Wärme

Solarthermie im energieautarken Haus

Finanzierbare Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität

Freitag, 12.12.2014

Energieautark und bezahlbar – dies sind die beiden wesentlichen Attribute der beiden Häuser, die sich zwei Solarpioniere in unmittelbarer Nachbarschaft bauten. Im November 2013 zogen sie ein. Seither versorgen sie sich weitgehend selbst mit Wärme, Strom und Mobilität aus der Sonne. Der Artikel stellt die Projekte im Detail vor.

Die Südostansicht zweier benachbarter energieautarker Häuser.
Quelle: Prof. Timo Leukefeld
Die Südostansicht zweier benachbarter energieautarker Häuser.

Dreh- und Angelpunkt für die Energieautarkie ist das Bau- und Heizkonzept des Sonnenhaus-Instituts: Mittels einer Solarthermie-Anlage decken die beiden Häuser ihren Wärmebedarf weitestgehend direkt aus der Sonne – ohne vorherige Umwandlung in Strom. Rund 80 Prozent des Energieverbrauchs in diesen Gebäuden entfallen auf Heizung und Warmwasser. Ist dieser große Anteil weitestgehend über eine Kollektor-Anlage gedeckt, ist es möglich, auch den restlichen Energiebedarf eines Haushalts regenerativ zu decken.

Solarthermie ist nachhaltig

Solarthermie ist die mit Abstand nachhaltigste Form der Wärmeerzeugung: sie bringt Angebot (Sonne) und Nachfrage (Verbrauch) zusammen. Dies geschieht durch einen Langzeitwärme­speicher, der es ermöglicht, die über Kollektoren gewonnene Wärme über Wochen oder Monate (vom Spätsommer bis in die Heizperiode) vorzuhalten.

Am Standort Freiberg erreichen die beiden Gebäude mit einer jeweils 46 m² großen Kollektorfläche und je einem 9 m³ fassenden Langzeitwärmespeicher (Wasser) eine solare Deckungsrate von über 65 Prozent. Den zusätzlichen Bedarf deckt ein Kaminofen mit Hilfe von etwa zwei bis drei Festmetern Stückholz pro Jahr. Die Kosten dafür liegen derzeit bei etwa 150 bis 250 Euro. Ausschließlich erneuerbare Energien decken den gesamten Wärmebedarf dieser Häuser.

Solarthermie ist effizient

Solarthermie-Anlagen sind effizient: Aus einer Kilowattstunde Strom, die bei diesem solaren Heizkonzept für Pumpen, Stellventil und Regler eingesetzt wird, werden bis zu 150 Kilowattstunden natürliche Sonnenwärme erzeugt. Im Gegensatz dazu liegt dieses Verhältnis beim Einsatz einer typischen Luft/Wasser-Wärmepumpe praktisch bei 1:3.

Dementsprechend ist der Primärenergiebedarf dieser energieautarken Gebäude mit etwa 7 kWh/m²a sehr gering. Er liegt etwa 90 Prozent unter einem Einfamilienhaus nach EnEV 2009 Standard und etwa 80 Prozent unter einem typischen Standard Passivhaus. Diese positive Primärenergiebilanz erreicht das energieautarke Haus allein durch die Kombination: viel (direkte) Sonnenwärme plus (wenig) Biomasse und eigene solare Stromversorgung. Das Haus spart durch die Sonnennutzung bei Wärme, Strom und Mobilität jährlich 5 Tonnen CO2 (im Vergleich zu einem Standard Einfamilienhaus-Neubau nach aktueller EnEV).

Durch Solarthermie zur Stromautarkie

Indem das energieautarke Haus seinen Wärmebedarf zum größten Teil über ­Solarthermie, Langzeitwärmespeicher und mittels Biomasse deckt, ist der Strombedarf über das Jahr hin annähernd gleichbleibend und sehr gering. Dies sowie die generelle Senkung des Stromverbrauchs sind essentielle Voraussetzungen für die Projektierung der Eigenstromversorgung über Photovoltaik und Energiespeicher (Akku).

Eine vierköpfige Familie in Deutschland verbraucht durchschnittlich etwa 5.000 kWh Elektroenergie im Jahr. Die Solarexperten und Bauherren reduzierten in dem energieautarken Haus den Stromverbrauch für eine Familie mit zwei Kindern auf 2.000 kWh/a. Das gesamte Gebäudekonzept verzichtet konsequent darauf, Strom aus dem Netz in Wärme zu verwandeln – wie es beispielsweise für das Heizen mit Wärmepumpen unumgänglich wäre. Nicht nur die Heizung nutzt die solare Wärme direkt, sondern auch Haushaltsgeräte wie Waschmaschine, Trockner und Geschirrspüler.

Schnittgrafik mit den typischen Sonnenhaus-Komponenten.
Quelle: Sonnenhaus Institut e.V.
Schnittgrafik mit den typischen Sonnenhaus-Komponenten.

­Allein dies kann bei solchen Geräten zu Stromeinsparungen von bis zu 80 Prozent führen. Die Vermeidung von Stand-by-Verbrauch, der Einsatz eines hydraulischen Pumpensystems mit geringsten Widerständen im Heiz- und Solarkreislauf sowie ein stromsparendes Lichtkonzept tun ihr Übriges.

Solarthermie- und Photovoltaikanlage auf dem Dach

Eine 8-kWp-Photovoltaik-Anlage deckt den Strombedarf der energieautarken Häuser. Um den selbst gewonnenen Strom flexibler einsetzen zu können, wird dieser in einem entsprechend dimensionierten Akku zwischengelagert (bis zu einer Woche). So kann beispielsweise ein Elektromobil auch noch am Abend, das heißt, wenn die Sonne gerade nicht scheint, mit eigenproduziertem Strom geladen werden. Der Akku ermöglicht es dem Haus, sich autark zu versorgen. Selbst bei Stromausfall können sämtliche Komponenten der Anlage über den Akku versorgt werden.

Sowohl die Solarthermie- als auch die Photovoltaikanlage sind dachintegriert ausgeführt. Dieses so genannte Solardach ersetzt den Dachziegel und stellt ein vollwertiges, dichtes Dach dar. Beide Solaranlagen sind durch die Gebäudeintegration Teil der Außenhülle und wirken nicht aufgesetzt. Dies gibt den Häusern eine anspruchsvolle, hochwertige Optik.

Sonne und Ziegel – eine gewinnbringende Allianz

Da dieses Bau- und Heizkonzept auf eine Wärmequelle setzt, die kostenlos und in jeder Menge zur Verfügung steht, ist ein Mauerwerk in Ziegelbauweise eine optimale und ausreichende Ergänzung. Eine zusätzliche künstliche und kostenintensive Dämmschicht ist nicht notwendig. Die energieautarken Gebäude sind aus Ziegeln mit natürlicher Perlite-Füllung gebaut. Der U-Wert der Wände liegt bei 0,18 W/m²K.

Monolithische Ziegelwände gleichen aufgrund ihrer hohen natürlichen Speicherfähigkeit Temperaturschwankungen aus. Sie bieten eine ausgezeichnete Wärmedämmung und eine lange Wärmespeicherung.

Rund um das Jahr beeinflussen massive Ziegelwände das Klima in einem Haus positiv: Während sie im Winter die Wärme im Haus halten, bewahren sie im Sommer die Kühle. Auch in den Übergangszeiten reicht die Speicherung der Tageswärme in den massiven Wänden aus, für behagliche Raumtemperaturen in der Nacht – ganz ohne zusätzliche Heizung.

Mit Perlite gefüllte Ziegel.
Quelle: Prof. Timo Leukefeld
Mit natürlichem Perlite gefüllte massive Ziegel senken den U-Wert der Wände des energieautarken Hauses auf 0,18 W/m²K.

Die energieautarken Häuser machen sich die Sonnenwärme demnach auf zweifache Art zu Nutze: In den Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint, beziehen sie ihre Wärme nicht nur aus dem Pufferspeicher, sondern auch aus den monolithischen Wänden. So ist das Verhältnis zwischen dem Aufwand zur Gewinnung und Bewahrung von Energie und ihrem kontrollierten Gebrauch im Haus ausgewogen.

Auf übertriebene Dämmung kann in einem massiv gebauten Sonnenhaus verzichtet werden. Dies unterstreicht eine Studie des BSW – Bundesverband Solarwirtschaft e.V. Nach dieser "Kurzstudie zur effizienten Balance zwischen Dämmung und Solarthermie" machen solarthermische Heizsysteme ein Haus bis zu 67 Prozent energieeffizienter, sparsamer, wirtschaftlicher und ökologischer als eine maximal optimierte Gebäudehülle, die von vielen anderen Hauskonzepten favorisiert wird.

Ziegel in Kombination mit einer solarthermischen Anlage nach dem Sonnenhausprinzip führen zu den derzeit effektivsten Häusern im europäischen Markt: mit den geringsten Heizkosten, den geringsten CO2-Emissionen sowie dem geringsten Primärenergie­bedarf. Schon heute erfüllen sie die von der EU für 2020 projektierte Leitvision der "nearly zero energy"-Gebäude.

Ein Elektroauto tankt am energieautarken Haus auf.
Quelle: Prof. Timo Leukefeld
Das energieautarke Haus als Solartankstelle für das Elektroauto.

Der effektive Einsatz effizienter Technologie

Neben klugen Baustoffen setzen die beiden energieautarken Gebäude effiziente Technologien so effektiv wie möglich ein: Sonnenenergie ist als Wärmeenergie komplett und längere Zeit speicherbar. Darauf baut das solarthermische Heizkonzept.

Die entsprechende Technologie zur Wärmespeicherung ist hoch entwickelt und um den Faktor 100 pro kWh Investition kostengünstiger als Stromspeicher (zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkus). Die Investitionskosten für Wärmespeicherung in Wasser liegen derzeit bei etwa 10 bis 30 Euro pro nutzbare Kilowattstunde. Im Gegensatz dazu kostet Stromspeicherung in Lithium-Ionen-Akkus etwa 2.000 bis 3.000 Euro/kWh.

Außerdem bringt eine Solarthermie-Anlage, in der Heizperiode von Herbst bis zum Frühjahr, bei Sonnenschein pro Quadratmeter einen doppelt bis dreifach so hohen Ertrag wie eine Photovoltaik-Anlage.

Energieautarkes Haus versus Passiv-, Plusenergie- und Nullenergiehaus

Im Gegensatz zu dem energieautarken Haus gehen viele andere geläufige Energiekonzepte, wie das Passiv-, Plusenergie-, Nullenergiehaus, einen grundsätzlich anderen Weg. Ihr Effizienzansatz lautet: wenig Wärme verbrauchen – und den verbleibenden Heizbedarf mit Strom decken.

Dementsprechend setzen sie darauf, mittels hoher Investition in die Gebäudehülle, Heizenergie einzusparen. Die trotz allem benötigte Heizenergie decken sie zumeist über eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, also mit Strom.

Häufig sind diese Gebäude mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet. Naturgemäß erzeugt diese den meisten Strom im Sommer. Antizyklisch dazu benötigt die Wärmepumpe den meisten Strom im Winter, was den Stromverbrauch in dieser Zeit häufig um das zwei- bis fünf­fache ansteigen lässt. Ein öffentlicher Strom­anschluss ist daher zwingend. Über diesen Anschluss wird überschüssiger Solarstrom ins Netz eingespeist und an die Energieversorger verkauft. Um die Wärmepumpe zu betreiben, muss der Strom vor allem im Winter aus dem Versorgungsnetz wieder entnommen werden.

Je nachdem, wie viel Strom die Photovoltaikanlage jährlich erzeugt, spricht man für den Fall, dass die jährliche Strombilanz auf dem Papier ausgeglichen ist, von einem Nullenergiehaus; wenn es eine Überschussproduktion gibt, von einem Plusenergiehaus. Physikalisch handelt es sich hier um das Phänomen einer "saisonalen Illusion".

Wegen des Antizyklus von Stromerzeugung und -verbrauch und des damit einhergehenden notwendigen Anschlusses an die öffentliche Stromversorgung, ist tatsächliche Autarkie nicht möglich. Bei Stromausfall gibt es keine Versorgung. Selbst die eigene Photovoltaikanlage auf dem Dach schaltet sich, gemäß den Vorschriften für netzgekoppelte Solarstromanlagen, ab.

Die strombasierten Heiz-Konzepte erhöhen wegen des Antizyklus darüber hi­naus den Überfluss im Sommer, im Winter indes den Mangel (Bedarf der Wärmepumpen). Die Energieversorger müssen, um den hohen Energiebedarf im Winter zu decken, den fossilen Kraftwerkspark hochfahren. Der erhöhte Bedarf kann, aufgrund der typischen, sechs bis acht Wochen währenden Windflaute, mittels erneuerbarer Energien nicht gedeckt werden.

Im Gegensatz dazu entlastet das Energiekonzept der beiden Gebäude in Freiberg die öffentlichen Stromnetze und begründet auf diese Weise nicht nur die Freiheit und Unabhängigkeit seiner Bewohner, sondern ist der Allgemeinheit von Nutzen.

Speicher nutzt der Allgemeinheit

Die Bauherren und Solarexperten ­gehen sogar noch einen Schritt weiter: sie kooperieren mit den regionalen Ener­gieversorgern und stellen diesen den Warmwasserspeicher eines Gebäudes zur Lagerung von Energieüberschüssen zur Verfügung.

Der Wärmespeicher wurde (testweise) mit einer Elektroheizpatrone ausgestattet, den die Versorger für ihr Energiemanagement nutzen können. Die Stadtwerke Freiberg praktizieren dieses Prinzip bereits mit einem riesigen Pufferspeicher (3.200 m³) innerhalb ihres Fernwärmenetzes. Wie ein großer "Tauchsieder" erwärmt die Elektroheizpatrone das Wasser in dem Pufferspeicher. Strom wird so zu Wärme.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Energieaufkommen und -verbrauch sind häufig antizyklisch. Produzieren fluktuierende alternative Stromerzeuger, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, zu viel Strom, bleibt den Versorgungsunternehmen meist nur, diese abzuschalten. Dennoch muss in diesen Fällen die Einspeisevergütung gezahlt werden, obwohl sie keinen Strom für ihre Kunden haben. Das bedeutet für die Versorger "doppelte"Kosten, ohne jeden Nutzen.

Die Speicherkapazität des Freiberger Hauses ermöglicht es den Stadtwerken, im Winter bis zu 550 Kilowattstunden als Wärme einzulagern. Dies hat gleich mehrere Vorteile: Die Windkraftanlagen können weniger gedrosselt werden und die Versorger können den Bewohnern die Wärme, die mittels dieses Stroms von der Elektroheizpatrone erzeugt wird, verkaufen. Den Hausbewohnern kommt die Energie zu gute; sie brauchen den Kamin­ofen seltener einzuheizen. Dies führt zu einer Kosten- und Arbeitsersparnis. Auch Elektrospeicher und Akku des E-Mobils sollen zukünftig von außen angesteuert werden.

Die Vision der beiden Energieexperten macht auch an dieser Stelle nicht Halt: in einem nächsten Schritt stellen sie sich vor, dass die Energieversorger einen Anteil des Gewinns, den sie durch die Einlagerung oder die Entnahme von Energie erwirtschaften, auf die Hauseigentümer, die in den Speicherplatz investieren, umlegen. Statt über staatliche Subventionen, werden auf diese Weise echte ­Anreize geschaffen, sich bei der Entscheidung für ein Hausmodell in die allgemeine Versorgungslage aktiv mit einzubringen.

Bezahlbare Unabhängigkeit durch energieautarkes Haus

Der Prototyp des energieautarken Hauses wurde von einer Projektgruppe der Helma Eigenheimbau AG unter Leitung von Prof. Timo Leukefeld entwickelt. Mit 161 m² Wohnfläche kostet es schlüsselfertig 398.000 Euro (inkl. Bodenplatte, ohne Keller und ohne Grundstück).

In Bezug auf Gesamtkosten, tatsächliche Autarkie und niedrigen Primärenergieverbrauch ist das eine revolutionäre Entwicklung im Markt. Andere Modelle, die sich in einem weiten Rahmen energetisch selbst versorgen, liegen preislich deutlich höher: zum Beispiel das "Effizienzhaus Plus" in Berlin mit Projektkosten von etwa 2,5 Millionen Euro oder das "Haus der Zukunft E-lab" in Stuttgart mit Projektkosten von etwa 5 Millionen Euro.

Ausdrückliches Ziel des Projektes ist es, vielen Menschen eine bezahlbare Alternative im Neubaubereich zu bieten und bei Wärme- wie bei Stromerzeugung auf die Nutzung des krisensicheren Rohstoffs Sonne zu setzen.

Die Bewohner erreichen größtmögliche Unabhängigkeit von Öl, Gas und Strom und den damit einhergehenden Preissteigerungen. Sie entscheiden sich gegen den Verbrauch endlicher Ressourcen und für eine Kultur des Gebrauchens.

Neben der tatsächlichen Unabhängigkeit bietet ein energieautarkes Haus seinen Bewohnern ein hohes Maß an Sicherheit. Zum einen sorgen Speicher und intelligente Verbrauchssteuerung dafür, dass das Gebäude selbst bei Stromausfällen weiterhin zuverlässig mit Energie versorgt ist.

Zum anderen bieten die Häuser eine sichere und werthaltige Altersvorsorge: In Zukunft verlieren Einnahmen immer mehr an Wert. Die Kaufkraft generell, somit auch die der Einnahmen aus dem Verkauf von selbst erzeugtem Strom, geht zurück. Ursachen dafür sind neben der Inflation die steigende Besteuerung und die sinkende Einspeisevergütung.

Einsparungen indes werden in Zukunft den Lebensstandard sichern. Bewohner eines energieautarken Hauses sparen derzeit jährlich rund 5.000 Euro an Kosten für Heizung, Strom und Mobilität. Dieser Betrag steuerfreier Einsparungen, durch die vollständige Eigennutzung der selbst erzeugten Energie, steigt proportional mit der jährlichen Energiepreissteigerung. Die Kaufkraft gewinnt auf diese Weise an Wert.

Das Diagramm zeigt, wie die Kaufkraft bei Einsparungen gewinnt.
Quelle: Prof. Timo Leukefeld
Die Kaufkraft gewinnt bei Einsparungen.

Um dieses Modell noch mehr Menschen zugänglich zu machen, arbeiten die Projektentwickler derzeit an verschiedenen Adaptionen. Ein teilautarkes Modell verspricht geringere Baukosten als das vollständig energieautarke Haus.

Entsprechend konzipierte Mehrfamilienhäuser bieten Vermietern den Vorteil, über Jahre stabile Warmmieten auszuhandeln. Gleichzeitig bleiben Mieter von der Umlage hoher Wartungs- und Folgekosten verschont. Darüber hinaus sollen die vielen Bestandsgebäude, deren energetische Sanierung ansteht, in dieses Konzept mit einbezogen werden.

Von Timo Leukefeld
Gründer und Inhaber Firma Timo Leukefeld – Energie verbindet
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