungsunternehmen wie auch die Eigentümerschaft der PV-Anlage oftmals nicht rentabel ist, die gesamte Dachfläche eines Gebäudes für PV-Anlagen zu nutzen.
Allerdings haben Messungen auf dem Hunziker-Areal gezeigt, dass der Eigenverbrauch beim Strom selbst bei einer reinen Wohnnutzung nie tiefer als 55% ausfällt. Die gängigen Planungshilfsmittel nehmen beim Einsatz von PV-Anlagen aber lediglich einen Anteil von 30 bis 40% am Eigenverbrauch an. Daraus lässt sich folgern, dass die Fläche von PV-Anlagen grösser ausgelegt und mehr Strom für den Eigenbedarf produziert werden kann. Auch reduzieren Effizienzmassnahmen in den Gebäuden den Eigenverbrauch nicht so stark wie vermutet. Somit spricht gemäss der Untersuchung nichts gegen die Realisierung möglichst grosser PV-Anlagen auf den Dächern von Mehrfamilienhäusern. Hier gilt es zu prüfen, ob und wie weit die geltenden Planungshilfen überarbeitetet und näher an die Praxis herangeführt werden können.
Blick auf das Hunziker-Areal (Foto U. Meissner, 2016).
Foto vergrössernHaupterkenntnisse: Energieeffizienz und Betriebsoptimierung in Unternehmen
ewz gewährt kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) mit einem Elektrizitätsverbrauch von mehr als 60 MWh/a, welche mit der Energieagentur der Wirtschaft (EnAW), der Cleantech Agentur Schweiz (ACT) oder dem Kanton Zürich eine Zielvereinbarung über den Energieverbrauch abgeschlossen haben, einen Rabatt von 10% auf die Stromrechnung. Dieser Rabatt wird als ewz.effizienzbonus (EEB) bezeichnet. Dessen Wirkungen wurden im Rahmen eines Forschungsprojekts näher untersucht.
Ähnlich gelagert war ein zweites Projekt, bei dem es um die Möglichkeiten eines sogenannten Effizienzmarktes für Unternehmen geht. Unternehmen mit einer Zielvereinbarung für den Energieverbrauch, die mehr Energieeinsparungen realisieren als sie gemäss Vereinbarung müssten, können diese Übererfüllungen in Form von Energieeffizienzzertifikaten verkaufen. Da aber noch kein Markt für solche Energieeffizienzzertifikate bestand, ist ewz als Käuferin der Zertifikate aufgetreten. ewz hat den Unternehmen entweder einen finanziellen oder einen nicht-finanziellen Gegenwert (zum Beispiel Möglichkeit zur Positionierung in der Öffentlichkeit) angeboten.
Haupterkenntnisse zur Betriebsoptimierung
Die Erfahrungen mit dem ewz.effizienzbonus zeigen, dass von den Unternehmen, die Anspruch auf den Bonus hätten, nur ein kleiner Teil diesen auch beansprucht. Den Gründen dafür sind Forschende mittels einer Befragung bei 2‘257 Unternehmen nachgegangen.
Es zeigte sich, dass der ewz.effizienzbonus vor allem bei grösseren und energieintensiven Unternehmen eine hohe Marktdurchdringung von über 80% erreicht. Eine grosse Mehrheit davon erfüllt oder übererfüllt die Zielvereinbarung. Dies ist insbesondere bei den Branchengruppen Landwirtschaft, Handel und Büro der Fall. Zwei Drittel der Unternehmen mit ewz.effizienzbonus geben an, den Bonus in Energieeffizienzmassnahmen oder in den Bezug von Ökostrom zu reinvestieren.
Bei kleineren Unternehmen ist die Marktdurchdringung des ewz.effizienzbonus wesentlich tiefer, nämlich nur rund 40%. Dafür sind drei Gründe verantwortlich:
- Erstens ist für die kleinen Unternehmen der Abschluss einer Zielvereinbarung als Voraussetzung für den Bezug des Bonus häufig eine zu hohe Hürde.
- Zweitens zeigten die Erhebungen, dass die Energieeffizienz nach Meinung der befragten Führungskräfte für den Geschäftserfolg kleiner Unternehmen wenig relevant ist.
- Drittens zeigten sich Informationsdefizite, weshalb die Zielgruppen nicht optimal erreicht wurden.
Bezüglich der energetischen Wirkungen haben Forschende für 152 Unternehmen mit Zielvereinbarungen in der Stadt Zürich untersucht, wie sich die Massnahmen auf verschiedene Anwendungsbereiche auswirkten. Die folgende Grafik zeigt die Ergebnisse im Überblick.
Massnahmen im Rahmen der Zielvereinbarung nach Strom und Wärme für total 152 Unternehmen (ewz.effizienzbonus und Betriebsoptimierung FP-2.4).
Abbildung vergrössernWirkungen, Treiber und Hemmnisse
Die gesamte Wirkung der Massnahmen im Jahr 2011 betrug 506'400 MWh/a beim Strom und 222'000 MWh/a bei der Wärme. 90% dieser Wirkungen sind auf Investitionen zurückzuführen, nur 10% auf die Betriebsoptimierungen. Der Effekt der Optimierungen ist also relativ klein.
Basierend auf diesen Befunden haben Forschende analysiert, welche Treiber und Hemmnisse die Unternehmen zur Betriebsoptimierung motivieren oder eben bremsen. Generell kann man hierzu festhalten, dass die reine Kosten-Nutzen-Betrachtung nicht erklärt, warum viele wirtschaftliche Energieeffizienzmassnahmen in Unternehmen nicht umgesetzt werden – dieses Phänomen ist unter dem Begriff der «Energieeffizienzlücke» bekannt. Zur Erklärung müssen vielmehr noch zusätzliche Faktoren wie Transaktionskosten und versteckte Kosten, Kosten der Informations- und Wissensbeschaffung sowie Verhaltens- und Motivationstheorien herangezogen werden. Dies führt zum Schluss, dass Unternehmen und insbesondere kleine Unternehmen wenig rational über die Durchführung von Effizienzmassnahmen entscheiden. Das bedeutet: Für die Umsetzung dieser Massnahmen muss nicht nur die Kosten-Nutzen-Bilanz stimmen, sondern die Unternehmen müssen mit den Effizienzmassnahmen vertraut sein und die notwendigen Mittel für die Finanzierung bereitstellen können. Weiter muss das Know-how für eine Priorisierung der Fülle an möglichen Effizienzmassnahmen sowie die nötige Zeit zur Umsetzung zur Verfügung stehen. Und schliesslich braucht es eine Wirkungskontrolle, welche die Umsetzung von Massnahmen unterstützt.
Analyse des Effizienzmarktes von ewz
Die Analyse des Effizienzmarktes von ewz führte zu folgenden Befunden: Der Effizienzmarkt bietet für Energieversorgungsunternehmen und andere Dienstleister die Möglichkeit, neue Produkte und Leistungen für Unternehmen anzubieten. Dies soll dazu führen, dass die Unternehmen zusätzlich in Massnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz investieren. Aus theoretischer Sicht handelt es sich bei diesem Angebot um sogenannte Gelegenheitsentscheide. Dafür braucht es – im Gegensatz zu Problementscheiden, denen sich ein Unternehmen nicht entziehen kann und die meist das Kerngeschäft einer Firma betreffen – einen zusätzlichen, finanziellen Anreiz. Dieser ist im Falle des Effizienzmarktes bei grossen Unternehmen eher ausreichend, um Massnahmen zur Energieeffizienz auszulösen. Hingegen ist der finanzielle Anreiz bei KMU alleine meist nicht ausreichend, um Effizienzmassnahmen auszulösen: Es spielen nebst den finanziellen Anreizen situative Faktoren wie das Know-how oder die die verfügbare Zeit eine entscheidende Rolle. Daher braucht es zum Einstieg in den Effizienzmarkt ein vergleichsweise hohes Vertrauen in den Mechanismus dieses Marktes, hohe Zuschüsse und viel Information über die Leistungen und den Ertrag.
Empfehlungen: Einsatz erneuerbarer Energien für Heizung und Stromproduktion
Für den Einsatz erneuerbarer Energien in Gebäuden lassen sich folgende Empfehlungen formulieren:
Eigentümerschaften sensibilisieren und frühzeitig Alternativen zu fossilen Heizsystemen aufzeigen.
Angesichts der geringen Berücksichtigung erneuerbarer Energien beim Heizungsersatz müssen in einem ersten Schritt die Eigentümerschaften sensibilisiert werden: Es gilt möglichst früh im Entscheidungsprozess und noch vor dem Auftreten eines grösseren Schadens an den Heizsystemen Alternativen zu fossil betriebenen Heizungen aufzuzeigen, etwa mit Informationen oder einem Energie-Coaching.
Fördermassnahmen auf die Zielgruppen anpassen.
Private Eigenheimbesitzer/innen entscheiden anders als professionelle Liegenschaftsverwaltungen. Bei der Förderung des Heizungsersatzes ist diesen unterschiedlichen Entscheidungsprozessen Rechnung zu tragen: Während private Eigenheimbesitzende beim Ersatz eher den Weg über die Handwerksbetriebe wählen, lassen sich professionelle Liegenschaftsverwaltungen eher von Planungsunternehmen beraten. Daher sollten Fördermassnahmen auf die Zielgruppen angepasst und über unterschiedliche Kanäle erfolgen.
Fachleute aus der Heizungsbranche und Hausverwaltungen informieren und ausbilden.
Fachleute aus der Heizungsbranche und Hausverwaltungen sind Schlüsselakteure beim Heizungsersatz. Die Eigentümerschaften alleine durch die öffentliche Hand anzusprechen, reicht nicht aus. Denn von einem geplanten Heizungsersatz erfahren als Erste die Fachleute aus der Heizungsbranche sowie die Hausverwaltungen. Sie gilt es prioritär über den Einsatz erneuerbarer Energien zu Heizzwecken zu informieren und auszubilden.
Rahmenbedingungen in städtischen Gebieten verbessern.
Schliesslich müssen die technischen und rechtlichen Rahmenbedingungen für den Einsatz von erneuerbaren Energien im Allgemeinen und den Einsatz von Wärmepumpen im Speziellen in städtischen Gebieten verbessert werden. Denkbar sind erleichterte Bewilligungen für Luft-Wasser-Wärmepumpen.
Potenziale für Photovoltaiknutzung von Anfang an einplanen.
Zur verstärkten Nutzung der Sonnenenergie mittels Photovoltaikanlagen bei Mehrfamilienhäusern sollten PV-Anlagen bei der Gestaltung der Dachlandschaft von vornherein mitberücksichtigt werden. Die Gebäudetechnikplaner/innen sind gefordert, die Gebäudehülle – also Dach und Fassade – als Produktionsfläche für Solarstrom zu erkennen und diese möglichst für PV-Anlagen einzuplanen beziehungsweise freizuhalten. Weiter sollten Anreiz gesetzt werden, damit grössere PV-Anlagen gebaut werden, die (nicht nur) für den Eigenverbrauch optimiert sind, sondern auch Elektrizität ins Netz abgeben können. Dafür wäre eine Anpassung der Tarifsysteme notwendig, so dass die PV-Betreiber die Wahl haben, entweder den Eigenverbrauch oder aber die Produktionsmenge zu optimieren. Daneben können in der Planung «Energiezonen» definiert werden, in denen erhöhte Anforderungen an den Einsatz von erneuerbaren Energien bestehen.
Empfehlungen: Energieeffizienz und Betriebsoptimierung in Unternehmen
Ausgehend von der Erfolgskontrolle beim ewz.effizienzbonus und den Überlegungen zum Energieeffizienzmarkt lassen sich folgende Empfehlungen zur Förderung der Energieeffizienz in Unternehmen formulieren:
Energieversorgungsunternehmen stellen Unternehmen Know-how, Informationen und Entscheidungshilfen zur Verfügung.
KMU entscheiden über Energieeffizienzmassnahmen nur begrenzt rational. Zwar sind finanzielle Anreize in Form von Geldprämien ein guter Einstieg in den Entscheidungsprozess, reichen alleine aber nicht aus. Damit Massnahmen zur Betriebsoptimierung vermehrt umgesetzt werden, müssen zusätzlich Know-how, Information und Entscheidungshilfen mittels Beratung bereitgestellt werden.
Nicht-monetäre Faktoren sind zentral, damit Unternehmen Effizienzmassnahmen umsetzen.
Die Beratung kann sich nicht ausschliesslich auf Kosten-Nutzen-Betrachtungen konzentrieren, sondern muss in der Lage sein, die nicht-monetären Hemmnisse zu überwinden. Berater/innen müssen verständlich kommunizieren, das Vertrauen der Unternehmen gewinnen und mit Beispielen erfolgreicher Projekte die Plausibilität von Effizienzmassnahmen belegen können.
Unternehmen können Effizienzmassnahmen mit Contracting auslagern.
Es lohnt sich auch zu prüfen, ob allenfalls die Umsetzung von Effizienzmassnahmen von den Unternehmen auszulagern sei. Zum Beispiel in Form von Contracting-Verträgen mit dem Energieversorgungsunternehmen.
Ein Mix von Massnahmen ist am effektivsten.
Bei der Entwicklung eines konkreten Effizienzprogrammes braucht es einen Mix von Ansätzen, die alle gleichzeitig zum Einsatz kommen:
- das Entrichten von Geldprämien,
- den Abbau von Hemmnissen in der Kommunikation durch verständliche Sprache zur Erlangung von Glaubwürdigkeit,
- den Abbau von Hemmnissen in der Unternehmenskultur zur Steigerung der Akzeptanz.