Autark im Mehrfamilienhaus

Was in Brütten, einem Dorf in der Nähe von Zürich, derzeit Gestalt annimmt, dürfte ein Novum sein. Ein energieautarkes Haus für mehrere Familien steht kurz vor der Fertigstellung. Kein Stromanschluss, kein Gasanschluss, kein Fernwärmeanschluss. Die Versorgung der Bewohner mit Wärme, Warmwasser und Strom leistet das Gebäude selbst. Es ist das jüngste Projekt der Umweltarena Spreitenbach, das sie gemeinsam mit Partnern realisiert. Damit diese Idee Realität werden konnte, bedurfte es der Zusammenarbeit vieler Experten und natürlich einer Vision.

Dafür sorgte der Umweltpionier und Kompogas-Erfinder Walter Schmid. Er kaufte das Grundstück in Brütten, riss den darauf befindlichen alten Gasthof ab und errichtet nun das ambitionierte Bauprojekt. Schmid, der auch als Gründer und Verwaltungsratspräsident der Umweltarena in Spreitenbach aktiv ist, tritt gemeinsam mit der Umweltarena als Bauherr für das erste energieautarke Mehrfamilienhaus auf.

Ganz ohne fremde Energie

Das Gebäude bietet auf rund 1.000 Quadratmetern Nutzfläche Platz für insgesamt neun Wohneinheiten mit Flächen zwischen 80 und 145 Quadratmetern. Mit diesem Projekt wollen die Bauherren den Beweis antreten, dass ein Neubau dieser Größenordnung und Nutzung gänzlich ohne fremde Energiezufuhr auskommt. Das Team der René Schmid Architekten entwarf ein Gebäude, das seinen Bewohnern eine komfortable Wohnsituation bietet und zugleich als leistungsstarkes Kraftwerk arbeitet. Damit das alles funktioniert, waren Produktion, Speicherung und Verbrauch aufeinander abzustimmen.

„Eine große Herausforderung war die Simulation, um die verschiedenen Komponenten zu dimensionieren. Die größte Unbekannte dabei ist der zukünftige Bewohner, dem wir ja nichts vorschreiben und ihn auch nicht einschränken wollen“, berichtet Roland Zwingli, Geschäftsführer von RZ Energiemanagement aus Waldkirch. Er ist der Projektleiter Elektrik, man könnte ihn auch das elektrische Gewissen des Hauses nennen.

Der erste Schritt war die Erstellung des Wärmeverbrauchsprofils für Heizung und Warmwasser. Die Fachhochschule Luzern hat das ganze Haus wärmetechnisch simuliert und den Wärmeverbrauch errechnet. Nachdem die Wärmeleistung bekannt war, ging es um die Simulation des voraussichtlichen Strombedarfs.

Simulation und Planung Neuland

Verschiedene Szenarien wurden jeweils auf zehn Jahre simuliert. Im Ergebnis stand neben der relativ genauen Wärmeleistungsberechnung ein nicht exakt berechenbarer Wert für den voraussichtlichen Strombedarf im Haus. Drei Monate kalten Winter ohne direkte Sonneneinstrahlung, dieses recht unwahrscheinliche Worst-Case-Szenario kann das Haus abdecken. „Aber bei diesem Projekt ist nicht nur der Strombedarf im Fokus. Genauso wichtig ist es, darauf zu achten, dass möglichst wenig Energie verloren geht“, betont Roland Zwingli. Nachdem es rechnerische Werte für Verbrauchsspitzen und Normallastgänge gab, konnten Dimensionierungen für Kurz- und Langzeitspeicher erarbeitet und natürlich die Mindestgröße der Photovoltaikanlage berechnet werden. Die Energie aus der Solaranlage ist die einzige Energiequelle des Hauses. Kein Strom-, Gas- oder Ölanschluss versorgt das Haus.

Energiebudget statt Nebenkosten

Jede Wohnung hat ein individuelles Energiebudget, unterteilt nach Strom, Heizung und Warmwasser. Über ein Display, das in jeder Wohnung im Flur angebracht ist, können die Bewohner sehen, ob sie in ihrem Budget liegen, und gegebenenfalls ihr Verbrauchsverhalten entsprechend steuern. Das Budget ist abhängig von der Fläche, der Zahl der Bewohner und der Lage im Gebäude, aus der sich ein spezifischer Energiebedarf ergibt.

Roger Balmer, der technische Projektleiter, betont: „Wir wollen die Bewohner so wenig wie möglich einschränken. Wir rechnen damit, dass unter den Bewohnern eine Art Gruppendynamik entsteht. Man wird über Energie und das eigene Verbrauchsverhalten sprechen.“ Auch beim Abrechnungsmodus betreten die Planer Neuland. Es gibt ja keinen Zähler zum Energieversorger. Über ein Bonus-Malus-System soll der bewusste Umgang mit Energie bei den Bewohnern geweckt und gefördert werden.

Solaranlage einzige Energiequelle

Mit dem Solardachsystem Megaslate der Firma Meyer Burger wurden die 14 Teilflächen des 119 Quadratmeter großen Daches bestückt. Das Solardach besteht aus 346 Standard- und 142 Spezialmodulen sowie 13 Systemdachfenstern. Die integrierte Anlage wird jährlich 70.000 Kilowattstunden Sonnenstrom produzieren. Eine ausgeklügelte Einzelhinterlüftung der Module ermöglicht auch an heißen Sommertagen höchste Energieerträge.

Auch die Fassade ist komplett mit Modulen bestückt. Hier kommen Dünnschichtmodule mit speziell behandelter Oberfläche zum Einsatz, die den Modulen eine matte Optik gibt. Auch hier wurden für viele Flächen spezielle Modulmaße gefertigt.

Wegen der verschiedenen Ausrichtungen und den partiellen Verschattungen auf dem Dach wie auch an der Fassade entwickelte BE Netz ein gesamtheitliches Wechselrichterkonzept, um einen optimalen Energieertrag aus der Gebäudehülle generieren zu können. BE Netz ist ein Unternehmen mit Sitz in Luzern und spezialisiert auf Energiegewinnung aus der Sonne.

Das Befestigungssystem aus Aluschienen kommt von Schweizer Metallbau. Die Last der Module wird über die Schienen und Schrauben, die durch die Dämmung in die tragenden Wände reichen, in die Unterkonstruktion abgetragen. Xavier Breitenmoser von Schweizer Metallbau erklärt dazu: „Die Last der Module ist eigentlich kein Problem. Andere herkömmliche Fassadenverkleidungen kommen leicht auf ähnliche oder mehr Lasten.“

Die Fassade hat eine Leistung von 47 Kilowatt und wird rund 25.000 Kilowattstunden Energie im Jahr produzieren. Somit beträgt der jährliche Ertrag von Dach und Fassade zusammen rund 95 Megawattstunden. Die Wechselrichter kommen von ABB: acht für die Dachanlage und 18 für die Fassade, allesamt im Technikraum installiert. Geplant und ausgeführt wurde die Anlage von BE Netz. Auch Photovoltaikfassaden hat das Unternehmen schon gebaut. An der Fassade allerdings befestigen die Monteure von Schweizer Metallbau die Module, BE Netz verschaltet sie.

Für das Haus ist der perfekte Dreiklang aus Energieproduktion, Speicherung und Verbrauch von entscheidender Bedeutung. Alle drei Seiten müssen optimal aufeinander abgestimmt sein und am Ende übers ganze Jahr den Bewohnern den erwarteten Wohnkomfort bieten. Wohl jedem dürfte klar sein, dass es ein Ungleichgewicht zwischen Energieproduktion und Energieverbrauch geben wird. Während im Sommer der Stromertrag sehr hoch, der Verbrauch aber vergleichsweise tief ausfällt, sieht es in der kalten Jahreszeit gerade umgekehrt aus: tiefer Ertrag, hoher Verbrauch.

Nach den Berechnungen der Ingenieure reicht eine Stunde Sonne im Sommer, um den Energiebedarf der Bewohner für einen Tag lang sicherzustellen. Die Energie, die nicht sofort direkt verbraucht wird, dient zum Laden der Kurz- und Langzeitspeicher. Ein ausgeklügeltes Speichersystem aus verschiedenen Vorratsbehältern wurde dazu entwickelt.

Die Batterie als Kurzzeitspeicher

Zur Kurzzeitspeicherung dient ein Batteriespeicher. Für diesen Projektpart zeichnet Helion Solar verantwortlich. Das schweizerische Unternehmen ist der größte Photovoltaikinstallateur in der Schweiz, nach eigenen Angaben mit einem Marktanteil von elf Prozent. „Die Speicherung ist für uns ein neuer, aber besonders wichtiger und zukunftsweisender Geschäftszweig. Wir bewegen uns ganz aktiv in dieses Geschäft hinein“, berichtet Noah Heynen, Geschäftsführer von Helion Solar. Deshalb ist für ihn auch die Dimensionierung, Auswahl und letztlich auch Steuerung des Batteriespeichers für das Brüttener Haus eine Herausforderung gewesen, der sich das Unternehmen gern gestellt hat.

Das Besondere in dieser Konstellation ist vor allem auch, dass der Batteriespeicher im Haus die netzbildende Komponente darstellt. Die Batteriewechselrichter, zwei redundante Systeme, übernehmen die Verantwortung für das Netz im Haus, sie sind das Energieversorgungsunternehmen.

Speicher übernimmt Frequenzregelung

Die Stringwechselrichter der Photovoltaikanlagen warten darauf, bis der Batteriewechselrichter ihnen einen Sinus vorgibt, und springen dann an. Eine weitere Funktion des Speichers ist die Frequenzregelung. „Damit steuern wir indirekt die Solaranlage. Das heißt, wir gehen mit der Frequenz hoch, wenn wir zu viel Leistung von den Photovoltaikanlagen haben“, erklärt Heynen.

Der Speicher im Keller besteht aus zehn Batterieblöcken, die parallel verschaltet sind und auch einzeln getauscht werden können. Ab dem Batteriewechselrichter mit 55 Kilowatt Leistung steht das hausinterne Netz, wie bereits erwähnt, mit einem zweiten Pendant, das beim Ausfall des ersteren dessen Funktion übernimmt. Der Speicher hat eine Bruttokapazität von 192 Kilowattstunden und 152 Kilowattstunden Nettokapazität. Er kann Energielücken von drei bis vier Tagen schließen. Rein rechnerisch bleibt pro Jahr ein Stromdefizit von etwa 25 Tagen, das vor allem im Dezember und Januar mit einem Langzeitspeicher überbrückt werden muss. Deshalb wird mit überschüssigem Strom zusätzlich Wasserstoff produziert und gespeichert. Über eine Brennstoffzelle wird damit zum gewünschten Zeitpunkt wiederum Strom produziert.

Die Schnittstelle vom Batterie- zum Wasserstoffspeicher ist die Brennstoffzelle. Sie lädt mit 600/650 Volt direkt in den DC-Kreis des Speichers. Die Dimensionierung ist das Ergebnis vieler Simulationen, die unter anderem zusammen mit der Fachhochschule Luzern auf 15-MinutenBasis erstellt wurden.

C-Raten entscheiden über Speicherart

Der Batteriespeicher kann 10.800 Teilzyklen fahren. Garantiert werden von Helion 5.000 Vollzyklen. Voraussichtliche Lebensdauer sind zehn Jahre. „Aber danach ist das System ja noch nicht tot. Und da das System recht großzügig ausgelegt ist, können wir sicher deutlich darüber landen“, ist Heynen optimistisch. Über die Technologie wurde allerdings länger diskutiert.

Gemeinsam mit der Berner Fachhochschule wurde ein Jahr durchsimuliert und geschaut, welche C-Raten zu erwarten sind. Da es spezielle Verbrauchsspitzen gibt und auch die thermischen Speicher und die Brennstoffzelle zu berücksichtigen waren, wurde eine Statistik erstellt, wie häufig welche C-Entladung zum Einsatz kommt. Es zeigte sich, dass der Batteriespeicher nicht so stark belastet wird, was für Lithium-Ionen spricht und gegen Blei. Die Batteriezellen bestehen nun aus Lithium-Eisenphosphat.

Ein weiterer Teil des Stromüberschusses wird mit einer Wärmepumpe in Wärme umgewandelt und einerseits zur Brauchwassererwärmung und zur Gebäudeheizung sowie zur Ladung der thermischen Kurz- und Langzeitspeicher eingesetzt. Um eine maximale Effizienz der Wärmepumpenheizung zu erreichen, werden je nach Bedarf verschiedene Wärmequellen genutzt. Je nachdem welche Außentemperatur und wie viel Strom dann gerade zur Verfügung steht, kann das die Außenluft sein oder der thermische Langzeitspeicher.

Kaskadierende Wärmeversorgung

Als letzte Wärmequelle, wenn der thermische Langzeitspeicher auf eine Temperatur von elf Grad abgesunken ist, versorgt eine Erdsonde der Firma Energie 360 Grad die Wärmepumpe. Der thermische Langzeitspeicher dient aber nicht nur als Quelle für die Wärmepumpe, sondern er kann auch direkt zum Heizen genutzt werden. Er hat eine Nutztemperaturspreizung von 60 bis etwa elf Grad Celsius.

Die Verteilung der thermischen Energie erfolgt entweder direkt oder indirekt über die entsprechenden Speichersysteme durch ein Niedertemperaturheizsystem. Dieses hat durch seine hohe Energiespeicherfähigkeit bei tiefen Vorlauftemperaturen einen sehr hohen Selbstregulierungseffekt und ermöglicht eine optimale Speichernutzung. Die Brauchwassererwärmung erfolgt über das gleiche System und kann bei Bedarf durch die Brennstoffzelle unterstützt werden. Dafür stehen im Keller zwei Heißwasserspeicher für Temperaturen von 60 bis 65 Grad.

Daneben gibt es noch einen Niedertemperaturspeicher für 35 Grad, der für die Heizung des Gebäudes genutzt wird. Dieser nutzt wiederum Abwärme zum Beispiel aus der Elektrolyse oder aus der Kühlung des Batterieraums. Ganz akribisch hat Roger Balmer alle Wärmeströme im Gebäude unter die Lupe genommen und darauf geachtet, dass sie immer dorthin geleitet werden, wo sie am effizientesten genutzt werden können.

Durch dieses kaskadierende System können die zeitlich versetzten Zyklen zwischen Stromproduktion und Wärmebedarf bestens aufgefangen werden. Wasserspararmaturen und Wärmerückgewinnung bei den Duschen unterstützen das Konzept zur Verbrauchsminimierung.

Intelligente Steuerung

Damit die elektrische Energie optimal auf den Bedarf abgestimmt im Gebäude verteilt werden kann, wird ein Gebäudeleitsystem eingesetzt, welches die Produktions- und die Verbraucherseite inklusive Heizung und kontrollierter Wohnungslüftung und die Speicher optimal bewirtschaftet. Für die Lüftung werden Geräte mit dem geringsten Energieverbrauch gewählt, die bedarfsgerecht betrieben werden können. Übrigens bezieht das Energiemanagement des Gebäudes auch Istwerte aus realen Wetterdaten in seine Steuerung ein. Außentemperaturen, Einstrahlungswerte, Wind und Feuchtigkeit werden in einer kleinen Wetterstation am Haus erfasst und die Daten direkt an das Gebäudeleitsystem geliefert. Prognosedaten für den kommenden Tag werden allerdings nicht einbezogen – da ist die Unsicherheit einfach zu groß.

Brennstoffzelle und Wasserstofftank befinden sich übrigens in einem separaten Raum nahe dem Wohngebäude. Es gibt außer dem Kühl- beziehungsweise Abwärmetransfer keine Verbindung zum Gebäude, sodass bei einem Austritt von Wasserstoff das Gas niemals ins Gebäude gelangen kann. Da diese Art der Wohnraumversorgung etwas Neues ist, tauschten sich die Projektierer im Planungsprozess eng mit den Genehmigungsbehörden und Versicherungen aus. Gemeinsam wurde ein angemessenes Sicherheitskonzept entwickelt, das, ohne unnötig aufgebläht zu sein, die physikalischen Rahmenbedingungen berücksichtigt.

Die Erzeugung und Lagerung von Wasserstoff und die nachfolgende Nutzung des gespeicherten Wasserstoffes in einer Brennstoffzelle kann in einem Gesamtkonzept sehr effizient gestaltet werden. Durch die gleichzeitige Nutzung der Wärme, die bei der Produktion von Wasserstoff und bei der Umwandlung in Strom in der Brennstoffzelle entsteht, kann ein Systemwirkungsgrad von über 90 Prozent erreicht werden. Würde nur der Strom genutzt und die entstehende Wärme nicht in das Konzept miteinbezogen, läge der Nutzungsgrad lediglich bei 18 bis 19 Prozent.

Mietpreis leicht über Vergleichsmiete

2.500 Schweizer Franken soll eine 4,5-Zimmer-Wohnung kosten. Dieser Mietpreis enthält auch alle Kosten für Strom und Warmwasser. Er liegt damit leicht oberhalb der ortsüblichen Vergleichsmiete. Das Interesse ist dennoch groß, bereits vor Fertigstellung gab es viele Bewerber für die zukünftigen Wohnungen. Nach Aussage der Bauherren ist das Gebäude gar nicht so viel teurer als konventionelle Bauten.

Vor allem der Wasserstoffspeicher hat das Gebäude auf der Kostenseite belastet, aber da unbedingt der Beweis angetreten werden sollte, dass Autarkie in dieser Konstellation möglich ist, wurde schließlich auch diese Komponente errichtet. Die Projektverantwortlichen betonen, dass alle verwendeten Technologien Standardtechnologien sind. Nur erprobte und im Markt verfügbare Komponenten wurden verbaut. Das Neue und Experimentelle besteht in der Verknüpfung der Systeme.

Wie wird es sich wohnen?

„Es geht nicht alleine ums Energiesparen, sondern darum, bewusster mit Energie umzugehen“, so fasst es Roger Balmer zusammen und erläutert: „Kein Bewohner soll auf irgendetwas verzichten müssen. Allerdings sollen die Bewohner in ihrem individuellen Energiebudget bleiben. Sie können also jonglieren. Wer an einer Stelle etwas luxuriöser ausgestattet sein will, muss eventuell an anderer Stelle etwas zurückstecken.“

In den allgemein zugänglichen Räumen wie Tiefgarage und Treppenhaus wird es LED-Beleuchtung geben, auch in den Fluren der Wohnung. In der Schweiz ist es üblich, dass die Flurbeleuchtung vom Vermieter gestellt wird. Welche Beleuchtungselemente die Bewohner in ihren Wohn- und Schlafzimmern wählen, bleibt aber ihnen überlassen. Bei den Haushaltsgeräten werden nur die energieeffizientesten zum Einsatz kommen. Die Entertainmentsysteme und die Computer der Mieter sollen auf einen minimalen Energieverbrauch optimiert werden. Roger Balmer verweist darauf, dass zu all den möglichen Fragen der Mieter eine umfassende Beratung in der Umweltarena angeboten wird.

Fenster ohne Kippfunktion

Eine kleine, wahrscheinlich für alle verschmerzbare Einschränkung gibt es allerdings doch. Die großen Fenster und Terrassentüren im Haus haben keine Kippfunktion. Roger Balmer begründet diese Entscheidung so: „Durch Kippen und langes Gekippt-Lassen geht extrem viel Wärme verloren. Eine richtige Stoßlüftung ist da viel effizienter. Deshalb haben wir in diesem Haus auf die Kippfunktion verzichtet.“ Zusätzlich ist das Gebäude mit einer sehr effizienten kontrollierten Wohnungslüftung ausgerüstet.

Tiefgarage, Fahrstuhl, Mobilität

Ansonsten dürfen sich die Bewohner auf ein modernes und großzügiges Wohnambiente freuen. Tiefgaragenplätze im Keller sind ebenso vorhanden wie ein besonders effizienter Fahrstuhl mit Energierekuperation. Bei diesem hat Roland Zwingli besonders auf geringen Verbrauch im Standby-Modus geachtet: „In einem Wohngebäude steht so ein Fahrstuhl schließlich den Hauptteil des Tages. Da will ich möglichst keine Kilowattstunde auf der Uhr sehen.“ Zusätzlich stehen den Mietern zwei Fahrzeuge zur Verfügung: ein Elektro- sowie ein Bio-/Erdgas-VW. Der Strom für das Elektroauto kommt selbstredend aus der hauseigenen Produktion, für das Bio-/Erdgasauto steht so viel Biogas bereit, wie aus den biologischen Abfällen aller Bewohner in einer Axpo-Kompogas-Vergäranlage gewonnen werden kann.

Das Mehrfamilienhaus in Brütten zeigt beispielhaft, was mit moderner Energietechnik möglich ist. Bei der Planung und Ausführung waren viele Ingenieure und Experten beteiligt. Architekt René Schmid, der vor 20 Jahren sein erstes Niedrigenergiehaus gebaut hat, beschreibt die Essenz des Hauses in einem Satz: „Der Clou liegt in der Symbiose von Technik und Gestaltung.“

Strom sparen – aber wie?

Im Online-Test der Schweizerischen Agentur für Energieeffizienz können Verbraucher ihr individuelles Sparpotenzial beim Stromverbrauch im Haushalt ermitteln. Der 20-minütige Detail-Check liefert eine Analyse des Verbrauchs und gibt individuelle Stromspartipps.

www.energybox.ch

Erlebniswelt und Veranstaltungsort

Die Umweltarena Spreitenbach zeigt in spannend inszenierten Ausstellungen, wie Energieeffizienz und Nachhaltigkeit einfach im Alltag umgesetzt werden können. Alters- und interessengerecht aufbereitet für verschiedene Besuchergruppen wird veranschaulicht, wie persönliche Bedürfnisse an ein modernes Leben ohne Komforteinbußen erfüllt und trotzdem Umwelt und Portemonnaie geschont werden können. Testfahrten auf einem Indoor- und Outdoor-Parcours mit Zwei- und Vierradfahrzeugen, vom Tret-Kart übers E-Bike bis hin zu den neuesten Elektroautos, ergänzen das Angebot.

Für das Projekt des energieautarken Mehrfamilienhauses wurde eine eigene Ausstellung konzipiert. Ein 3D-Großmodell im Maßstab 1:15 zeigt den Aufbau und präsentiert die technischen Lösungen. In Themenführungen erhalten Besucher vertieften Einblick in die Haustechnik, die Herausforderungen und die Lösungen.

www.umweltarena.ch

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