WKK – überraschend einfach und klug
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Nr. 1/2017 Gasette 58. Jahrgang WKK – überraschend einfach und klug Cabane | aus der Serie «power-houses» | Ursula Palla 2017 Ein zentrales Element der Energiewende ist der sparsame Umgang mit der Energie. 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 Gasette 1/2017 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 CO2-Emis- sionen 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. 1 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 Für die Genossenschaft war klar: Auch haus. Diese kompakte Struktur ermöglicht in der Neubausiedlung Huebacher in die neue Wohnüberbauung in Rümlang eine 90 Prozent höhere Ausnützung des Rümlang hochwertigen Wohnraum für sollte wieder auf Familien ausgerichtet Grundstücks. Die alte Wohnsiedlung ver- Familien an. Aber auch energetisch sein. Das Siegerprojekt des Architekten- fügte nur über zwanzig kleinflächige dient die Überbauung mit dem «natur- Wettbewerbs fasste auf dem 200 m lan- Wohneinheiten. made star»-Zertifikat als Wegweiser gen Grundstück 32 Wohneinheiten in einer zukünftig nachhaltigen Energie- 16 Doppeleinfamilienhäuser zusammen. versorgung in Wohngebäuden. Jeweils zwei Häuser, also vier Wohnun- Holzkonstruktion bevorzugt Die Neubausiedlung Huebacher ist ein gen, sind aneinandergebaut und ver- kluger Wegweiser für nachhaltiges Bauen. fügen über ein gemeinsames Treppen- So besteht die Überbauung aus einer Strom 35 000 kWh/a ︱ Einspeisung ins Netz – BHKW deckt Grundlast von Raumwärme und Warmwasser – BHKW-Strom wird mit kostendeckender Einspeisevergütung (KEV) in das öffentliche Netz eingespeist – Energieträger: 100% Biogas «naturmade star»-zertifiziert Biogas BHKW Biogas Gasheizung Wärme/Warmwasser 104 000 kW/a Wärme/Warmwasser 153 000 kW/a – Gasheizung für Spitzenabdeckung 2 Gasette 1/2017 nachhaltigen und kostengünstigen Holzkonstruktion, der sogenannten Holztafel­ bauweise. Damit sind selbsttragende Mehrschichtenplatten gemeint, die vorgefertigt auf der Baustelle zusammengebaut werden. Wärmeversorgung mit BHKW 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 In der familienfreundlichen Siedlung hat jedes Haus eine eigene Spielwiese Sommer. Auch bei der Wärmeversorgung hat sich die Baugenossenschaft für eine Das Gütesiegel naturmade nachhaltige, effiziente und kluge Lösung entschieden. Ein kleines Blockheizkraftwerk, das gleichzeitig Wärme und Strom erzeugt, deckt den Wärme- und Warmwasserbedarf ab. Betrieben wird das BHKW 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 Gasheizung eingesetzt. 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 7500 BHKW 7100 5000 2500 h0 Gasette 1/2017 Gasheizung 3400 Bauherrschaft Baugenossenschaft Rotach Zürich Baujahr 2015 Konstruktionsmerkmale Fassade in Holzbauweise Anzahl Wohnungen 32 (16 Doppelhäuser mit je 2 Wohnungen) Wohnungsgrössen 4½ Zimmer: 100 m2 | 5½ Zimmer: 117 m2 Wohnfläche total 3472 m2 Wärme-Kraft-Kopplung BHKW Dachs 5,0 kWh el /14,6 kWh th BHKW Stromerzeugung 35 000 kW/a | Einspeisung ins öffentliche Netz Gasheizung 14–70 kW modulierend Energiespeicher 2700 Liter (70 °C) Speicher Warmwasser 1750 Liter (60 °C) Energieträger 100% Biogas «naturmade star»-zertifiziert Energieversorger Energie 360°, Zürich | www.energie360.ch 3 WKK mit EWP in sanierter Wohnsiedlung Neue Heizzentrale überzeugt mit maximaler Energieeffizienz Die Aussenraumgestaltung der Siedlung Fröschmatt wurde auf die Förderung der Biodiversität ausgerichtet Wohnsiedlung Die aus den 1950er-Jahren stammende gesamten Lebenszyklus des Gebäudes. Fröschmatt in Bern-Bümpliz verbin- Wohnsiedlung Fröschmatt ist die erste Bei der Gesamtsanierung wurde die alte det Wohnkomfort, hohe Qualität, öko- Überbauung in der Stadt Bern, die nach Wohnungsstruktur mit 45 kleinen 3-Zim- logisches Bauen und maximale Ener- dem Standard MINERGIE-P-ECO saniert mer-Wohnungen verändert. Neu stehen gieeffizienz perfekt. wurde. Bei dieser Sanierungsform wird 34 Wohnungen von 2½ bis 6½ Zimmern den Aspekten Komfort, Energieeffizienz, zur Verfügung. Durch die Zusammenle- Gesundheit und Bauökologie besonde- gung entstanden auch grössere Wohnun- res Gewicht gegeben – und dies sowohl gen für Familien. Das Gebäudeinnere wur- während der Sanierung wie auch für den de komplett erneuert, die Fassade erhielt Die total sanierte – Das BHKW deckt den Warmwasserbedarf (70 °C) – Das BHKW liefert Strom für die Elektro-Wärmepumpen – Die Elektro-Wärmepumpen decken den Raumwärmebedarf (30 °C) – Reduktion Energiebedarf: 90 % Erdgas BHKW Warmwasser 70 °C | 65 000 kWh/a Strom 23 000 kWh/a Weitere Nutzung Umweltwärme EWP Wärme 30 °C 127 000 kWh/a – Reduktion CO 2 pro Jahr: 200 t 4 Gasette 1/2017 eine neue verputzte Aussenisolation. Auf der Gartenseite entstanden grosszügige Balkontürme. Die Wohnungen sind heute – dank dem Einbau von Aufzügen – altersgerecht, hindernisfrei und familienfreundlich. BHKW 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 BHKW ist das Fundament der Haustechnik. Denn einerseits wird die Wärme zur Warmwasseraufbereitung genutzt und Rechts die beiden Speicher, in der Mitte die Wärmepumpen, hinten das BHKW Wohnsiedlung 3018 Bern-Bümpliz | Minergie BE-046-P-Eco Bauherrschaft Immobilien Stadt Bern, 3018 Bern Baujahr | Sanierung 1953–1954 | 2014 Grundstücksfläche 6162 m2 Wohnfläche bedarf abdecken. Die Wärmeverteilung er- Alt: 3150 m2 | Neu: 4183 m2 Anzahl Wohnungen Alt: 45 | Neu: 34 folgt über eine Fussbodenheizung, die bei Fläche pro Wohnung Alt: 52 m2 | Neu: 90 m2 Bedarf die Wohnungen im Sommer auch Wärme-Kraft-Kopplung | BHKW Dachs 5,5 kWel /14,8 kWth kühlen kann. Alle Wohnungen sind nun Elektro-Wärmepumpen (EWP) 2 x 21 kWh | total 42 kWh mit einer Komfortlüftung ausgestattet, CO2-Emissionen pro Jahr Alt: 250 t | Neu: 50 t Energieträger Strom | Umweltwärme | Erdgas Energieversorger Energie Wasser Bern | www.ewb.ch andererseits liefert das BHKW den Strom für die beiden Elektro-Wärmepumpen, die mittels Erdsonden den Raumwärme- deren Lüftungskanäle aussen am alten ­Mauerwerk – unter der Wärmedämmung – in den Keller führen. Warmwasser 70°C Raumwärme 30°C Raumkühlung 18°C Strom 70°C Raumkühlung Kellerlüftung Warmwasser Raumwärme 30°C 18°C 23°C – 3°C 14°C 70°C 30°C Speicher WW 2000 l BHKW 5,5 kWel 14,8 kWth Speicher Heizung 2000 l Freecooling EWP 42 kW Erdsonde 30°C 60°C Strom Kaltwasser Rücklauf Raumwärme 8°C 25°C 2°C Prinzipschema für Raumwärme, Warmwasser und Kühlung Gasette 1/2017 5 WKK im Franziskanerkloster Freiburg Neues BHKW 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 Denkmal- Das Franziskanerkloster «Heilig Kreuz» ent- Grundstücksfläche von 7500 m2 neben schutz stehende Franziskanerkloster stand im Jahr 1256 – nur 99 Jahre nach der Kirche zwei Hauptgebäude sowie eine in Freiburg ist nach einer über drei der Gründung der Stadt Freiburg. Es ist historische Gartenanlage. Das gesamte Jahre dauernden Renovation bereit das älteste noch aktive Franziskanerklos- Bauvolumen beträgt 32 000 m3 – 22 000 für eine vielfältige Nutzung. ter in der Schweiz und gleichzeitig eines m3 davon beansprucht allein die Kirche. der grössten Gebäude der Stadt. Die im- Die beiden siebengeschossigen Gebäude, posante Klosteranlage umfasst auf einer die eine Bruttogeschossfläche (BGF) von Strom 96 000 kWh/a Erdgas BHKW Erdgas Gasheizung – BHKW-Stromeigennutzung: > 90 % Wärme/Warmwasser 192 000 kWh/a – Reduktion des Energiebedarfs: > 60 % – Reduktion des Stromverbrauchs (200 000 kWh/a) durch Wegfall der Elektroheizung Wärme/Warmwasser 315 000 kWh/a – Erhöhung des Wohnkomforts (Beheizung des gesamten Klosters) 6 Gasette 1/2017 8500 m2 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 Die Heizzentrale befindet sich im Untergeschoss des linken Gebäudes und Gärten. 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 (Stromver- brauch: 200 000 kWh/a). Für die Wärme und das Warmwasser in den beiden Hauptgebäuden sorgte eine Ölheizung. Die neue Heizanlage besteht aus einem BHKW, das die Grundlast abdeckt, sowie einer Gasheizung für die Spitzenabdeckung. Das neue BHKW ersetzt die alte Elektroheizung, welche die Kirche mit Wärme versorgte Jahres-Betriebszeiten in Stunden 7500 Franziskaner-Kloster | 1700 Freiburg BHKW 6400 h/a 5000 2500 h0 Gasette 1/2017 Gasheizung 2500 h/a Gründungsjahr 1256 Flächen BGF: 8500 m2 | Klostergrundstück: 7500 m2 Bauvolumen 32 000 m3 Wärme- und WW-Verbrauch alt 1 200 000 kWh/a Wärme- und WW-Verbrauch neu 507 000 kWh/a (ganzes Kloster) Vorlauftemperaturen Kloster: 75°C/65°C | Kirche: 35°C/30°C BHKW EC Power 15 kWel | 30 kWth Gaskessel modulierend 80 – 395 kW Pufferspeicher Wärme 3500 Liter Pufferspeicher BHKW 500 Liter Energieträger Erdgas Energieversorger Groupe E Celsius SA | www.celsius.ch 7 Freikolben-Resonanz-Stirling Neuentwicklung aus der Schweiz mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 25 Prozent Mikro-WKK haben sich noch kaum etabliert. Entweder ist der entsteht sein hoher elektrischer Wirkungsgrad von 23–25 % Wartungsaufwand zu hoch oder der Wirkungsgrad zu klein. Strom bei einem Gesamtwirkungsgrad von über 90 %. Somit Nun wird in der Schweiz ein neues Mikro-WKK entwickelt: der produziert er doppelt so viel Strom wie bisherige Freikolben- Freikolben-Resonanz-Stirling. Er läuft auch bei hohen Verbren- Stirlingmotoren. Zudem ist der Freikolben-Resonanz-Stirling- nungstemperaturen absolut stabil und kann mit einem äusserst motor wartungsfrei und hat gegenüber stationären Verbren- schadstoffarmen Flox-Gasbrenner betrieben werden. Dadurch nungsmotoren 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. FreikolbenResonanz-Stirling Gerätedaten Dieses Arbeitsgas durchläuft einen geschlossenen Kreisprozess, Zugeführte Leistung 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 Arbeits- Elektrische Leistung Verfügbare Heizleistung El. Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad Modulationsbereich mittel (Helium) durchläuft hohe, zyklische Druckänderungen, die Frequenz Strom mit gutem Wirkungsgrad erzeugen. Die Freikolben sind Masse: B/T/H 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. Testresultate 02/2017 Volllast Teillast 8 kW 7,5 kW 5,0 kW 2 kW 1,8 kW 1,1 kW 5,2 kW 5,0 kW 3,4 kW 23 – 25% 24% 22% > 90% ca. 90% ca. 90% 60 – 100% 100% 65% 50 Hz 50 Hz 50 Hz 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: www.stirling.ch Herausgeber: VSG Verband der Schweizerischen Gasindustrie Grütlistrasse 44, 8027 Zürich 044 288 31 31 | [email protected] | www.erdgas.ch Auflage: 14 000 deutsch, 4500 französisch Druck: Bühler Druck AG, 8603 Schwerzenbach Redaktion: Hubert Palla, VSG | [email protected] Adressänderung: info@buehler - druck.ch Suisse romande: Antonina D’Amico, ASIG | [email protected] Gratis-Abonnements: [email protected] Grafik: Josef Fellmann, Zürich Fotos: Ursula Palla, Heinz Eichenberger, Hubert Palla 8 Gasette 1/2017
