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 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 2

3 Endenergiebedarf in Deutschland 2010 Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 3

4 Das Heizsystem ist eine höchst emotionale Entscheidung geworden! praktische Fragen, Preissteigerung, Unabhängigkeit Vollkosten Einfamilienhaus KfW 70 (Neubau) Quelle: Biogasrat aus Ökologische und ökonomische Optimierung des Wärmemarktes

5 Strompreisentwicklung 2011: ca Haushalte wurden abgeklemmt Ende 2013: ca Haushalte - 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 Energiewende: Schwächen mit Schwächen kombiniert fluktuierende erneuerbare Energien FEE im zentralen Energieversorgungssystem (Einstrahlung am ) 6

7 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 7

8 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) 8

9 Solarthermie - ST (Sonnenwärme) Photovoltaik PV (Sonnenstrom) & 9

10 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 10

11 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 11

12 Kaufkraftentwicklung

13 13

14 Haustechnik für das Haus der Zukunft Kurzthesen Heizen mit Photovoltaik Strom und Luftwärmepumpe? 14

15 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 15

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

17 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 Luft Sole ,42 ct/kwh ,49 ct/kwh ,49 ct/kwh ,29 ct/kwh, durch Arbeitszahl 3 = 7,43 Cent/KWh Wärmepreis, Gas liegt etwa bei 7 Cent/kWh! 2014? ct/kwh 17

18 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 18

19 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 19

20 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 20

21 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 21

22 * 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: 22

23 Effizienzhaus Plus (Plusenergiehaus) Berlin Messwerte am bei Außentemperaturen von 0-6 C Je mehr Technik, um so größer die Illusion.. Quelle: 23

24 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 24

25 Grundphilosophie Plusenergiehaus (Deutschland) Einnahmen aus dem Solarstromverkauf sollen Ausgaben für den Stromeinkauf abdecken Beispiel: KfW 55 EFH, 161 m², mit 8 KWP Photovoltaik ohne Akku, Luftwärmepumpe, solare Deckung und Eigenverbrauchsquote ca. 25% Anschluss 2009: Einnahme etwa /a Ausgaben etwa /a Anschluss 2012: Einnahme etwa /a Ausgaben etwa /a Anschluss 2013: Einnahme etwa 900 /a Ausgaben etwa /a Anschluss 2014: Einnahme etwa 700? /a Ausgaben etwa /a? zusätzlich negativ wirkend: - Inflation senkt Kaufkraft dieser solaren Einnahme (EEG ohne Inflationsausgleich) - Solarstrom Einnahmen sind zu versteuern In Zukunft entfällt der Anreiz mehr Strom zu produzieren, als benötigt wird. PV Anlagen werden viel kleiner und bedarfsgerecht ausgelegt. Klassisches Plusenergiehaus/Effizienzhaus Plus als Zukunftsmodell: Wie lange noch? 25

26 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. 26

27 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. 27

28 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. 28

29 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. Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 29

30 Schaltschema des Sonnenhauskonzeptes: Technosophie: Technik wächst mit dem Menschen mit, sie darf Ihn nicht überfordern 30

31 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. 31

32 Sonnenhaus in Oberwiesenthal 2011 Solarthermie und Langzeitwärmespeicher (1 WE) 2011 Wohnfläche 100 m² HWB 67 kwh/m²a Primärenergiebedarf 15 kwh/m²a Kollektorfläche 50 m² Dachausrichtung 70, 12 Südabw. solare Deckung Wärme 85 % Speicher l Nachheizung Stückholz Bildquelle: FASA AG 32

33 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. 33

34 Konzeptübertragung ins Mehrfamilienhaus Beispiel Dreifamilienhaus München BV Grandl mit Poroton T7 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 34

35 Solare Stadtarchitektur nach dem Sonnenhaus Prinzip Bildquelle: FASA AG 35

36 Kalksandstein Sonnenhaus BV Brutting Neunkirchen a. Sand Solarthermie und Langzeitwärmespeicher Bildquelle: Kalksandsteinindustrie West e.v. 36

37 Kalksandstein Sonnenhaus BV Brutting Neunkirchen a. Sand Solarthermie und Langzeitwärmespeicher Bildquelle: Kalksandsteinindustrie West e.v. 37

38 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: 38

39 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 39

40 Primärenergieverbrauch von Häusern nach EnEV Stromheizung ist derzeit die ineffizienteste Lösung zur Wärmeversorgung im Niedertemperaturbereich Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 40

41 12/2013 bereits Sonnenhäuser in Deutschland Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 41

42 Das EnergieAutarkeHaus intelligente Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne Entwicklung durch Projektgruppe energieautarkes Haus Leiter Prof. Dipl.-Ing.Timo Leukefeld 42

43 Versuch einer Begriffsklärung: Energieautarkie 43

44 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 44

45 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 45

46 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 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 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 48

49 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 49

50 Preis??? 50

51 Energieautarkes Haus heute für Euro 51

52 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 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 ZDF Beitrag die Wärmemacher 28 min Dokumentation bei arte und ZDF mehrfach ausgestrahlt Mediathek: tnavigation/sendung- verpasst#/beitrag/video/ /die- Wärmemacher 55

56 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

57 In 15 Mrd. Jahren steht die Erde still Wo baue ich das energieautarke Solarhaus? 57

58 Danke, Ihr Timo Leukefeld Bautagebuch blog.timoleukefeld.de 58