Gasette. WKK überraschend einfach und klug

Transkript

1 Gasette Nr. 1/ Jahrgang WKK überraschend einfach und klug Cabane aus der Serie «power-houses» Ursula Palla 2017 Seiten 2 und 3: WKK in Neubau mit 100% Biogas Seiten 4 und 5: WKK in sanierter Wohnsiedlung mit MINERGIE-P-ECO-Label Seiten 6 und 7: WKK im Kloster Freiburg Seite 8: Neuer Resonanz-Stirling Ein zentrales Element der Energiewende ist der sparsame Umgang mit der Energie. Eine kluge Lösung zur Deckung des Energiebedarfs im Gebäude ist der Einsatz der Wärme-Kraft-Kopplung. Denn WKK-Anlagen, die gleichzeitig Wärme und Strom erzeugen, nutzen die eingesetzte Energie effizienter und umweltfreundlicher, als dies heute in der Regel mit reinen Wärmeerzeugern geschieht. Studien haben gezeigt, dass in den EU-Ländern bis ins Jahr 2020 bis zu 10 Millionen mit Erdgas/Biogas betriebene WKK-Anlagen installiert werden könnten. Damit liessen sich die jährlichen CO 2 -Emissionen wie auch die Luftschadstoffe massiv reduzieren. Trotz diesem enormen Potenzial haben sich solche Kleinkraftwerke bislang nicht durchsetzen können. Einer der Gründe ist das fehlende Wissen über den richtigen Einsatz der Wärme-Kraft-Kopplung. Die Beispiele in dieser Gasette sollen diesen Mangel beheben, denn die Integration von WKK-Anlagen in ein Gebäude funktioniert überraschend einfach. Gasette 1/2017 1

2 WKK mit Biogas in Neubausiedlung Baugenossenschaft setzt auf eigene Stromerzeugung mit 100% Biogas Die Genossenschaftssiedlung Huebacher bezieht 100% «naturmade star»-zertifiziertes Biogas Die Baugenossenschaft Rotach bietet in der Neubausiedlung Huebacher in Rümlang hochwertigen Wohnraum für Familien an. Aber auch energetisch dient die Überbauung mit dem «naturmade star»-zertifikat als Wegweiser einer zukünftig nachhaltigen Energieversorgung in Wohngebäuden. Für die Genossenschaft war klar: Auch die neue Wohnüberbauung in Rümlang sollte wieder auf Familien ausgerichtet sein. Das Siegerprojekt des Architekten- Wettbewerbs fasste auf dem 200 m langen Grundstück 32 Wohneinheiten in 16 Doppeleinfamilienhäuser zusammen. Jeweils zwei Häuser, also vier Wohnungen, sind aneinandergebaut und verfügen über ein gemeinsames Treppenhaus. Diese kompakte Struktur ermöglicht eine 90 Prozent höhere Ausnützung des Grundstücks. Die alte Wohnsiedlung verfügte nur über zwanzig kleinflächige Wohneinheiten. Holzkonstruktion bevorzugt Die Neubausiedlung Huebacher ist ein kluger Wegweiser für nachhaltiges Bauen. So besteht die Überbauung aus einer Strom kwh/a Einspeisung ins Netz deckt Grundlast von Raumwärme und Warmwasser Biogas Wärme/Warmwasser kw/a -Strom wird mit kostendeckender Einspeisevergütung (KEV) in das öffentliche Netz eingespeist Energieträger: 100% Biogas «naturmade star»-zertifiziert Biogas Wärme/Warmwasser kw/a für Spitzenabdeckung 2 Gasette 1/2017

3 nachhaltigen und kostengünstigen Holzkonstruktion, der sogenannten Holztafelbauweise. Damit sind selbsttragende Mehrschichtenplatten gemeint, die vorgefertigt auf der Baustelle zusammengebaut werden. Wärmeversorgung mit Neue Wege ging man auch bei der Komfortlüftung, die mit einem Enthalpietauscher ausgestattet ist. Dieser kann sowohl die Wärme wie auch die Feuchtigkeit aus der Abluft rückgewinnen und in die frische Zuluft leiten. Damit erhalten die Wohnräume ein komfortables Innenraumklima, sowohl im Winter wie auch im Sommer. Auch bei der Wärmeversorgung hat sich die Baugenossenschaft für eine nachhaltige, effiziente und kluge Lösung entschieden. Ein kleines Blockheizkraftwerk, das gleichzeitig Wärme und Strom erzeugt, deckt den Wärme- und Warmwasserbedarf ab. Betrieben wird das mit 100% Biogas, das «naturmade star»-zertifiziert ist. Der selbsterzeugte Strom wird mit der KEV ins öffentliche Netz eingespeist. Zur Spitzenabdeckung wird eine ebenfalls mit Biogas betriebene eingesetzt. In der familienfreundlichen Siedlung hat jedes Haus eine eigene Spielwiese Das Gütesiegel naturmade Die Baugenossenschaft Rotach in Rümlang wurde 2015 mit dem Prix naturmade ausgezeichnet. Die Siedlung bezieht für ihre Wärmebereitstellung 100% zertifiziertes Biogas. Naturemade basic steht für Strom und Wärme aus 100% erneuerbaren Energiequellen. Naturemade star steht für Öko-Energie aus 100% erneuerbaren Energiequellen und bürgt für die Einhaltung strenger ökologischer Auflagen. Die Gütesiegel werden vom Verein für umweltgerechte Energie VUE getragen. Mitglieder sind Umwelt- und Konsumentenorganisationen, Unternehmen und Organisationen der Energiewirtschaft sowie Grossabnehmer von erneuerbarer Energie. Jahres-Betriebszeiten in Stunden Wohnsiedlung Huebacher in Rümlang ZH Bauherrschaft Baugenossenschaft Rotach Zürich Baujahr 2015 Konstruktionsmerkmale Fassade in Holzbauweise Anzahl Wohnungen 32 (16 Doppelhäuser mit je 2 Wohnungen) Wohnungsgrössen 4½ Zimmer: 100 m 2 5½ Zimmer: 117 m 2 Wohnfläche total 3472 m Wärme-Kraft-Kopplung Stromerzeugung Dachs 5,0 kwh el /14,6 kwh th kw/a Einspeisung ins öffentliche Netz kw modulierend Energiespeicher 2700 Liter (70 C) Speicher Warmwasser 1750 Liter (60 C) Energieträger 100% Biogas «naturmade star»-zertifiziert h 0 Energieversorger Energie 360, Zürich Gasette 1/2017 3

4 WKK mit EWP in sanierter Wohnsiedlung Neue Heizzentrale überzeugt mit maximaler Energieeffizienz Die Aussenraumgestaltung der Siedlung Fröschmatt wurde auf die Förderung der Biodiversität ausgerichtet Die total sanierte Wohnsiedlung Fröschmatt in Bern-Bümpliz verbindet Wohnkomfort, hohe Qualität, ökologisches Bauen und maximale Energieeffizienz perfekt. Die aus den 1950er-Jahren stammende Wohnsiedlung Fröschmatt ist die erste Überbauung in der Stadt Bern, die nach dem Standard MINERGIE-P-ECO saniert wurde. Bei dieser Sanierungsform wird den Aspekten Komfort, Energieeffizienz, Gesundheit und Bauökologie besonderes Gewicht gegeben und dies sowohl während der Sanierung wie auch für den gesamten Lebenszyklus des Gebäudes. Bei der Gesamtsanierung wurde die alte Wohnungsstruktur mit 45 kleinen 3-Zimmer-Wohnungen verändert. Neu stehen 34 Wohnungen von 2½ bis 6½ Zimmern zur Verfügung. Durch die Zusammenlegung entstanden auch grössere Wohnungen für Familien. Das Gebäudeinnere wurde komplett erneuert, die Fassade erhielt Das deckt den Warmwasserbedarf (70 C) Das liefert Strom für die Elektro-Wärmepumpen Erdgas Warmwasser 70 C kwh/a Strom kwh/a Die Elektro-Wärmepumpen decken den Raumwärmebedarf (30 C) Reduktion Energiebedarf: 90 % Weitere Nutzung Umweltwärme EWP Wärme 30 C kwh/a Reduktion CO 2 pro Jahr: 200 t 4 Gasette 1/2017

5 eine neue verputzte Aussenisolation. Auf der Gartenseite entstanden grosszügige Balkontürme. Die Wohnungen sind heute dank dem Einbau von Aufzügen altersgerecht, hindernisfrei und familienfreundlich. als Fundament Die Sanierung eines 60 Jahre alten Gebäudes nach dem MINERGIE-P-ECO-Standard ist anspruchsvoll. Neben einer hochwertigen und luftdichten Gebäudehülle muss auch die Haustechnik höchste Anforderungen erfüllen. Das Gebäude besitzt neu drei Temperaturkreisläufe: 70 C für das Warmwasser, 30 C für die Raumwärme und 18 C für die Kühlung. Das erhöht die Effizienz und den Komfort. Das gasbetriebene ist das Fundament der Haustechnik. Denn einerseits wird die Wärme zur Warmwasseraufbereitung genutzt und andererseits liefert das den Strom für die beiden Elektro-Wärmepumpen, die mittels Erdsonden den Raumwärmebedarf abdecken. Die Wärmeverteilung erfolgt über eine Fussbodenheizung, die bei Bedarf die Wohnungen im Sommer auch kühlen kann. Alle Wohnungen sind nun mit einer Komfortlüftung ausgestattet, deren Lüftungskanäle aussen am alten Mauerwerk unter der Wärmedämmung in den Keller führen. Rechts die beiden Speicher, in der Mitte die Wärmepumpen, hinten das Wohnsiedlung 3018 Bern-Bümpliz Minergie BE-046-P-Eco Bauherrschaft Immobilien Stadt Bern, 3018 Bern Baujahr Sanierung Grundstücksfläche 6162 m 2 Wohnfläche Alt: 3150 m 2 Neu: 4183 m 2 Anzahl Wohnungen Alt: 45 Neu: 34 Fläche pro Wohnung Alt: 52 m 2 Neu: 90 m 2 Wärme-Kraft-Kopplung Dachs 5,5 kw el /14,8 kw th Elektro-Wärmepumpen (EWP) 2 x 21 kwh total 42 kwh CO 2 -Emissionen pro Jahr Alt: 250 t Neu: 50 t Energieträger Strom Umweltwärme Erdgas Energieversorger Energie Wasser Bern Warmwasser 70 C Raumwärme 30 C Raumkühlung 18 C Strom 70 C 30 C Warmwasser Raumwärme Raumkühlung Kellerlüftung 18 C 23 C 3 C 70 C 30 C 14 C 5,5 kw el 14,8 kw th Speicher Speicher WW Heizung 2000 l 2000 l EWP 42 kw Freecooling Erdsonde 30 C 60 C Kaltwasser 8 C Strom Rücklauf Raumwärme 25 C 2 C Prinzipschema für Raumwärme, Warmwasser und Kühlung Gasette 1/2017 5

6 WKK im Franziskanerkloster Freiburg Neues ersetzt alte Elektroheizung Das 1256 gegründete Franziskanerkloster «Heilig Kreuz» in Freiburg wurde einer Gesamtrenovation unterzogen, und zugleich wurde auch die Wärmeversorgung modernisiert Das 750 Jahre alte, unter Denkmalschutz stehende Franziskanerkloster in Freiburg ist nach einer über drei Jahre dauernden Renovation bereit für eine vielfältige Nutzung. Das Franziskanerkloster «Heilig Kreuz» entstand im Jahr 1256 nur 99 Jahre nach der Gründung der Stadt Freiburg. Es ist das älteste noch aktive Franziskanerkloster in der Schweiz und gleichzeitig eines der grössten Gebäude der Stadt. Die imposante Klosteranlage umfasst auf einer Grundstücksfläche von 7500 m 2 neben der Kirche zwei Hauptgebäude sowie eine historische Gartenanlage. Das gesamte Bauvolumen beträgt m m 3 davon beansprucht allein die Kirche. Die beiden siebengeschossigen Gebäude, die eine Bruttogeschossfläche (BGF) von Strom kwh/a -Stromeigennutzung: > 90 % Erdgas Wärme/Warmwasser kwh/a Reduktion des Energiebedarfs: > 60 % Reduktion des Stromverbrauchs ( kwh/a) durch Wegfall der Elektroheizung Erdgas Wärme/Warmwasser kwh/a Erhöhung des Wohnkomforts (Beheizung des gesamten Klosters) 6 Gasette 1/2017

7 8500 m 2 aufweisen, umfassen 255 Räume mit 400 Fenstern. Anspruchsvolle Renovation Der gesamte Umbau der Klosteranlage, der knapp 20 Millionen Franken kostete, war bautechnisch eine grosse und komplexe Herausforderung. Denn die unter Denkmalschutz stehenden Gebäude stammen aus verschiedenen Epochen zwischen dem 14. und dem 20. Jahrhundert. Gleichzeitig mit der Gesamtrenovation wurde die Klosteranlage in fünf klar definierte Nutzungszonen unterteilt: Konvent, Bibliothek, Büros, Studentenwohnungen und Gärten. Die Heizzentrale befindet sich im Untergeschoss des linken Gebäudes Neue effiziente Heizanlage Neben den baulichen Massnahmen wurde auch die Energieversorgung des Klosters auf den neuesten Stand gebracht. Die bisherige Heizanlage bestand zum einen aus einer Elektroheizung, die nur die Kirche mit Raumwärme versorgte (Stromverbrauch: kwh/a). Für die Wärme und das Warmwasser in den beiden Hauptgebäuden sorgte eine Ölheizung. Die neue Heizanlage besteht aus einem, das die Grundlast abdeckt, sowie einer für die Spitzenabdeckung. Das neue ersetzt die alte Elektroheizung, welche die Kirche mit Wärme versorgte Jahres-Betriebszeiten in Stunden 7500 Franziskaner-Kloster 1700 Freiburg Gründungsjahr h/a Flächen BGF: 8500 m 2 Klostergrundstück: 7500 m 2 Bauvolumen m 3 Wärme- und WW-Verbrauch alt kwh/a Wärme- und WW-Verbrauch neu kwh/a (ganzes Kloster) Vorlauftemperaturen Kloster: 75 C/65 C Kirche: 35 C/30 C EC Power 15 kw el 30 kw th h/a Gaskessel modulierend Pufferspeicher Wärme Pufferspeicher kw 3500 Liter 500 Liter Energieträger Erdgas h 0 Energieversorger Groupe E Celsius SA Gasette 1/2017 7

8 Freikolben-Resonanz-Stirling Neuentwicklung aus der Schweiz mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 25 Prozent Mikro-WKK haben sich noch kaum etabliert. Entweder ist der Wartungsaufwand zu hoch oder der Wirkungsgrad zu klein. Nun wird in der Schweiz ein neues Mikro-WKK entwickelt: der Freikolben-Resonanz-Stirling. Er läuft auch bei hohen Verbrennungstemperaturen absolut stabil und kann mit einem äusserst schadstoffarmen Flox-Gasbrenner betrieben werden. Dadurch entsteht sein hoher elektrischer Wirkungsgrad von 23 25% Strom bei einem Gesamtwirkungsgrad von über 90%. Somit produziert er doppelt so viel Strom wie bisherige Freikolben- Stirlingmotoren. Zudem ist der Freikolben-Resonanz-Stirlingmotor wartungsfrei und hat gegenüber stationären Verbrennungsmotoren deutlich tiefere Schadstoffemissionen. Heizrohre Arbeitsvolumen Verdränger-Arbeitskolben Regenerator Kühlkreislauf Kompressionsvolumen Resonanzkolben Lineargenerator Gegenschwingmasse Tellerfeder Funktionsweise Bei Stirlingmotoren wird in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse ein unter Druck stehendes Arbeitsgas von aussen beheizt. Dieses Arbeitsgas durchläuft einen geschlossenen Kreisprozess, wodurch Freikolben in Schwingung versetzt werden. Über einen Lineargenerator wird die erzeugte mechanische Energie in Strom umgewandelt. Die Wärme des Kühlkreislaufs wird abgeführt und steht für Heizzwecke zur Verfügung. Das gasförmige Arbeitsmittel (Helium) durchläuft hohe, zyklische Druckänderungen, die Strom mit gutem Wirkungsgrad erzeugen. Die Freikolben sind elastisch eingespannt, so dass sie periodisch mit vorgegebener Frequenz schwingen können. Die Kolben sind durch Gaslager radial geführt und schwingen berührungsfrei. Reibungsverluste werden so minimiert, was einen langen und wartungsfreien Betrieb ermöglicht. Da keine Kurbeltriebe vorhanden sind, entfällt auch eine regelmässige Schmierung. Freikolben- Gerätedaten Testresultate 02/2017 Resonanz-Stirling Volllast Teillast Zugeführte Leistung 8 kw 7,5 kw 5,0 kw Elektrische Leistung 2 kw 1,8 kw 1,1 kw Verfügbare Heizleistung 5,2 kw 5,0 kw 3,4 kw El. Wirkungsgrad 23 25% 24% 22% Gesamtwirkungsgrad > 90% ca. 90% ca. 90% Modulationsbereich % 100% 65% Frequenz 50 Hz 50 Hz 50 Hz Masse: B/T/H 60/70/120 cm Gewicht ca. 180 kg Energieträger Erdgas/Biogas Nächste Schritte Den elektrischen Wirkungsgrad auf mind. 25% stabilisieren Start der Feldtestversuche ab Herbst 2018 Vorgesehene Markteinführung ab 2020 Weitere Informationen: Herausgeber: Redaktion: Suisse romande: VSG Verband der Schweizerischen Gasindustrie Grütlistrasse 44, 8027 Zürich vsg@erdgas.ch Hubert Palla, VSG palla@erdgas.ch Antonina D Amico, ASIG damico@gaz-naturel.ch Auflage: Druck: Adressänderung: Gratis-Abonnements: deutsch, 4500 französisch Bühler Druck AG, 8603 Schwerzenbach info@buehler-druck.ch vsg@erdgas.ch Grafik: Josef Fellmann, Zürich Fotos: Ursula Palla, Heinz Eichenberger, Hubert Palla 8 Gasette 1/2017