Autarkes Mehrfamilienhaus Brütten
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06. Jun 2016 Autarkes Mehrfamilienhaus Brütten: Einmal ohne Netzanschluss bitte! Wenn Piccard mit dem Solarflugzeug um die Erde fliege, dann müsse auch ein Mehrfamilienhaus ohne Netzanschluss umsetzbar sein, soll Walter Schmid, Erfinder des Kompogasverfahrens und kluger Kopf hinter der Umweltarena, gesagt haben. Heute wird das schweizweit erste Mehrfamilienhaus ohne Stromanschluss in Brütten eingeweiht. Brütten, ein verschlafenes Dorf südwestlich von Winterthur, ist mit dem Bus ab dem Hauptbahnhof Winterthur in rund 15 Minuten erreichbar. Tagsüber im Halbstundentakt, nachts immerhin jede Stunde bis nach Mitternacht. Auf der Homepage der Gemeinde Brütten ist zu lesen: „Wenn Sie nach Brütten kommen, haben Sie den Aufstieg auf die höchste Ebene des Bezirks Winterthur geschafft. Die wunderschön gelegene Gemeinde Brütten mit rund 2000 Einwohnern liegt im Zentrum des Kantons Zürich auf einer Höhe von 640 Meter über Meer.“ Energiebudget In dieser Gemeinde steht es nun, das schweizweit erste Mehrfamilienhaus, das ohne jeglichen Anschluss ans öffentliche Versorgungsnetz auskommt, weil sämtliche Energie am Gebäude mittels Photovoltaik selber produziert und mittels Erdsonde aus dem Boden entnommen wird. Hier bezahlen die Mieterinnen und Mieter der neun Wohnungen (7 x 4.5-, 1 x 3.5-, 1 x 2.5Zimmerwohnung) keine Heiz- und Stromkosten. Jede Wohnung erhält ein Energiebudget, das bei einem bewussten Nutzerverhalten durchaus ausreicht. Der aktuelle Verbrauch und das Budget werden in einer einfachen Anwendung auf dem Tablet der Haussteuerung dargestellt. Überschreiten die Wohnungsinhaber ihr Budget, müssen sie den anderen Bewohnern des Mehrfamilienhauses einen Malusbeitrag leisten. Bestehende Produkte höchst effizient eingesetzt „Im Gebäude wurde nur Technik verwendet, die es heute auf dem Markt bereits gibt, die aber so ins System eingebaut wurde, dass sie höchst effizient funktioniert“, erklärt Renato Nüesch, Energiefachmann der Umwelt Arena Spreitenbach, anlässlich einer Führung. Und Technik, davon hat es ganz schön viel in diesem Gebäude, angefangen bei der mit Photovoltaik bestückten Gebäudehülle inklusive Dach über Wechselrichter, Solarstromspeicher, Erdsonden, thermische Speicher, Wasserstoffproduktion inklusive Brennstoffzellentechnik. Doch: Alleine Solarstromfassade und -dach produzieren in nur einer sonnenreichen Stunde im Sommer genug Strom, um das Haus für 24 Stunden mit Strom und Wärme zu versorgen. Für die überschüssige Energie, die während der weiteren Sonnenstunden – im Sommer 12–14 Stunden pro Tag – produziert wird, braucht es folglich die Kurz- und Langzeitspeicher. Seite 1 von 11 6. Juni 2016 Solardach … „Für mich war es faszinierend, zusammen mit den andern Projektpartnern dieses Leuchtturm Projekt zu realisieren. Das Zusammenspiel der verschiedenen Technologien und die Integration der stromproduzierenden Gebäudehülle war für BE Netz eine Herausforderung, die wir gerne angenommen haben, “ erklärt René Künzli, Projektleiter Brütten bei BE Netz aus Ebikon. BE Netz zeichnete in Brütten für das 80 kW-Solardach, das Engineering der Batteriespeicher sowie das Wechselrichterkonzept und die Verkabelung der Solarfassade. BE Netz hat auf dem Dach des Mehrfamilienhauses monokristalline Module von Meyer Burger verbaut. René Künzli: „Das ist eine bewährte Technologie mit hohem Wirkungsgrad. Das Dach ist ästhetisch schön umgesetzt. Ein hoher Ertrag und hohe ästhetische Kriterien lassen sich gut vereinbaren.“ … und Fassade „Für die Fassade haben wir uns für Dünnschicht-Solarzellen entschieden, da sie kostengünstig und flexibel einsetzbar sind. Sie besitzen ein gutes Diffus- und Schwachlichtverhalten, was bei der Fassade entscheidend ist, da diese meist nur für kurze Zeit einer direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist“, erkärt Renato Nüesch. Bei der Fassade waren auch architektonische Faktoren entscheidend. Zum Beispiel soll sie nicht spiegeln. Die Module mit einer Gesamtleistung von 47 kW wurden daher vor der Montage speziell behandelt. Durch eine spezielle Oberflächenbehandlung wurde das Modul zu einer homogenen, matt anthrazitfarbenen "Bauplatte" weiterentwickelt. Etwas störend sind natürlichen Verfärbungen der schokoladenbraunen Module, sie sehen zum Teil aus, als seien sie verstaubt. Die Umweltarena antwortet auf unsere Anfrage: „Für die Montage wurden die Module beschichtet, um sie gegen Fleckenbildung infolge Handschweiss zu schützen, diese Beschichtung baut sich ab und zurück bleibt eine homogene, gleichmässige, dunkelgraue und matte Oberfläche. Während diesem Prozess ist die Oberfläche unterschiedlich, so ähnlich wie bei einem neuen Metalldach, welches erst nach ein paar Monaten sein finales Erscheinungsbild erreicht.“ Doch klar ist, die Fassadenmodule machen überhaupt nicht den Anschein von Photovoltaikmodulen und auf die Leistung habe die Behandlung nur einen geringen Einfluss. Günstiger und produktiver als verputzte Fassade Die Gesamtkosten der neuartigen Photovoltaik-Fassade inklusive aller Montage- und Installationskosten liegen bei rund 600 Franken pro Quadratmeter – und damit tiefer als der Durchschnittspreis einer Glasfassade. Deshalb wurde das Gebäude auch auf der Nordseite des Hauses mit Photovoltaik-Modulen verkleidet. Auch wenn der Einstrahlungswinkel weit vom Ideal von 25° Neigung entfernt ist, sind die Fassadenerträge überraschend gut, da auch die diffuse Sonnenstrahlung genutzt wird und der flache Einstrahlungswinkel der Sonne in den Wintermonaten sowie in den Morgen- und Abendstunden. Beides erhöht die Ausbeute der Fassade im Vergleich zum Dach. Insgesamt erbringt die Fassade deutlich über 60 50 Prozent des Ertrags eines optimal ausgerichteten Daches derselben Fläche und trägt damit 37 Prozent zur gesamten solaren Jahresernte des Hauses bei. Bei einem Strompreis von 25 Rp/kWh erwirtschaftet die Fassade pro Jahr 11 CHF/m2 (Wartungskosten bereits abgezogen), das Dach, auf dem hocheffiziente monokristalline Solarzellen installiert sind, 33 CHF/m2. Bereits nach einer Lebensdauer von 30 Jahren ist die PV-Fassade günstiger als eine verputzte Fassade. Photovoltaikmodule als Fassade haben indes eine Lebenserwartung von 40 bis 50 Jahren. Seite 2 von 11 6. Juni 2016 Erdwärme Das Konzept des netzunabhängigen Mehrfamilienhauses basiert darauf, dass mit möglichst wenig elektrischer Energie ein Maximum an thermischer Energie erzeugt werden kann. Zwei je 338 Meter abgetäufte Erdsonden kombiniert mit einer 28 kW-Wärmepumpe ist die erste von vier Wärmequellen, neben der Aussenluft, Nutzung der thermischen Energie aus der Wasserstoffproduktion und dem thermischen Langzeitspeicher. Sobald im Netz des Gebäudes genügend elektrische Energie vorhanden ist, wird die Wärmepumpe mit der Erdsonde als Quelle eingesetzt. Die Erdsonde ist mit den erwarteten 11 °C Nutztemperatur die kälteste der vorhandenen Quellen. Die Sonden sind mit Wasser gefüllt und direkt auf den Wärmetauscher der Wärmepumpe geführt. Renato Nüesch führt aus: „Die Wärmesonde wird mit einer Temperatur von 11° auf die Wärmepumpe geführt, auch hier ein „normales“ Produkt vom Markt, welches mit rund 28 °C das Heizwasser erwärmt, so dass im Testbetrieb Jahresarbeitszahlen von 6-7 erzielt wurden.“ Bei der Auslegung wurde gezielt auf die optimale Nutzung der vorhandenen Erdwärme und Aussenluft und der gespeicherten Energie in den Langzeitspeichern geachtet, immer unter Berücksichtigung der situativ am effizientesten nutzbaren Energiequelle. Steht wenig Strom zur Verfügung, wählt die Steuerung stets die wärmste Energiequelle, um einen maximalen Wirkungsgrad bei der Wärmepumpe (COP) zu erreichen. Dadurch sinken die aufgenommene elektrische Energie der Wärmepumpe und der elektrische Gesamtenergiebedarf des Gebäudes. Kurzzeitspeicher Batteriespeicher stellen innerhalb des Gebäudes das Stromnetz sicher und übernehmen die Primärregelung des Netzes. Das Batteriesystem, das als Kurzspeicher dient – ein LithiumEisen-Phosphat-System – ist das zentrale Element der Energieversorgung im Gebäude. Einerseits nehmen die Batterien die Überproduktion der Photovoltaik kurzfristig auf, andererseits können sie Stromlücken von bis zu drei Tagen füllen. „Durch ein smartes Lastmanagement fahren wir ebenfalls sehr effizient. So können zum Beispiel die Kühlschränke für kürzere Zeit vom Hausnetz genommen werden.“ Stromdefizit von rund 25-30 Tagen Über das ganze Jahr gerechnet bleibt ein Stromdefizit von etwa 25-30 Tagen, das – vor allem im Dezember und Januar – mit dem Langzeitspeicher überbrückt werden muss. Im energieautarken Mehrfamilienhaus wird deshalb mit dem überschüssigen Strom der PhotovoltaikAnlage zusätzlich Wasserstoff produziert und gespeichert. Über eine Brennstoffzelle wird damit zum gewünschten Zeitpunkt Strom produziert und somit die Energielücke geschlossen. Der Strombedarf, der nicht durch die Solaranlage direkt und die Kurzzeitspeicherung gedeckt werden kann, wird im Sommer mittels PEM-Wasserelektrolyse durch die Produktion von Wasserstoff gespeichert. Der entstehende Wasserstoff wird direkt aus dem Elektrolyseur mit 30 bar ohne zusätzliche Verdichtung an die unterirdischen Speichertanks geliefert. Die dabei entstehende Wärme wird als Quelltemperatur für die Wärmepumpe eingesetzt, die damit das Brauchwarmwasser erzeugt und die thermischen Langzeitspeicher bedient. Renato Nüesch erklärt: „Sowohl die Wasserstoff- wie auch die Elektrolyseurtechnik sind in der Industrie bereits mehrfach erprobt und gehören dort zum Alltag.“ Für die Produktion des notwendigen Stromes im Winter wird eine PEM-Brennstoffzelle eingesetzt, die den Wasserstoff über eine Druckreduzierstation von den Speichertanks bezieht und zu Strom und Wasser umwandelt. Der dabei entstehende Gleichstrom wird direkt auf den Batteriespeicher geliefert und die nutzbare Reaktionswärme wird für die Brauchwarmwasser-Erwärmung und das Heizen eingesetzt. Die zwei Speichertanks mit total 120 m³ Volumen und die Rohrleitungen sind neben dem Gebäude erdverlegt und sind mit entsprechenden Sicherheitseinrichtungen ausgerüstet. Seite 3 von 11 6. Juni 2016 Güllefässer als thermischer Langzeitspeicher „1.3 Kilometer Wärmetauscher befinden sich in unseren beiden thermischen Speicherbehältern. Es sind übrigens konventionelle Stahl-Email-Tanks, wie sie auch in der Landwirtschaft zur Lagerung der Gülle eingesetzt werden,“ erklärt Energiefachmann Nüesch. Die Speicher sind drucklos ausgeführt. Die Ladung und Entladung erfolgt über im Innern angebrachte Rippenrohrwärmetauscher, die die Energie an das stehende Wasser im Speicher abgeben oder diese entziehen. Renato Nüesch fügt hinzu: „Die maximale Speichertemperatur der in 20 cm Isolation gehüllten Behälter beträgt rund 65 °C. und die minimale Speichertemperatur 6 °C.“ Wand- und Bodenheizung in Brütten „Damit eine tiefe Vorlauftemperatur von 28 °C ausreicht, haben wir uns für eine Kombination von Wand- und Bodenheizung entschieden“, erklärte Renato Nüesch am Schluss seines Rundgangs. „Denn bei der tiefsten Auslegetemperatur reichen in einigen Räumen – insbesondere aussenliegende Badezimmer und hohe Räume im Dachgeschoss – die Bodenflächen alleine nicht aus, um den Raum auf die gewünschte Raumtemperatur zu heizen.“ Hier schaffen Wandheizungen Abhilfe, die bis auf eine Höhe von rund 0.8 m ab Boden verlegt wurden. Für die Wandheizungen waren keine speziellen, zusätzlichen Bodenheizungsverteiler erforderlich. Die beiden Systeme sind problemlos miteinander kombinierbar Markttauglich? Es ist selbstsprechend, dass im Pionierwerk nur die allereffizientesten Haushaltsgeräte und Beleuchtungen zum Einsatz kommen. Und keine Frage, man fühlt sich im Gebäude augenblicklich sehr wohl. Die Mieterinnen und Mieter werden auf nichts verzichten müssen. Rund 10 % mehr hätten die Investitionen gegenüber einem konventionellen Mehrfamilienhaus betragen, wurde uns am Rundgang mitgeteilt. Und die Technik, die man ausserhalb des Gebäudes nicht wahrnimmt, ist aufgrund des fehlenden Netzanschlusses eben im Haus. Wird das Gebäude ohne Netzanschluss nun zum neuen Standard? Mittelfristig wohl kaum. Aber was die Umwelt Arena Spreitenbach in Brütten vormacht, könnte eventuell schneller in Quartieren umgesetzt werden, als wir uns das vorgestellt haben. Spätestens dann, wenn die Energiepreise wieder kräftig steigen. Denn die Technik ist längst soweit, sie muss nur klug umgesetzt werden, so wie es in Brütten vorgezeigt wird. Die Solarfassaden haben ihren Siegeszug auf jeden Fall gerade begonnen, wie es die Umweltarena vormachte und zum Beispiel Karl Viridén in Zürich belegt (siehe vom 22. April 16 >>). Nachtrag Nach der Besichtigung mache ich noch ein paar Schritte durch das an die Landwirtschaftszone angrenzende Quartier: Wie überall in der Schweiz sind die sanierungsbedürftigen Ein-, Mehr- und Reiheneinfamilienhäuser deutlich in der Überzahl. Etwas über 1 % liegt die Sanierungsrate in der Schweiz. Auch hier gibt es also noch viel zu tun. ©Text: Anita Niederhäusern, leitende Redaktorin ee-news.ch Seite 4 von 11 6. Juni 2016 Technische Daten Solardach Installation und Planung: BE Netz AG Hersteller: Module Dach Meyer Burger Hersteller: Wechselrichter ABB Typ Zellen Dach: monokristalline Solarzellen (MegaSlate II) Leistung: 160 W/m2 Ertrag Dach: 65 000 –75 000 kWh Ertrag Fassade: 25 000 – 30 000 kWh Ertrag Gesamt: 90 000 – 105 000 kWh Leistung Dach: 79.54 kWpeak Leistung Dach und Fassade: 126.5 kWpeak Technische Daten Solarfassade Hersteller Wechselrichter: ABB Typ Zellen-Dach: Dünnschicht-Solarzellen Leistung: 100 – 110 W/m Ertrag: 23 000 – 28 000kWh Leistung gesamt: 46.95 kW Leistung Dach und Fassade: 126.5 kWpeak Seite 5 von 11 6. Juni 2016 Technische Daten Batterien Lieferant: Helion Solar, System E-Speicherwerk Engineering: BE Netz Batterietyp: Lithium-Eisen-Phosphat Kapazität: 192 kWh brutto, 153 kWh netto Systemwirkungsgrad: > 85 % Batteriewirkungsgrad: > 97 % Selbstentladung: < 3 % Technische Daten Elektrolyseur Lieferant: Diamond Lite S.A. Hersteller: Proton OnSite (USA) Typ HOGEN H2/PEM Leistung elektrisch: 14.5 kW (Verbrauch) Ertrag: 2 Nm³/h Wasserstoff (30 bar) Leistung thermisch: 8 kW/35 °C Spezial-Wasserstofftank Inhalt: 120 m³ Betriebsdruck: max. 30 bar Fülldruck: 2 7. 5 b a r Technische Daten Brennstofffzelle Lieferant: Proton Motor Fuel Cell GmbH Hersteller: Proton Motor Fuel Cell GmbH Typ PM Cube S 5 Leistung elektrisch: 6.2 kW/5.6 kW (Dauerleistung) Leistung thermisch: 5.5 kW (Dauerleistung)/ 60 °C Eintrittsdruck Wasserstoff: 2 bar Seite 6 von 11 6. Juni 2016 Technische Daten Thermische Speicherung Firma: H.U. Kohli AG Typ: Stahl-Email- Behälter Durchmesser: 6 m Höhe: 4.80 m Volumen: 2 x 125 m Max. Nutztemperatur: 65 °C Min. Speichertemperatur: 6 °C Grenztemperatur Behälter: 70 °C Technische Daten Erdsonde Erdsonde: Jansen Durchmesser: DN 50 PN 30/Doppel-U-Rohrsonde Sondenlänge: 2 x 338 m Technische Daten Wärmepumpe Wärmepumpe: Hoval Thermalia twin H19 System: Wasser / Wasser Heizleistung: max. 28 kW Vorlauftemperatur Gebäudeheizung: 28° C Vorlauftemperatur Speicherladung: bis 67° C Wärmequellen: Erdsonden, Aussenluft, Energiespeicher, Abwärme der Elektrolyse und Wechselrichter Betriebstemperatur: Quelle 6 – 25° C situativ wählbar Erdwärmesonden: 2 x 338 m Seite 7 von 11 6. Juni 2016 Gesamtansicht aus Richtung Strubikonerstrasse – das Gebäudevolumen gliedert sich in mehrere Giebelkörper, die Fassade wirkt je nach Lichteinfall schokoladebraun oder anthrazit. Foto: René Schmid Architekten AG, René Dürr Wirtschaftlichkeit der PV-Fassade im Vergleich zu anderen Fassadenmaterialien. Dank der Stromproduktion ist die PV-Fassade nach 30 Jahren sogar günstiger als eine verputzte Fassade. ©Grafik: Basler & Hofmann AG Seite 8 von 11 6. Juni 2016 Wirkungsgrad Fassade zu Dach im Sommer und im Winter. ©Grafik: René Schmid Architekten AG Funktionsprinzip der Energieversorgung. ©Grafik: Basler & Hofmann AG Seite 9 von 11 6. Juni 2016 Zur Zeit etwas störend sind natürlichen Verfärbungen der schokoladenbraunen Module, sie sehen zum Teil aus, als seien sie verstaubt. Diese Schutzbeschichtung würde abgebaut, erklärt die Umweltarena. ©Bild: A. Niederhäusern Seite 10 von 11 6. Juni 2016 Hinter dem Bagger das Sicherheitsabluftrohr für den Wasserstoff, einmal begrünt wohl weniger prominent. ©Bild: A. Niederhäusern Detail Fassade mit eingeschobenen Loggien und Fensteröffnungen. ©Foto: René Schmid Architekten AG, René Dürr Seite 11 von 11 6. Juni 2016
