Wie schaffen wir es, die Schweiz klimafreundlicher zu machen? Diese Frage treibt momentan nicht nur die Jugendlichen weltweit an, die wie ihr schwedisches Vorbild Greta Thunberg jeden Freitag für einen besseren Klimaschutz streiken. Der Kampf gegen die globale Klimaerwärmung ist auch eines der Ziele der Energiestrategie 2050, welche die Schweizer Stimmberechtigten in Form des revidierten Energiegesetzes 2017 in einem ersten Schritt gutgeheissen haben.
 

Erläuterungen zum neuen Kapitel 8.1

Autor: Peter Bryner, Electrosuisse

1. Energieeffizienz gemäss Energiestrategie 2050

Im Zusammenhang mit der Diskussion um den Klimaschutz, respektive die Reduktion der klimaschädlichen Treibhausgasemissionen, stehen die fossilen Energieträger in erster Linie am Pranger der Öffentlichkeit. Stichworte wie «Flug-Shaming», Heizen mit Gas oder Öl, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren usw, die fossilen Energieträger durch einheimische erneuerbare, sprich CO₂-arme Energieressourcen zu ersetzen, gehört durchaus zu den Massnahmen der Energiestrategie 2050. Dabei geht jedoch oft ein anderes wichtiges Lenkungsinstrument vergessen, nämlich diejenige der Energieeffizienz. Diese beschreibt den Energieverbrauch eines Systems im Verhältnis zur erbrachten Leistung. Von einer Steigerung der Energieeffizienz spricht man dann, wenn die gleiche oder mehr Leistung, z.B. Lichterzeugung, Bereitstellen von Wärme, Antrieb eines Motors, mit geringerem Energieaufwand erreicht wird.

Bis 2050 soll die Energieversorgung und der Energiekonsum auf Effizienz getrimmt werden, was auch zur Reduktion der Treibhausgasemissionen beiträgt. Energieeffizienz ist jedoch auch ein Gebot der Stunde, wenn es um ein weiteres Ziel der Energiestrategie 2050 geht, nämlich den Ausstieg aus der Atomkraft. Dieser wurde ja nach der Atomkatastrophe im japanischen Fukushima 2011 beschlossen. Ausserdem gilt es die Tatsache zu berücksichtigen, dass die Anzahl der Energieverbraucher in Zukunft stetig steigen wird, da immer mehr Tätigkeiten, die jetzt noch von Menschen ausgeführt, von Maschinen übernommen werden Stichwort «Roboter» oder «künstliche Intelligenz». Diese Anlagen benötigen Energie, um ihre Arbeit zu leisten. Gleichzeitig geht man einer zunehmenden Elektrifizierung der Energie aus. Die Nutzung von Strom, die auch als zweite industrielle Revolution bezeichnet wird, ist noch lange nicht am Höhepunkt angelangt. Gewisse Szenarien sprechen von einem Anstieg der Stromnachfrage bis zum Jahr 2040 um 60 %.

Durch den Wegfall der Kernkraftwerke am Ende ihrer Lebensdauer müssen theoretisch 14 Terawattstunden Strom durch die erneuerbare Stromproduktion ersetzt, mittels Effizienzsteigerung oder anderen Massnahmen eingespart werden.

Die Steigerung der Energieeffizienz ist gemäss BFE das wichtigste Instrument, um den Energieverbrauch ohne Einbussen an Nutzen zu senken.

Die Bedeutung einer gesteigerten Energieeffizienz zeigt sich auch in der finanziellen Förderung der einheimischen erneuerbaren Energien und der Stromeffizienz mittels Netzzuschlag, den Haushalte und Unternehmen bezahlen.

Die Senkung des Energieverbrauchs dank mehr Energieeffizienz trägt nicht nur dazu bei, die Schweiz dank einer verbesserten CO₂-Bilanz klimafreundlicher zu machen, sondern verringert auch die Abhängigkeit von knappen Energieressourcen als Folge des Atomausstieges. Nicht zuletzt reduziert sich dadurch die Auslandabhängigkeit unserer Energieversorgung von fossilen Energien, was sich wiederum positiv auf die Versorgungssicherheit unseres Landes auswirkt. Nur dank einem gesenkten Energieverbrauch kann man laut Prognosen des BFE davon ausgehen, dass ein Grossteil des Schweizerischen Energieverbrauchs in Zukunft durch erneuerbare Energiequellen gedeckt werden kann.

Das am 21. Mai 2017 durch das Stimmvolk angenommene revidierte Energiegesetz bezweckt, die einheimischen erneuerbaren Energien zu stärken. Die zukünftige Energieversorgung in der Schweiz soll im Wesentlichen auf den sogenannten «neuen erneuerbaren Energien» Sonne, Holz, Biomasse, Wind, Geothermie und Umgebungswärme aufbauen, da dem Ausbau des traditionellen erneuerbaren Energieträgers, der Wasserkraft, wirtschaftliche und umweltpolitische Grenzen gesetzt sind. Die Energieproduktion wird künftig dezentraler und sich auf viele kleinere Akteure verteilen. Aufgrund der Abhängigkeiten neuer regenerativer Energien, von externen Faktoren wie dem Wetter (Sonneneinstrahlung, Windverhältnisse), ist die Verfügbarkeit dieser Energiequellen Schwankungen unterworfen. Um den Energieverbrauch möglichst optimal an die verfügbaren Ressourcen anzupassen, wird dieser mit unterschiedlich hohen Stromtarifen über das intelligente Netz (Smart Grid) gesteuert.

2 Energieeffizienz gemäss Kap. 8.1 NIN 2020

2.1 Einleitung

Die hochaktuelle Thematik einer möglichst effizienten Verwendung von Energie findet auch ihren Niederschlag in der Ausgabe 2020 der Niederspannungs-Installationsnorm SN 411000 (NIN 2020). Im neuen Kapitel 8.1 «Energieeffizienz von Niederspannungs-Installationen» wird entsprechend darauf eingegangen.

Die Umsetzung der elektrischen Energieeffizienzmassnahmen erfordert einen ganzheitlichen Ansatz zur Optimierung des Energieverbrauchs. Damit ein Gebäude eine möglichst hohe elektrische Energieeffizienz aufweist, ist eine enge Koordination zwischen den in den Bau involvierten Parteien wie Eigentümer, Bauherrschaft, Nutzer, Betreiber, Architekten, Elektroplaner Gebäudetechnikplaner (Sanitär, Lüftung, Heizung, Kühlung) usw. unabdingbar .

Der neue Abschnitt in der NIN soll ein relevanter Leitfaden für Elektroplaner oder Elektroinstallateure bei der Planung von energieeffizienten elektrischen Anlagen sein. Das Kapitel 8.1 beschreibt die Anforderungen und Empfehlungen für den elektrischen Teil des Energiemanagementsystems eines Gebäudes, damit es hinsichtlich Stromeffizienz möglichst gewinnbringend – Spitzenlastoptimierung angesichts flexibler Stromtarife – und zukunftsweisend geplant und betrieben werden können. Die Gebäude werden einer der fünf Effizienzkategorien (EIEC 0 - EIEC 4) zugeordnet. Die Klasse EIEC 4 ist dabei die höchste Effizienzkategorie.

Die im Kapitel 8.1 aufgeführten elektrischen Energieeffizienzmassnahmen sollen in sämtlichen Gebäudetypen angewendet werden können, d. h. in Wohngebäuden, gewerblichen Bauten, Industriegebäuden und in Infrastruktureinrichtungen.
 

2.2 Energieeffiziente Erzeugnisse und Anlagen

Energieeffiziente elektrische Erzeugnisse und Anlagen nach Kap. 8.1 dienen folgenden Zielen:

• Ressourcenschonender Umgang mit der (elektrischen) Energie
• Vorbereitung der Installation für die Eigenverbrauchs- und Spitzenlastoptimierung
• Reagieren auf flexible Energietarife
• Bewertung der Energieeffizienz der elektrischen Anlage
• Energie sparen und dabei Kosten senken (ökonomisch und ökologisch)

Jede neue Ausgabe der NIN gibt den aktuellen Stand der Technik auf dem Gebiet von Niederspannungs-Installationen wieder. Dank dem Kapitel 8.1 enthält die NIN neben den üblichen technischen Standards für Erzeugnisse und elektrische Anlagen neu auch den Stand der Technik bezüglich Energieeffizienz. Dazu zählen bei den Erzeugnissen Bestimmungen in Bezug auf den Wirkungsgrad und Eigenverluste.
 

2.2.1 Planung

Neben den kundenspezifischen Anforderungen, die je nach Möglichkeit umgesetzt werden können, sollen Effizienzkriterien gemäss Kap. 8.1 NIN bereits in die Planung einer elektrischen Anlage einfliessen. Das Auslegen einer Installation, die die Energie bestmöglich nutzt, ist das Ziel einer Elektroplanung, die dem heutigen Stand der Technik entspricht. In Bezug auf eine energieeffiziente Auslegung einer Anlage kommt der Planungsphase eine Schlüsselrolle zu, die nicht unterschätzt werden sollte, denn eine vorausschauende Planung auch auf dem Gebiet der Energieeffizienz spart viel Zeit und Geld. Eine Nach- oder Umrüstung ist meist mit viel Aufwand verbunden, da für den Austausch von Kabeln, Motoren und Transformatoren die Anlage abgeschaltet werden muss. Zu den Kosten infolge Betriebsunterbruchs kommen noch beträchtliche Installationskosten hinzu. Finanziell lohnt sich somit eine Nach- oder Umrüstung erst nach einer ausreichenden Betriebsdauer.

Bild 1: Planung einer energieeffizienten Anlage im Überblick.

Bei der Planung (Bild 1) gilt es die nachfolgenden Aspekte für eine normgerechte energieeffiziente Installation zu berücksichtigen:

Tabelle 1: Planung einer energieeffizienten Anlage im Detail.

Anmerkung: Weitere Parameter wie «lokale Speicherung» und «lokale Erzeugung», die in die Planung einfliessen sollen, sind in Vorbereitung. 
 

2.2.2 Betrieb

Damit eine energieeffiziente Anlage während ihrer gesamten Betriebszeit so geringe Energieverluste wie möglich erzeugt, muss diese mit entsprechender Messtechnik (siehe 4.9) überwacht werden, damit die Energieeffizienz jederzeit transparent ausgewiesen und laufend optimiert werden kann. Dieses Verfahren nennt man «iteratives Energie-Effizienz-Management» (Bild 2). Das Prinzip der iterativen Entwicklung beruht darauf, dass die Anlage durch regelmässig eingeleitete Verbesserungsmassnahmen noch energieeffizienter wird. 

Bild 2: Iterativer Prozess eines Energie-Effizienz-Managements (EEffmgt.)

3 Wichtigste Punkte des Kapitels 8.1 

Ziel ist es, eine möglichst effiziente elektrische Energieverteilung für den jeweiligen Anwendungsfall zum bestmöglichen Nutzen mit minimalen Verlusten zu erstellen. Im Vordergrund steht dabei der Aspekt des bestmöglichen Preis-Leistungs-Verhältnisses; der technisch bestmögliche Ansatz steht hier im Hintergrund. 
 

3.1 Grundsätze

Bild 3: Die elektrische Sicherheit hat immer Vorrang vor der Energieeffizienz.
 

Bild 4: Verfügbarkeit der elektrischen Energie.
 

Bild 5 zeigt die richtige Leitungsführung in verschiedenen Wandtypen auf.
 

Bild 5: Leitungsführung ohne Wärmebrücken.
 

3.2 Energieeffizienzklassen – Electrical Installation Efficiency Classes EIEC

In Bezug auf eines der insgesamt 16 Bewertungskriterien (z.B. Lastprofil, Übersicht Bild 10) wird die elektrische Anlage in eine der fünf sogenannten Energieeffizienzmassnahmen (EM0 bis EM4) eingeteilt. Für das Erreichen der EM0 werden 0 Punkte vergeben, für das Erreichen von EM4 werden 4 Punkte vergeben. Insgesamt ergibt sich eine Maximalpunktzahl von 64 Punkten: 16 Themen x 4 Punkte = 64 Punkte. Mittels dieser Punktzahl wird eine Einteilung in eine Energieeffizienzklasse (EIEC) vorgenommen.

Die Punkteskala für die fünf Energieeffizienzklassen EIEC0 bis EIEC4 ist in Bild 6 dargestellt. Für Wohngebäude unterscheidet sich die Bewertungsstruktur, da vier der Themen (Messung von Leistungsfaktor, Messung der Oberschwingungen, Verteilung des Jahresverbrauchs sowie Reduzierung der Blindleistung) nicht betrachtet werden. 
 

Bild 6: Energieeffizienzklasse anhand des Lastprofils (Bsp.)
 

4 Einzelmassnahmen zur Effizienzverbesserung

Da die Bewertung der Effizienz eine vertiefte Kenntnis der einzelnen Bewertungsschritte voraussetzt, werden in der NIN für die Einteilung in die fünf Energieeffizienzmassnahmen (EM0 bis EM4) die geforderten Analysemöglichkeiten als Bewertungskriterien herangezogen.
 

4.1 Lastprofile

Zur Ermittlung des Lastschwerpunktes müssen die Verbraucherdaten der elektrischen Anlage möglichst bekannt sein. Die wesentlichen Leistungsstärken und deren Häufigkeit in Verbrauchsmitteln sind in die Betrachtung miteinzubeziehen. 
 

4.2 Standort der Haupteinspeisung

Die Haupteinspeisung sollte so nahe wie möglich bei den leistungsstarken Verbrauchern platziert werden. Dadurch können die Verluste klein gehalten werden. Alternativ müssten die Leiterquerschnitte erhöht werden, was ökonomisch nicht sinnvoll ist. 
 

Bild 7: Lastschwerpunkt
 

In der Norm wird das Berechnungsmodell nach dem Barycenter-Verfahren (Bild 8) beschrieben, das die Koordinaten des Lastschwerpunktes ermittelt basierend auf den Abständen zwischen der Verteilung und den Verbrauchsmitteln sowie auf deren jährlichen Energieverbräuchen. Der Lastschwerpunkt (Bild 7) entspricht der optimalen Position der Hauptverteilung.
 

Bild 8: Berechnung der Koordinaten des Lastschwerpunktes (Barycenter-Verfahren). 
 

4.3 Motoren

Drehstrommotoren werden nach SNEN 60034-30-1 entsprechend ihres Wirkungsgrads klassifiziert (IE-Code, International Efficiency Code):

Tab. 2: Energieeffizienzklassen von Drehstrommotoren.
 

IE5 Motoren sollen gegenüber IE4 Modellen nochmals um 20 % geringere Verluste aufweisen. Seit dem 1. Januar 2017 sind in der Schweiz nur noch elektrische Motoren der Effizienzklasse IE3 von 0.75 kW bis 375 kW oder IE2 zusammen mit einem Frequenzumrichter zum Verkauf zugelassen.

Kapitel 8.1 NIN weist zwar auf die Norm SNEN 60034-30-1 hin, verzichtet jedoch auf die Vorgabe eines Mindestwirkungsgrades bei Drehstrommotoren. Folgende Punkte werden jedoch erwähnt, welche die Energieeffizienz von Drehstrommotoren erhöhen:

• Reduzierung des Energieverbrauchs,
• Optimierung der Nennleistung,
• Reduzierung des Anlaufstromes,
• Reduzierung von Lärm und Vibration, wodurch mechanische Zerstörungen und Fehler in Klimaanlagen und Heizungssystemen vermieden werden sowie
• Verbesserung der Steuerung und höhere Genauigkeit für die Erreichung des geforderten Durchsatzes und Druckes.
   

4.4 Beleuchtung

Bei der Planung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen sollten folgende Parameter berücksichtigt werden:

• Lampentyp und Position
• Bezug zwischen Lampentyp/Position und natürlichem Licht
• Vorhandensein einer Steuerung entsprechend
  . natürlicher Lichtquelle oder Gebäudeanwendung oder Lampentyp
  . natürlicher Lichtquelle und Gebäudeanwendung und Lampentyp

4.5 Heizung / Lüftung / Klimatisierung (HLK)

Für die HLK-Optimierungsanalyse hinsichtlich Energieeffizienz werden die Art der Regelung (Zeit, Temperatur, sensorgeführt) und die zonale Unterteilung der Regelung bewertet. Kapitel 8.1 NIN fordert keine Jahresenergiemengen, da diese stark von klimatischen Verhältnissen abhängig sind. Es empfehlen sich hier smarte Regelsysteme, die den Verbrauch und das Bereitstellen der Energie besser aufeinander abstimmen. So kann Energie gespart werden kann, ohne dass Einbussen beim Komfort in Kauf genommen werden müssen. Eine integrierte Planung, also die gedankliche Entwicklung, Vorwegnahme, Bewertung und Ausführung einer Lösungsstrategie, ist somit der einfachste Weg, um eine energieeffiziente HLK-Anlage umsetzen zu können.
 

4.6 Transformatoren

Bei der Transformatorauswahl soll besonders auf den Typ und die Effizienz geachtet werden. Für die Effizienzbewertung bei der Planung kann eine Optimierungsanalyse zwischen Investitionskosten und Verbrauchskosten, die durch Verluste (Eisenverluste, Kupferverluste) verursacht werden, über die Lebensdauer erfolgen. Im Kapitel 8.1 findet sich eine zweite Bewertung von Transformatoren, welche den Wirkungsgrad im Betrieb berücksichtigt.
Der höchste Wirkungsgrad eines Transformators wird erreicht, wenn die Eisen- und Kupferverluste gleich gross sind. Normalerweise liegt die maximale Effizienz eines Transformators bei etwa 25 % bis 50 % der Nennleistung.

4.7 Kabel und Leitungssysteme

Bei der Effizienzbetrachtung steht die Vermeidung von Verlusten durch Kabel und Leitungen im Vordergrund. Deshalb sind Längen und Querschnitte von Kabeln und Leitungen, der Einfluss von Verbrauchern sowie Materialeigenschaften und Umgebungsbedingungen bei der Planung zu beachten. Die Anlagenplanung von Electrosuisse unterstützt sowohl Planer als auch Installateure bei der ökonomischen Dimensionierung von kompletten Anlagen. Um die höchste Bewertung zu erreichen, muss der Lastschwerpunkt aufgezeigt, berechnet werden, sodass die geringsten Leitungsverluste entstehen.
 

4.8 Blindleistung

Die Anlagenblindleistung wird zum einen mit der Optimierungsanalyse und zum anderen mit dem Wirkfaktor ermittelt. Die Optimierungsanalyse bewertet abgestuft, ob zentral, zonal und/oder individuell kompensiert wird.

In diesem Zusammenhang sollen die Werkvorschriften (TAB, WVCH - CH 2018) der Netzbetreiber respektiert werden. Je näher der Wert bei 1 ist, desto weniger Verluste entstehen.
 

4.9 Monitoring von Leistungsfaktor und Spannung

Die Bewertungskriterien in der Norm umfassen den Leistungsfaktor und die Spannung. Die Messungen können gelegentlich, periodisch oder permanent erfolgen und bewertet werden. Ausserdem wird die Anordnung der Messungen in der Hauptverteilung, der Unterverteilung, in Verteilerschaltschränken und bei grossen Lasten platziert, Bild 9.
 

4.10 Messung von Energie und Leistung

Der voraussichtliche Jahresenergieverbrauch zählt auch zu den Bewertungskriterien, die in die Planung einer energieeffizienten Anlage miteinbezogen werden müssen.
 

Bild 9: Monitoring Energie und Leistung.
 

4.11 Einsatz erneuerbarer Energie

Der Einsatz erneuerbarer Energiequellen kann bei einer energieeffizienten Installation unterschiedlich ausfallen. Eine Anlage kann ohne Leistungsvorgabe geplant werden oder eine solche enthalten, indem beispielsweise 10 % der installierten Leistung aus erneuerbaren Energiequellen stammen müssen.
 

5 Energieeffizienz Map

Mit der Realisierung der Energieeffizienz-Map kam die Idee einer Animation auf. In dieser EEff-Map von Electrosuisse können alle relevanten Normen, Dokumente und weitere Fachunterlagen wie Berechnungsbeispiele verlinkt werden. Der Anwender hat so stets die aktuellsten Dokumente für eine energieeffiziente Planung zur Hand. Normative und technische Veränderungen können dynamisch angepasst werden.
 

6 Toolbox EEff-Energieeffizienz-Bewertung

Die Parameter für die Energieeffizienz können in einem interaktiven Energieeffizienzlabel-Tool (Bild 10) berechnet und dargestellt werden. Der Anwender kann eine Live-Berechnung erstellen, diese anzeigen und das Ergebnis als PDF ausdrucken. Dieses EEff-Tool hilft ihm, eine energieeffiziente Installation zu planen und zu realisieren. 

Bild 10: Energieeffizienz-Bewertung anhand von 16 Kriterien.
 

7 Fazit

7.1 Was ist noch unklar?

Wir sind der Meinung, dass es eine Umsetzungsrichtlinie braucht, damit die Einhaltung der vorgegebenen und/oder gewünschten Effizienzklasse unabhängig und einheitlich beurteilt werden kann. Im Weiteren sollte klar definiert sein, was zur Planung, resp. was zum Betrieb einer energieeffizienten Anlage zählt. Ebenso ist festzulegen, welche Nutzungszonen und Geräte relevant sind für die Beurteilung der Energieeffizienz eines Gebäudes oder Raums. Das Potenzial des Raums in Abhängigkeit zur Nutzung muss als Bewertungskriterium relevant sein und nicht nur die 16 Standardkriterien.
 

7.2 Muss das Kapitel 8.1 der NIN angewendet werden?

Es besteht keine Verpflichtung, diesen Optimierungsprozess hin zu mehr Energieeffizienz bei elektrischen Niederspannungsinstallationen anzuwenden. Es obliegt der Verantwortung des Bestellers, welche Effizienzziele erreicht werden sollen.

Der Elektroplaner wiederum ist verantwortlich dafür, dem Kunden das Energieeffizienzpotenzial einer neuen Anlage aufzuzeigen, das auch mit ökonomischen Gewinnen verbunden ist.

Je besser dieses Potenzial bereits in die Planung miteinbezogen wird, umso günstiger wird eine energieeffiziente Anlage, da eine Nachrüstung ist mit erheblichen Mehrkosten verbunden ist. Nicht zuletzt eröffnet sich hier ein neues Geschäftsfeld für die Installationsbranche, eine energieeffiziente, sprich moderne und ökologische Installation für den Kunden erstellen zu können.
 

7.3 Wie geht es weiter?

Die erste Ausgabe der Hausinstallation-Vorschriften des SEV, Electrosuisse datiert aus dem Jahr 1905. Seither wurde diese Vorschrift/Norm in 16 Nachfolgedokumenten laufend dem Stand der Technik angepasst, was zur heutigen NIN 2020 geführt hat. Der nun vorliegende Teil 8.1 der NIN «Energieeffizienz» ist ein erster Versuch, für dieses umfangreiche Themengebiet einen Leitfaden zu entwickeln. Auch dieser Normenteil wird sich dem Stand der Technik weiter anpassen. 

 

Weiterführende Literatur / Produkte
ab 31. August 2019 verfügbar im Electrosuisse-Shop

Electrosuisse - EEff Map Ausgabe 2019, Bryner, Schmucki, Wouters

Electrosuisse - Einblicke in die NIN Ausgabe 2019, Bryner, Hausherr, Schmid, Schmucki

Electrosuisse - NIN Compact Ausgabe 2019, Bryner, Schmucki

Electrosuisse - Toolbox EEff Energieeffizienz Bewertung, Bryner, Frei

Verkehr und Akkumulatoren (BFE, Web)

Siemens - Technische Schriftenreihe Ausgabe 17, Energieeffizienz bei der Planung von Niederspannungsanlagen

VDE-Schriftenreihe - Normen verständlich Band 169, Energieeffizienz in der Elektroinstallation, Rudnik, Siegfried

Veranstaltungshinweise

• August/September 2019, NIN 2020 Infoveranstaltungen, verschiedene Termine + Orte
• Sept. Okt., Dez., Instandhaltung und Prüfung elektrischer Geräte - Grundkurs, verschiedene Orte
• 25. September 2019, Anlagenplanung, Sicherer Umgang mit Netzanlagen, Dietikon
• September + November 2019, Gebäudeautomation leicht gemacht, Münchenstein + Bern (Fachkurs)
• 3. Oktober 2019, Gebäudetechnik-Kongress, Luzern
• 31. Oktober, FaktorEnergie, Zürich
• 30. Januar 2020, Swiss Lighting Forum, Basel
• 13. Mai 2020, Energien der Zukunft, Dietikon

Foto: Electrosuisse (Art-Map)
Autor: Peter Bryner, Electrosuisse
Grafiken: Electrosuisse