Nachhaltige Dächer sind keine Einheitsgröße für alle

Grüne und weiße Dächer sind nachhaltige Lösungen zur Reduzierung der städtischen Hitze und zur Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden. In Kombination mit Photovoltaik (PV)-Systemen werden sie oft als Technologien angepriesen, die auch die Solarenergieausbeute erhöhen. Unsere umfassende Analyse zeigt jedoch, dass frühere Studien ihre Vorteile möglicherweise überbewertet haben. Bei der Bewertung der ganzjährigen Leistung in verschiedenen Klimazonen haben wir festgestellt, dass die Gewinne bei der PV-Stromerzeugung bescheiden und kontextabhängig bleiben.

Warum das wichtig ist

Da die Städte ihre Energiewende beschleunigen, um den Klimawandel zu bekämpfen, werden nachhaltige Dachlösungen wie grüne (begrünte) und weiße (reflektierende, kühle) Dächer weithin als Mittel zur Verbesserung des Ertrags von Photovoltaikanlagen (PV) auf Dächern propagiert, da sie die Temperatur der Dachoberfläche senken. Es wird erwartet, dass diese kühleren Oberflächen die PV-Effizienz erhöhen, da Solarmodule besser funktionieren, wenn sie nicht überhitzt sind. Doch wie zuverlässig sind die häufig zitierten Vorteile dieser kombinierten Systeme (z. B. Fleck et al. (2022), Ramkiran et al. (2021), Hui & Chan (2011))? Unsere Studie analysierte die ganzjährige Leistung von PV-begrünten und PV-weißen Dächern in 13 Städten mit unterschiedlichen Klimazonen unter Berücksichtigung aktueller und zukünftiger Klimaszenarien. Die Ergebnisse zeigen, dass ihre Auswirkungen durch experimentelle Studien, die unter kontrollierten, günstigen Bedingungen durchgeführt wurden, aufgebauscht wurden.

Unser Ansatz

Anhand von Gebäude- und Solarsystem-Simulationen haben wir die Leistung von drei Dachtypen (Kiesdach, Gründach und weißes Dach) in Kombination mit Solarmodulen in 13 Städten mit unterschiedlichen Klimazonen bewertet und verglichen. Kiesdächer bestehen in der Regel aus einer Schicht losem Kies über einer dunklen Dachbahn, die einen einfachen Schutz, aber nur eine minimale Wärmeregulierung bietet. Bei Gründächern wird die Vegetation auf einer Substratschicht (z. B. Erde) gepflanzt. Weiße Dächer sind mit reflektierenden Materialien wie weißer Farbe, speziellen Beschichtungen oder weißen Membranen bedeckt, die die Wärmeabsorption verringern. In dieser Studie wird ein weißes Dach durch die Verwendung einer reflektierenden Membran erreicht. In Verbindung mit PV-Paneelen werden nachhaltige Dachtypen wie Gründächer und weiße Dächer als "kombinierte Dächer" bezeichnet.

Unsere Analyse erstreckte sich über ein ganzes Jahr, um jahreszeitliche Schwankungen zu erfassen, und umfasste auch zukünftige Klimaszenarien, um zu beurteilen, wie sich diese Dächer in einer heißeren, sich verändernden Welt verhalten könnten. Wir haben die Dachbegrünung in allen Städten ohne zusätzliche Bewässerung modelliert, um die Bedingungen widerzuspiegeln, unter denen eine Bewässerung möglich ist. unpraktisch, kostspielig oder unhaltbar. Dieser Ansatz ist besonders in Regionen von Bedeutung, in denen eine großflächige Einführung von Dachbegrünungen teure Bewässerungssysteme ausschließen würde, insbesondere in wasserarmen Gebieten.

Abbildung 1: Die in dieser Studie verwendeten Dachkonstruktionen

Zunächst validierten und kalibrierten wir die Modelle anhand realer Dachtemperatur- und Solarenergieertragsdaten von Dächern in Zürich, Schweiz. Dann wendeten wir sie auf 13 Städte mit unterschiedlichem Klima an, von den gleichmäßig warmen und feuchten Bedingungen in Singapur bis zu den saisonalen Extremen in Montreal. Für jede Stadt führten wir Simulationen für die gegenwärtigen Bedingungen und ein zukünftiges Klimaszenario (Jahr 2090) durch, das auf der Annahme beruht, dass die Treibhausgasemissionen auf dem derzeitigen Niveau bleiben. So konnten wir feststellen, wie sich der Klimawandel auf die Leistung von Solarmodulen auf verschiedenen Dachtypen auswirken könnte. Durch den Vergleich der Ergebnisse für verschiedene Dachtypen, Städte und Zeiträume konnten wir feststellen, wie sich die einzelnen Dachlösungen unter verschiedenen Klimabedingungen verhalten, sowohl heute als auch in Zukunft.

Wichtigste Ergebnisse

1. Jährliche Energiegewinne sind bescheiden

Unsere Analyse ergab, dass die jährlichen PV-Effizienzgewinne von nachhaltigen Dächern im Vergleich zu Kiesdächern bescheiden bleiben und an allen betrachteten Standorten durchweg unter 2% liegen. Diese Ergebnisse stellen weithin zitierte Studien in Frage, die Gewinne so hoch wie 8,3%, die häufig auf kurzfristigen Experimenten unter idealen Bedingungen, wie sonnigen Sommertagen oder ständig gesättigten Gründächern, beruhten. Dieser Unterschied macht deutlich, wie wichtig es ist, die Leistung über das ganze Jahr hinweg zu bewerten, um die tatsächliche Wirkung dieser Technologien besser zu verstehen.

2. Der Nutzen von Gründächern hängt vom Niederschlag ab

Der Kühlungsnutzen von Gründächern hängt in hohem Maße von folgenden Faktoren ab ausreichender Feuchtigkeitsgehalt, die durch natürliche Niederschläge oder Bewässerung beeinflusst werden. In regenreichen Klimazonen, wie z. B. in den Tropen oder den gemäßigten Zonen, bieten begrünte Dächer aufgrund der Evapotranspiration durch die Vegetation einen konstanten Kühlungseffekt. In wasserarmen oder trockenen Klimazonen wird ihre Wirksamkeit jedoch durch den Mangel an Feuchtigkeit erheblich eingeschränkt. Ohne Bewässerung zeigten Gründächer vor allem in trockenen oder saisonalen Dürreperioden oft eine unzureichende Leistung.

3. Weiße Dächer schneiden besser ab als grüne Dächer

In den meisten Szenarien und Klimazonen führten weiße Dächer zu einer stärkeren Senkung der Dachtemperaturen und zu höheren PV-Effizienzsteigerungen als grüne Dächer. Ihre Leistung war in heißen, trockenen Klimazonen besonders hoch, wo die reflektierenden Eigenschaften weißer Dächer übermäßige Hitze wirksam abschwächten. Im Gegensatz zu begrünten Dächern war die Leistung von weißen Dächern nicht von der Verfügbarkeit von Feuchtigkeit abhängig, was sie zu einer zuverlässigeren Option für ein breiteres Spektrum von Klimazonen macht.

4. Begrenzte Verbesserungen unter zukünftigen Klimabedingungen

Künftige Klimaszenarien zeichnen ein gemischtes Bild für nachhaltige Bedachungen. Während einige Städte von einer stärkeren Sonneneinstrahlung profitieren werden, die den Gesamtertrag von Photovoltaikanlagen erhöhen könnte, wird erwartet, dass steigende Temperaturen diese Gewinne durch eine Verringerung des Umwandlungswirkungsgrads von Photovoltaikanlagen ausgleichen, der mit steigenden Temperaturen der Module abnimmt. Zum Beispiel:

• Temperaturanstieg: Höhere globale Temperaturen werden die Effizienz der Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität verringern, wobei in allen untersuchten Städten Rückgänge zu verzeichnen sind.
• Solare Bestrahlung: In einigen Städten, insbesondere in Regionen mit geringerer Bewölkung, könnten die absoluten PV-Erträge leicht ansteigen, was jedoch den Effizienzverlust nicht ausgleicht.
• Niederschlagsänderungen: Geringere Niederschläge in bestimmten Regionen könnten die Leistung von Gründächern weiter einschränken, vor allem in künftigen trockenen Klimazonen, während feuchtere Regionen die Evapotranspiration weiterhin unterstützen könnten.

Kombinierte nachhaltige Dächer tragen dazu bei, einige der negativen Auswirkungen des Temperaturanstiegs abzumildern, indem sie die Hitze auf dem Dach und die Temperatur der PV-Paneele reduzieren. Ihr Nutzen wird jedoch bescheiden bleiben und rechtfertigt nicht den Ersatz bestehender Dachsysteme vor dem Ende ihrer Nutzungsdauer. Stattdessen sollte der Ersatz als Teil einer natürlichen Gebäude- und Dachmodernisierung in Betracht gezogen werden.

Abbildung 2: Leistungsvergleich von PV-grünen und PV-weißen Dächern unter heutigen und zukünftigen Klimabedingungen, basierend auf Effizienzgewinnen im Vergleich zu PV-Kies

Was dies für Politik und Praxis bedeutet

1. Dunkle Dächer abschaffen

Förderung von Maßnahmen zur Beseitigung dunkler Dachmaterialien wie Kies und deren Ersatz durch weiße oder begrünte Dächer während der natürlichen Erneuerungszyklen.

2. Kombinierte Dächer in großem Maßstab einführen

Die Vorteile kombinierter Bedachungstechnologien skalieren effizient in städtischen Zentren mit dichtem Gebäudebestand. Während die PV-Effizienzgewinne bescheiden bleiben, würde die Beibehaltung der derzeitigen Leistung in einigen Städten eine Umstellung von Kiesdächern erfordern. Eine Verlagerung hin zu weißen oder begrünten Dächern in dicht bebauten Gebieten (z. B. Kairo, Hongkong) könnte diese Vorteile in großem Umfang verbessern.

3. Erwägen Sie weiße Dächer!

White schnitt in verschiedenen Klimazonen durchweg gut ab, insbesondere in trockenen Regionen, in denen Gründächer ohne Bewässerung Probleme haben. Diese Dächer verdienen mehr Aufmerksamkeit bei der nachhaltigen Planung.

4. Grüne Dächer sind multifunktional

Begrünte Dächer dürfen nicht abgeschrieben werden! Diese Ergebnisse sprechen nicht gegen Gründächer, sondern für durchdachte, klimabewusste Designentscheidungen, die die Leistung je nach Standort und Kontext optimieren. Während begrünte Dächer bei der Steigerung der PV-Effizienz vielleicht weniger wirksam sind als weiße Dächer, bieten sie andere wichtige Vorteile wie Regenwasserbewirtschaftung, Förderung der Artenvielfalt und Kühlung in der Stadt.

Schlussfolgerung

Diese Forschung bringt die notwendige Nuancierung in die Diskussion über klimabewusste Stadtplanung. Während nachhaltige Dächer einige Vorteile für die städtische Kühlung und Energieeffizienz bieten, ist ihre tatsächliche Wirkung weniger revolutionär als bisher behauptet. Unsere Studie unterstreicht die Bedeutung einer kontextspezifischen Anwendung und die Notwendigkeit realistischer Erwartungen, wenn diese Technologien in die Stadtplanung einbezogen werden. Weiße Dächer erweisen sich für die meisten Klimazonen als die zuverlässigere Lösung. Zukünftige Forschungen sollten multikriterielle Analysen in Betracht ziehen, um die verschiedenen Rollen, die nachhaltige Dächer für die Widerstandsfähigkeit von Städten spielen, besser zu erfassen.