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Energieerzeugung in Zusammenhang mit dem Gebäude

Das Gebäude als Träger von Energieerzeugungsanlagen

Primärer Zweck eines Gebäudes ist es, dem Nutzer einen behaglichen Arbeits- bzw. Lebens-, Rückzugs- und Schutzraum zu bilden. Primärer Zeck eines Gebäudes kann (auch in Zukunft) nicht sein, eine möglichst optimale Plattform für Energieerzeugungsanlagen, insbesondere für Photovoltaik, zu bieten. In letzter Konsequenz würde dies zu eingeschossigen, fensterlosen Bungalows mit großen, weit auskragenden, zum Äquator hin orientierten Pultdächern mit optimaler Neigung führen. Solche uniformen Gebäude sind weder ästhetisch noch städtebaulich, noch aus anderen Positionen heraus in großer Zahl sinnvoll vertretbar. Abgesehen davon ist Deutschland und ebenso Europa weitgehend „gebaut“, der Anteil der Neubauten ist gering. Der Umgang mit dem Gebäudebestand ist die große Herausforderung unserer Zeit, worauf das Passivhaus Institut mit dem EnerPHit-Standard bereits eine Antwort gegeben hat. In den Gebäudebestand sind Energieerzeugungsanlagen nicht grenzenlos implementierbar. Dies aus ästhetischen sowie kulturhistorischen Überlegungen heraus ebenso, wie aus praktischen Gründen (Ausrichtung, Verschattung, Dichte). Im Artikel „Nachhaltige Energieversorgung: Lösungsansätze für den Sektor der privaten Haushalte in Deutschland bis 2050“ von Rainer Vallentin im Protokollband Nr. 46 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser wird von sanierbarem und bedingt sanierbarem Bestand gesprochen. Dies gilt nicht nur für die Energieeffizienz, sondern analog für die Energieerzeugung.

Andererseits ist es geradezu fahrlässig, geeignete Möglichkeiten zur Gewinnung regenerativer Energie nicht zu nutzen. Mittlerweile gibt es genügend Beispiele die zeigen, dass Photovoltaik ästhetisch ansprechend in Gebäude integriert werden kann, ohne diese zu bloßen Energieerzeugungsanlagen zu degradieren.

Relativ zum Energiebedarf haben eingeschossige Gebäude das höchste Erzeugungspotential, weil hier im Bezug auf die Nutzfläche die größte Gebäudeoberfläche zur Verfügung steht. Ähnliches gilt für zweigeschossige Einfamilienhäuser, Doppelhäuser und Reihenhäuser. Daher sollten diese Gebäudetypen in mitteleuropäischem Klima künftig auf Endenergiebasis mehr Energie liefern können, als sie verbrauchen. Solche Gebäude, insbesondere freistehende Einfamilienhäuser sind aber aus städtebaulicher Sicht und wegen ihres hohen Flächenverbrauches nicht optimal. Mehrgeschossige Wohnbauten oder andere Formen verdichteten, innerstädtischen Bauens weisen niedrigere Flächenverbräuche, wie sie in der kompakten Stadt wichtig sind, auf. Sie bieten jedoch, relativ zu ihrer Nutzfläche, weniger Möglichkeit zur (solaren) Energiegewinnung. Aus der Sicht der Energiebilanz allein wären Einfamilien-, Reihen- oder Doppelhäuser kompakteren Gebäuden vorzuziehen, was jedoch im größeren Kontext (selbst energetisch) eine Fehloptimierung darstellen würde. Um dieser Problematik gerecht zu werden, wird vorgeschlagen, die erzeugte Energie auf die überbaute Fläche des Grundstücks oder alternativ auf die durch das Gebäude (und seine Nebenanlagen) verschattete Fläche (hierzu wäre noch ein praktikabler Algorithmus zu entwickeln) zu beziehen und nicht auf die Nutzfläche. Der dahinter stehende Ansatz: Das Gebäude macht sich die begrenzte Ressource „Boden“ zu Nutze - und entsprechend des „Boden-Aufwandes“ sollte es auch die dort verfügbare erneuerbare Energie an die Gemeinschaft liefern. Für die primäre Funktion des Gebäudes, nämlich die verfügbar gemachte Nutzfläche, bildet weiterhin die schon klassisch eingeführte Dichtebewertung (z. B. mit der GFZ) die zentrale Bewertung.

Photovoltaik versus thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung

Photovoltaik-Anlagen erreichen heute Systemwirkungsgrade um 10 % bezogen auf die eingestrahlte Solarenergie. Mit thermischen Solarkollektoren, insbesondere mit Vakuumkollektoren, lassen deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen. Es bietet sich jedoch an, Warmwasser nicht direktelektrisch, sondern via Wärmepumpe zu bereiten, um so den Systemwirkungsgrad des photovoltaischen Systems zu verbessern. In Abbildung 8 werden die Erträge und Deckungsgrade verschiedener solarelektrischer und solarthermischer Anlagen verglichen. Zunächst wird hier von einer Photovoltaikanlage mit einem Systemwirkungsgrad von 10 %, gekoppelt mit einem Wärmepumpensystem mit einer Jahresarbeitszahl von 2,3 ausgegangen. Es zeigt sich, dass diese Kombination dem solarthermischen System in allen Fällen unterlegen ist, wenn ausschließlich der Beitrag zur Warmwasserbereitung betrachtet wird. Sobald die thermische Anlage eine Größe erreicht, bei der im Sommer mehr Energie bereitgestellt, als benötigt wird, schwindet der Vorteil dieses Systems, die Deckungsgrade nähern sich an. Im Vergleich zu einer thermischen Solaranlage mit einem solaren Deckungsgrad von 80 % ergeben sich in den Sommermonaten allerdings Stromüberschüsse, welche ins Netz eingespeist werden können, wodurch das solarelektrische System bei primärenergetischer Betrachtungsweise überlegen wird.

Solarthermische Systeme bieten, über Vakuumröhren-Kollektoren in Verbindung mit Solarschichtspeichern hinausgehend, wenig Potential für weitere Verbesserungen. Anders stellt sich die Situation bei solarelektrischen Systemen in Verbindung mit Wärmepumpensystemen dar. So erscheinen Abwasser-Wärmepumpen mit Jahresarbeitszahlen über 4 durchaus realistisch. Solarzellen mit über 20 % Wirkungsgrad sind bereits verfügbar, Systemwirkungsgrade über 15 % damit erreichbar. Ein solches System (JAZ = 4, ηPV = 15 %) ist selbst dem Vakuumröhrenkollektor in allen untersuchten Fällen bezüglich des Deckungsgrades überlegen und zusätzlich ab dem Beispiel „50 % solarthermischer Deckungsgrad“ in der Lage, in den Sommermonaten Strom an das Netz zu liefern. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil des solarelektrischen Systems dar: Während in solarthermischen Anlagen ein mögliche „Überproduktion“ solarer Wärme ungenutzt bleibt, können solarelektrische Anlagen die „Überschussenergie“ in das Netz abgeben, wo sie sinnvoll genutzt werden kann (dies übrigens auch in einem Stromnetz der Zukunft, wo überschüssiger Solarstrom beispielsweise in speicherbares Methan oder Methanol (allerdings mit einem eher schlechten Wirkungsgrad) umgewandelt werden kann.

Abbildung 8:
Vergleich der Erträge von thermischen und photovoltaischen Warmwasserbereitungsanlagen unterschiedlicher Größe,
erstellt mit den PHPP-Blättern „SolarWW“ [PHPP 6.1] und PV.


Grundlage ist das Beispielgebäude Passivhaus Kranichstein
(Reihenendhaus, 156 m² Energiebezugsfläche, unverschattetes, optimal ausgerichtetes Kollektorfeld.


Rolf-Peter Strauß hat diese Thematik in [Strauß 2011] auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten untersucht und kommt zu dem überraschend klaren Ergebnis, dass die solarelektrische Variante der solarthermischen sowohl unter Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit als auch bezüglich der erzielbaren Energieeinsparungen vorzuziehen ist: „Die Untersuchungen zeigen, dass bei gleichen Solarflächen die Investitionskosten ähnlich sind, allerdings lässt sich mit der solarelektrischen Variante deutlich mehr Energie einsparen. Dadurch ist diese Variante – auch ohne Förderung – wirtschaftlich interessanter.“

Photovoltaik als Basis für die Gebäudeenergieversorgung – eine weltweite Betrachtung

Zumindest in Klimaten mit Heizwärmebedarf scheint evident, dass das jahreszeitliche Maximum solarer Energieerzeugung nicht mit dem Maximum des Energiebedarfes zusammenfällt. Wenn im Winter die Heizung gebraucht wird, ist das Solargangebot gering. Es kann von einem „Winterloch“ gesprochen werden. In Kühlklimaten dagegen können Bedarf und Erzeugung besser zusammen passen. Es muss am meisten gekühlt werden, wenn die Solarstrahlung maximal ist. Abbildung 9 zeigt die Übereinstimmung von Bedarf und Erzeugung. Dabei stellt der dunkelste Grauton eine sehr gute Übereinstimmung dar die sich verschlechtert, je heller das Grau wird.

Abbildung 9:
Übereinstimmung von Endenergiebedarf (Gebäudeklimatisierung, Hilfs- und Haushaltsstrom)
und photovoltaischer Erzeugung


Für diese Karte wurde der Jahresendenergiebedarf eines Referenzgebäudes und die zugehörige Photovoltaik-Fläche zu dessen Deckung ermittelt. Es handelt sich hierbei um ein Gebäude, welches für das jeweilige Klima des Standortes ökonomisch optimiert wurde. Variiert wurden die Dämmstärke, die Gebäudetechnik und die Fensterrahmen/Verglasungen. Das Modell wurde in [Feist 2012] entwickelt. Sodann wurden monatsweise Bedarf und Erzeugung verrechnet und die nichtsolaren Reststromanteile summiert und dem Jahresendenergiebedarf gegenübergestellt. Ist der Reststrombedarf kleiner 10 % des Jahresendenergiebedarfes, liegt eine sehr gute Übereinstimmung vor, bei kleiner 20 % eine gute, bei größer 40 % eine schlechte. Zusätzlich sind die Gebiete ausgewiesen, in denen die benötigte PV-Fläche zur bilanziellen Deckung des jährlichen Bedarfes größer als 1/3 der Energiebezugsfläche ist (hellster Grauton). Es zeigt sich, dass dies nur auf extrem dünn besiedelte Gebiete in Grönland, Skandinavien, Russland und den südlichen Zipfel Südamerikas zutrifft. Es zeigt sich weiter, dass in weiten Teilen der Welt gute Übereinstimmung gegeben ist. Lediglich das nördliche Nordamerika, Nordeuropa und weite Teile Nordasiens sind hier unterprivilegiert. Wird diese Karte mit der Bevölkerungsverteilung verglichen, kann festgestellt werden, dass die Bevölkerungsdichte in diesen problematischen Gebieten, abgesehen von Nordeuropa, gering ist. In diesen Gebieten ist jedoch eine gute Versorgung mit Biomasse gegeben, sodass eine gute Möglichkeit zur nachhaltigen Energieversorgung des Gebäudesektors auf der Basis von Passivhäusern besteht.

Abbildung 10 weist die Photovoltaikflächen aus, die benötigt werden, um die Eigenversorgung im Monat mit dem höchsten Bedarf realisieren zu können (Annahme: Wärme/Kälteversorgung mittels Wärmepumpe mit einer JAZ von 2,72). Dabei wurde 1/3 der Energiebezugsfläche des Referenzgebäudes als maximal zur Verfügung stehende Fläche angenommen. Flächenbedarfe, die über dieses Maximum hinausgehen, sind im hellsten Grauton dargestellt.

Eine Versorgung unter diesen Annahmen ist in weiten Teilen der Welt möglich. Ausnahmen bilden lediglich der Süden Südamerikas, der äußerste Norden der USA, Kanada, Grönland, Island, Mittel- und Nordeuropa sowie Russland und teilweise auch Japan. Auffällig ist eine verhältnismäßig große, auf diese Weise nicht versorgbare Region in China. Dies kann durch den dortigen hohen Entfeuchtungsbedarf und eine geringe Solarstrahlung durch hohe Bewölkungsgrade bedingt sein.

Abbildung 10:
Benötigte PV-Fläche im Monat mit dem höchsten Energiebedarf.


In den Regionen, die im hellsten Grauton dargestellt sind, beträgt die benötigte Photovoltaikfläche
über 1/3 der Energiebezugsfläche des Referenzgebäudes.


Abbildung 11 zeigt rechts eine Karte Deutschlands, in welcher der Flächenbedarf relativ zur Energiebezugsfläche dargestellt ist, der benötigt wird, um das Referenzgebäude im ungünstigsten Monat mit Energie zu versorgen (Annahme: Gebäudeklimatisierung und Warmwasserversorgung über Wärmepumpe, Jahresarbeitszahl 2,72). „1“ bedeutet dabei, dass die benötigte Fläche der Energiebezugsfläche entspricht (erreichbar mit einem eingeschossigen Gebäude), „0,5“ dass eine Photovoltaikfläche von 50 % der Energiebezugsfläche benötigt wird (erreichbar mir einem zweigeschossigen Gebäude). Links die gleiche Karte, jedoch ist hier die Fläche (relativ zur Energiebezugsfläche) ausgewiesen, die benötigt wird, um den Energiebedarf im Jahresmittel zu decken.

Abbildung 11:
In Deutschland relativ zur Energiebezugsfläche benötigte Photovoltaikfläche
zur Deckung des Endenergiebedarfs des Referenzgebäudes
im ungünstigsten Monat (rechts) und im Jahresmittel (links
)


Es zeigt sich, das für das ökonomisch optimierte Passivhaus-Referenzgebäude (dreigeschossiges Reihenendhaus) deutschlandweit Photovoltaikflächen zwischen 25 % und 30 % der Energiebezugsfläche ausreichen, um das Gebäude zu einem echten („echt“, da die gesamte Betriebsenergie einbezogen wurde) bilanziellen Nullenergiehaus zu machen. Diese Flächen können, optimale Orientierung und Neigung vorausgesetzt, auf Dächern von drei- bis viergeschossigen Gebäuden bereitgestellt werden. Mit Blick auf die bilanzielle Komplettversorgung im ungünstigsten Monat muss für Deutschland jedoch festgestellt werden, dass (selbst im Falle von eingeschossigen Gebäuden) keine ausreichenden Flächen verfügbar sind. Es verbleibt ein „Winterloch“, in dem auch optimierte Passivhäuser auf absehbare Zeit mehr Energie benötigen, als sie produzieren können. Es stellt sich nun die Frage, wie und ob dieses Winterloch zukunftsfähig gestopft werden kann.

Wider dem Winterloch

Das „Winterloch“ kommt in Heizklimata zu Stande, da in einem zukünftigen Energieversorgungssystem die solare Energieproduktion im ungünstigsten Monat um etwa den Faktor 7 geringer ist, als im günstigsten Monat. Zwar liefert die Windkraft im Winter einen höheren Ertrag, als im Sommer, hier liegt der Faktor zwischen ungünstigstem und günstigstem Monat aber nur bei etwa 3 und die solare Energieproduktion liegt laut dem Szenario ae[r]e künftig deutlich über der Windenergieproduktion. Zudem ist der Energiebedarf im Gebäudesektor aufgrund der Dominanz des Heizenergiebedarfes im Bestand im Winter deutlich höher, als im Sommer (vgl. Abbildung 12, oben). Der Energiebedarf im Januar ist in diesem Beispiel („Bestand“) fast 15 mal höher, als im Juli. Es kommen hier also, mit Bezug auf das Jahresmittel, ein überdurchschnittlicher Bedarf und ein unterdurchschnittliches Angebot zusammen. Dieses Winterloch muss, um eine verlässliche Versorgung sicherzustellen, gefüllt werden. Unabhängig davon, wie dies geschieht steht fest, dass jegliche Energieproduktion allein für einen Teil des Jahres im verbleibenden Teil des Jahres schlecht ausgelastet, und damit teuer ist. Schon deshalb ist anzustreben, den Energiebedarf möglichst zu verstetigen. Im Passivhaus ist nicht mehr der stark jahreszeitenabhängige Heizenergiebedarf dominant. Somit gelingt hier eine Verstetigung, der Energiebedarf im Januar beträgt nur noch das 2,3-fache des Julibedarfes (vgl. Abbildung 12, unten).

Zur Deckung des Winterloches steht in einem zukünftigen Energiesystem zunächst die speicherbare Biomasse und weiterhin z. B. „Windgas“ oder „Windmethanol“, also in chemische Energieträger umgewandelte solarelektrische- und Windenergie zur Verfügung. Letztere Option ist, wie im Abschnitt Primärenergie, kumulierter Energieverbrauch (KEV) im Teilabschnitt „Beispiel Photovoltaikstrom“ diskutiert, mit hohen Verlusten behaftet und Biomasse ist nicht unbegrenzt verfügbar.

Es stellt sich also die Frage, wie groß das Winterloch sein darf, um eine zukünftige nachhaltige Energieversorgung sicher zu stellen. In Abbildung 12 ist dies anhand eines Beispielgebäudes in drei Varianten erläutert. Die Varianten „Bestand“, „EnEV“ und „Passivhaus Best Practice“ (dabei handelt es sich um die Variante „Best Practice“ aus dem Artikel „Möglichkeiten zur weiteren Optimierung von Strombedarf, Hülle und Haustechnik“) unterscheiden sich durch die Komponenten der Hülle inkl. Lüftung. Anlagentechnik und Haushaltsstrom (entsprechend „Best Practice“) sind identisch. Die Heizwärmeversorgung und Warmwasserbereitung erfolgt mittels Wärmepumpe mit jeweils monatlich unterschiedlichen Arbeitszahlen (zwischen 1,7 für Warmwasser im Januar und 3,2 für Heizen im Sommer). Das Dach ist zu 50 % mit einer Photovoltaikanlage mit einem Systemwirkungsgrad von 10 % belegt. Die Erträge werden monatlich ausgewiesen. Während bei der „Passivhaus“-Variante die PV-Anlage de facto mit Ausnahme der Monate November, Dezember, Januar und Februar ausreicht, um den kompletten Endenergiebedarf des Gebäudes zu decken, ergeben sich beim Altbau nur im Juni, Juli und August solarelektrische Überschüsse, die in das Stromnetz eingespeist werden können.

Abbildung 12:
Monatlicher Endenergiebedarf, solarelektrische Energieproduktion, Biomassepotential und Stromexport
des Beispielgebäudes in verschiedenen Energiestandards.


Die Varianten unterscheiden sich nur bezüglich der Komponenten der Hülle inklusive der Lüftung,
die Gebäudetechnik und der Haushaltsstrombedarf sind in allen Fällen identisch.
Heizen und Warmwasserbereitung via Wärmepumpe.


Aus Abbildung 12 oben ist sofort ersichtlich, dass der Bedarf des Gebäudes weit über dem liegt, was die Solaranlage liefert und zusätzlich durch Biomasse bereit gestellt werden kann (hier wurde das bereits im Abschnitt Nachhaltig nutzbare Energie im Teilabschnitt „Zur Biomasseverfügbarkeit“ genannte Potential für Deutschland angesetzt und mit einem Konversionsfaktor 0,5 von Primärenergie zu Strom versehen). Gleiches gilt für das Gebäude nach EnEV, bei dem noch nicht einmal der Heizenergiebedarf aus der Kombination Biomasse und PV gedeckt werden kann. Hinzu kommt, dass die Variante nach EnEV in der Lebenszyklusbetrachtung unter dem wirtschaftlichen Optimum bleibt (vgl. [Kah et.al. 2008]) und alles, was heute in mittlerer thermischer Qualität gebaut oder saniert wird, in den kommenden Jahrzehnten unter ökonomischen Gesichtspunkten nicht energetisch verbessert werden kann (vgl. z. B. [Vallentin 2010]).

Beim Passivhaus hingegen ist dies nicht nur möglich, es kann sogar ein kleiner Netto-Stromexport erfolgen. Die hier gezeigte Variante ist ein echtes Plusenergiehaus, trotz der verhältnismäßig kleinen Solaranlage. Darüberhinaus lässt das Gebäude einen Spielraum bei der Biomasse. Dieser Puffer wird z. B. für bedingt sanierbare Bestandsgebäude benötigt (vgl. dazu auch den Artikel „Nachhaltige Energieversorgung: Lösungsansätze für den Sektor der privaten Haushalte in Deutschland bis 2050“ von Rainer Vallentin im Protokollband Nr. 46 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser).

Während zu erwarten ist, dass in einem zukünftigen Energieversorgungssystem auf Grund des besseren Angebotes der Preis der Energie im Sommer niedrig sein wird, ist es logisch, dass Energie im Winter mehr kostet. Gerade dann, wenn am meisten Energie gebraucht wird. Auch unter diesem Gesichtspunkt drängt sich das Passivhaus-Konzept (bzw. der angelehnte EnerPHit-Standard) auf und stellt sich als nachhaltig, weil hochgradig sozial dar, da nur so minderbegüterte Menschen in Zukunft werden heizen können. Um einer Situation, in der sich große Teile der Bevölkerung (ohne staatlich Hilfen) kein warmes zu Hause leisten können, vorzubeugen, empfiehlt es sich natürlich, den Passivhaus Standard mit staatlichen Mitteln stärker zu fördern. Davon unabhängig besteht die Möglichkeit, die im Winterloch benötigte Energie anders zu bewerten, als die während der Sommermonate gebrauchte. Dies könnte anhand eines gleitenden Faktors geschehen, der sich aus der Höhe des Restenergiebedarfs und der verfügbaren Energie im jeweiligen Monat ergibt: Je mehr Energie benötigt wird, umso höher wird der Faktor, z. B.:

RestE/ regenerativ VerfügbE * RestE

Damit würden Gebäude, die weniger Energie verbrauchen als verfügbar ist, bevorzugt und jene, welche mehr als regenerativ verfügbar ist, bestraft. Die drei Beispiele würden sich wie folgt darstellen:

Abbildung 13:
Endenergiebedarf und bewerteter Endenergiebedarf
der Gebäudevarianten.


Siehe auch

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