Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb
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- Nadja Sabine Hofer
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1 Chair of Building Systems Prof. Hansjürg Leibundgut Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb Prof. Dr. Hansjürg Leibundgut / ITA Institute of Technology in Architecture Faculty of Architecture / ETH Zürich
2 Thermische Leistung Energie = Leistung Zeit kwh = kw h Leistung = Energie / Zeit kw = kwh / h Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 2 von 66
3 Schweiz 2010 Energietherm. = kwh/a = 80 TWh/a hvolllast = 2000 h/a Ptherm., volllast = 40 GW Energieel. = 55 TWh/a Pel., volllast, total = 9.5 GW Pel., volllast, therm. = ca. 1.4 GW Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 3 von 66
4 Schweiz TWh/a Energie gelagert als Öl in Heiztanks 25 TWh/a Energie garantiert durch Gaslieferverträge. Problem: Februar 2012: -14 C zu kleine Wärmeerzeuger Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 4 von 66
5 Wärmeflüsse im Gebäude 1: opake Aussenwand 2: transparente Aussenwand 3: Lüftung 4: Decke gegen Keller/Erdreich 5: Dach 6: Abwasser Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 5 von 66
6 Massnahmen «Energiesparen» Heizenergiebedarf: 2010:! 80 TWh/a 2050:! TWh/a Glasersatz neues Dach mit PVT-Hybridkollektor Kellerdecke Putz ersetze richtiges Lüften Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 6 von 66
7 Schweiz 2050 Energietherm. = kwh/a = 45 TWh/a hvolllast = 2000 h/a Ptherm., volllast = 22.5 GW Es ist nicht sinnvoll diese 22.5 GW mit emissionsfreiem Strom bereit zu stellen. Pel., volllast, therm. =? GW Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 7 von 66
8 Haus W69 (Rüegsauschachen) Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 8 von 24 66
9 Haus W69 (Rüegsauschachen): System Holzofen mit 2 Ascheschubladen und 1 Kamin 1 Elektroboiler 1 Holzhaus mit Sägebock und Spaltstock, 6 Ster Holz 1 Handsäge, 1 Beil 1 Holzkarren 200h/a Aufwand für Holz richten und Heizen Ptherm., volllast = 10 kw Pel., volllast, therm. = 0 kw Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 9 von 66
10 Haus W69 (Rüegsauschachen): Energiekontrolle Körbe Holz für 72m² Fläche Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 10 von 66
11 Haus W69 (Rüegsauschachen) Mein Grossvater hatte nie kalt, er hatte: 1. ausreichende Energiereserven lokal und just-in-time verfügbar. 2. ausreichende installierte Heizleistung. 3. viel Zeit. Wirtschaftlich? Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 11 von 66
12 Haus B35 (Zürich) Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 12 von 24 66
13 Haus B35 (Zürich): System Wärmepumpen 2 Erdsonden 300/380 m 1 Wasserspeicher mit Frischwassermodul 30 m² Hybridkollektoren viele Pumpen 20 h/a Aufwand für Kontrolle Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 13 von 66
14 Haus B35 (Zürich) 22 C 28 C 22 C Küche DLE 28 C 22 C 28 C 22 C Dusche 28 C 22 C 28 C CO2-free power WP 100m 12 C Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 14 von m 300m 15 C 18 C
15 Haus B35 (Zürich) 1. Der Erdspeicher ist die lokal verfügbare just-in-time Reserve. 2. Die installierte Leistung ist ausreichend. 3. Zeit hat keine Bedeutung. 4. Ich benötige Strom vom Netz. Wirtschaftlich? Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 15 von 66
16 Haus B35 (Zürich): System Wärmepumpen Ptherm., volllast = 24 kw Pel., volllast, therm. = 3.6 kw Die Wärmepumpen mischen Wärme aus dem Erdreich mit Strom vom Netz im Verhältnis ε. Der ε-wert ändert von Stunde zu Stunde. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 16 von 66
17 Haus B35 (Zürich): thermischer Leistungsbedarf Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 17 von 66
18 Haus B35 (Zürich): ε-wert mit Erdsonden-Wärmepumpe ϵ ϵ Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 18 von 66
19 Energieversorgung Schweiz 2050 Bei einem minimalen ε-wert von 6.0 liefert die lokale Energiequelle 86% der benötigten Energie am kältesten Tag. Wären alle Gebäude in der Schweiz im Jahr 2050 so ausgerüstet, wäre: Pel., volllast, therm. = 22.5 GW / 7 = 3.2 GW Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 19 von 66
20 Haus B35 (Zürich): ε-wert mit Luft-Wasser-Wärmepumpe ϵ ϵ Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 20 von 66
21 Energieversorgung Schweiz 2050 Der minimale ε-wert einer guten Luft-Wasser-Wärmepumpe (bei -10 C) liegt bei 2.5. Wären alle Gebäude in der Schweiz im Jahr 2050 so ausgerüstet, wäre: Pel., volllast, therm. = 22.5 GW / 3.5 = 6.4 GW Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 21 von 66
22 Wir geraten in ein Versorgungsproblem! Der Strombezug vom Netz am kältesten Tag wird zum Problem. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 22 von 66
23 Fragen Wie deckt man den Strombedarf der Wärmepumpen am kältesten Tag? Wie deckt man den Strombedarf der Geräte? (15 20 kwh/m²a für Wohnen, kWh/m²a für Arbeiten) Wie deckt man den Strombedarf der Elektrofahrzeuge? (10 15 kwh/m² Wohnfläche) Wie kühlt man Stadtwohnungen im Jahr 2030? Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 23 von 66
24 Feststellungen Die Energiediskussion beschäftigt sich seit Jahrzehnten nur mit dem Energiebedarf der Wärmeerzeugung. Es wird nicht unterschieden, wofür und wann, wie viel und welche Wärme benötigt wird. Beim Strombedarf wird nicht unterschieden wann, wie viel Strom wofür benötigt wird. Es braucht ein erweitertes Modell. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 24 von 66
25 Konsens 1: Keine Verbrennung mehr im Jahr 2050 Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 25 von 66
26 Konsens 2: Nur noch Strom im Jahr 2050 Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 26 von 66
27 Jahres-Energiebilanz: Haushalt Spez. Energiebedarf + Wärme für Heizung (30 C) 30 kwh/m²a + Wärme für Warmwasser (45 55 C) 20 kwh/m²a + Strom für Geräte 17 kwh/m²a + Strom für Elektromobilität 15 kwh/m²a = Total 82 kwh/m²a Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 27 von 66
28 Jahres-Energiebilanz: Büroarbeitsplatz Spez. Energiebedarf + Wärme für Heizung (30 C) 10 kwh/m²a + Wärme für Warmwasser (45 55 C) 2 kwh/m²a + Strom für Geräte kwh/m²a + Strom für Elektromobilität 0 kwh/m²a = Total kwh/m²a Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 28 von 66
29 Haus B35 (Zürich): Thermischer Leistungsbedarf Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 29 von 66
30 Haus B35 (Zürich): Elektrischer Leistungsbedarf für Wärmerezeugung Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 30 von 66
31 Elektrische Leistung an einem Wintertag für einen 4-Personen-Haushalt Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 31 von 66
32 Problem: Stromspeicherung Die Ladung der Batterie des Elektrofahrzeugs stellt im Winter eine neue Herausforderung dar: Laden am Wohnort in der Nacht? Laden am Arbeitsort am Tag? Mit welcher Technologie wird der Strom an welchem Ort produziert? Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 32 von 66
33 Elektrische Leistung über 1 Jahr für einen 4-Personen-Haushalt Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 33 von 66
34 Forderung 1 Die Berechnungen zeigen, dass die maximale thermische Leistung 2 3 mal grösser ist als die max. elektrische Leistung für Haushaltsgeräte und die Elektromobilität. Es geht also darum, die maximale thermische Leistung mit möglichst wenig elektrischer Leistung zu erzeugen. Die Wärmepumpe muss am kältesten Tag ein ε > 6 (COP > 7) aufweisen. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 34 von 66
35 Turbo-Wärmepumpe: COP COPeff COP T 0.3 Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 35 von 66
36 Turbo-Wärmepumpe: Entwicklung Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 36 von 66
37 Forderung 2 Bei Anwendung der derzeit bestmöglichen Technologie der Wärmepumpe mit einem ζ-wert von 0.6 darf die Quellentemperatur nie unter 10 C fallen. Damit fällt die Luft-Wasser-Wärmepumpe weg: Grundwasser ist nur an wenigen Orten verfügbaren. Das Erdreich bis 200 m Tiefe ist zu kühl. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 37 von 66
38 Temperaturverlauf im Erdreich in Abhängigkeit der Tiefe 0m 4 C 8 C 10 C 14 C 18 C 22 C 26 C 30 C 100m 200m 300m 400m 500m Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 38 von 66
39 Koaxial-Erdsonde U-Rohr-Sonden mit 220 m Tiefe liefern nur im Erdsondenfeld die erforderlichen C Wärme im Februar. 500 m tiefe Sonden sind nur sinnvoll, wenn die Qualität der Wärme am tiefsten Punkt an der Oberfläche genutzt werden kann. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 39 von 66
40 Koaxial-Erdsonde mit gedämmten Zentralrohr und Umkehrung der Fliessrichtung Wärmeeintrag (Sommer) Wärmeaustrag (Winter) Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 40 von 66
41 Koaxial-Erdsonde Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 41 von 66
42 Laden und Entladen des Erdreichs 0m 4 C 8 C 10 C 14 C 18 C 22 C 26 C 30 C 100m 200m 300m 400m 500m Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 42 von 66
43 Forderung 3 Die Regeneration des Erdreichs in m Tiefe kann nicht mehr natürlich von oben erfolgen. Der geothermische Wärmefluss von unten ist zu klein. Es ist erforderlich das Erdreich vom Bohrloch aus zu «regenerieren». Dafür sind Wärmeströme mit einer Temperatur > 25 C erforderlich. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 43 von 66
44 PVT-Hybridkollektor Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 44 von 66
45 PVT-Hybridkollektor Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 45 von 66
46 PVT-Hybridkollektor: Leistungsdaten Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 46 von 66
47 PVT-Hybridkollektor: Thermische Leistung Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 47 von 66
48 PVT-Hybridkollektor: Ertrag Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 48 von 66
49 PVT-Element als Dach PVT Belichtung Belüftung Terrasse Dachwasser Rücklauf PVT Dachwasser Vorlauf PVT Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 49 von 66
50 PVT-Element als Dach PVT-Hybridkollektoren können rückwärtig thermisch isoliert werden. PVT-Hybridkollektoren sind wirksam im Sommer: die Neigung kann flach sein. Rückwärtig gedämmte PVT-Hybridkollektoren werden als grossflächige (10 3 m) Dachelemente verlegt. Keine Überhitzung der Dachgeschosse. Gute Wärmedämmung im Winter. Ernten im Sommer für den Winter. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 50 von 66
51 Abwärme von Klima-Kältemaschinen Erdreich in 450 m als Senke für KM-Abwärme kwh pro lm Sonde 25 Sonden à 450 m 1.4 Mio. kwh Abwärme gespeichert Δ T (14-30) = 16 für Heizen und Kühlen COP = 11 ε = 10 Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 51 von 66
52 Forderung 4 Klima-Kälteanlagen sollen nicht mehr mit Luft rück-gekühlt werden. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 52 von 66
53 Schaltschema Wasseraufbereitung 43 C 60 C 43 C 12 C 45 C 15 C 1000 l 45 C Wärmepumpe Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 53 von 66
54 Warmwasserproduktion Sommer Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 54 von 66
55 Warmwasserproduktion Winter Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 55 von 66
56 Forderung 5 Das Warmwasser (45 C) wird mittels Frischwasser-W/W-WP-Modul erzeugt. Als Wärmequelle dient der Rücklauf der Heizwärmeverteilung. Die W/W-WP wird zu 250 Wth pro Person dimensioniert. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 56 von 66
57 Kalte Winter Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 57 von 24 66
58 Warme Sommer Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 58 von 24 66
59 Konservierungsmethoden Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 59 von 66
60 Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 60 von 24 66
61 Holzvorrat als Energiespeicher Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 61 von 24 66
62 Lösung Das Ernten, Konservieren, Lagern und Wiederverwerten von Niedertemperaturwärme kann als gelöst betrachtet werden. Just do it! Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 62 von 66
63 Aufgabe Wie, wo, wann und für wie lange speichert man künftig welchen Strom? Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 63 von 66
64 Kolibri-Batterie Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 64 von 66
65 Kolibri-Batterie Speicherwirkungsgrad DC-DC: 94% Kapazität: 11 dm³/kwh Prognose 2020: < 300 CHF/kWh Hypothese: Es wird günstiger sein, Strom während 8 20 Stunden lokal in Batterien im Gebäude zu speichern als Stauseen zu bewirtschaften. Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 65 von 66
66 Prinzip Energiestrom: Ernten Auftrennen Speichern Verbinden Nutzen Technologie: PVT-Hybridkollektor Koaxial-Erdsonde Batterie Wärmepumpe Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 66 von 66
67 Konzepte und Technologien für den ZeroEmission-Gebäudebetrieb / 67 von 66
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