Intelligente Gebäude: Die Rolle von IoT und Edge-Konnektivität bei der Erreichung der Netto-Null-Ziele

Weltweit entfallen auf den Bau- und Gebäudesektor 30 bis 40 % des gesamten Energieverbrauchs und etwa 24,5 % der Treibhausgasemissionen (Farghali et al., 2023; Khan et al., 2024; Ma et al., 2024). In der gesamten EU entfallen 40 % des Energieverbrauchs auf den Gebäudebestand. Tatsächlich entsprechen die betrieblichen CO2-Emissionen allein von Gebäuden (10 Gt) den Gesamtemissionen Chinas, was den erheblichen ökologischen Fußabdruck dieses Sektors unterstreicht (Ma et al., 2024). Im Vereinigten Königreich verursachen das Bauwesen und die damit verbundenen Aktivitäten der Lieferkette in Übersee jährlich 36 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent, was den Emissionen der Hälfte aller Autos des Landes entspricht. Diese Zahlen unterstreichen die dringende Notwendigkeit nachhaltiger Praktiken und Technologien, um die Auswirkungen des Sektors zu mindern.

Der weltweite Markt für intelligente Gebäude, dessen Wert im Jahr 2023 bei 108 Milliarden US-Dollar liegen wird, soll mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 26,8 % wachsen und bis 2030 einen Wert von 570 Milliarden US-Dollar erreichen. Dieses Wachstum wird durch die zunehmende Verbreitung von IoT, künstlicher Intelligenz (KI) und Edge-Konnektivitätstechnologien vorangetrieben, die Gebäude reaktionsschneller, ressourceneffizienter und automatisierter machen. Durch die Integration von Sensoren, Datenanalyse und maschinellem Lernen können intelligente Gebäude den Energieverbrauch optimieren, Abfall reduzieren und den Komfort für die Bewohner verbessern.

Intelligente Gebäude nutzen IoT und Edge-Konnektivität, um kritische Systeme wie Beleuchtung, Heizung, Lüftung, Klimatisierung (HVAC) und Sicherheit zu verwalten. Diese Technologien ermöglichen eine Überwachung und Steuerung in Echtzeit, wodurch die Energieeffizienz verbessert und die Betriebskosten gesenkt werden. Untersuchungen zeigen, dass vernetzte digitale Technologien den Energieverbrauch in Gebäuden bis 2040 um 30–50 % senken können (Hernández et al., 2024). ​ So kann beispielsweise durch die Integration von erneuerbaren Energiequellen (RES), intelligenten Stromnetzen (SG) und energieeffizienten Systemen der Energieverbrauch um 10–40 % gesenkt werden (Farghali et al., 2023). ​

KI spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Gebäudeeffizienz. Tiefe neuronale Netze können die Auslastung vorhersagen, sodass automatisierte Systeme die Beleuchtung und die HLK-Einstellungen auf der Grundlage des Echtzeitbedarfs anpassen können. Dies reduziert Energieverschwendung und verlängert die Lebensdauer der Anlagen. Darüber hinaus kann KI fortschrittliche Wettervorhersagen und proaktive Wartungspläne einbeziehen und so die Gebäudeperformance weiter optimieren.

Eine der größten Herausforderungen bei der Erreichung der Netto-Null-Ziele ist die Ineffizienz des bestehenden Gebäudebestands (Hernández et al., 2024). In der EU wurden 75 % der Gebäude vor der Einführung moderner Energiestandards errichtet, und nur 3 % erfüllen derzeit diese Standards (ebenda). Die Nachrüstung und Renovierung dieser Gebäude ist unerlässlich, um Emissionen zu reduzieren und die Energieeffizienz zu verbessern. Im Vereinigten Königreich sind 85 % der Gebäude, die voraussichtlich bis 2050 genutzt werden, bereits gebaut, was die Bedeutung der Nachrüstung unterstreicht.

Digitale Technologien wie Building Information Modelling (BIM) und Digital Twins (DT) sind für die Planung und Durchführung von Nachrüstungen von entscheidender Bedeutung. Diese Tools ermöglichen ein besseres Ressourcenmanagement, eine bessere Zusammenarbeit und eine bessere Integration energieeffizienter Systeme. So können beispielsweise intelligente Energiespeichersysteme (ESS), Wärmepumpen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge in nachgerüstete Gebäude integriert werden, um deren Nachhaltigkeit zu verbessern.

Die Abhängigkeit der Bauindustrie von traditionellen Materialien trägt erheblich zu ihrem CO2-Fußabdruck bei. Herkömmliche Materialien haben einen höheren CO2-Gehalt, mit Emissionen von 171,93 kg CO2e pro m² im Vergleich zu 62,25 kg CO2e pro m² bei nachhaltigen Alternativen (Arenas & Shafique, 2024). Durch die Verwendung kohlenstoffarmer Materialien können die eingebetteten Emissionen um 40 % und die transportbedingten Emissionen um 39 % reduziert werden (Myint & Shafique, 2024). Allerdings sind diese Materialien oft mit höheren Kosten verbunden, wodurch sich die Baukosten um etwa 6,7 % erhöhen.

Trotz der anfänglichen Kosten bieten energieeffiziente Gebäude langfristige finanzielle Vorteile durch geringere Energiekosten und höhere Immobilienwerte. Nachhaltige Materialien ermöglichen auch eine bessere Integration von intelligenten Gebäudesystemen, wodurch Immobilien für Käufer, Mieter und Betreiber attraktiver werden (Baharetha et al., 2024).

Regierungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Förderung nachhaltiger Praktiken im Bauwesen. Die aktualisierte EU-Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden schreibt für alle neuen öffentlichen Gebäude bis 2026 und für alle anderen neuen Gebäude bis 2028 Null-Emissionen vor. Im Vereinigten Königreich könnten verbesserte Gebäudekonstruktionen und die Wiederverwendung von Ressourcen die Emissionen im Bauwesen um 40 % reduzieren.

Finanzielle Anreize und strengere Bauvorschriften ermutigen Unternehmen, in nachhaltige Technologien zu investieren. Initiativen wie die Clean Cooling Collaborative und die SEAD (Super-Efficient Equipment and Appliances Deployment) zielen beispielsweise darauf ab, die Einführung energieeffizienter Geräte wie Klimaanlagen, Kühlschränke und Beleuchtung zu fördern.

Das Internet der Dinge (IoT) und Edge-Konnektivität verändern die Bau- und Gebäudebranche, indem sie intelligentere und effizientere Abläufe ermöglichen. IoT-Geräte sammeln und analysieren Daten von in Gebäuden eingebauten Sensoren und liefern so Einblicke in den Energieverbrauch, die Luftqualität und die Systemleistung. Edge-Konnektivität gewährleistet eine sichere und schnelle Kommunikation zwischen den Geräten und ermöglicht so Entscheidungen und Automatisierungen in Echtzeit.

Diese Technologien sind besonders wertvoll für die Verwaltung von Altsystemen und älteren Geräten, denen es oft an Konnektivität mangelt. Durch die Integration von IoT-Lösungen können Gebäudebetreiber komplexe Abläufe überwachen, die Gesundheit und den Komfort der Bewohner verbessern und die Umweltbelastung reduzieren.

Der Sektor für intelligente Gebäude steht vor einem bedeutenden Wachstum, das durch Fortschritte in der Digitaltechnik und zunehmenden regulatorischen Druck vorangetrieben wird. Bis 2050 wird die Zahl der Haushalte, die intelligente Technologien nutzen, weltweit voraussichtlich von 225 Millionen auf 478 Millionen steigen (Hernández et al., 2024). Diese Gebäude werden über größere technologische Fähigkeiten verfügen, darunter selbstgenerierende und energiespeichernde Systeme.

Um die NetZero-Ziele zu erreichen, müssen intelligente Gebäude mit lokalen und netzgebundenen Energiesystemen verbunden sein. Dazu gehört die Integration von EV-Ladegeräten, Vehicle-to-Grid-Technologien (V2G) und intelligenten Netzen. Sichere Konnektivität und anpassungsfähige Designs werden unerlässlich sein, um dynamische, nutzerorientierte Umgebungen zu schaffen, die die Nachhaltigkeit fördern.

Der Übergang der Bauindustrie zu NetZero ist sowohl eine Herausforderung als auch eine Chance. Intelligente Gebäude, die auf IoT und Edge-Konnektivität basieren, bieten eine transformative Lösung zur Reduzierung des Energieverbrauchs, zur Steigerung der Effizienz und zur Unterstützung von Nachhaltigkeitszielen. Durch den Einsatz digitaler Technologien, nachhaltiger Materialien und innovativer Verfahren kann die Branche eine entscheidende Rolle bei der Schaffung einer grüneren, nachhaltigeren Zukunft spielen. Regierungen, Branchenakteure und Gemeinden müssen zusammenarbeiten, um diesen Wandel voranzutreiben und sicherzustellen, dass intelligente Gebäude zum Standard für modernes Bauen und Gebäudebetrieb werden.