Wie werden wir in Zukunft energetisch leben?

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1 Wie werden wir in Zukunft energetisch leben? Innsbruck 27. November 2013 Informationsveranstaltung INNERGIE Neue Energie für Innsbruck Referent Prof. Dipl.-Ing. Timo Leukefeld 1

2 solarer Lebenslauf: von der Försterei zur Energieautarkie Handwerk Ingenieurplanung - Wissenschaft Schlosserlehre Studium Energetik TU Bergakademie Freiberg 1996 Solarschule Berlin Leitung Solarkollektorteststand Forschung & Entwicklung solare Meerwasserentsalzung für Israel Teilnahme an Solarenergie Weltkonferenzen: 1999 Israel, 2001 Australien 2003 Schweden, 2005 USA, 2007 China 2011 Honorarprofessur für Solarthermie Ich habe Wärme studiert. Ich kenne Wärmepumpen, Solarwärme, Holzverbrennungsöfen, Kraftwerke jeder Art, Heizkessel (Öl, Gas). Und ich denke es ist kein Zufall, dass ich mich mit der Sonnenwärme selbstständig gemacht habe. 2

3 Womit beschäftige ich mich? Sonnenhäuser Deutscher Solarpreis 2006 energieautarke Gebäude Deutscher Solarpreis 2011 Neu- und Altbau: intelligente Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne Speichervernetzung (Wärme und Strom) unabhängig sein: Lüftung, Kühlung und Wasser gesunde Innenraumluft seit 2012 erste Vorlesung energieautarke Gebäude an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg und Berufsakademie Glauchau Verständlichkeit der Sprache stärkt Wettbewerbsfähigkeit Vorträge Beratung Forschung 3

4 Erstes und zweites Solarzeitalter 1. Energiewende 2. Energiewende der Bundesregierung 4

5 Schwächen mit Schwächen kombiniert: fluktuierende erneuerbare Energien FEE im zentralen Energieversorgungssystem (Einstrahlung am ) 5

6 Die Macht der inneren Bilder: Energiewende / Energiesystem 2.0 / Haussanierung / Neubau Geothermie Kamin Fernwärme smart energy Windkraft Sonnenhaus Netzausbau Blockheizkraftwerk BHKW Wasserstofftechnik Effizienzhaus Plus Autarkie Wärmepumpe Photovoltaik Dämmung Energiesystem 2.0 / Haussanierung / Neubau Stromspeicher automatische Haussteuerung BUS Brennwerttechnik Plusenergiehaus Lüftungsanlagen Pelletheizung Biomasse Langzeitwärmespeicher Kraft-Wärme-Kopplung Passivhaus Nahwärme Solarthermie Wasserkraft 3 fach verglaste Fenster 6

7 Gebäude im Wandel der Zeit intelligente EIGENVERSORGUNG mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne Haus gestern: Energieverbraucher (Wärme + Strom) Haus heute: Energieverbraucher (Wärme + Strom) Energieerzeuger (Strom aus der Sonne) Plusenergiehaus / Effizienzhaus plus Haus morgen: Energieerzeuger (Wärme + Strom aus der Sonne) Energiespeicher (Wärme + Strom) beides vernetzt mit Energieversorgern Energieverbraucher (Wärme + Strom + Mobilität) 7

8 Endenergiebedarf in Deutschland Haushalt in Österreich: % Heizen 12 % Warmwasser 3% Kochen 13 % elektronische Applikationen wie Haushaltsgeräte und Licht Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 8

9 Strompreisentwicklung in Deutschland und ein simpler Tip 2011: ca Haushalte wurden abgeklemmt 2013: ca Haushalte - AKWs abgeschaltet - Ziel der Bundeskanzlerin: 1 Million Elektroautos bis Zukunft: Heizen mit Strom? aktuell 2013: etwa 29 Cent/kWh Prognose Ende 2014: 29 Cent/kWh + 10% Prognose 2030: bis 70% Preissteigerung auf 45 Cent/kWh 9

10 Smart energy: Praxis smart grids - intelligente Netze, smart home fortschrittliche Hausautomatisierung, smart meter intelligente Zähler 40 C Waschgang mit Kaltwasser und smart energy betrieben Verbrauch: 0,70 kwh Energiepreis: 0,20 /kwh Kosten Spülgang: 0,14 40 C Waschgang mit Warmwasser ohne smart energy betrieben Verbrauch: 0,11 kwh Energiepreis: 0,29 /kwh Kosten Spülgang: 0,10 (0,03 + 0,07 Wärme Erdgas) Beispiel: Geschirrspüler Wir verheizen unseren Strom! Energie intelligenter einsetzen! Energiekosten Spülgang normal: 0,20 Bildquelle: 10

11 Solarthermie - ST (Sonnenwärme) Photovoltaik PV (Sonnenstrom) & 11

12 Photovoltaik/Sonnenstrom bisher Renditeobjekt Solarthermie/Sonnenwärme zur Eigennutzung Sonnenkollektor Wirkungsgrad ca. 80 % Jahresertrag bis 500 kwh/m²a Wirkungsgrad und flächenspezifischer Jahresertrag in Deutschland? (Einstrahlung kwh/m²a) Photovoltaikmodul Wirkungsgrad ca. 20 % Jahresertrag bis 110 kwh/m²a 12

13 Der steuerliche Unterschied zwischen Einnahme und Einsparung Einnahme Beispiele: Immobilien/Vermietung Zinsen Aktien Photovoltaik Windkraft BHKW Einnahmen sind zu versteuern Einsparung Beispiele: Fenstererneuerung Dämmung Brennstoffart wechseln Sonnenheizung Einsparungen sind steuerfrei 13

14 Kaufkraftentwicklung

15 15

16 2020 klimaneutrales Gebäude für Neubauten Pflicht Effizienzhaus Plus mit E-Mobilität (Plusenergiehaus) mit Blick auf die Europäischen Anforderungen 2019/2020 produziert über die Jahresbilanz mehr Energie als es verbraucht. Primärenergiejahresbilanz > 0 Endenergiejahresbilanz > 0 Die Sonne liefert zwar viel mehr Energie als die Menschen verbrauchen, aber zur falschen Zeit am falschen Ort. 16

17 Fragen zur Eigennutzung von Solarstrom Kurzthesen Heizen mit Photovoltaik Strom und Luftwärmepumpe? 17

18 Das Haus der Zukunft Heizen mit Photovoltaik Strom und Luftwärmepumpe? Überlappen Angebot und Nachfrage? ca. 80 % Solarstromerzeugung im Sommer ca. 80 % Stromverbrauch Wärmepumpe im Winter Ist Strom zum Heizen wirtschaftlich speicherbar? Kosten: Langzeitwärmspeicher /kwh, Stromspeicher: /kwh Welche Technologie ist im Winterhalbjahr effizienter? Effizienz Solarthermie zur Photovoltaik zwei- bis dreimal höher Strom zu Wärme Verhältnis Luft Wärmepumpe (Arbeitszahl) 1:3, Solarthermie 1:150 Eigenverbrauchsquote und solare Deckung PV beim Heizen mit Strom? gering d.h. hohe nicht selbst nutzbare Überschüsse bei sinkender Vergütung, der überwiegende Teil des Stromes muss teuer zugekauft werden 18

19 Boom der Luftwärmepumpen Ende 2012: 67% Marktanteil Wärmepumpen-Bestand 1978 bis Wasser Luft Sole

20 Boom der Luftwärmepumpen Ende 2012: 67% Marktanteil Wirkung auf Temperatursensitivität des Strommarktes? (Temperatursensitivität: Stromlaststeigerung pro Kelvin sinkender Außentemperatur) Wärmepumpen bringen eine zusätzliche Last im Winter Wärmepumpen-Bestand 1978 bis 2011 Wasser das erfordert zusätzliche fossile Kraftwerke, die nur zwei Monate im Winter laufen sehr teurer Strom Konsequenz: vom Sondertarif zum Straftarif? Tarif für Wärmepumpen am Beispiel Freiberg ,42 ct/kwh ,49 ct/kwh ,49 ct/kwh ,29 ct/kwh 2014? ct/kwh Luft Sole 20

21 Typisches Plusenergiehaus Antizyklus: Stromverbrauch/Photovoltaikertrag im Jahresverlauf eigene solare Elektromobilität nur von April bis Oktober (7 Monate) möglich 1400 Jahreskurve Phänomen: Saisonale Illusion kwh Photovoltaik Ertrag Summe Wärmepumpe+Haushaltsstrom Simulation: Typ: KfW 55 Haus 160 m² KW Photovoltaik + Luftwärmepumpe 200 als Plusenergiehauskonzept mit optimiertem 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Haushaltsstromverbrauch Standort: Hannover 21

22 Deckung des Wärmebedarfs mit Photovoltaik (8 KWP PV) und Luft-Wärmepumpe am typischen 20. Dezember xxxx 20. Dezember 5,00 4,50 4,00 3,50 kwh 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 PV-Ertrag Wärmebereitstellung durch Wärmepumpe mit PV Strom Gesamtverbrauch Heizung + Warmwasser Simulation Typ: KfW 55 Haus 160 m² 8 KW Photovoltaik + Luftwärmepumpe als Plusenergiehauskonzept Standort: Hannover 22

23 Vergleich Fenster und Wärmepumpe mit PV Strom Eine Wärmepumpe die den PV Strom vom Dach für das Einspeisen ins Heizsystem nutzt, kann nicht mehr als ein Fenster. Nämlich Sonnenlicht in Wärme umwandeln und dem Gebäude zur Verfügung stellen. Nur weniger effizient und aufwändiger. Quelle: Georg Dasch 23

24 Ergebnisse einer Messung: Heizen mit Solarstrom der Siegerentwurf: Effizienzhaus Plus Berlin, Prof. Sobek, Bj Mitte Februar 2012 um 12 Uhr Sonnenschein aber voll verschattet Messergebnisse 2/2012-2/2013 Technik/Kennwerte: - 22,1 kwp Photovoltaik - Luft Wärmepumpe 5,8 kw - BUS Steuerung - 40 kwh Stromspeicher - beheizte Nettogrundfläche 149 m² - Heizwärmebedarf 21 kwh/m²a - spezif. Primärenergiebedarf ca. 155 kwh/m²a - mit Elektromobilität - Projektkosten: ca. 2,5 Mio Euro Stromverbrauch gesamt: kwh/a solare Deckung: 32 % Hausstromverbrauch kwh/a (prognostiziert kwh/a), Elektromobilität ca kwh/a (prognostiziert kwh/a), projektspezifischer Verbrauch kwh/a, Gesamtstromverbrauch kwh/a, Photovoltaik Ertrag kwh/a (prognostiziert kwh/a), davon selbst genutzt kwh/a, davon eingespeist ins Netz kwh/a, Strom aus dem Netz zugekauft kwh/a, Jahresarbeitszahl Wärmepumpe 2,3 (prognostiziert 3,5). Globalstrahlung (mittlere Jahressummen) Berlin: 2012: kwh/m²a, 2011: kwh/m²a, 2010: kwh/m²a, : kwh/m²a 24

25 Plusenergiehaus in Freiberg 2012 Kombination Photovoltaik mit Luftwärmepumpe ohne Akku netzgekoppelt solare Deckung 11 % (1 WE) 2011, Wohnfläche ca. 170 m², KfW Effizienzhaus 70, 2 EW 2 Ki, 45 Dachneigung, 5 Südabw., Luftwämepumpe 4,1 KW, Kombispeicher 400 l mit 2 E Heizstäben, Stückholzkamin ohne WÜ, PV Anlage 7,98 ohne Akku, 2012: Ertrag PV kwh/a, Eigenverbrauch 616 kwh, Stromverbrauch Haus 1931 kwh/a, Stromverbrauch Wärmepumpe kwh/a 25

26 Das Prinzip vom Sonnenhaus gut gedämmtes Gebäude mit optimierter Solarthermienutzung Großflächige thermische Solarkollektoren auf dem Dach und ein Langzeitwärmespeicher im Gebäudeinneren sind die wesentlichen Merkmale eines Sonnenhauses. Primärenergieverbrauch < 15 kwh/m²a 26

27 Sonnenenergie: Angebot und Nachfrage Zusammenbringen von Angebot und Nachfrage Das Sonnenhaus-Konzept bringt das Energie- Angebot der Sonne und die Energie-Nachfrage der Hausbewohner räumlich und zeitlich zusammen. Grafik: Sonnenhaus-Institut Die wertvolle Sonnenwärme wird für kältere und sonnenarme Zeiten im großzügig dimensionierten Pufferspeicher aufbewahrt. Bildquelle: Jenni Energietechnik AG 27

28 Inszenierung des Speichers im Wohnraum Bilder: Sonnenhaus-Institut Der klassische, meist über zwei Stockwerke reichende, ummauerte Tankzylinder wird als prägendes Gestaltungselement der Architektur inszeniert oder kaum wahrnehmbar in den Grundriss integriert. 28

29 Sonnenhaus Lorenz Kumhausen Baujahr Wohnfläche 170 m² - Baukosten inkl. Keller und Garage solare Deckung WW + Heizung 77 % Brennstoffbedarf: 1,5 Raummeter Holz/Jahr Heizenergiebedarf: 33 kwh/m²a Primärenergiebedarf: 14 kwh/m²a Solarthermie: 68 m² (45 ) Solarspeicher: 11 m³ Bildquelle: Sonnenhaus Institut 29

30 Sonnenhaus in Löwenstein (Baden-Württemberg) 2012 Kombination Solarthermie und Langzeitwärmespeicher mit Photovoltaik und Akku, Baukosten solare Deckung Wärme: 68 % solare Deckung Strom: 75 % Heiz- und Stromkosten für 2 WE pro Jahr: 450 Bildquelle: Sonnenhaus Institut e.v. (2 WE) 2012, Wohnfläche ca. 213 m², KfW Effizienzhaus 70, Primärenergiebedarf 7,4 kwh/m²a, HWB kwh/m²a, Koll.fl. 54 m², 40, 5 Südabw., Speicher l, Zusatzheizung Stückholz (Powall OFKA 30 kw) 3,5 rm Holz pro Jahr; PV Anlage 5,9 kwp + Akku 6,3 kwh überwiegend zur Eigennutzung 30

31 Dreifamilienhaus München BV Grandl Spez. Primärenergieverbrauch 8,3 kwh/m²a Endenergieverbrauch: Hilfsstromverbrauch, Heizung, Lüftung 600 kwh/m²a solare Deckung 2012: 79 % gemessen durch Fraunhofer Brennstoff Holz kwh/m²a 3 fm Fichtenholz oder 2 fm Buche Wohnfläche 280 m² Kollektorfläche 67,5 m² Langzeitwärmespeicher 15 m³ Bildquelle: Georg Dasch 31

32 Besucherzentrum im Bayerischen Wald Baujahr 2000 / Nutzfläche 763 m² - solare Deckung WW + Heizung 100 % Heizwärmebedarf: 11 kwh/m²a Primärenergiebedarf: 7,5 kwh/m²a Solarthermie: 110 m² (40 ) Solarspeicher: 21 m³ Photovoltaik: 2 x 4,8 kwp Wärmeverbund mit Nahwärmesystem Bildquelle: Sonnenhaus Institut 32

33 Das erste 100% solar beheizte Mehrfamilienhaus Europas Baujahr Wohnfläche 1200 m² - Baukosten solare Deckung WW + Heizung 100 % Heizwärmebedarf: <10 kwh/m²a Primärenergiebedarf: 4 kwh/m²a Solarthermie: 276 m² (45 ) Solarspeicher: 205 m³ Bildquelle: 33

34 Quelle: 34

35 Freiberg: Gebäude aus dem 16. Jahrhundert Sanierung im Bestand zum Sonnenhausstandard Quelle: FASA AG 35

36 3 WE mit 220 m² Wohnfläche entstanden 60 m² Solardach und 22 m³ Langzeitwärmespeicher 75% solare Deckung + zwei Kaminöfen und eine Gasbrennwerttherme Quelle: FASA AG 36

37 Das EnergieAutarkeHaus intelligente Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne Entwicklung durch Projektgruppe energieautarkes Haus Leiter Prof. Dipl.-Ing.Timo Leukefeld 37

38 Versuch einer Begriffsklärung: Energieautarkie 38

39 Energieautarkes Solarhaus Freiburg Baujahr 1992 Wohnfläche 150 m² - Baukosten PV 34 m² + Solarthermie 12 m² + TWD Fassade + solarer Wasserstoff Solarhaus als solches heute nicht mehr in Betrieb Bildquelle: www4.architektur.tu-darmstadt.de 39

40 Die Berghütte der Zukunft neue Monte Rosa Hütte oberhalb von Zermatt Eröffnung März 2010 Wohnfläche 677 m² - Baukosten CHF Bildquelle: und kletterszene.com geplante solare Deckung Wärme und Strom rund 90%, Primärenergiebedarf: 3,8 kwh/m²a PV 122 m² + Solarthermie 60,5 m² + BHKW 40

41 Energieautarkes Hausboot 2012 Der Meeresspiegel steigt und wir steigen mit Dutch Docklands 6,4 KWp Photovoltaik + Akkus Notstromaggregat 6 Kollektoren Solarthermie + 4 m³ Wasserspeicher, Wärmepumpe Be- und Entlüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung eigene Wasseraufbereitung mittels Umkehrosmose Abwasserbehandlung Passivhaus Styropor-Polyurethan-Sandwich und Stahlbeton Bildquelle: Kosten für erstes Hausboot Ziel Serienfertigung:

42 Denkansatz: energetisch selbst versorgende Gebäude als Altersvorsorge Was sagen Zukunftsforscher zur Altersvorsorge? Modell Einnahmen verliert an Bedeutung Warum? Energiekosten, Inflation und Besteuerung steigen Modell Einsparungen gewinnt an Bedeutung mains/titem/4/58 42

43 Ausgaben im Alter Gesundheit Miete Heizkosten Stromkosten Mobilität Reisen Essen Bildung. Vor welchen Ausgaben kann ich mich in einem Haus der Zukunft schützen? Quelle: view.stern.de/de/picture 43

44 Wichtige Schritte auf dem Weg zur Energieautarkie Wärmebedarf der Gebäudehülle senken!! Stromverbrauch senken!! - vermeiden Strom in Wärme zu wandeln (Wärmepumpe, E Heizstab, E Boiler) - Waschmaschine, Geschirrspüler und Wäschetrockner an das Warmwasser anschließen - Standby Verbrauch reduzieren - LED Lichtkonzept - halbautomatische bzw. dezentrale Fensterlüftung - Rohrsystem Heizung und Solar mit geringen Widerständen konzipieren Solarwärme erzeugen und speichern (Kurz- und Langzeit) Solarstrom erzeugen und verbrauchen (evtl. kurzzeitig speichern) intelligente Steuerung, Monitoring und Vernetzung der Energietechnik Enttechnisieren wo immer möglich! 44

45 Klimawandel verhindern? Wissenschaftler suchen nach Anpassungsstrategien Thermische Belastungen von Städten im Zuge des Klimawandels am Beispiel Bad Liebenwerda gesucht: Anpassungsstrategien (Speichermasse) Quelle: Fabian Dasch: Kommunale Strategien und Potenziale zum Klimawandel 45

46 Bauen unter einem Zelt (Enthüllung) 46

47 Fundament ist das Sonnenhauskonzept intelligente Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne Wärmekonzept: Stromkonzept: Haus als E-Tankstelle: - Fußbodenheizung - Photovoltaik 8,4 kw (58 m²) - PKW, Mofa, Fahrrad Bauer2-9 m³ Solarspeicher - Akku 58 kwh - 46 m² Kollektorfläche (45 ) - Volldeckung möglich - solare Deckung in Hannover 65% - 25 KW Kaminofen (Holzvergaser) mit Wärmeübertrager 47

48 Neue Wege im Umgang mit Energie solare Versorgung als Standard im Gebäudebereich: Wärme, Strom und Mobilität oder blödes Sparen? Zusammenhang: EIGENNUTZUNG von Sonnenenergie mit Energiespeicherung für Wärme, Strom und Mobilität ist: - Lebensqualität - Altersvorsorge 48

49 Was kostet das? Marktentwicklungen Effizienzhaus Plus / Plus Energie Häuser ohne Netzanschluss Netzanschluss zwingend 1992: energieautarkes Solarhaus in Freiburg Netzanschluss zwingend Bildquellen: www4.architektur.tu-darmstadt.de Prof. Sobek TU Dresden Prof. Norbert Fisch Primärenergie: 34 kwh/m²a 2010: Plusenergiehaus von Prof. Fisch in Leonberg Netzanschluss zwingend 2011: Effizienzhaus Plus in Berlin Gesamtprojektkosten 2,5 Mio 2011 Entwurf: Plusenergiehaus TU Dresden

50 Was kostet das? Marktentwicklungen Effizienzhaus Plus / Plus Energie Häuser ohne Netzanschluss 2013 in Stuttgart geplant: das Einfamilienhaus der Zukunft E-lab ca. 5 Millionen Foto: Illustration: Büro Prof. Werner Sobek Netzanschluss zwingend 1992: energieautarkes Solarhaus in Freiburg Netzanschluss zwingend Bildquellen: www4.architektur.tu-darmstadt.de Prof. Sobek TU Dresden Prof. Norbert Fisch Primärenergie: 34 kwh/m²a 2010: Plusenergiehaus von Prof. Fisch in Leonberg Netzanschluss zwingend 2011: Effizienzhaus Plus in Berlin Gesamtprojektkosten 2,5 Mio 2011 Entwurf: Plusenergiehaus TU Dresden

51 Energieautarkes Haus schlüsselfertig für Euro brutto 51

52 ZDF Beitrag die Wärmemacher 28 min Dokumentation bei arte und ZDF mehrfach ausgestrahlt Mediathek: 52

53 Einbringung Großspeicher 9 m³ in Freiberg 8. Mai

54 12. Juni 2013 hoher Besuch am Bau Bundesumweltminister Altmaier und Ministerpräsident Tillich Bautagebuch blog.timoleukefeld.de 54

55 2013: zwei energieautarke Häuser in Freiberg wissenschaftliche Begleitung und Monitoring durch TU Bergakademie Freiberg Bautagebuch blog.timoleukefeld.de Weiterentwicklungen Kühlung Lüftung Wasser Nahrung Vernetzung Wärmeund Stromspeicher mit Energieversorger 55

56 In 15 Mrd. Jahren steht die Erde still Wo baue ich das energieautarke Solarhaus? 56

57 Danke, Ihr Timo Leukefeld 57