Energieautarke Häuser Vision oder Realität?

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1 Energieautarke Häuser Vision oder Realität? 9. Oktober 2013 Expo Real München Referenten Prof. Dipl.-Ing. Timo Leukefeld Dipl.-Phys. Stephan RIedel 1

2 Womit beschäftigen wir uns? Sonnenhäuser Deutscher Solarpreis 2006 energieautarke Häuser Deutscher Solarpreis 2011 seit 2012 erste Vorlesung Energieautarke Gebäude an TU Bergakademie Freiberg Gebäude: intelligente Eigenversorgung mit Strom, Wärme und Mobilität aus der Sonne autark sein: Lüftung, Kühlung, Wasser gesunde Innenraumluft Verständlichkeit der Sprache stärkt Wettbewerbsfähigkeit Vorträge Beratung Forschung 2

3 Gebäude im Wandel der Zeit intelligente EIGENVERSORGUNG mit Strom und Wärme 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) 3

4 * 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 4

5 Thesen 1: Heizen mit PV Strom + Wärmepumpe versus Heizen mit ST, Langzeitwärmespeicher + Holz 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 5

6 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 6

7 kwh * Typisches Plusenergiehaus Antizyklus: Stromverbrauch/Photovoltaikertrag im Jahresverlauf eigene solare Elektromobilität nur von April bis Oktober (7 Monate) möglich 1400 Jahreskurve Phänomen: Saisonale Illusion Photovoltaik Ertrag Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Summe Wärmepumpe+Haushaltsstrom Simulation: Typ: KfW 55 Haus 160 m² 8 KW Photovoltaik + Luftwärmepumpe als Plusenergiehauskonzept mit optimiertem Haushaltsstromverbrauch Standort: Hannover 7

8 * Ergebnisse einer Messung: Heizen mit Solarstrom der Siegerentwurf: Effizienzhaus Plus Berlin, Prof. Sobek, Bj Mitte Februar 2012 um 12 Uhr Sonnenschein aber voll verschattet 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 Messergebnisse 2/2012-2/2013 Stromverbrauch gesamt: kwh/a solare Deckung: 32 % Eigenverbrauchsquote: ca. 50 % 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 8

9 * Plusenergiehaus in Freiberg 2012 Kombination Photovoltaik mit Luftwärmepumpe ohne Akku netzgekoppelt solare Deckung 11 % Eigenverbrauchsquote 7 % (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 9

10 Das Prinzip vom Sonnenhaus gut gedämmtes Gebäude mit optimierter Sonnenenergienutzung Großflächige thermische Solarkollektoren auf dem Dach und ein großzügig dimensionierter Langzeitwärmespeich er im Gebäudeinneren sind die wesentlichen Merkmale eines Sonnenhauses. 10

11 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. 11

12 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 12

13 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: 13

14 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 Bildquelle: Sonnenhaus Institut 14

15 Freiberg: Gebäude aus dem 16. Jahrhundert Sanierung im Bestand zum Sonnenhausstandard Quelle: FASA AG 15

16 3 WE mit 220 m² Wohnfläche entstanden 75% solare Deckung + zwei Kaminöfen und eine Gasbrennwerttherme Quelle: FASA AG 16

17 * Das EnergieAutarkeHaus intelligente Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne Entwicklung durch Projektgruppe energieautarkes Haus Timo Leukefeld und Stephan Riedel 17

18 * Versuch einer Begriffsklärung: Energieautarkie 18

19 * 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 19

20 * 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:

21 Denkansatz: energieautarkes Haus zur 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 21

22 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 22

23 Eckdaten Das EnergieAutarkeHaus - beheizte Wohnfläche: 161 m² (Gebäudenutzfläche nach EnEV 240 m²) - Wärmebedarf Heizung: 41,4 kwh/m²a (7.900 kwh/a) - Wand: 42 cm monolithische Ziegelwand U-Wert 0,18 W/m²K, Lambda 0,08 W/mK - Primärenergiebedarf: 7 kwh/m²a - Stromverbrauch: < kwh/a ca. 90 % unter EnEV 2009!! ca. 80 % unter dem Passiv-, Nullenergieund Plusenergiehaus!! - intelligente Steuerung: Energietechnik (Wärme und Strom) - intelligente Produkte: Bodenbelag, Wandfarbe, Lüftung mit cradle to cradle Enttechnisierung Halbautomatik Film 23

24 * Fundament ist das Sonnenhauskonzept intelligente Eigenversorgung mit Strom und Wärme Wärmekonzept: Stromkonzept: - Fußbodenheizung - Photovoltaik 8,4 kw (58 m²) Bauer2-9 m³ Solarspeicher - Akku 58 kwh - 46 m² Kollektorfläche (45 ) - Volldeckung möglich - solare Deckung in Hannover 65% - 25 KW Kaminofen (Holzvergaser) mit Wärmeübertrager 24

25 * Wichtige Schritte auf dem Weg zu energieautarken Gebäuden Wärmebedarf senken Stromverbrauch senken: - vermeiden Strom in Wärme zu wandeln (Wärmepumpe, E Heizstab, E Boiler) - Waschmaschine, Geschirrspüler und Wäschetrockner an das Warmwasser anschließen - hocheffiziente Haushaltsgeräte - Standby Verbrauch reduzieren - LED Lichtkonzept - halbautomatische bzw. dezentrale Fensterlüftung - Rohrsystem Heizung und Solar mit geringen Widerständen konzipieren Solarwärme erzeugen und speichern (Langzeit) Solarstrom erzeugen und speichern intelligente Steuerung, Monitoring und Visualisierung der Energietechnik Enttechnisieren wo immer möglich! 25

26 Zukunft der Energie solare Vollversorgung als Standard: Wärme, Strom und Mobilität oder blödes Sparen? Zusammenhang: EIGENNUTZUNG von Sonnenenergie für Wärme, Strom und Mobilität ist: - Lebensqualität - Altersvorsorge - Wettbewerbsfähigkeit 26

27 * Marktentwicklungen => Kosten 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 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

28 * Energieautarke Häuser heute für < Euro Haus als Tankstelle 28

29 2013: zwei energieautarke Häuser in Freiberg wissenschaftliche Begleitung und Monitoring durch TU Bergakademie Freiberg Bautagebuch blog.timoleukefeld.de Weiterentwicklungen Vernetzung Wärmeund Stromspeicher mit Energieversorger Kühlung Lüftung Wasser Nahrung 29

30 * Einbringung Großspeicher 9 m³ in Freiberg 8. Mai

31 * 12. Juni 2013 hoher Besuch am Bau Bundesumweltminister Altmaier und Ministerpräsident Tillich Bautagebuch blog.timoleukefeld.de 31

32 * 12. Juni 2013 hoher Besuch am Bau Timo Leukefeld und Stephan Riedel erklären den Hochtechnologieziegel Bundesumweltminister Altmaier und Ministerpräsident Tillich 32

33 * Südwestansicht 33

34 * Das EnergieAutarkeHaus zwei mal in Freiberg 2013 Projektgruppe energieautarkes Haus Kooperationspartner: mit freundlicher Unterstützung: Förderung Monitoring durch TU Bergakademie Freiberg 34

35 ZDF Beitrag die Wärmemacher 28 min Dokumentation bei arte und ZDF mehrfach ausgestrahlt Mediathek hauptnavigation/sendungverpasst#/beitrag/video/ / Die-Wärmemacher 35

36 Danke Bautagebuch blog.timoleukefeld.de 36