Energieautarke Gebäude nachhaltig für die Zukunft bauen

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1 Energieautarke Gebäude nachhaltig für die Zukunft bauen Kalksandstein Bauseminar 2014 Referent 1 Prof. Dipl.-Ing. Timo Leukefeld

2 solarer Lebenslauf: von der Försterei zur Energieautarkie Handwerk Ingenieurplanung Wissenschaft/Politik 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 intelligente Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne (Neubau und Altbau) Speichervernetzung (Wärme und Strom) seit 2012 erste Vorlesung energieautarke Gebäude an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg und Berufsakademie Glauchau unabhängig sein: Lüftung, Kühlung und Wasser gesunde Innenraumluft Verständlichkeit der Sprache stärkt Wettbewerbsfähigkeit Vorträge Beratung Forschung 3

4 Endenergiebedarf in Deutschland 2010 Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 4

5 Strompreisentwicklung 2011: ca Haushalte wurden abgeklemmt - AKWs abgeschaltet - Ziel der Kanzlerin: 1 Million Elektroautos bis Zukunft: Heizen mit Strom? aktuell 2014: etwa 29 Cent/kWh Prognose Ende 2014: 29 Cent/kWh + x % Prognose 2030: bis 70% Preissteigerung auf 45 Cent/kWh 5

6 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 oder neu Effizienzhaus plus Haus morgen: Energieerzeuger (Wärme + Strom aus der Sonne) Energiespeicher (Wärme + Strom) beides vernetzt mit Energieversorgern Energieverbraucher (Wärme + Strom + Mobilität) 6

7 Solarthermie - ST (Sonnenwärme) Photovoltaik PV (Sonnenstrom) & 7

8 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 8

9 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 9

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11 Haustechnik für das Haus der Zukunft Kurzthesen Heizen mit Photovoltaik Strom und Luftwärmepumpe? 11

12 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 solare Deckung PV beim Heizen mit Strom? gering wegen Antizyklus (Angebot und Nachfrage) und fehlender (wirtschaftlicher) Möglichkeiten Strom längere Zeit zu speichern 12

13 Boom der Luftwärmepumpen Ende 2012: 67% Marktanteil 13

14 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 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 14

15 Typisches Plusenergiehaus Antizyklus: Stromverbrauch/Photovoltaikertrag im Jahresverlauf eigene solare Elektromobilität nur von April bis Oktober (7 Monate) möglich Phänomen: saisonale Illusion Simulation: Typ: KfW 55 Haus 160 m² 8 KW Photovoltaik + Luftwärmepumpe als Plusenergiehauskonzept mit optimiertem Haushaltsstromverbrauch Standort: Hannover 15

16 Deckung des Wärmebedarfs mit Photovoltaik (8 KWP PV) und Luft-Wärmepumpe am typischen 20. Dezember xxxx Simulation Typ: KfW 55 Haus 160 m² 8 KW Photovoltaik + Luftwärmepumpe als Plusenergiehauskonzept Standort: Hannover 16

17 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 17

18 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. Quelle: Georg Dasch 18

19 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 Quelle: 19

20 Durch Solarthermie zur Solarstromautarkie! Der Weg zur solaren hochgradigen Eigenstromversorgung führt - allem Rummel in den Medien zum Trotz, nicht über die Photovoltaik ANSTELLE von irgendetwas, sondern über die Solarthermie, die man um Photovoltaik ergänzt. 20

21 Das Prinzip vom Sonnenhaus gut gedämmtes Gebäude mit optimierter Sonnenenergienutzung Großflächige thermische Solarkollektoren auf dem Dach und ein großzügig dimensionierter Langzeitwärmespeicher im Gebäudeinneren sind die wesentlichen Merkmale eines Sonnenhauses. Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 21

22 Sonnenenergie: Angebot und Nachfrage Zusammenbringen von Angebot und Nachfrage Grafik: Sonnenhaus-Institut Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 22

23 Heizung => das Sonnenhauskonzept gut gedämmtes Gebäude mit optimierter Solarthermienutzung Hauptkriterien Baustandard Sonnenhaus in Deutschland: Dämmstandard nach EnEV 2014 minus 15 bis 30 % oder besser (Transmissionswärmeverlust HT max. 0,28 W/m²K, U Wert Außenwand: ca. 0,14-0,18 W/m²K (mit Ziegel ca. 0,15 0,18 W/m²K noch mgl.) Dach: ca. 0,12 0,16 W/m²K, Bodenplatte bzw. Kellerdecke: ca. 0,20 0,24 W/m²K, Fenster: ca. 0,8 1,0 W/m²K) KfW Energieeffizienzhaus 70 oder 55 Primärenergiebedarf < 15 kwh/m²a (Primärenergiefaktoren Strom 2,6 Holz 0,2) Heizung: Hauptenergieträger Sonne solarer Deckungsgrad Hz + WW > 50% bis zu 100% Nachheizung regenerativ z.b. mit Holz 0,5 5 rm/a (jährliche Kosten für Heizung, WW, Lüftung << 250 Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 23

24 Schaltschema des Sonnenhauskonzeptes: Technosophie: Technik wächst mit dem Menschen mit, sie darf Ihn nicht überfordern 24

25 Einbringung Großspeicher 9 m³ in Freiberg 8. Mai

26 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. Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 26

27 Sonnenhaus in Hausham 2012 Solarthermie und Langzeitwärmespeicher (1 WE) 2012 Wohnfläche 170 m² KfW Effizienzhaus 70 HWB 46 kwh/m²a Primärenergiebedarf 29 kwh/m²a Kollektorfläche 30 m², 90 Fassade Dachausrichtung 20 Südabw. solare Deckung Wärme 65 % Speicher l Stückholz 31 KW Bildquelle: Sonnenhaus Institut e.v. 27

28 Solare Stadtarchitektur nach dem Sonnenhaus Prinzip Bildquelle: FASA AG 28

29 Konzeptübertragung ins Mehrfamilienhaus Beispiel 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 29

30 Kalksandstein Sonnenhaus BV Brutting Neunkirchen a. Sand Büro und Wohnhaus, Solarthermie und Langzeitwärmespeicher Sonnenhaus Brütting Bj Nutzfläche nach EnEV 402,7 m² Jahresheizwärmebedarf kwh/a Büro- mit Wohnhaus Kollektorfläche 57 m², Dachausrichtung Süd Funktionsgebäude-Neubau in Massivbauweise solare Deckung Wärme 58 % Speicher l Kalksandstein Quatrotherm ohne Keller Pelletheizung, Lüftung mit WRG Bildquelle: Kalksandsteinindustrie West e.v. 30

31 Kalksandstein Sonnenhaus BV Brutting Neunkirchen a. Sand Büro und Wohnhaus, Solarthermie und Langzeitwärmespeicher Bildquelle: Kalksandsteinindustrie West e.v. 31

32 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: 32

33 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 Verbindung zum Nahwärmenetz, um Überschüsse einzuspeisen Bildquelle: Sonnenhaus Institut 33

34 Primärenergieverbrauch von Häusern nach EnEV Stromheizung ist derzeit die ineffizienteste Lösung zur Wärmeversorgung im Niedertemperaturbereich Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 34

35 12/2013 bereits Sonnenhäuser in Deutschland Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 35

36 ZDF Beitrag die Wärmemacher 28 min Dokumentation bei arte und ZDF mehrfach ausgestrahlt Mediathek: tnavigation/sendung- verpasst#/beitrag/video/ /die- Wärmemacher 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 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 39

40 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 40

41 Eckdaten Das EnergieAutarkeHaus - beheizte Wohnfläche: 161 m² (Gebäudenutzfläche nach EnEV 240 m²) - Wärmebedarf Heizung: 41,4 kwh/m²a (7.900 kwh/a) - Primärenergiebedarf: 7 kwh/m²a ca. 90 % unter EnEV 2014!! ca. 80 % unter dem Passiv-, Nullenergie- und Plusenergiehaus!! - Stromverbrauch: < kwh/a - intelligente Steuerung: Energietechnik (Wärme und Strom) - intelligente Produkte: Bodenbelag, Wandfarbe, Lüftung mit cradle to cradle Enttechnisierung Halbautomatik 41

42 12. Juni 2013 hoher Besuch am Bau Bundesumweltminister Altmaier und Ministerpräsident Tillich Bautagebuch blog.timoleukefeld.de 42

43 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 43

44 Wichtige Schritte auf dem Weg zur zukünftigen solaren Eigenversorgung in Ein- und Mehrfamilienhäusern Wärmebedarf 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 (Langzeit) Solarstrom erzeugen, gleich verbrauchen (Überschüsse kurzzeitig speichern) intelligente Steuerung, Monitoring und Visualisierung der Energietechnik enttechnisieren wo möglich Wärme, Strom und Mobilität im Gesamtkomplex denken 44

45 Neue Wege im Umgang mit Energie solare Versorgung als Standard im Gebäudebereich: Wärme, Strom und Mobilität oder blödes Sparen? Zusammenhang: EIGENNUTZUNG von Sonnenenergie mit: - > Lebensqualität - > Altersvorsorge 45

46 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 46

47 Prof. Ernst Ulrich von Weizsäcker und Leonardo Diskussion über den Urknall feierliche Einweihung der beiden energieautarken Häuser in Freiberg durch Prof. Ernst Ulrich von Weizsäcker am

48 Preis??? 48

49 Kosten Haus der Zukunft 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 Netzanschluss zwingend Primärenergie: 34 kwh/m²a 2010: Plusenergiehaus von Prof. Fisch in Leonberg : Effizienzhaus Plus in Berlin Gesamtprojektkosten 2,5 Mio 2011 Entwurf: Plusenergiehaus TU Dresden

50 Energieautarkes Haus heute für Euro 50

51 Danke, Ihr Timo Leukefeld Bautagebuch blog.timoleukefeld.de 51