Das „Energieautonome Einfamilien-Wohnhaus“ der Zukunft - Neues Konzept unterstreicht Leistungsfähigkeit von PV und zeigt den Weg zur Smart Distribution

Die beiden Technologie-Spezialisten Fronius und Sauter haben daher gemeinsam ein neues Energiekonzept entwickelt, mit dem dieser Anteil auf nahezu 100% angehoben werden kann. Damit ist in Zukunft eine vollständige autonome Strom- und Wärmeversorgung auf eigenem Grund und Boden möglich. Das innovative Konzept wird zurzeit erstmalig an einem Standort in Österreich umgesetzt.

Die Herausforderung
Die Speicherung von Erneuerbaren Ener­gien kann prinzipiell auf verschiedenen Ebenen erfolgen. Zentrale Konzepte sind in Europa in Diskussion. Die grundlegenden Ideen sind große Offshore-Windparks im Norden, zentrale PV-Anlagen im Süden und große Pumpspeicherkraftwerke, z.B. in den Alpen. [European Commission (2010), Energy infrastructure priorities for 2020 and beyond].
Solche Konzepte werden jedoch kontrovers diskutiert, da sie zusätzliche, starke Fernleitungsnetze quer durch Europa benötigen und diese viel Fläche und Finanzmittel in Anspruch nehmen. Auch Fernwärmenetze werden aufgrund der Kosten- und Abnehmerstruktur nur selten realisiert, sodass die dezentrale Energieerzeugung und -speicherung vor Ort eine interessante Alternative bietet.

Die Lösung
Die Fronius Energiezelle verfolgt diesen dezentralen Ansatz auf der Ebene eines Einfamilienhauses, indem die benötigte Energie vor Ort erzeugt und bedarfsweise auch gespeichert wird. Durch die zusätzliche Nutzung der dabei entstehenden Abwärme zur Warmwasseraufbereitung wird ein sehr hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht.
Während des Tages, speziell bei ausreichender Sonneneinstrahlung, werden die Stromverbraucher direkt über den PV-Wechselrichter betrieben. Stromüberschüsse lassen sich dabei auf mehrere Arten nutzten. Einerseits werden damit Batterien (Kurzzeitspeicher) geladen, die in den Abend- und Nachtstunden dann die benötigte Energie wieder zur Verfügung stellen. Gerade mit den hohen Stromüberschüssen der Sommermonate wird andererseits auch ein Elektrolyseur in der Fronius Energiezelle versorgt, der daraus Wasserstoff erzeugt und diesen im externen Tank (Langzeitspeicher) abspeichert.
Vornehmlich im Winter wird dann –bei hausinternem Energiebedarf – dieser mit der Brennstoffzellenfunktion der Fronius Energiezelle zurück in Strom gewandelt und die damit erzeugte Abwärme zur Warmwasseraufbereitung (Sanitär und Heizung) genutzt. Beide energetischen Ströme (elektrisch und thermisch) werden dabei derart bedarfsgerecht vom „Sauter Energiecontroller“ („SEC“) geregelt und bereitgestellt, dass sich das „Haus der Zukunft“ völlig energieautonom aus der PV versorgt.

Die Umsetzung
Auf Basis einer Modellinstallation wird das vorliegende Konzept erstmalig an einem Fronius-Standort in Österreich umgesetzt. Folgende Annahmen werden hierbei für das Haus getroffen:

• 4-Personen-Haushalt in Mitteleuropa.
• Kopplung an das öffentliche elektrische Netz.
• Beheizte Wohnfläche: 170 m².
• Elektrischer Energiebedarf (ohne Wärmepumpe): 3000 kWh/a – energieeffizienter Haushalt.
• Heizenergiebedarf: 2500 kWh/a; 15 kWh/(m² · a), Niedrigstenergiehaus nach EU-Gebäuderichtlinie.
• Warmwasserbedarf: 1500 kWh/a (25 Liter pro Tag und Person).
• PV-Ertragsleistung: 6000 kWh/a; entspricht etwa einer 60 m² PV-Anlage.

Nutzerverhalten und Energieflüsse:   Für die Aufteilung des PV-Ertrages wird ein Drittel Direktverbrauch, ein Drittel  über Kurzzeitspeicher und ein Drittel über Langzeitspeicher angesetzt.
Für den Kurzzeitspeicher sind 10 kWh Speicherkapazität somit ausreichend. Um Technologie-Vergleichswerte zu erhalten, werden wahlweise sowohl Blei- als auch Lithium-Batterien als Kurzzeitspeicher eingesetzt. Die Langzeitspeicherung übernimmt die Fronius-Energiezelle als Energiewandler, wodurch eine wichtige Synergie beider Speichertechnologien nutzbar wird: Während schnelle Laständerungen im Haus durch den niedrigen Innenwiderstand der reaktionsschnellen Batterien gedeckt werden, wird der Wasserstoff mit seiner sehr hohen Energiedichte dazu genutzt, um auch über längere Zeiträume die Energieautonomität des Hauses zu garantieren. Diese wird über einen Wasserstofftank mit einem Speichervolumen von 1200 kWh garantiert, der aus vier Bündeln à 12 50-l-Stahlflaschen (etablierte Technologie) besteht und mit 200 bar befüllt wird.
Mit den wesentlichen technischen Daten der Fronius-Energiezelle wie Gesamtwirkungsgrad unter Berücksichtigung der Abwärmenutzung: >80% und Abwärmeniveau bis zu 80°C lässt sich somit – bei Nutzung der Energiezellenabwärme – allein über zwei Drittel des jährlichen Warmwasserbedarfs decken. Den Rest stellt eine zusätzliche, in das Energiemanagement integrierte Wärmepumpe bereit.

Das Energiemanagement
Die optimale Energieeffizienz innerhalb eines Gebäudes erfordert stets die simultane Kontrolle aller im Haus auftretenden Energieströme. Diese werden an jene Stellen im Haus gelenkt, an denen sie benötigt werden.
Basierend auf dem „EY-modulo“ System von Sauter, erfüllt „SEC“ die geforderte Aufgabe, indem er autark, über alle Gewerke hinweg, sowohl die thermischen als auch elektrischen Bedarfe innerhalb des Hauses erfasst und dadurch für eine bedarfsgerechte Bereitstellung Sorge trägt.
Zentrale Führungsgröße für die Regelung der elektrischen hausinternen Energieströme ist der bidirektionale Leistungszähler am öffentlichen Stromnetz (Smart Meter). Dieser erkennt aktuelle Laständerungen im Haus und veranlasst den „SEC“, den Mehrbedarf über den Kurzzeit- und Langzeitspeicher zu decken. Gleiches gilt bei solarer Überkapazität: Hier entscheidet der „SEC“ – abhängig von der Kontinuität des solaren Ertrages – mit welcher Priorität die Speicher geladen werden, um dann, bei erreichter Füllung, mit der Netzeinspeisung zu beginnen.
Anders hingegen sieht es beim Sanitär- und Heizwassermanagement im Haus aus: Nicht alle Energiebedarfe im Haus können ausschließlich durch die Abwärme der Fronius-Energiezelle gedeckt werden. Deshalb wird in einem weiteren Projektschritt ein zusätzlicher Wärmeerzeuger in das System des „SEC“ integriert. Über die Summe aller gemessenen Temperatur- und Verbrauchsdaten werden vom „SEC“ beim Einsatz einer Wärmepumpe sowohl die optimale Vorlauftemperatur als auch die benötigte Warmwassermenge bestimmt und an diese übertragen. Die Einbindung weiterer Energieerzeuger, wie z.B. Pellet-Öfen oder gar Wasserstoff-Termen, ist gleichfalls denkbar und setzt lediglich eine Übertragung von Schaltsignalen zu den Geräten voraus.
Die effiziente hausinterne Regelung beider Energieströme basiert somit stets auf einer umfangreichen gewerkeübergreifenden Kommunikation mit Sensoren und Stellgliedern. Aus diesem Grund ist der „SEC“ vorwiegend mit renovationstauglichen Schnittstellen wie Powerline und Funk ausgestattet.
Eine LAN-Schnittstelle mit Webserver ergänzt die kabellose als auch -gebundene Visualisierung aller hausinternen Anwenderdaten. Ein zusätzlicher Cloud-Server bietet den Datenzugriff auch von extern und unterstützt damit auch Servicetätigkeiten über Fernwartung.
Sollte ergänzend die Notwendigkeit für ein Lastmanagement bestehen, lassen sich selbst ältere Verbraucher über Steckdosenadapter einfach in das System integrieren.
Mit der von Sauter entwickelten Regelungsstrategie zur Optimierung vom Eigenverbrauch des solaren Ertrages wird dem Wunsch nach einem erhöhten Autonomiegrad des Hauses Rechnung getragen. Durch eine mögliche Ankopplung des „SEC“ an das zukünftige intelligente Stromnetz rücken weitere Anwendungen, wie z.B. „Private Strombörsen“ oder gar „Smart Distribution“ in greifbare Nähe.
Letztgenannte stellt für die Zukunft einen wichtigen Schwerpunkt dar: Während man früher stets versuchte, die Stromerzeugung durch Zu- und Abschaltung der Kraftwerke dem Netzbedarf anzupassen, erfordert die stetige Zunahme von dezentralen, regenerativen Stromerzeugern (PV- und Windkraftanlagen) ein Umdenken. Mehr und mehr rückt dadurch die Steuerung des örtlichen Netzverbrauchs zur Harmonisierung der Lastflüsse in den Vordergrund, ohne die eine reibungslose Energieversorgung zukünftig nicht mehr möglich sein wird.
Um das zu erreichen, bedarf es dann sowohl des intelligenten Stromnetzes (Smart Grid) mit seiner Kommunikationsinfrastruktur, als auch der dezentralen Energiespeicher, die darüber gesteuert werden.
Das „Energieautonome Einfamilien-Wohnhaus“ der Zukunft ist folglich für diese Entwicklung bestens gerüstet, da dessen dezentrale Energiespeicher über den „SEC“ nicht nur für das Backup der PV-Energie, sondern dem Smart Grid auch für die Zwischenspeicherung von Netzenergie bei zu geringen Netzlasten zur Verfügung steht.
Kontrolliert über die Grid-Kommunikationsinfrastruktur, wird in diesem Fall der „SEC“ die Fronius-Energiezelle starten, um als gesteuerte dezentrale Last einen Teil der überschüssigen Netzenergie zu beziehen und in Form von Wasserstoff zu speichern. Kommt es nun irgendwann zu hohen Netzauslastungen, wie z.B. in den Abendstunden, wird diese über die Energiezelle in Strom zurückgewandelt und in das Netz zurückgespeist.

Schlussfolgerung
Mit dem vorgestellten Konzept wird einerseits die Leistungsfähigkeit von PV und andererseits ein Weg zur Smart Distribution aufgezeigt. Ganzjährige Strom- und Wärmeautonomie eines Hauses durch dezentrale PV ist möglich, und die Anbindung des Energiemanagers an die Kommunikationsinfrastruktur des Smart Grid erlaubt die Zwischenspeicherung von temporären Netzüberkapazitäten.
Eine der zukünftigen Herausforderungen ist es, die Systemkosten generell zu reduzieren, um der Speichertechnologie den Markt der Einfamilienwohnhäuser zu öffnen. Inselanwendungen können dazu als früher Markt dienen. Politische Rahmenbedingungen und Energiepreisentwicklungen werden die Marktetablierung dabei wesentlich beeinflussen.

Bilder: Sauter

KONTAKT: Sauter AG, CH-4016 Basel, Tel. +41 61 6955555, Fax +41 61 6955510, thomas.laux@ch.sauter-bc.com, www.sauter-bc.com