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Konzepte im Vergleich

Heizung und WW: Erdgas (Zukunft: EE-Gas PV-Anlage); als Passivhaus

Diese Variante ist zunächst als Bezugspunkt identisch zur Basisvariante für die ökonomischen Untersuchungen im Artikel Passivhaus-Effizienz macht die Energiewende wirtschaftlich; hier dargestellt ist die Form der Kostenkurve mit gleichmäßig verteilten Investitionskostenvorteilen der baulichen Effizienz (vgl. Abbildung 5). Das Kostenminium liegt bei 15,4 kWh/(m²a) und ist zugleich das absolute Minimum aller hier behandelten Varianten, das allerdings auch mit der „WW-Wärmepumpe“ in gleicher Höhe erreicht wird. Freilich handelt es sich hier nicht um eine nachhaltige Versorgung. Künftig könnte allerdings das Methan für die Gasheizung aus dem EE-Gas-Netz stammen – um den Strom für die Gaserzeugung bereitzustellen, wären dabei etwa 9000 kWh erforderlich, dies entspricht einer PV-Fläche von etwa 88 m²; dazu kommt die PV-Fläche für die Deckung des Haushaltsstroms mit nochmals 22 m². Diese Gesamt-PV-Fläche am Gebäude tatsächlich zur Verfügung zu stellen, stellt bereits eine Herausforderung dar. Das EE-Gas, überwiegend im Winter benötigt, ist im Vergleich zum heutigen Erdgas teuer. Daher wird sich die Kostenkurve in Zukunft (vgl. Abbildung 6) für das System „Gasheizung“ verschieben und erheblich steiler verlaufen, Kosten unter 152 €/m² sind nicht möglich und das Optimum liegt dann bei einem HWB von 8,8 kWh/(m²a).
Insgesamt ist die Gasheizung bzgl. Nachhaltigkeit und künftiger Kosten keine kluge Wahl.

Heizung und WW Winter: Pelletofen; WW: thermische Solaranlage; Erzeugung: Biomasse, thermische Solaranlage, PV-Anlage – (A) als Passivhaus

Diese Systemkonfiguration ist schon seit Jahren technisch möglich und vielfach bei Passivhäusern ausgeführt worden. Die Investitionen sind deutlich höher als bei der Erdgasheizung, auch die variablen Investitionskosten je kW Heizleistung (Pelletlager). Trotz niedrigerer Brennstoffpreise für die Pellets bleiben die Gesamtkosten immer oberhalb des Referenzsystems (vgl. Abbildung 5). Dafür wird, solange der Biomassebedarf unter der nachhaltigen Verfügbarkeitsgrenze von 33 kWh/m² bleibt (für jeden HWB < 18 kWh/(m²a) der Fall), hier bereits mit einer 22 m² PV-Anlage für den Haushaltsstrom eine nachhaltige Versorgung erreicht. Da die benötigte Biomasse nicht allein auf dem Grundstück wächst, wäre eine Kompensation in Höhe von ca. 40 m² PV-Fläche angemessen.
Fazit: Diese Konfiguration ergibt eine heute und künftig nachhaltige Lösung, ist allerdings nicht die kostengünstigste.

Heizung und WW Winter: Pelletofen; WW: thermische Solaranlage; Erzeugung: Biomasse, thermische Solaranlage, PV-Anlage – (B) als Niedrigenergiehaus

Verbreitet ist die Ansicht, bei Biomasse als Brennstoff wäre sowieso eine nachhaltige Versorgung gegeben und es müssten keine besonderen Maßnahmen zur Effizienzverbesserung getroffen werden. Dass dem nicht so ist, illustriert die Ausführung als 70 kWh/(m²a) Heizwärmebedarf-Niedrigenergiehaus: In dieser Variante wird die nachhaltig verfügbare Biomasse überschritten – damit stehen anderen Nutzern nun zu wenig speicherbare erneuerbare Brennstoffe zur Verfügung und diese müssen wieder auf fossile Brennstoffe ausweichen. Zudem ist dieses System mit um 232 €/m² (vgl. Abbildung 5) für den Nutzer fast doppelt so teuer wie die kostenoptimalen Lösungen.
Fazit: Auch (sogar gerade) mit Biomasse als Brennstoff ist eine hohe Effizienz der Gebäudehülle ökologisch und ökonomisch anzuraten.

Heizung und WW: Außenluft-Wärmepumpe; Erzeugung: PV-Anlage - (A) als Passivhaus

Eine PV-Anlage mit 49 m², südorientiert bei 20° bis 45° auf dem Dach, arbeitet im Netzverbund; sie liefert im Jahr ca. 1000 kWh an das Netz zur Überführung in gespeichertes Methan (Abbildung 3). Die PV liefert zusammen mit dem Netz direkt oder über Speicher (normaler Speicherzyklus ca. 1 Tag) etwa 3270 kWh, der Rest wird über Methan-Verstromung bei einem Gesamt-Wirkungsgrad von um 30 % bereitgestellt. Diese saisonal gespeicherte Energie ist teuer, mit über 30 Cent/kWh muss gerechnet werden. Im Mix mit dem selbsterzeugten PV-Strom und dem erneuerbaren Strom aus dem Netz bleiben die kWh-Preise dennoch bei um 19 Cent/kWh, das bedeutet, ein solches Konzept ist bei Effizienz auf Passivhausniveau ökonomisch durchaus darstellbar (Abbildung 6). Mit bereits heute verfügbarer Außenluft-Wärmepumpe mit Jahresarbeitszahl 2,75, PV und Passivhaus-Standard ergibt sich eine heute wie künftig nachhaltige Lösung – es ist die Lösung mit den heute geringsten Gesamtkosten unter allen hier diskutierten Varianten (vgl. Abbildung 5).

Abbildung 3:
Strom für Haushalt, Warmwasser und Heizung einer typischen Doppelhaushälfte mit Passivhaus-Effizienz
in Deutschland und dessen Deckung aus erneuerbarer Energie im Verbund von PV-Anlage (41 m²)
und erneuerbarem Netzstrom (46 % Wind) (Summe 3600 kWh/a) Monatssummen.


Die Winterlücke mit Bedarf für saisonale Speicherung nimmt wegen des Winterbedarfs für Heizung
auf 23 % der Stromdeckung zu
.


Heizung und WW: Außenluft-Wärmepumpe; Erzeugung: PV-Anlage - (B) als Niedrigenergiehaus

Wird das ansonsten gleiche Doppelhaus nun weniger gut gedämmt und nur als Niedrigenergiehaus mit einem Heizwärmebedarf von rund 70 kWh/(m²a) ausgeführt, so steigt der gesamte Strombedarf für die Außenluftwärmepumpe und den Haushalt auf etwas mehr als das Doppelte (7540 kWh). Ein beträchtlicher Teil davon, 2700 kWh, fällt in den Zeitraum der Winterlücke und muss unter hohen Verlusten (von um 70 %) aus Stromerzeugung zu anderen Zeiten über dem Umweg H2/CH4-Methanspeicher-GUD-Kraftwerk erzeugt werden (vgl. Abbildung 4). Daher steigt die erforderliche PV-Fläche für eine energetisch deckende Versorgung überproportional, nämlich auf etwa 117 m² an. Der teure E-Methan-Strom zieht die Wirtschaftlichkeit nach unten, außerdem fallen erhebliche Infrastrukturkosten an: Die Kosten sind ungefähr doppelt so hoch wie im Fall des Passivhauses – hier wird bereits erkennbar, dass die Kosten für effizientere Energienutzung auf Passivhausniveau (deutlich) niedriger sind als die Kosten der günstigsten verfügbaren jahreszeitlichen Energiespeicherung für erneuerbare Energie.

Abbildung 4:
Strom für Haushalt, Warmwasser und Heizung (Doppelhaushälfte) bei Niedrigenergiehaus-Effizienz
(HWB 70 kWh/(m²a)) in Deutschland und dessen Deckung aus erneuerbarer Energie im Verbund von PV-Anlage
(95 m² (!)) und erneuerbarem Netzstrom (46 % Wind) (Summe 7536 kWh/a).


Nun ist die Winterlücke sehr groß, der hohe Bedarf für saisonale Speicherung (2700 kWh oder 36 % der Stromdeckung)
macht diese Lösung teuer und unattraktiv.


Heizung und WW: Passivhaus-Kompaktgerät; Erzeugung: PV-Anlage als Passivhaus

Das Passivhaus-Wärmepumpen-Kompaktgerät weist gegenüber der Zusammenstellung von Einzelkomponenten erhebliche Synergien auf: Die Jahresarbeitszahlen der verwendeten Wärmepumpen sind deutlich höher (wegen des höheren Temperaturniveaus der Abluft etwa um 3,0), die Hilfsstromverbrauchswerte geringer (wegen gemeinsam von Lüftung und Heizung/WW genutzter Komponenten). Auch die Systemkosten des Kompaktgerätes sollten eigentlich geringer sein als die Summe der Kosten getrennter Komponenten. Leider ist das allerdings derzeit noch nicht der Fall – was vermutlich an den bisher noch geringen Stückzahlen der gefertigten Geräte liegt. Aus diesem Grund ist das Kompaktgerät heute nur im optimalen Einsatz mit den konventionellen Lösungen konkurrenzfähig (vgl. Abbildung 5). Allerding würde sich dies sofort ändern, wenn die Marktpreise auch nur ca. 1200 € unter den bisherigen Angeboten liegen würden: Zwar wäre das Kompaktgerät dann in der Investition immer noch teurer als die Summe der Einzelkomponenten, die verbesserte Effizienz würde nun die Lebenszykluskosten aber unter die der Alternativen senken (Abbildung 6). Das Passivhaus Institut hat Vorschläge erarbeitet, wie die betreffenden Reduktionen bei den Investitionskosten erreichbar wären – es liegt nun an den Herstellern, ob sie diesen Zukunftsmarkt erschließen wollen. Zusammen mit einer PV-Anlage werden so künftig Lebenszykluskosten im Bereich von wenig mehr als 100 €/m² erreicht – deutlich weniger, als heute mit konventioneller Versorgungstechnik für die Heizung ausgegeben wird.

Abbildung 5:
Systemvergleich (heute, 9 Cent/kWh Erdgas, 25 Cent/kWh Strom),
Diskussion siehe Text


Abbildung 6:
Systemvergleich (künftig, 14 Cent/kWh EE-Gas, 19 Cent/kWh PV-Eigen-/Netzstrom Mix)


Heizung und WW: Wärmepumpe mit Wärmequelle Erdreich; Erzeugung: PV-Anlage

Wärmepumpen mit Erdreich (als Sonde oder als Register) als Wärmequelle sollten wegen der höheren Quelltemperaturen bessere Arbeitszahlen aufweisen als solche mit Wärmequelle Außenluft. In Feldstudien hat sich dies bisher allerdings leider nicht bestätigt – wobei eher triviale Regelungsfehler für den mangelnden Erfolg verantwortlich sind. Wir unterstellen hier, dass funktionstüchtige Systeme mit System-Jahresarbeitszahlen von 4 künftig praktikabel sind. Diese Systeme erzeugen dann je kWh eingesetztem Strom deutlich mehr Heizwärme; dadurch sinkt der variable Wärmepreis gegenüber Außenluft-Wärmepumpen – allerdings sind die leistungsbezogenen variablen Investitionskosten ebenfalls höher; die Wärmepreise kommen insgesamt in einen Bereich von um 7,5 Cent/kWh. Dadurch ergibt sich eine deutlich flacher verlaufende Kostenkurve (vgl. Rauten-Symbole in Abbildung 5) deren Optimalpunkt nun bei einem höheren Jahresheizwärmebedarf, nämlich um 24 kWh/(m²a), liegt. Da jedoch die fixen Systeminvestitionen ebenfalls deutlich höher sind als bei der Außenluft-Wärmepumpe, ist die Kurve insgesamt zu höheren Kosten verschoben (Minimum bei 146 €/m²). Interessant ist die Erdreich-Wärmepumpe bei Objekten, bei denen der Heizwärmebedarf deutlich höher als der eines Passivhauses bleibt, z.B. bei der Sanierung von denkmalgeschützten Gebäuden.

Heizung und WW: Jahreswärmespeicher auf Heizwasserbasis; Erzeugung: thermische Solaranlage und PV für Haushaltsstrom

Mit dem bereits in Abschnitt Jahreszeitliche Speicherkonzepte – Übersicht behandelten „Speicher-im-Haus“-Konzept lassen sich heizwärmeautarke Häuser realisieren. Der Heißwasserspeicher müsste für ein Passivhaus etwa 15 m³ Speichervolumen fassen und mit ca. 50 cm Wärmedämmung im Kern des Hauses stehen, damit die Wärmeabgabe des Speichers ebenfalls genutzt werden kann. Dieses System weist sehr hohe fixe und variable Investitionskosten auf. Unter besonders günstigen Umständen kann die kWh Heizwärme für ca. 15 Cent (variabel) erzeugt werden. In Abbildung 5 zeigt die Kostenkurve mit dem hellen Kreissymbol einen sehr steilen Verlauf. Es ist bei diesem System sinnvoll, den Heizwärmebedarf durch noch bessere Dämmung auf unter 7 kWh/(m²a) zu reduzieren und damit die erforderliche Speichergröße und Größe der thermischen Kollektoranlage zu reduzieren. Auch im Optimum sind die Kosten mit um 225 €/m² vergleichsweise sehr hoch. Systeme mit individuellen Heizwasserspeichern zur saisonalen Energiespeicherung sind in Mitteleuropa nicht wirtschaftlich realisierbar; da es sich um eine von vielen Bauherren gewünschte lokal autarke Alternative handelt, lautet der Rat in einem solchen Fall: Das Gebäude zunächst sehr gut wärmedämmen (deutlich über Passivhaus-Anforderung hinaus) und auch eine Wärmerückgewinnung aus dem Brauchwasser vorsehen, um die Investitionen für Speicher und Kollektorfeld bezahlbar zu halten.

Heizung und WW: Jahreswärmespeicher Erdreich unter dem Haus; Erzeugung: thermische Solaranlage und PV-Anlage für Haushaltsstrom

Die Kosten für den Jahreszeitenspeicher lassen sich reduzieren, indem statt des Wassertanks das Erdreich unter dem Haus verwendet wird – eine Voraussetzung ist hier, dass das Grundwasser mindestens 10 m tief fließt, damit die Wärme nicht sehr schnell wegtransportiert wird. Dennoch sind, auch mit Dämmschürze, die Verluste hier beträchtlich – sie müssen über einen noch größeren thermischen Kollektor aufgefangen werden. Dieses Konzept funktioniert nicht mit Heizwärmebedarfswerten über 22 kWh/(m²a), da die Kapazität des Erdreichspeichers damit erreicht wird. In Abbildung 5 ist dieses Konzept durch die Kurve „Erdspeicher“ dargestellt: Minimale Lebenszykluskosten um 168 €/m² lassen sich bei einem Jahresheizwärmebedarf von ca. 10 kWh/(m²a) erreichen – die Dämmung sollte also auch hier deutlich besser sein als nach Passivhausanforderung. Die zugehörige thermische Solaranlage muss etwa 12 m² für die Heizung und 7 m² für Warmwasser auf dem Süddach einnehmen, dafür wird für die Gesamtdeckung des Haushaltsstroms nur noch 22 m² PV gebraucht. Insgesamt ist der thermische Erdspeicher eine der teureren Varianten, allerdings die Systemkonfiguration, bei der zu noch bezahlbaren Kosten eine weitgehend autarke Versorgung ausschließlich auf dem Grundstück erreicht wird (bis auf einen kleinen Teil des Haushaltsstroms) und die den geringsten Flächenbedarf (41 m²) für Solarkollektoren hat.

Heizung und WW: Direktelektrisch; Erzeugung: PV-Anlage; baulich: Passivhaus

Diese Variante wird nur aufgeführt, weil sie derzeit durch die Verzerrungen im Fördersystem einigen Investoren attraktiv zu sein erscheint: Mehrinvestitionen in PV-Fläche werden 2013 immer noch auch dann mit dem vollen Satz vergütet, wenn der eingespeiste Strom gar keine wertige Nutzung erlaubt. So „scheint“ es möglich, statt einer effizienten Stromanwendung bei Heizung und Warmwasser (z.B. durch Wärmepumpen) die investitionsseitig billigere direktelektrische Widerstandsheizung zu verwenden. Bei genauerem Hinsehen ist allerdings selbst dies fragwürdig, denn der PV-Strom kostet ca. 15 Cent/kWh – und bei diesem Strompreis (in diesem Fall identisch zum Wärmepreis) ergibt sich eine steile Kostenkurve in Abbildung 6 (Quadratsymbol). Das Kostenminimum mit dieser Konfiguration liegt bei einem Jahresheizwärmebedarf von 6,8 kWh/(m²a) (also weit besser als die Passivhaus-Anforderung) und bei Lebenszykluskosten von 133 €/m², also deutlich teurer als die Lösungen mit Kompaktgerät oder mit Außenluft-Wärmepumpen. Davon abgesehen ist die ökologische Bewertung dieser Strom-Widerstandsheizungs-Variante ebenfalls wenig günstig.

Siehe auch

Vorhergehende Abschnitte

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