Das energieautarke Haus Wie werden wir in Zukunft energetisch leben?

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1 Das energieautarke Haus Wie werden wir in Zukunft energetisch leben? 21. Oktober 2013 Stadt Lehrte 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 1989: Gesellenstück Duschdosierungseinrichtung mit gewollter Undichtheit 3

4 Womit beschäftige ich mich? 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 4

5 Erstes und zweites Solarzeitalter 1. Energiewende 2. Energiewende der Bundesregierung 5

6 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) 6

7 Endenergiebedarf in Deutschland 2010 Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 7

8 Endenergiebedarf in Deutschland 2010 Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 8

9 Heizöl, Erdgas und Pellets ein Vergleich

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

11 Strompreisentwicklung 2011: ca Haushalte wurden abgeklemmt 2013: ca Haushalte - AKWs abgeschaltet - Ziel der Kanzlerin: 1 Million Elektroautos bis Zukunft: Heizen mit Strom? aktuell 2013: etwa 29 Cent/kWh Prognose Ende 2013: 29 Cent/kWh + 10% Prognose 2030: bis 70% Preissteigerung auf 45 Cent/kWh 11

12 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: 12

13 Solarthermie - ST (Sonnenwärme) Photovoltaik PV (Sonnenstrom) & 13

14 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 14

15 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 15

16 Kaufkraftentwicklung

17 17

18 Fragen zur Eigennutzung von Solarstrom Kurzthesen Heizen mit Photovoltaik Strom und Luftwärmepumpe? 18

19 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 19

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

21 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 21

22 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 22

23 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. 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 % 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 24

25 Effizienzhaus Plus (Plusenergiehaus) Berlin Messwerte am bei Außentemperaturen von 0-6 C Je mehr Technik, um so größer die Illusion.. 25

26 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. Plusenergiehaus als Zukunftsmodell: Wie lange noch? 26

27 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 27

28 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. 28

29 Sonnenbahnanalysator: Gibt es Verschattung? Quelle: Wagner Solar 29

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

31 Hocheffizienter Kamin Bilder: Sonnenhaus-Institut Ein Kamin- oder Kachelofen mit Wassereinsatz sorgt im Wohnraum für zusätzlichen Komfort. 31

32 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. 32

33 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. 33

34 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 34

35 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 35

36 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 36

37 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: 37

38 Quelle: 38

39 Quelle: 39

40 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 40

41 Freiberg: Gebäude aus dem 16. Jahrhundert Sanierung im Bestand zum Sonnenhausstandard Quelle: FASA AG 41

42 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 42

43 Primärenergieverbrauch von Häusern nach EnEV Die direkte Nutzung der Sonne zur Erzeugung von Solarwärme ist die mit Abstand natürlichste und nachhaltigste Form der Wärmeerzeugung. Fahrplan Solarwärme 2011 Quelle: Sonnenhaus Institut e.v. 43

44 12/2012 bereits 1300 Sonnenhäuser in Deutschland 44

45 Das EnergieAutarkeHaus intelligente Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne Entwicklung durch Projektgruppe energieautarkes Haus Leiter Prof. Dipl.-Ing.Timo Leukefeld 45

46 Versuch einer Begriffsklärung: Energieautarkie 46

47 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 47

48 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:

49 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 49

50 Aktuelle gesellschaftliche Entwicklung bezügl. der Generierung von Einnahmen im Alter Wann starten Menschen in das Berufsleben? Wann werden Familien gegründet? Was legen Menschen fürs Alter zurück? Freiwilligkeit oder Zwang? Wieviel muss man ansparen? Trend zur Selbstversorgung 50

51 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 51

52 Schlüssel zur Eigenversorgung (Autarkie) niedriger Stromverbrauch + Speicherung + intelligente Steuerung Stromverbrauch stark gesenkt - keinen Strom zu Wärme wandeln (Wärmepumpe, E Heizstab) - Waschmaschine - Geschirrspüler - Wäschetrockner - Standby Verbrauch - LED Lichtkonzept - halbautomatische Fensterlüftung - Hydraulik Heizung und Solar Stromspeicherung intelligente Steuerung und Visualisierung der Energietechnik 52

53 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 - Primärenergiebedarf: U-Wert 0,18 W/m²K, Lambda 0,08 W/mK 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 53

54 Das Haus als Tankstelle Bauer2 Preis??? 54 Quelle: HELMA Eigenheimbau AG

55 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 55

56 Das Ergebnis steht in Lehrte im Musterhauspark 56

57 Westansicht Steile Dachneigung, um Solarwärme und Solarstrom vor allem dann und dort optimal zu produzieren, wenn Sie am meisten gebraucht wird: Im Winterhalbjahr 57

58 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 58

59 Film über Das EnergieAutarkeHaus von HELMA 59

60 Preis??? 60

61 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 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

62 Kosten Primärenergieverbrauch: 7 kwh/m²a brutto 62

63 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 63

64 Einbringung Großspeicher 9 m³ in Freiberg 8. Mai

65 12. Juni 2013 hoher Besuch am Bau Bundesumweltminister Altmaier und Ministerpräsident Tillich Bautagebuch blog.timoleukefeld.de 65

66 12. Juni 2013 hoher Besuch am Bau Timo Leukefeld erklärt den Hochtechnologieziegel Bundesumweltminister Altmaier und Ministerpräsident Tillich 66

67 Das energieautarke Haus als Tankstelle 67

68 feierliche Einweihung der beiden energieautarken Häuser in Freiberg durch Prof. Ernst Ulrich von Weizsäcker am

69 ZDF Beitrag die Wärmemacher 28 min Dokumentation bei arte und ZDF mehrfach ausgestrahlt Mediathek hauptnavigation/sendungverpasst#/beitrag/video/ / Die-Wärmemacher 69

70 Südwestansicht 70

71 In 15 Mrd. Jahren steht die Erde still Wo baue ich das energieeffiziente Solarhaus? 71

72 Danke, Ihr Timo Leukefeld Bautagebuch blog.timoleukefeld.de 72

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