Energy saving effects and cost-benefit relations of energy-efficient refurbishment of buildings

Saving thermal energy and decarbonising heat consumption, is highly relevant for achieving Germany’s energy and climate policy goals. The reduction of energy consumption and greenhouse gas emissions in the building sector is of great importance. Not only in new buildings, but above all in existing residential buildings, high savings are seen in the energy resources natural gas and crude oil. But what savings can be achieved with the different measures? Which investments pay off for building owners? Which political decisions can support the implementation of the necessary investments? The policy brief summarizes the results of the TAB report "Energiespareffekte und Kosten-Nutzen-Relationen im Gebäudesektor" on four pages

Evidence for evolutionary relationship between archaeplastidal and cyanobacterial phytochromes based on their chromophore pockets

Phytochromes are photoreceptor proteins with a bilin chromophore that undergo photoconversion between two spectrally different forms, Pr and Pfr. In plants, phytochromes play a central role in growth and differentiation during the entire life cycle. Phytochromes of plants and other groups of archaeplastida have a common evolutionary origin in prokaryotes, but the exact prokaryotic origin is as yet uncertain. Two possibilities are presently discussed: either, archaeplastidal phytochromes arose from the last eukaryotic common ancestor (LECA) or they arose from the cyanobacterial endosymbiont that gave rise to plastids. We first constructed standard phylogenetic trees based on N-terminal protein sequences of the chromophore module. As usual, variation of algorithms and parameters led to different trees. A relationship between cyanobacteria and archaeplastida was observed in 7 out of 36 trees. The lack of consistency between results obtained from variation of parameters of tree constructions reflects the uncertainty of archaeplastidal origin. To gain more information about a possible cyanobacterial and archaeplastidal relationship, we performed phylogenetic studies based on the amino acids that line the chromophore pockets. These amino acids are highly conserved and could provide more accurate information about long evolutionary time scales, but the reduction of traits could also lead to insignificant results. From 30 selected chromophore-binding amino acids, 6 were invariant. The subsequent studies were thus based on the information dependent on 24 or fewer amino acid positions. Again, multiple trees were constructed to get information about the robustness of relationships. The very low number of information-containing traits resulted in low bootstrap values and many indistinguishable leaves. However, the major groups fungi, bacteria, cyanobacteria, and plants remained united. Without exception, cyanobacteria and archaeplastida were always closely linked. In this respect, the results were more robust than those of the classic approach, based on long contiguous sequences. We therefore consider cyanobacteria as the most likely origin of archaeplastidal phytochromes

Technische Potenziale regenerativer Energien für die Energieversorgung von Städten – Untersuchung am Fallbeispiel

Laut der Bundesregierung soll bis 2050 der Anteil umweltschädlicher Treibhausgase um bis zu 95 % verringert werden (BMWi 2010). Dies kann nur gelingen, wenn auf der einen Seite der Energieverbrauch reduziert wird, z. B. durch Verbesserung der Energieeffizienz technischer Anlagen und die energetische Gebäudesanierung, und auf der anderen Seite der Beitrag regenerativer Energien am Energieverbrauch gesteigert wird. Zur Umsetzung und Bewältigung der damit einhergehenden Herausforderungen kommt den Städten und Gemeinden eine Schlüsselrolle zu. Findet in diesen doch der Großteil des Energieverbrauchs und des umweltschädlichen anthropogenen Ausstoßes von Treibhausgasen statt (Pichler, P.-P. et al. 2017). Vielerorts wurden diesbezüglich erste Weichen gestellt und Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs aber auch zur Integration regenerativer Energien eingeleitet (Aretz, A. et al. 2009). So entstanden u. a. im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative (BMU) in den letzten Jahren eine Vielzahl an Energiekonzepten für Gemeinden und Quartiere, allen voran für die Metropolen und Großstädte. Doch neben den Großstädten und den Metropolen kommt gerade den Klein- und Mittelstädten aufgrund ihrer Anzahl und Verankerung in der Fläche eine zentrale Bedeutung bei der Umsetzung der Energiewende in der Breite zu. Aufgrund der vielfältigen Herausforderungen, denen sich Klein- und Mittelstädte gegenübersehen (z. B. Demografischer Wandel, Bevölkerungsabwanderung, Daseinsvorsorge, Klimaanpassung, Energiewende, usw.), bedürfen diese zukünftig einer steigenden Unterstützung bei der Transformation hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung. Voraussetzung hierfür ist neben finanziellen und personellen Ressourcen insbesondere auch die Bereitstellung von Informationen, die für eine Entwicklung von Maßnahmen hin zur Transformation notwendig sind, von besonderer Bedeutung. Während für Großstädte und Metropolen bereits eine Vielzahl an Daten und Informationen existieren und immer neue hinzukommen, fehlt es in Klein- und Mittelstädten bzw. in der Fläche an relevanten Informations- und Datenquellen für die Erarbeitung von Energiekonzepten. Infolgedessen werden bei der Erstellung von Konzepten für Kleinund Mittelstädte, insbesondere ländlich geprägten Regionen, häufig regionale oder auch nationale Datenquellen und Durchschnittswerte herangezogen. Die hierbei verwendeten Verfahren und Softwarelösungen liefern eine breite Spanne unterschiedlicher Ergebnisse, wodurch ein Vergleich zwischen Konzepten und Ergebnissen aber auch zwischen den Gemeinden nur bedingt möglich ist. Trotz des fluktuierenden Charakters der Mehrheit der regenerativen Energieformen werden in den Konzepten nur vereinzelt die zeitlichen Verläufe von Energienachfrage und Energieangebot berücksichtigt. Hierbei beeinflussen gerade diese das Potenzial einer Gemeinde große Teile der Energienachfrage mit regenerativen Energien zu versorgen und damit unabhängiger von Energieimporten zu werden. Im Rahmen der Arbeit wurde dahingehend ein Verfahren erarbeitet, mit dessen Hilfe das regenerative Energiepotenzial für die Energieversorgung der Wohnbebauung ermittelt werden kann. Exemplarisch wurden hierfür die Solarenergie und die in organischen Restund Abfallstoffen gespeicherte Energie ausgewählt. Dem Angebot solarer und in Biomasse gespeicherter Energie (Kapitel 5) wird der Energiebedarf der Privaten Haushalte für Strom, Warmwasser und Raumwärme gegenübergestellt (Kapitel 4). Gegenüber derzeit gängigen Untersuchungen auf kommunaler Ebene werden hierbei insbesondere die zeitlichen Unterschiede in der Energienachfrage und dem regenerativen Energieangebot durch Last- und Bereitstellungsprofile berücksichtigt. Grundlage der Berechnungen von Energiebedarf und regenerativem Energieangebot bildet das Siedlungsmodell (Kapitel 3), welches den Wohngebäudebestand und die damit verbundene Flächennutzung u. a. aufBasis von amtlichen Statistiken und frei zugänglichen Daten beschreibt. Anhand eines Fallbeispiels wird der Ansatz demonstriert (Kapitel 6) und mittels Sensitivitätsstudien der Einfluss sowie Wirkungszusammenhänge ausgewählter Parameter näher beleuchtet. Abschließend werden im Kapitel 7 die Ergebnisse ausgewertet, interpretiert sowie ein Fazit gezogen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen zeigt sich, dass Berechnungen zum regenerativen Energiepotenzial auf Jahresbasis nur eine vergleichsweise geringe Aussagekraft bezüglich des Beitrags zur Energieversorgung zulassen. Demgegenüber weisen Modellierungen auf stündlicher Basis darauf hin, in welchen Zeiträumen, die hier betrachteten, regenerativen Energiequellen (Solarenergie, organische Rest- und Abfallstoffe) einen Beitrag zur Energieversorgung leisten können. Weiterhin zeigt sich, dass das bilanzierte regenerative Energiepotenzial für ein Jahr etwa um den Faktor 3 über dem modellierten Potenzial auf stündlicher Basis liegt.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Forschungsfrage und Zielstellung 1.2 Forschungskonzept und Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Definitionen 2.1 100 %-Erneuerbare Eigenversorgung 2.2 Nutzenergie, Endenergie, Verbrauch und Bedarf 2.2.1 Nutz- und Endenergie 2.2.2 Energieverbrauch und Energiebedarf 2.3 Lastgang der Energienachfrage und Volatilität regenerativer Energien 2.4 Wirkungszusammenhänge zwischen Siedlungsstruktur und Energie 2.4.1 Struktur und Morphologie von Siedlungen 2.4.2 Siedlungsstrukturen im Kontext von Energieverbrauch und Energieeffizienz 2.4.3 Siedlungsstrukturen und Energiebereitstellung 3 Das Siedlungsmodell 3.1 Der Strukturtypenansatz 3.1.1 Die Strukturtypen 3.1.2 Merkmale und Merkmalsausprägungen der Strukturtypen 3.1.3 Herleitung der Strukturtypen 3.2 Gebäudevertreter 3.2.1 Systematik der Gebäudevertreter 3.2.2 Merkmale und Merkmalsausprägungen der Gebäudevertreter 3.2.3 Herleitung der Gebäudevertreter 4 Energiebedarfsmodell 4.1 Heizwärmebedarf privater Haushalte 4.1.1 Verfahren zur Berechnung des Heizwärmebedarfs auf städtischer bzw. teilstädtischer Ebene 4.1.2 Energiekennwerte 4.1.3 Modelle zur Modellierung von Heizlastprofilen 4.1.4 Berechnung des Heizwärmebedarfs und Modellierung der Wärmelast im Modell 4.2 Energieaufwand für die Bereitstellung von Warmwasser in privaten Haushalten 4.2.1 Einflussfaktoren des häuslichen Warmwasserkonsums und dem damit verbundenen Energieverbrauch 4.2.2 Methode zur Berechnung des Energiebedarfs für Warmwasser 4.2.3 Lastprofil des Warmwasserbedarfs 4.2.4 Berechnung und Modellierung des Warmwasserbedarfs im Modell 4.3 Stromverbrauch privater Haushalte 4.3.1 Einflussfaktoren 4.3.2 Methoden zur Ermittlung des Strombedarfs privater Haushalte 4.3.3 Ansätze und Konzepte zur Modellierung von Lastprofilen privater Haushalte 4.3.4 Berechnung und Modellierung des Stromverbrauchs privater Haushalte im Modell 5 Potenziale regenerativer Energien und Energiespeicher 5.1 Aktive Nutzung direkter solarer Strahlungsenergie 5.1.1 Berechnung der solaren Strahlungsenergie 5.1.2 Energetische Nutzung direkter Solarstrahlung mittels Photovoltaik 5.1.3 Energetische Wärmenutzung direkter Solarstrahlung 5.1.4 Flächen für eine aktive solare Strom- und Wärmebereitstellung 5.1.5 Berechnung des PV- und Solarthermiepotenzial im Modell 5.2 Energetische Nutzung organischer Abfälle aus dem Siedlungsbereich 5.2.1 Aufkommen organischer Siedlungsabfälle privater Haushalte 5.2.2 Berechnung des Aufkommens organischer Siedlungsabfälle im Modell 5.2.3 Energiebereitstellung aus organischen Siedlungsabfällen privater Haushalte 5.2.4 Berechnung des energetischen Potenzials im Modell 5.3 Energiespeicher 5.3.1 Stromspeicher 5.3.2 Wärmespeicher 5.3.3 Integration der Speicher im Modell 6 Anwendung des Verfahrens an einem Fallbeispiel 6.1 Das Fallbeispiel 6.1.1 Bestand und Struktur der Wohngebäude 6.1.2 Einwohner- und Haushaltsdaten 6.1.3 Eingangsdaten und Annahmen zu den Strukturtypen 6.1.4 Eingangsdaten regenerativer Energien 6.1.5 Ergebnisse des Siedlungsmodells 6.2 Energiebedarf im Fallbeispiel 6.2.1 Gesamtbilanz 6.2.2 Warmwasserbedarf 6.2.3 Strombedarf 6.2.4 Heizenergie 6.3 Potenzial regenerativer Energien im Fallbeispiel 6.3.1 Biomasse 6.3.2 Solarenergie (Photovoltaik) 6.3.3 Solarenergie (Solarthermie) 6.4 Bilanzierung der stündlichen Last und der Energiebereitstellung 6.4.1 Winter 6.4.2 Übergang 6.4.3 Sommer 6.5 Sensitivitätsanalysen 6.5.1 Extremer Winter und extremer Sommer 6.5.2 Bauliche Dichte 6.5.3 Thermische Verbesserung von Wohngebäuden 6.5.4 Speicherdimension 6.5.5 Zusammenfassung der Sensitivitätsanalysen 7 Auswertung und Interpretation 7.1 Beitrag regenerativer Energien zur Energieversorgung 7.2 Das Verfahren – Umsetzung, Grenzen und Übertragbarkeit 7.3 Zukünftige Aufgaben und weitere Forschungsfelder 8 Literatur 9 Anhang 9.1 Anhang Kapitel „Lastprofile privater Haushalte“ 9.2 Anhang Kapitel 7. - „Datengrundlage Fallbeispiel

Energiespareffekte und Kosten-Nutzen-Relationen der energetischen Gebäudesanierung

Aus energie- und klimapolitischer Sicht kommt der Reduzierung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen im Gebäudebereich hohe Bedeutung zu. Wirtschaftliche und wirksame Lösungen für die Wärmewende können auch maßgeblich zur Verringerung von Energieimporten beitragen. Für das Erreichen der energie- und klimapolitischen Ziele Deutschlands ist das Gelingen der Wärmewende, also Wärmeenergie einzusparen und den Wärmeverbrauch zu dekarbonisieren, hoch relevant. Nicht nur bei Neubauten, sondern vor allem im Wohngebäudebestand werden hohe Einspareffekte bei den Energierohstoffen Erdgas und Erdöl gesehen. Doch welche Einsparungen können mit den unterschiedlichen Maßnahmen erzielt werden? Welche Investitionen rechnen sich für Gebäudeeigentümer/innen? Welche Politikentscheidungen können die Umsetzung der notwendigen Investitionen unterstützen? Der TAB-Fokus fasst die Ergebnisse des TAB-Arbeitsberichts "Energiespareffekte und Kosten-Nutzen-Relationen im Gebäudesektor" auf vier Seiten zusammen

Energiespareffekte und Kosten-Nutzen-Relationen der energetischen Gebäudesanierung. Endbericht zum TA-Projekt »Energiespareffekte im Gebäudesektor«

Für das Erreichen der energie- und klimapolitischen Ziele Deutschlands kommt der Reduzierung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen im Gebäudebereich hohe Bedeutung zu. Nicht nur bei Neubauten, sondern vor allem im Wohngebäudebestand werden hohe Einspareffekte bei den Energierohstoffen Erdgas und Erdöl gesehen. Doch welche Einsparungen können mit den unterschiedlichen Maßnahmen erzielt werden? Welche Investitionen rechnen sich für Gebäudeeigentümer/innen? Welche Politikentscheidungen können die Umsetzung der notwendigen Investitionen unterstützen? Hierzu zeigt der TAB-Bericht "Energiespareffekte im Gebäudesektor" konkret und praxisnah Grundlagen und Handlungsoptionen auf. Der TAB-Bericht richtet sich damit nicht nur an Entscheider/innen in der Politik und Wohnungsunternehmen, sondern kann auch Besitzer/innen von Mehr- und Einfamilienhäusern grundlegende Orientierung geben

Zukunft Einfamilienhaus – explorative Befunde aus der Perspektive der Ressourcenund Flächeninanspruchnahme

Das Einfamilienhaus galt und gilt immer noch vielen Menschen als Wohnideal und hat eine große Bedeutung für die Wohnungsversorgung in Deutschland. Zugleich mehren sich die Indizien dafür, dass diese Bestände zumindest regional unter Druck geraten könnten. Der demografische Wandel und Veränderungen der Nutzerpräferenzen, aber auch Veränderungen auf den Finanz- und Immobilienmärkten, stellen die Bestände vor neue Herausforderungen. Trotz Niedrigzinsphase und Nachfrageboom in wachsenden Regionen sind stagnierende oder nachgebende Preise, Veräußerungsschwierigkeiten und selbst Leerstände in abgelegeneren Regionen in diesem Segment keine Seltenheit mehr. Zugleich ist das Einfamilienhaus die am meisten ressourcenintensive Wohnform. Damit ergeben sich potenziell auch ökologische Folgewirkungen einer möglichen Leerstandsentwicklung im Sinne von Ineffizienzen der Nutzung materieller Ressourcen und der Flächeninanspruchnahme. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen eines aktuell laufenden Projektes zwei westdeutsche Mittelstädte mit stabiler bzw. abnehmender Bevölkerung als Fallstudienstädte untersucht. Dabei wurden zum einen Prognosen für die Bevölkerungs- und Haushaltsentwicklung gerechnet und Bestandsaufnahmen der Siedlungs- und Baustruktur zur Abschätzung der Ressourcenintensität konkreter Einfamilienhausbestände durchgeführt. Zum anderen wurden im Rahmen qualitativer Interviews mit Expertinnen und Experten des Wohnungs- und Bauwesens Einschätzungen der Situation sowie möglicher Entwicklungstrends erhoben

Phytochromes in Agrobacterium fabrum

The focus of this review is on the phytochromes Agp1 and Agp2 of Agrobacterium fabrum. These are involved in regulation of conjugation, gene transfer into plants, and other effects. Since crystal structures of both phytochromes are known, the phytochrome system of A. fabrum provides a tool for following the entire signal transduction cascade starting from light induced conformational changes to protein interaction and the triggering of DNA transfer processes

Time‐resolved fluorescence anisotropy with Atto 488‐labeled phytochrome Agp1 from Agrobacterium fabrum

Phytochromes are photoreceptor proteins with a bilin chromophore that undergo photoconversion between two spectrally different forms, Pr and Pfr. Three domains, termed PAS, GAF, and PHY domains, constitute the N-terminal photosensory chromophore module (PCM); the C-terminus is often a histidine kinase module. In the Agrobacterium fabrum phytochrome Agp1, the autophosphorylation activity of the histidine kinase is high in the Pr and low in the Pfr form. Crystal structure analyses of PCMs suggest flexibility around position 308 in the Pr but not in the Pfr form. Here, we performed time-resolved fluorescence anisotropy measurements with different Agp1 mutants, each with a single cysteine residue at various positions. The fluorophore label Atto-488 was attached to each mutant, and time-resolved fluorescence anisotropy was measured in the Pr and Pfr forms. Fluorescence anisotropy curves were fitted with biexponential functions. Differences in the amplitude A$_2$ of the second component between the PCM and the full-length variant indicate a mechanical coupling between position 362 and the histidine kinase. Pr-to-Pfr photoconversion induced no significant changes in the time constant t$_2$ at any position. An intermediate t$_2$ value at position 295, which is located in a compact environment, suggests flexibility around the nearby position 308 in Pr and in Pfr

Key Amino Acids in the Bacterial (6-4) Photolyase PhrB from Agrobacterium fabrum

Photolyases can repair pyrimidine dimers on the DNA that are formed during UV irradiation. PhrB from Agrobacterium fabrum represents a new group of prokaryotic (6–4) photolyases which contain an iron-sulfur cluster and a DMRL chromophore. We performed site-directed mutagenesis in order to assess the role of particular amino acid residues in photorepair and photoreduction, during which the FAD chromophore converts from the oxidized to the enzymatically active, reduced form. Our study showed that Trp342 and Trp390 serve as electron transmitters. In the H366A mutant repair activity was lost, which points to a significant role of His366 in the protonation of the lesion, as discussed for the homolog in eukaryotic (6–4) photolyases. Mutants on cysteines that coordinate the Fe-S cluster of PhrB were either insoluble or not expressed. The same result was found for proteins with a truncated C-terminus, in which one of the Fe-S binding cysteines was mutated and for expression in minimal medium with limited Fe concentrations. We therefore assume that the Fe-S cluster is required for protein stability. We further mutated conserved tyrosines that are located between the DNA lesion and the Fe-S cluster. Mutagenesis results showed that Tyr424 was essential for lesion binding and repair, and Tyr430 was required for efficient repair. The results point to an important function of highly conserved tyrosines in prokaryotic (6–4) photolyase

Kartierung des anthropogenen Lagers in Deutschland zur Optimierung der Sekundärrohstoffwirtschaft

Deutschland hat ein enormes Vermögen in Form von Bauwerken, Infrastrukturen und sonstigen langlebigen Gütern angehäuft. Hierin befindet sich ein wertvolles Sekundärrohstoffreservoir - ein anthropogenes Materiallager. Es ist als Kapitalstock der Zukunft zu begreifen, den es systematisch zu bewirtschaften gilt. In der überwiegend Input-dominierten Ressourceneffizienzdiskussion findet dieser Kapitalstock bislang nur wenig Beachtung. Eine Ursache hierfür ist unzureichendes Wissen über die Größe und Zusammensetzung dieses Materiallagers sowie über dessen Veränderungsdynamik. Das Vorhaben sollte dazu beitragen, die Wissensbasis diesbezüglich deutlich zu erweitern. Mit den Ergebnissen des Projektes liegt nun ein differenziertes Bild über Materialflüsse und Materialbestände vor, die in langlebigen Gütern in Deutschland gebunden sind und von diesen ausgelöst werden. Neben umfangreichen Daten wurde ein Konzept vorgelegt, das Grundlagen zum Aufbau eines langfristigen Monitorings des anthropogenen Lagers durch eine kontinuierliche Fortschreibung von Bestandsveränderungen liefert