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Sep 20, 2023

Bezirk Toronto 2030: Was ist nötig, um den Gebäudebetrieb zu dekarbonisieren?

AED-Fachleute werden immer geschickter darin, die Energie zu verbessern

AED-Fachleute werden immer geschickter darin, die Energieleistung einzelner Gebäude zu verbessern. Um die globalen CO2-Reduktionsziele zu erreichen, ist jedoch viel mehr erforderlich, als neue Gebäude mit höheren Standards zu errichten und bestehende Gebäude schrittweise umzurüsten. In Provinzen wie Ontario bedeutet dies eine umfassende Abkehr von kohlenstoffintensiven Erdgasheizsystemen. Während Regierungen entscheiden müssen, welcher Brennstoff Gas ersetzen soll, müssen Architekten verstehen, was auf sie zukommt – denn sie wird sich auf die Art und Weise auswirken, wie sie in Zukunft entwerfen, und auf die Ratschläge, die sie ihren Kunden heute geben.

Um besser zu verstehen, was für eine kohlenstoffarme Zukunft erforderlich ist, habe ich mit dem Toronto 2030 District zusammengearbeitet: einer privat-öffentlichen Initiative mit 63 Mitgliedern, darunter Gebäudeeigentümer, Betreiber und Investoren; Dienstleister wie Architekten, Ingenieure und Zulieferer; und Community-Gruppen wie die OAA. Der Bezirk Toronto 2030 ist Teil eines nordamerikanischen Netzwerks aus 23 ähnlichen Bezirken, das mit der gemeinnützigen Organisation Architecture 2030 verbunden ist.

Anhand einer Innenstadt von Toronto als Testumgebung haben wir uns der Herausforderung gestellt, das „böse“ Problem der Reduzierung der Betriebsemissionen von Gebäuden zu untersuchen, die etwa 30 % der globalen Treibhausgasemissionen ausmachen. Das physische Gebiet des Bezirks umfasst die meisten in Ontario vorkommenden Gebäudetypen: niedrige Wohnhäuser, hohe Wohnhäuser, niedrige Gewerbe- und Bürotürme sowie Ontarios Legislative, zwei Stadien, eine Hockeyarena, zwei Universitäten und viele Krankenhäuser , zwei Rathäuser, Hotels und Restaurants. Wir befassen uns in erster Linie mit der Frage, was mit bestehenden Gebäuden zu tun ist, gehen aber auch davon aus, dass die Ergebnisse die Regulierung und Führung bei Neubauten beeinflussen werden. Die Mitglieder des Bezirks Toronto 2030 sind keine Neulinge in der Begrünung von Gebäuden und wissen, was funktionieren könnte und was nicht.

Die richtige Lösung finden

Früher glaubte man, Gebäudeeigentümer könnten individuelle Entscheidungen treffen, die zusammengenommen den Planeten retten würden. Doch es hat sich herausgestellt, dass diese Idee nicht funktioniert. Bei einer betrieblichen Energieeinsparung von etwa 30 % sind die Fortschritte ins Stocken geraten. Die bisher erzielten Einsparungen amortisieren sich relativ gut, beispielsweise durch die flächendeckende Umsetzung von Beleuchtungsnachrüstungen. Allerdings wird die Erzielung der nächsten 30 % Einsparungen deutlich kostspieliger sein, da Maßnahmen wie Umrüstungen oder mechanische Nachrüstungen erforderlich sind, und Unternehmen, die dies im Alleingang tun, werden einen Wettbewerbsnachteil haben.

Programme wie das LEED-Bewertungssystem haben manchmal bessere Ergebnisse erzielt, aber LEED hat nur etwa 1 % des Neubaumarktes durchdrungen und war von unserem bestehenden Gebäudebestand viel weniger betroffen. Sogar dieses Programm hat aufgrund seines Messsystems, das auf Referenzgebäuden und vorgeschlagenen Alternativen und nicht auf realen Ergebnissen basiert, Schwierigkeiten, tiefgreifende CO2-Reduktionen zu erreichen.

Alles in allem handelt es sich bei dem, was wir bisher getan haben, im Wesentlichen um willkürliche Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz. Wir haben keine Ahnung, ob unsere Bemühungen dem Klimagebot Rechnung tragen. Wir sind wie Bergsteiger im Nebel am Fuße eines Berges: Wir wissen, dass wir hinaufgehen, aber wir wissen nicht, ob unser Weg zum Gipfel oder zur Spitze eines Ausläufers führt (Abbildung 2). Wenn wir Maßnahmen ergreifen, um ein Ziel für 2030 zu erreichen, sollten wir sicherstellen, dass die Anstrengungen im Einklang mit dem stehen, was zur Erreichung der Ziele für 2050 erforderlich ist, und nicht rückgängig gemacht werden müssen. Dennoch ist das bisher Erreichte keine Verschwendung. Unsere Erfahrung mit LEED-Projekten kann genutzt werden, um sich vorzustellen, was erforderlich ist, um Supereffizienz maßstabsgetreu umzusetzen.

Es wird deutlich, dass wir dringend eine politische und keine verbraucherorientierte Lösung brauchen. Es gibt einen Präzedenzfall für die Arbeit, die durchgeführt werden muss. In den 1950er und 60er Jahren unterstützten viele Regierungen (einschließlich Ontarios) die Umstellung von „Stadtgas“-Systemen auf Erdgas und regulieren weiterhin die Entwicklung und den Ausbau unseres Erdgassystems.

Genau wie damals wird es bei der neuen Lösung in erster Linie um die Umstellung der Brennstoffe und dann um die Energieeffizienz gehen. Um unsere CO2-Reduktionsziele zu erreichen, gibt es kein Szenario, in dem Erdgas – dessen Hauptbestandteil Methan ein starkes Treibhausgas ist und das bei der Verbrennung Kohlendioxid erzeugt – weiterhin zum Heizen von Gebäuden verwendet werden kann. Es gibt keine Möglichkeit, das entstehende CO2 auf Gebäudeebene abzufangen, und ohne dies zu tun, können wir die globalen Ziele, unsere CO2-Emissionen bis 2030 auf 50 Prozent unter das Niveau von 1990 zu senken und bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen, nicht erreichen. Das müssen wir Kraftstoffe wechseln.

Eine neue Vision

Der Bezirk Toronto 2030 hat bereits ein Versorgungsdatenprojekt abgeschlossen, das den jährlichen Energieverbrauch aller 7.216 Gebäude innerhalb seiner Grenzen erfasst (www.toronto2030platform.ca). Wir erforschen derzeit Wege zur Schaffung einer dekarbonisierten Energieversorgung, die den Anforderungen der Gebäude im Bezirk gerecht wird. Für diese Übung haben wir einen Prozess ausgewählt, der vom Transition Accelerator entwickelt wurde, einer kanadischen gemeinnützigen Organisation, deren Arbeit Projekte in Ontario, Quebec und Alberta umfasst (Abbildung 3). Der Prozess ist gut geeignet, da er wie der Distrikt auf der Einbindung von Interessengruppen und definierten Zielen basiert.

Bisher hat der Bezirk Toronto 2030 die Phasen 1 und 2 unseres Pathways-Projekts abgeschlossen – das Verständnis bestehender Systeme und die gemeinsame Entwicklung einer alternativen Vision. Das Projekt ist zu der folgenden Leitvision gelangt: „Bis 2050 wird Toronto netto null Treibhausgasemissionen aufweisen und ein gesunder Ort zum Wohlergehen aller sein. Lebendige Kultur-, Unterhaltungs-, Geschäfts- und Wohngemeinden werden durch eine hochentwickelte, saubere Infrastruktur unterstützt.“ lebenswichtige Ressourcen und Dienstleistungen. Das Energienetz wird sauber und belastbar sein und nur minimalen Abfall verursachen.“

Bemerkenswert ist, dass es bei dieser Vision nicht nur um Luftdichtheit, Isolierung und effiziente Ventilatoren geht. Wir müssen den sozialen und wirtschaftlichen Kontext für Energieeffizienz erkennen. Wir müssen nach Zusatznutzen suchen – wie Wertsteigerung und Komfort –, die sich für Verbesserungen lohnen könnten. Der Distrikt umfasst Vermögenswerte, die reichhaltige Daten- und Ideenquellen darstellen, die auch genutzt werden können, wie Universitäten, Forschungsinstitute, Bauorganisationen und Regierungsbehörden.

Studie zur Kraftstoffumstellung

Phase 2 des Pathway-Projekts, unsere erste eingehende Analyse, befasst sich mit Szenarios zur Kraftstoffumstellung. Um den Brennstoff zu wechseln, müssen wir die Heizausrüstung in jedem Gebäude ändern und ein Energiesystem bereitstellen, das den veränderten Bedarf decken kann.

Die Brennstoffe und Technologien, die für den Ersatz von Erdgas in Frage kommen, sind Strom, Wasserstoff und erneuerbares Erdgas. Für den Strom untersuchte der Bezirk verschiedene Heiztechnologien: elektrische Widerstandsheizungen, Luftwärmepumpen (ASHPs) und Erdwärmepumpen. Für die gasförmigen Kraftstoffe haben wir auch verschiedene Produktionsmethoden untersucht: blauen Wasserstoff (erzeugt durch die Aufspaltung von Erdgas in Wasserstoff und eingefangenes Kohlendioxid), grünen Wasserstoff (hergestellt aus Wasser unter Verwendung erneuerbarer Elektrizität) und einen Hybrid aus Elektrizität und erneuerbarem Erdgas ( letzteres wird bei der Zersetzung organischer Abfälle auf Bauernhöfen und auf Mülldeponien gewonnen).

Die Schätzung der Kosten für die baulichen Veränderungen vor Ort war eine große Herausforderung. Die über 7.000 Gebäude im Bezirk weisen eine große Vielfalt an Formen und Größen auf. Darüber hinaus wollten wir mit den tatsächlichen Kosten für den Austausch von Heizkesseln, Kältemaschinen und Dachanlagen arbeiten.

Als Ersatz für den Gebäudebestand haben wir eine Reihe von 13 repräsentativen Gebäudebelegungstypologien entwickelt, jeweils mit typischen Bodenplatten und mechanischen Systemen, um die Durchschnittswerte für den Gebäudebestand des Bezirks anzunähern. Wir haben öffentliche EUI-Daten (Energy Use Intensity) für jeden Belegungstyp verwendet und diese mit tatsächlichen Verbrauchsmessungen aus unserem früheren Datenplattformprojekt abgeglichen. Das Ergebnis ist ein realistisches, wenn auch näherungsweises Modell dafür, wie die Gebäude des Bezirks Energie verbrauchen und welche mechanischen Systeme dafür erforderlich sind.

In der Analyse haben wir dann jedes typische mechanische System durch entsprechende Ausrüstung für die neuen Kraftstoffe ersetzt. Wir haben die aktuellen Preise von einem Ausrüstungslieferanten eingeholt und Soft Costs sowie die Kreditkosten in unsere Kostenvoranschläge für den Ersatz einbezogen. Anschließend haben wir dies in Quadratmeterkosten für jeden Gebäudetyp umgerechnet, anhand derer Gebäudeeigentümer ihre eigenen Kosten und die Auswirkungen auf ihr Unternehmen abschätzen konnten.

Um zukünftige Stromrechnungen abzuschätzen, haben wir die Menge an Wärme berechnet, die derzeit durch die Verbrennung von Erdgas in jedem Gebäudetyp erzeugt wird, und berechnet, wie viel Strom, Wasserstoff oder Strom und erneuerbares Erdgas (in einem Hybridsystem) erforderlich wären, um diese Wärme zu erzeugen Wärmemenge. Wir haben mit einer Vielzahl von Berichten und Schätzungen gearbeitet, um Brennstoffkosten zu entwickeln, die die Kosten für die Erzeugung des Brennstoffs und den Bau der benötigten Energieanlagen widerspiegeln, einschließlich der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung in den Fällen, in denen Erdgas der Basisbrennstoff ist.

Die Addition der Kapitalkosten und der Treibstoffkosten ergibt die Gesamtkosten pro Quadratmeter. Dabei zeigte sich, dass blauer Wasserstoff der günstigste Ersatz für die Verbrennung von Erdgas ist. Es folgt ein Hybrid aus Luftwärmepumpen und erneuerbarem Erdgas, dann Erdwärmepumpen, dann elektrische Widerstandsheizungen, dann eigenständige Luftwärmepumpen und schließlich grüner Wasserstoff. Abbildung 4 zeigt die durchschnittlichen Kosten pro Quadratfuß für die acht häufigsten Gebäudetypologien.

Ein Blick auf diese Zahl deutet darauf hin, dass die Entscheidung klar ist. Aber nicht so schnell: Die Kosten sind nur ein Aspekt. Wir müssen auch das Potenzial für Kostenänderungen sowie die Wahrscheinlichkeit berücksichtigen, dass wir die Systemumstellung vor 2050 durchführen können.

Die richtige Wahl treffen

Der günstigste Kraftstoff in der Tabelle, blauer Wasserstoff, verfügt derzeit über kein System zur Lieferung an ein Gebäude. Für die Distriktanalyse haben wir unsere Ausrüstungskosten auf eine britische Studie gestützt, in der die Kosten auf ähnliche Preise wie für Gasausrüstung festgelegt werden. Die Realität ist jedoch, dass wasserstoffbasierte Ausrüstung heute nicht gekauft werden kann. Es gibt keine Wasserstoffcodes oder -standards, keine Wasserstoffsicherheitsdetektoren, die in Heizräumen installiert werden können, und niemand stellt Wasserstoffkessel her oder verkauft sie. Wir gehen davon aus, dass einige Erdgasleitungen umgewidmet werden könnten, einige müssten jedoch ersetzt werden, und die Umstellung muss in jedem Stadtteil erfolgen, sodass neben Altgeräten auch neue Gasgeräte ersetzt werden.

Wir können in Kanada problemlos blauen Wasserstoff herstellen, da er aus Erdgas hergestellt wird, gepaart mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung. Es bietet eine Reduzierung der Emissionen um 90 % im Vergleich zu Erdgas. Für eine CO2-freie Lösung müssten wir auf grünen Wasserstoff umsteigen – den teuersten Kraftstoff in unserer Analyse.

Wenn wir mit Wärmepumpen auf Strom umgestellt hätten, hätten wir ein bestehendes Netz mit genügend Überkapazitäten, um heute mit der Umstellung zu beginnen. Die Auswirkungen der Umstellung auf das Netz und die Stromtarife sind moderat, da die Einnahmen des Systems mit steigender Nachfrage steigen. Und während das System in Ontario derzeit Gas verbrennt, gibt es eine praktikable Technologie, um es zu 100 % kohlenstofffrei zu machen.

Alle von uns berechneten Wärmepumpen können heute erworben werden; Es gibt eine klare Lieferkette. Elektrische Sicherheitsstandards, Vorschriften und Geräte sind vorhanden und vollständig entwickelt. Außerdem sinken die Preise für Wärmepumpen, da der Markt wächst. Einige schätzen, dass die Preise in den nächsten acht Jahren um 30 % sinken werden, wenn es einen Markt für die Ausrüstung gibt.

Erneuerbares Erdgas ist durch die Verfügbarkeit von Biomasse begrenzt. Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass wir maximal 20 % der Menge an Erdgas produzieren könnten, die wir heute verbrauchen. Dies reicht für einen Umstieg auf ein Hybridsystem. Unser aktuelles Gasverteilungssystem kann erneuerbares Erdgas sofort liefern: Alle Sicherheitsvorschriften und Geräte sind vorhanden und die Lieferkette ist stabil. Leider wird Biomasse für Flugkraftstoffe und industrielle Zwecke stark nachgefragt sein, was die Preise in die Höhe treiben könnte.

Abbildung 5 fasst diese Faktoren zusammen.

Für alle Treibstoffarten ist der Aufwand zur Umstellung unserer Systeme enorm – in der Größenordnung unserer Mobilisierungsbemühungen für den Zweiten Weltkrieg. Enbridge Gas hat allein in Ontario 3,8 Millionen Kunden, die umgestellt werden müssen. Das wären 131.000 Kunden pro Jahr, wenn wir dieses Jahr anfangen würden … was wir nicht können, weil uns ein Plan und der politische Wille fehlen, einen zu entwickeln.

Unser Fazit? In den kommenden Jahren wird der Einsatz von Erdgas in Gebäuden eingestellt. Wenn es um Alternativen geht, gibt es keinen klaren Gewinner. Dennoch haben wir eine klarere Vorstellung von der Größenordnung der Kosten, die durch Maßnahmen zur Gebäudeenergieeffizienz gesenkt werden könnten. Die nächste Stufe der Analyse des Bezirks ist eine Effizienzstudie, gefolgt von einem integrierten Plan, der bis Ende dieses Jahres abgeschlossen sein soll.

Abschluss

„Das Ausmaß der Herausforderung ist riesig, aber das macht das Erreichen des Ziels nicht unmöglich“, schreibt der US-Politikwissenschaftler Roger Pielke Jr. „Was das Erreichen des Ziels unmöglich macht, ist das Unvermögen, das Ausmaß der Herausforderung genau zu verstehen und das Fehlen von …“ politische Vorschläge, die dieser Größenordnung entsprechen.

Architekten und Ingenieure treffen nicht die endgültigen Entscheidungen darüber, wie das Geld eines Gebäudeeigentümers ausgegeben wird – geschweige denn, größere politische Änderungen voranzutreiben – aber es ist unsere Aufgabe, unseren Kunden fundierte Entscheidungen und Einblicke zu bieten. Zumindest sollten wir aufhören, den Nettobarwert von Energiesparmaßnahmen auf der Grundlage der heutigen Erdgaskosten zu berechnen. Stattdessen sollten wir eine Sensitivitätsanalyse anbieten, die die potenziellen Jahre der verfügbaren Erdgasmenge berücksichtigt. Wir sollten die Nachrüstung von Hüllen als teurere, aber weniger riskante Option anbieten, da sie alle künftigen Wege abdeckt.

Welches Energiesystem Kanada letztendlich auch wählt, das Einzige, was wir mit Sicherheit wissen, ist, dass die Ära der Verbrennung von billigem Erdgas in Gebäuden enden muss, um die globale Klimaherausforderung zu bewältigen.

Sheena Sharp ist Gründerin und Leiterin von Coolearth Architecture. Sie ist ehemalige Präsidentin der Ontario Association of Architects (OAA) und ehemalige Vorsitzende des Sustainable Built Environments Committee (SBEC) der OAA.

Zum Forschungsteam des Distrikts Toronto 2030 für die Studie zur Brennstoffumstellung gehören die Co-Vorsitzende Julia McNally, Independent Electricity System Operator (IESO); Co-Vorsitzende Sheena Sharp, Coolearth Architecture; Bruno Arcand, Carleton Universit;, Peter Halsall, Purpose Building; Anton Kogan, SvN Architects & Planners; James Meadowcroft, Carleton University; Birgit Siber, Direktorin im Ruhestand, DSAI; Cara Sloat, Hammerschlag & Joffe; Geneva Starr, Zweckgebäude; Victor Tulceanu, BDP-Viereck; und Svetan Veliov, Arup.