Mit Stroh und Hanf zu klimafreundlichen Renovationen

Die Schweiz z?hlt knapp 1,8 Mio. Wohngeb?ude und eine weitere Million Nichtwohnbauten. Auf diesen Geb?udepark entfallen rund 40 Prozent des landesweiten Endenergiebedarfs. Die Geb?ude bieten einen wichtigen Hebel auf dem Weg zu einer klimaneutralen Schweiz: Deutlich ¨¹ber die H?lfte aller Geb?ude wird noch immer mit fossilen Energietr?gern wie ?l oder Gas beheizt. Und der ¨¹berwiegende Teil der Geb?ude stammt aus einer Zeit ohne griffige Effizienzstandards. Viele von ihnen bed¨¹rfen dringend einer energetischen Sanierung.

Diese Frage wird seit Jahren am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Z¨¹rich erforscht. Eine aktuelle Studie von Guillaume Habert, Professor f¨¹r Nachhaltiges Bauen, und Bruno Sudret, Professor f¨¹r Risiko, Sicherheit und Quantifizierung der Ungewissheiten, liefert dazu neue Antworten. Die Untersuchung entstand in Zusammenarbeit mit der Westschweizer Fachhochschule (Yverdon) und der Technischen Hochschule Chalmers (G?teborg). Sie wurde am 13. M?rz 2024  in der Wissenschaftszeitschrift Nature Communications ver?ffentlicht.

Heizungsersatz und W?rmed?mmung

Im Zentrum der Untersuchung standen sechs Geb?ude, die zwischen 1911 und 1988 errichtet wurden und bisher weitgehend unrenoviert sind. Die Bauten wurden so ausgew?hlt, dass sie den gesamten Schweizer Geb?udepark repr?sentieren. F¨¹r diese Immobilien errechneten die Forscherinnen und Forscher, wie viel Treibhausgas-Emissionen durch unterschiedliche Sanierungsmassnahmen verursacht werden, und dies bezogen auf einen 60-j?hrigen Geb?udelebenszyklus (ab dem Zeitpunkt der Sanierung). Untersucht wurde zum einen der Ersatz der bisherigen Heizung durch eine Gasheizung, eine Holzpellet-Heizung oder eine W?rmepumpe, zum anderen der Einbau einer W?rmed?mmung mit unterschiedlich dicken Schichten aus konventionellen D?mmstoffen (wie EPS, Glaswolle, Steinwolle, Zellulosefasern) beziehungsweise D?mmstoffen aus schnell wachsenden Pflanzen (wie Stroh und Hanf).

Der Einbezug der Baustoffe ist bedeutsam, weil diese im Herstellungsprozess sehr unterschiedlich viel Energie ben?tigen und damit eine mehr oder weniger hohe Treibhausgas-Belastung aufweisen. ?Die CO₂-Emissionen bei der Herstellung herk?mmlicher D?mmstoffe sind teilweise sehr hoch, und durch ihren Einsatz bei Geb?udesanierungen wird der positive Effekt, der durch die Senkung des Energieverbrauchs erzielt wird, teilweise wieder zunichte gemacht?, sagt Guillaume Habert. Baustoffe aus nachwachsenden Rohstoffen verursachen deutlich weniger Treibhausgase. Sie haben ¨¹berdies den Vorteil, dass sie w?hrend ihres Wachstums CO₂ aus der Atmosph?re binden und dieses dann langfristig im Geb?ude gespeichert wird.

87 Prozent weniger Treibhausgase

Die Berechnungen der Treibhausgas-Emissionen w?hrend des 60-j?hrigen Geb?udelebenszyklus¡¯ zeigen: Um den Treibhausgas-Ausstoss wirksam und m?glichst kosteng¨¹nstig zu senken, steht der Ersatz von ?l- und Gasheizungen an erster Stelle. Sehr wichtig ist ¨¹berdies der Einsatz von bio-basierten Baustoffen zur W?rmed?mmung. ?Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir im Schweizer Geb?udepark haupts?chlich durch Umstellung auf W?rmepumpen oder Holzpellets, aber auch durch die Nutzung von bio-basierten Baustoffen zum Beispiel in Form von Strohballen, Hanfmatten und Hanfbeton bei den von uns getroffenen Annahmen bis zu 87 Prozent der Treibhausgas-Emissionen einsparen k?nnten?, fasst Alina Galimshina ein Hauptergebnis der Studie zusammen. Diese beruht massgeblich auf der Doktorarbeit, die sie an der ETH Z¨¹rich verfasst hat.

Zur Berechnung der Treibhausgas-Emissionen und der Investitions-, Betriebs- und Unterhalts-Kosten ¨¹ber den Lebenszyklus hinweg setzte die Forscherin eine innovative Methode ein. Die Wahl der richtigen Sanierungsstrategie h?ngt n?mlich massgeblich von k¨¹nftigen Entwicklungen ab, etwa dem klimabedingten Anstieg der Umgebungstemperaturen, aber auch von den Energiepreisen, dem ?CO₂-Gehalt? des Netzstroms, dem Nutzerverhalten und weiteren Faktoren. Die Untersuchung hat diese Ungewissheiten ber¨¹cksichtigt durch Einbezug geeigneter mathematischer Werkzeuge.

Rechenmodelle zur Bewertung der Lebenszykluskriterien erfordern viel Computerzeit. Um den Rechenaufwand zu verringern, wurde ein Ersatzmodell mit Hilfe von Techniken des maschinellen Lernens entwickelt. ?Dank dieses Ersatzmodells konnten wir eine umfassende Optimierung der verschiedenen Parameter der m?glichen Sanierungsoptionen durchf¨¹hren ¨C unter Ber¨¹cksichtigung der Unsicherheiten bei Energiepreisen, CO₂-Gehalt des Netzstroms und Umgebungstemperaturen?, sagt Bruno Sudret. Erm?glicht wurde diese Optimierung durch das Software-Tool externe Seite UQLab, das seine Gruppe entwickelt und seit 2015 zur Quantifizierung von Unsicherheiten in Vorhersagemodellen verschiedener Disziplinen eingesetzt hat. F¨¹r dieses Projekt bauten es die Forschenden weiter aus.

Ergebnisse praktisch umsetzen

Die Forderung nach dem Ersatz fossiler Heizungen ist heute in aller Munde, die Nutzung pflanzlicher Baustoffe wie Stroh und Hanf hingegen steht erst am Anfang. Der Bausektor begegnet diesen Materialien noch mit Skepsis, weil sie mitunter erhebliche gr?ssere D?mmst?rken ben?tigen und Fragen bez¨¹glich Feuchtigkeit und Brandschutz aufwerfen. Diskutiert werden auch die hohen Kosten von Renovationen mit bio-basierten D?mmstoffen, wobei die Kritiker bisweilen die Einsparungen bei den Betriebskosten ausblenden.

Vor diesem Hintergrund hat sich das Forscherteam das Ziel gesetzt, die Erkenntnisse der eigenen Arbeit bei Planern, Architekten und weiteren Baufachleuten bekannt zu machen. Das geschieht im Rahmen eines laufenden Projekts, das aus dem Agora-Programm des Schweizerischen Nationalfonds alimentiert wird. Hierzu z?hlen Diskussionsveranstaltungen und eine Umfrage bei mit Expertinnen und Experten aus der Baubranche. Parallel wird eine Webseite aufgebaut, die ein Software-Tool zur Verf¨¹gung stellt, mit dem sich Sanierungsstrategien hinsichtlich ihrer Klimafreundlichkeit vergleichen lassen.