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Best-Practice-Beispiel: Völlig losgelöst

Fassade und Dach sind ein großes Solarkraftwerk

Die einzige Energiequelle des Hauses ist die Sonne. Dafür liefert die gesamte Gebäudehaut vom Dach bis zur Fassade Solarstrom. (Copyright: Umwelt Arena Schweiz)

Völlig losgelöst

Energieautarkes Mehrfamilienhaus kommt ohne Netzanschluss aus

Die Schweizer Umweltarena Spreitenbach hat ein innovatives Gebäudekonzept für ein Mehrfamilienhaus umgesetzt. Es bezieht seine Energie komplett aus der Sonneneinstrahlung. Ein ausgeklügeltes System aus Strom- und Wärmespeichern liefert auch in sonnenarmen Zeiten genügend Energie. Entstanden ist ein autarkes Mehrfamilienhaus ohne Anschluss ans Strom- und Gasnetz.

In der kleinen Gemeinde Brütten im Kanton Zürich, hat die Schweizer Unabhängigkeit eine neue Dimension erreicht: Dort steht ein energieautarkes Mehrfamilienhaus komplett ohne Strom- und Gasanschluss. Es hat dafür Ende 2018 den Energy Globe Award Switzerland erhalten. Die Vision für das Haus hatte Walter Schmid, Gründer und Verwaltungsratspräsident der Umwelt Arena Schweiz in Spreitenbach. Er kaufte in Brütten, einem kleinen Ort auf dem Weg zwischen Zürich und Winterthur, ein Grundstück, ließ den darauf stehenden Gasthof komplett abreißen und machte sich daran, das erste völlig energieautarke Mehrfamilienhaus errichten zu lassen. Ohne Netzanschluss und ohne externe Energiequelle produziert das Haus die ganze Energie, die die Bewohner sowohl in Form von Strom als auch von Wärme verbrauchen, selbst. Sogar an die Mobilität ist gedacht. Den neun Familien, die das Haus bewohnen, stehen ein Elektro- und ein Biogasfahrzeug zur gemeinschaftlichen Nutzung zur Verfügung.

Das ganze Haus ist ein Solarkraftwerk

Die Energie für Haus und Fahrzeuge wird einerseits durch die Solarmodule erzeugt, die die komplette Gebäudehülle des dreistöckigen Mehrfamilienhauses bilden. Dazu haben die Installateure an allen Seiten Dünnschichtmodule auf die Fassade montiert. Insgesamt 470 m² Modulfläche hat der Hersteller Meyer Burger aus Thun produziert. Um den optischen Ansprüchen des Architekten zu entsprechen, hat der Hersteller den Modulen eine matte Oberfläche verpasst. Dies war auch notwendig, um die Erlaubnis zu bekommen, eine Solarfassade in dem Wohngebiet in Brütten installieren zu dürfen. Denn eine andere Moduloberfläche hätte einen Teil des Sonnenlichts reflektiert und damit die Nachbargebäude geblendet. Ein zweiter Generator bedeckt das komplette Dach und fungiert gleichzeitig als Eindeckung. Hier kamen hocheffiziente monokristalline Solarmodule zum Einsatz. Insgesamt leistet das Solardach 79,54 kW. Die Solarfassade hat eine Nennleistung von 46,95 kW, die aber wegen der ungünstigen Ausrichtung zur Sonne nur selten erreicht wird. Dafür ist die Solarfassade im Winter besser zur tiefer stehenden Sonne ausgerichtet als die Dachanlage. Die Planer haben ausgerechnet, dass eine Stunde Sonne im Sommer ausreicht, damit die Solarhülle des Gebäudes den gesamten Energiebedarf der Bewohner für einen Tag sicherstellen kann.

Das heißt, dass vor allem an sonnigen Tagen viel mehr Energie erzeugt wird, als die Hausbewohner verbrauchen. Deshalb haben sich die Planer ein umfangreiches Speicherkonzept ausgedacht. Zunächst fließt der überschüssige Solarstrom in einen Lithium-Eisenphosphat-Speicher von Helion Solar, der im Keller steht. Dieser besteht aus zwei Blöcken mit einer Leistung von jeweils 55 kW, die parallel zueinander geschaltet in die gesamte Hausanlage eingebunden sind. Zusammen haben Sie eine nutzbare Kapazität von 153 kWh. Sie reicht aus, um den Energiebedarf des Gebäudes für zwei bis drei Tage komplett abzudecken.

Batterien werden zum Energieversorger

Die beiden Batteriewechselrichter haben die Aufgabe, das Netz im Gebäude aufzubauen und stabil zu halten. Denn auch in einem Mehrfamilienhaus ohne Anschluss an das allgemeine Verteilnetz muss die Frequenz im Hausnetz stabile 50 Hertz betragen, damit die Bewohner ihre gewohnten elektrischen Geräte betreiben können. Das gilt auch für die Wärmeerzeuger, die mit dem Solarstrom aus der Fassade und vom Dach betrieben werden. Die Batteriewechselrichter steuern auch die Solaranlagen. Denn deren Wechselrichter warten darauf, dass die Batteriewechselrichter eine Frequenz vorgeben. Erst dann schalten sie sich ein. Liefern die Solaranlagen zu viel Leistung, erhöhen die Batteriewechselrichter die Frequenz und die Wechselrichter der Solaranlagen regeln sich selbst ab.

Wenn der Lithium-Ionen-Speicher voll ist und die Last im Gebäude unter dem Ertrag aus den Solaranlagen liegt, wird ein Langzeitspeicher mit dem Solarstrom gefüttert. Das ist ein Elektrolyseur, der mit dem überschüssigen Solarstrom Wasser in seine Bestandteile aufspaltet. Er kann eine Leistung von 14,5 kW aufnehmen und produziert so 2 m³ Wasserstoff pro Stunde und lagert ihn mit einem Fülldruck von 27,5 bar in zwei Wasserstofftanks ein. Die beiden unterschiedlich großen Tanks befinden sich außerhalb des Gebäudes. Der größere hat ein Volumen von 72.000 l, der kleinere von 48.000 l.

Brennstoffzelle übernimmt Winterstromversorgung

Mit dem gespeicherten Wasserstoff wird bei Bedarf ein BHKW mit einer Brennstoffzelle betrieben. Das BHKW hat eine elektrische Leistung von 6,2 kW und eine thermische von 5,5 kW. Der Strom wird in den Batteriespeicher eingespeist, der damit an bewölkten Tagen die Stromversorgung sicherstellt, die nutzbare Reaktionswärme wird für die Brauchwarmwasser-Erwärmung und das Heizen eingesetzt. Die Bilanz nach dem ersten Winter hat gezeigt, dass – wie berechnet – lediglich eine Stromlücke von 10 % besteht, die mit dem Wasserstoff abgedeckt werden kann.

Um auch an dunklen Herbst- und Wintertagen genügend Wärme zur Verfügung zu haben, wurden unter dem Haus zwei riesige Stahl-Email-Tanks installiert. Zusammen können sie 250 m³ heißes Wasser mit einer Temperatur von 65°C speichern. Daneben gibt es auch noch konventionelle Heizwasserspeicher. Die Verteilung der Wärmeenergie erfolgt entweder direkt oder indirekt über die entsprechenden Speichersysteme durch ein auf die Betriebsweise des Gebäudes abgestimmtes Niedertemperatur-Heizsystem mit Fußbodenheizung. Das Brauchwasser wird mit einer Warmwasserstation erwärmt.

Wärmepumpe nutzt mehrere Quellen

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe lädt im Sommer mit überschüssigem Solarstrom die Wärmespeicher, außerdem wird sie zur Brauchwassererwärmung und zum Heizen eingesetzt. Dabei nutzt sie verschiedene Wärmequellen: Die Außenluft, die Abwärme aus der Wasserstoffelektrolyse und aus dem Batterieraum, die thermischen Langzeitspeicher sowie Erdwärme über zwei 338 m lange Erdsonden. Steht wenig Strom zur Verfügung, wählt die Steuerung dabei jeweils die wärmste Energiequelle, um den Wirkungsgrad der Wärmepumpe zu maximieren.

Ohne dicken Mantel geht es nicht

Mit diesem ausgeklügelten kaskadierenden System von Erzeugern und Speichern kann die mit dem Verbrauch zeitversetzte Erzeugung von Solarstrom bestens aufgefangen werden. Selbst längere Zeit ohne Solarstrom kann das Gebäude mit dem Brennstoffzellen-BHKW überbrücken. Doch selbst damit wäre es kaum möglich, eine Energieschleuder zu versorgen. Deshalb haben die Planer auch den Verbrauch auf ein Minimum reduziert. Neben einer konsequenten Nutzung von besonders energieeffizienten Haushaltsgeräten haben sie das Gebäude auf hohem Niveau gedämmt. So liegt der Wärmebedarf für die Heizung bei nur 14,7 kWh/m² im Jahr. Damit werden im Gebäude nur 19,5 MWh Heizenergie pro Jahr benötigt. Dazu kommen noch 23 MWh für die Warmwasserversorgung. Dieser Wärmebedarf kann problemlos mit der Wärmepumpe, der Abwärmenutzung aus der Elektrolyse, der Brennstoffzelle und dem Batterieraum abgedeckt werden.

Für den Betrieb der Wärmepumpe und die Stromversorgung der Bewohner stehen pro Jahr 92 MWh Solarstrom zur Verfügung. Davon kommen 71 % vom Dach des Gebäudes, den Rest liefert die Solarfassade. Ein Gebäudeleitsystem erfasst die Energieströme, wertet sie aus und sorgt dafür, dass Energieversorgung und -bedarf immer optimal aufeinander abgestimmt werden. Im Sommer steuert das Gebäudeleitsystem außerdem die automatische Verschattung am Gebäude. Weitere Besonderheiten des Hauses sind unter anderem wassersparende Sanitäranlagen, eine Wärmerückgewinnung bei den Duschen und moderne LED-Technologie für die Beleuchtung im ganzen Gebäude.

Auf einem Tablet in jeder Wohnung können die Bewohner immer sehen, wie viel Strom oder auch Wasser sie verbrauchen und die Konfiguration des Systems an ihre Bedürfnisse anpassen. Beispielsweise lassen sich Zeitschaltprogramme für Verbraucher anlegen. Die Mieter zahlen keine direkten Energiekosten für Strom und Wärme. Jede Wohnung erhält ein Energiebudget. Die Verrechnung erfolgt anschließend nach dem Bonus­-Malus-­Prinzip.

Weitere Informationen: Die Umwelt Arena Schweiz in Spreitenbach ist eine Ausstellungs- und Veranstaltungsplattform zum Thema Nachhaltigkeit. Sie hat das energieautarke Mehrfamilienhaus in Brütten gemeinsam mit Ausstellungspartnern realisiert. Die Ausstellung „Energieautarkes Mehrfamilienhaus“ in der Umwelt Arena zeigt den Aufbau und die technischen Lösungen anhand eines Großmodells.


Das Best-Practice-Beispiel stammt aus der Datenbank von Solar Age.

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