plusenergiehaus durch energetische sanierung

2 | fachartikel
AQUA & GAS N o 4 | 2013
plusenergiehaus durch
energetische sanierung
Dezentrale energieversorgung mit
brennstoffzelle und sol aranl age
Die Energiewende basiert zum einen auf dem Ausbau der erneuerbaren Energien, zum anderen auf
der Verbesserung der Energieeffizienz. Kaum ein Bereich weist ein so hohes Energiesparpotenzial
auf wie die bestehende Gebäudesubstanz. Das Beispiel eines Einfamilienhauses in Schaffhausen
zeigt, wie ein typischer Altbau durch energetische Sanierung zum Plusenergiehaus umgewandelt
wird. Unter einer ganzheitlichen Betrachtung werden Netzinfrastruktur und dezentrale Energieproduktion in das Konzept einbezogen. Das Projekt zeigt auf, welche Leistungen ein Gebäude mit
einer Gasinfrastruktur erbringen kann.
Matthias Sulzer; Urs-Peter Menti; Dieter Lüthi, Hochschule Luzern – Technik & Architektur
Einleitung
Résumé
wird ins französische übersetzt:
Die Energiewende basiert zum einen auf dem Ausbau der erneuerbaren Energien, zum anderen auf der Verbesserung der Energieeffizienz. Kaum ein Bereich weist ein so hohes Energiesparpotenzial auf wie die bestehende Gebäudesubstanz. Denn Gebäude
verbrauchen nicht nur Energie, sie können auch Energie produzieren und/oder speichern. Das Beispiel eines Einfamilienhauses in
Schaffhausen zeigt, wie ein typischer Altbau durch energetische
Sanierung zum Plusenergiehaus umgewandelt wird. Unter einer
ganzheitlichen Betrachtung werden Netzinfrastruktur und dezentrale Energieproduktion in das Konzept einbezogen. Das Gebäude
mit Erdgasanschluss wurde in drei Schritten erneuert:
–Erneuerung der Gebäudehülle und Verbesserung der passiven
Solarnutzung
– Aufbau aktive Solarnutzung
–Erneuerung des Heizsystems: Ersatz des Gaskessels durch eine
Brennstoffzelle und einen thermischen Heizungsspeicher
Das Projekt zeigt auf, welche Leistungen ein Gebäude mit einer
Gasinfrastruktur erbringen kann.
Der aktuelle Umbruch im Energiesektor erfordert eine zukunftsorientierte Versorgungsstrategie. Diese muss einen sicheren,
wirtschaftlichen und umweltverträglichen Betrieb anstreben.
Die Energieversorgungsstrategie als Ganzes wird hier nicht diskutiert, sondern es wird ein Teilbeitrag zur Verbesserung der
«Versorgungssicherheit» aufgezeigt [1].
Festgefahrenes Spartendenken mit Fokus auf der Strom- oder
Wärmebereitstellung verunmöglicht zu oft die Entwicklung
ganzheitlicher Lösungen. Systemdenken ist notwendig, auch
wenn dies vorerst zu einer höheren Komplexität führt. Insbesondere in der anspruchsvollen Transformation des Gebäudebestandes bietet die ganzheitliche Betrachtungsweise aber neue
Perspektiven.
Eine weitere Herausforderung stellt die raumplanerische Vorgabe, Quartiere und Areal nach innen zu verdichten. Vor allem solitäre Anlagen für die thermische Energieversorgung in verdichteten Quartieren stossen an ihre Grenzen. Zum Beispiel führt
der breite Einsatz von Wärmepumpen in solchen Quartieren zu
Problemen bei der Energiegewinnung. Grundwasser kann nicht
auf jeder Parzelle gefördert werden, Erdwärmesonden können
* Kontakt: [email protected]
AQUA & GAS N o 4 | 2013
Energiewende | 3
aus Platzgründen nicht bei jedem Haus
gebohrt werden und Aussenlufteinheiten
verursachen Lärm. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sind Infrastrukturen notwendig, die eine ganzheitliche
Energieversorgung berücksichtigen [2].
konzeptionelle lÖSUNGEN
Die Infrastruktur für die elektrische
Vernetzung der Gebäude ist heute weit
vorangeschritten. Die Herausforderung,
vermehrt stochastische Energie aus Sonne und Wind in unseren elektrischen
Versorgungsmix einzubinden, erhöht den
Druck, die elektrischen Netze zu Smart
Grids weiterzuentwickeln. Die Stromwirtschaft nimmt einen hohen Stellenwert in
der Gesellschaft ein und wird oft als entscheidende Grösse in der Energiewende
bezeichnet.
Der Fokus auf die elektrische Energieversorgung mit 24% 1 am Endenergiebedarf
der Schweiz blendet jedoch den grösseren Teil der Energieversorgung aus. Die
thermische Energieversorgung für Raumwärme und Warmwasser benötigt rund
37% des Endenergiebedarfs der Schweiz
[3] (Fig. 1). Konzeptionelle Lösungen für
diesen Teil der Energieversorgung leisten somit ebenfalls einen wesentlichen
Beitrag in der Energiewende. Mehr noch:
Lösungen, welche Synergien zwischen
der elektrischen und thermischen Energieversorgung nutzen, können zur Verbesserung der Versorgungssicherheit beitragen. Das Spartendenken ist in diesem
Fall abzulegen!
1
50% der Prozesswärme wurde dem Energieträger Elektrizität zugeteilt.
Fig. 2 Synergien elektrische und thermische Vernetzung
franz. Legende
WAS GEBÄUDE LEISTEN KÖNNEN
Das einzelne Gebäude kann seinen Verbrauch minimieren und somit die Energieeffizienz steigern. Betrachtet man
dagegen mehrere Gebäude im Versorgungsnetz, kann jedes einzelne Gebäude
Dienstleistungen für die Energieversorgung anderer erbringen: Gebäude verbrauchen nicht nur Energie, sie können
Energie produzieren und/oder speichern.
Das einzelne Gebäude verursacht nur
eine kleine Wirkung im Versorgungsnetz.
Mehrere Gebäude in einem Quartier oder
Areal hingegen können wirksame Systemdienstleistungen für die Versorgungsnetze z. B. in Form von Regelenergie 2
erbringen. Vor allem die thermischen
Speicher im Gebäude können gewinnbringend für den Ausgleich im elektrischen Netz genutzt werden [4].
Die thermischen Speicher in Kombination mit Wärmepumpen, Kältemaschinen
und/oder Wärmekraftkopplung können
durch die virtuelle Aggregation mittels
einer übergeordneten Steuerung für
die Bewirtschaftung der Stromnetze genutzt werden (Fig. 2). Die koordinierte
Betriebsweise der einzelnen Anlagen erlaubt, durch das gemeinsame Ein- bzw.
Ausschalten, das Stromnetz zu be- oder
entlasten und somit tertiäre Regelenergie
bereitzustellen. Damit wird eine Stabilisierung der Netzinfrastruktur auf lokaler
Ebene erreicht.
Gebäude, die über eine Gasinfrastruktur miteinander vernetzt sind, können
mittels Wärme-Kraft-Kopplung (WKK)
Energie in das elektrische Netz einspeisen und einen Teil zur Bedarfsdeckung
leisten. Wird die WKK mit einem thermischen Speicher gekoppelt, kann dieses
System stromgeführt betrieben werden
und die Abwärme dennoch bis auf geringe Speicherverluste vollständig nutzen.
Auch hier können kleine WKK-Anlagen
koordiniert betrieben werden und gleich
wie aggregierte Wärmepumpen Systemdienstleistungen für das Stromnetz erbringen.
Zusätzlich liefern solche Systeme vor allem im Winter einen wertvollen Beitrag.
Wenn Solaranalgen und/oder Wasserkraftanlagen saisonal bedingt nicht ihre
volle Leistung erbringen, liefern WKKAnlagen wertvollen Winterstrom. In diesem Sinn ergänzen sich Solar, Wasser
und gasbetriebene WKK-Anlagen bes2
Regelenergie dient dem momentanen Ausgleich zwischen Verbrauch und Produktion im elektrischen Verbundnetz. Sie ist Bestandteil der sogenannten Systemdienstleistungen (SDL) und wird deshalb oft als solche
Fig. 1 Verteilung Endenergieverbrauch Schweiz franz. Legende
(Quelle: BFE 2012)
bezeichnet, obwohl auch andere Dienstleistungen zu
den SDL gehören.
4 | Energiewende
tens: Im Sommer liefern die Solar- und
Wasserkraftanlagen den grössten Teil des
Stroms, im Winter können WKK-Anlagen
den reduzierten Energieertrag dieser Anlagen kompensieren. Eine besser ausgeglichene Stromproduktion über das Jahr
kann mit einem solchen Anlagemix bzw.
Energieversorgungsystem erzielt werden.
BEISPIEL PLUSENERGIEHAUS
SCHAFFHAUSEN
AQUA & GAS N o 4 | 2013
ziert. In die Südost-Fassade wurden grössere Fenster eingesetzt, um die passiven
Solargewinne zu steigern.
Stromqualität
Die Elektrizitätsversorgung ist heute,
und gemäss Entwurf «Energiestrategie 2050» des Bundes auch in Zukunft, eine europäische Angelegenheit. Aus diesem Grund wurde die
Qualität des Stromes auf Basis des
europäischen Strommixes (UCTE) beurteilt. Es ist davon auszugehen, dass
der UCTE-Mix in den nächsten Jahren
mit weniger CO2-Ausstoss behaftet
sein wird. Gleichzeitig wird aber auch
die Erdgasversorgung betreffend CO2Ausstoss besser werden, indem Biogas und/oder synthetisches Gas aus
überschüssigem Strom beigemischt
wird (Solar-Gas, Wind-Gas). In diesem
Sinne können sich beide Energieträger qualitativ weiterentwickeln und
haben das Potenzial, einen umweltverträglichen Beitrag zur Energiewende zu leisten.
Aufba u ak t i v e S o lar n u t z u n g
Das Dach wurde als Solardach umgebaut
und die Südwest-Fassade wurde mit hybriden Solarmodulen bestückt, welche
sowohl thermische wie auch elektrische
Energie liefern.
Erneueru n g de s He i z s y s t e ms
Im Rahmen eines Pilotprojekts soll die
Leistungsfähigkeit eines Gebäudes getestet werden, bei dem eine Kombination
von WKK und Solar umgesetzt wurde.
Zudem soll das Potenzial einer Quartierlösung mit einem solchen Energiekonzept
abgeschätzt werden.
Das Einfamilienhaus in Schaffhausen
wurde in den 30er-Jahren als kleines und
für dieses Quartier typisches Arbeiterhaus erstellt (Fig. 3). In den 70er-Jahren
wurde das Gebäude durch einen Anbau
ergänzt. Das Gebäude hat einen Erdgasanschluss und wurde bisher mit einer
konventionellen Gasheizung beheizt. In
drei Schritten wurde das EFH 2011 und
2012 erneuert:
E r ne ue r ung de r G ebä udehülle und
Ve r be s s e r ung de r p a ssiv en So la rnutzung
Mit einer teilweise vorgehängten und
teilweise kompakten Fassade wurden
die Energieverluste (Transmission) redu-
Der bestehende Gaskessel wurde durch
eine Brennstoffzelle (1kWel und 2 kWth
mit Zusatzbrenner für Lastspitzen) und
einen thermischen Heizungsspeicher
(1000 Liter) ersetzt.
Geplant ist, dass das Gebäude in kWh
(auf Stufe Primärenergie, s. Box) so viel
überschüssige Elektrizität produziert,
dass damit der Gasverbrauch kompensiert werden kann und so eine positive
Energiebilanz über das Jahr erreicht werden kann (Fig. 4).
Die Erneuerung wurde im September
2012 fertiggestellt. Seit der Inbetriebnahme der Gebäudetechnik wurde ein
durch die Hochschule Luzern – Technik
& Architektur begleitetes Monitoring
durchgeführt. Im Monat Oktober mussten
noch diverse Einstellungen und Abstimmungen am Energieversorgungssystem
vorgenommen werden. Während dieses
Monats konnte die Brennstoffzelle nicht
Fig. 3 Einfamilienhaus Sulzer in Schaffhausen vor und nach der energetischen Sanierung
franz. Legende
kontinuierlich betrieben werden, was
sich im noch eher bescheidenen Kennwert für die Selbstversorgung äussert. Ist
die Anlage fertig in Betrieb genommen
und optimiert, sollen die angestrebten
Ziele erreicht werden können.
In Figur 5 ist erkennbar, dass das Gebäude einen hohen Anteil an überschüssigem
Winterstrom (>300%) produziert, den
andere Gebäude 3 nutzen können. Wird
der für die Stromproduktion notwendige
Gasverbrauch in der Berechnung berücksichtigt, erreicht das Gebäude auf Stufe
Primärenergie einen Selbstversorgungsgrad von rund 50%. Wenn anstelle der
Brennstoffzelle eine Wärmepumpe im
EFH Sulzer eingesetzt würde, erreichte
ein solches Konzept auf Stufe Primärenergie einen Selbstversorgungsgrad von
rund 15%. Das Konzept Brennstoffzelle
und Solar erreicht in den Wintermonaten
einen klaren Vorteil bezüglich Diversifikation der Energieträger und somit Versorgungssicherheit gegenüber einer konventionellen Lösung mit Wärmepumpe.
Um das Thema Versorgungssicherheit differenzierter zu betrachten, zeigt Figur 6
die Auswertung der stündlichen Energiebilanzen im Januar 2013. Wäre das Gebäude in der Lage, mittels Stromspeicher
den Verbrauch und die Produktion innerhalb einer Stunde vor Ort auszugleichen,
3
Der Überschuss kann den Elektrizitätsbedarf von rund
drei anderen Einfamilienhäusern decken.
AQUA & GAS N o 4 | 2013
Fig. 4 Energiebilanz des EFH Sulzer in Schaffhausen über ein Jahr (Planungswert)
franz. Legende
Energiewende | 5
würde sich die Netznutzung im Monat
Januar auf insgesamt 11 kWh reduzieren.
Im gleichen Zeitraum könnte das Gebäude rund 580 kWh Elektrizität ins Netz
einspeisen.4 Aus dieser Überlegung wird
ersichtlich, dass sich neue Möglichkeiten
für die Quartier- und Arealversorgung eröffnen, wenn bei den Gebäuden nicht nur
der Energiebedarf gesenkt, sondern deren Produktions- und Speicherpotenzial
entwickelt wird.
Interessant ist auch der Vergleich mit dem
Gasverbrauch vor der Gebäudeerneuerung von Oktober bis Januar 2010. Trotz
der Stromproduktion mit Brennstoffzelle
konnte der Gasverbrauch um über 45%
gesenkt werden.5 Der Grund dafür liegt
in der verbesserten Wärmedämmung
und passiven Solarnutzung. Diese ersten
Auswertungen zeigen, dass ein ganzheitliches Konzept den CO2-Ausstoss reduzieren und die Versorgungssicherheit erhöhen kann, trotz oder gerade wegen der
Einbindung in die Gasinfrastruktur.
FAZIT, AUSBLICK
Fig. 5 Selbstversorgungsgrad EFH Sulzer mit Brennstoffzelle und Solaranlagen. Als Vergleich
wird die Variante dargestellt, wenn das Gebäude mittels Wärmepumpe und Solaranlagen
versorgt würde (JAZ WP: 3.3)
franz. Legende
WKK-Anlagen mit thermischen Speichern haben das Potenzial Systemdienstleistungen für das elektrische Netz zu
erbringen, indem der Betrieb unabhängig
von der Wärmeanforderung gesteuert
werden kann. Die thermische Flexibilität
von Heizungsspeichern und Massivbauten von >3h könnte genutzt werden. Die
Aggregation von solchen thermischen
Flexibilitäten und deren gewinnbringenderen Einsatz in der Stromwirtschaft
wird im Forschungsprojekt WARMup untersucht [4].
Die Steuerbarkeit der Brennstoffzelle ist
jedoch beschränkt und eignet sich noch
nicht für die Bereitstellung von Regelenergie im Strommarkt. Ein kontinuierlicher Betrieb der Brennstoffzelle ist mit
der heutigen Technologie anzustreben.
Damit liefert die Brennstoffzelle Bandlast
und diese vor allem im Winter.
Die heute vorhandene Gasinfrastruktur
sollte auf keinen Fall durch kurzfristiges
Denken ersetzt werden – im Gegenteil:
Die Stromrechnung im 4. Quartal, vom Oktober bis
4
Dezember, belief sich auf 11.85 Franken unter Berücksichtigung der Netznutzung sowie aller Abgaben
und Gebühren!
Fig. 6 Energiebilanz Elektrizität (Stundenwerte). Überschüsse werden dem Netz abgegeben,
Mankos durch Netzbezug ausgeglichen
franz. Legende
5
Die Kosten für die Erdgaslieferung reduzierte sich
gegenüber dem 4. Quartal 2011 von 1152.– auf
692.– Franken.
6 | Energiewende
Verdankung
Das Pilotprojekt wird von folgenden
Partnern unterstützt:
–EKS, Elektrizitätswerk des Kantons
Schaffhausen
– Hoval AG, Vaduz
–SVGW, in Zusammenarbeit mit Städtische
Werke Schaffhausen und Neuhausen
am Rheinfall
–Siemens Schweiz AG Infrastructures &
Cities Sector Building Technologies,
Steinhausen
–Inretis AG, Chur, Vaduz, Naters,
Schaffhausen
Der Ausbau des Gasnetzes in dicht besiedelten Quartieren kann in einem um-
AQUA & GAS N o 4 | 2013
fassenden Energieversorgungskonzept
Vorteile bringen. Die Energieversorgung
von Quartieren kann mit WKK mit thermischen Speichern und Solaranlagen
ausgebaut werden und so einen grösstmöglichen Nutzen bezüglich Versorgungssicherheit und Netzstabilität leisten. Denn nicht die Leistungsgrösse, wie
im Entwurf der Energiestrategie 2050
vermerkt, ist entscheidend für den sinnvollen Einsatz von WKK-Anlagen, sondern der Stromwirkungsgrad. Ab einem
Stromwirkungsgrad der WKK-Anlagen
von >40% erreichen solche Anlagen eine
gleiche ober bessere Umweltverträglichkeit als andere Heizsysteme.
Wird die Gasinfrastruktur zukünftig mit
Biogas und/oder synthetischem Gas aus
überschüssiger erneuerbarer Energie
versorgt, erreichen dezentrale WKK-Kon-
zepte zusätzlich eine hohe Umweltverträglichkeit [5].
Bibliographie
[1] Bundesamt für Energie BFE (2011): Energieszenarien für die Schweiz bis 2050, Zwischenbericht I & II
[2] Bundesamt für Energie (2012): Analyse des
schweizerischen Energieverbrauchs 2000–2011
nach Verwendungszwecken
[3] Sulzer, M. et al. (2011): Energieversorgung für ein
Areal – Beispiel V-ZUG AG, Status-Seminar «Forschen für den Bau im Kontext von Energie und Umwelt» ETH Zürich
[4] Werlen, K.; Pfaffen, S. (2012): Optimale Verwertung der Flexibilität von thermischen Speichern
(WARMup), im Auftrag des BFE
[5] CCEM Competence Center Energy & Mobility
(2012): Forschungsschwerpunkte für Energy-Hub,
Microgrid und Energy-Storage