Inhaltsverzeichnis

Solarthermie im energieautarken Haus

Finanzierbare Eigenversorgung mit Wärme, Strom und Mobilität

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.

Mittwoch, 28.09.2016

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