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HyLiving
Energieautarke Wohngebäude durch dezentrale Energiespeicherung mittels Wasserstoff

Aus energiepolitischer Sicht stellt Energieautarkie im Wohnbau nicht unbedingt einen Wert für sich dar. Wir müssen uns allerdings zunehmend fragen, mit welchen Erneuerbaren unsere Gebäude zukünftig beheizt werden. Auch wenn der Gebäudebestand im Jahr 2030 weniger Energie benötigen wird – mit Biomasse und Abwärme kann nur ein kleiner Teil abgedeckt werden, wodurch im Wesentlichen EE-Strom für Wärmepumpen übrigbleibt. Von den Hauptlieferanten Sonne und Wind steht wiederum saisonal bedingt vorwiegend Wind zur Verfügung. Die zu erwartende Elektrifizierung der Raumwärme treibt den Winterstrombedarf so weit nach oben, dass der Ausbau von Windkraftanlagen im erforderlichen Ausmaß schwer realisierbar scheint.Ein Vortrag von Christof Drexel beim BauZ! Kongress 2021.

Passivhaus & Plusenergie GebäudeKongress/Symposion/Messe

Um das Winterstromproblem zu entschärfen, gibt es einige Ansätze; einer davon ist die dezentrale, saisonale Speicherung elektrischer Energie. Als Energieträger dient Wasserstoff, der im Sommer mittels Elektrolyse erzeugt wird und in der Heizperiode in der Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. In beiden Prozessen entsteht eine relevante Menge an Abwärme, die im Wohnbereich gut genutzt werden kann – hauptsächlich für das Warmwasser (Temperaturniveau der Brennstoffzellen-Abwärme 60°C), zu einem kleineren Teil auch für die Raumheizung (Temperaturniveau der Elektrolyse-Abwärme 35°C, wird im Sommer zur Vorwärmung des Warmwassers genutzt). Die Energiebereitstellung erfolgt durch eine gebäudeeigene Photovoltaikanlage. Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Komponenten und Energieflüsse.
 
Autarkie im Sinne eines Inselbetriebs ohne Anbindung an das öffentliche Stromnetz bietet allerdings kaum Vorteile: Zum einen liefert die PV-Anlage im Sommer Überschussstrom, der nicht zur Gänze benötigt wird und deshalb eingespeist werden sollte; zum anderen müsste das System unwirtschaftlich groß ausgelegt werden, wenn auch ein Jahrhundertwinter gut überstanden werden soll. Wir bleiben also am Netz und legen das Wasserstoffsystem so aus, dass wir im durchschnittlichen Winter keinen Netzstrom benötigen.

Im Rahmen der Kurzstudie „HyLiving“ wurde nun folgende Fragestellung untersucht: Unter welchen Bedingungen ist der ökonomische, energieautarke Betrieb von Wohngebäuden mit Hilfe von Wasserstoff möglich? Dabei stand die Marktrecherche für die Kernkomponenten im Vordergrund: Wo liegen derzeit die Preise für PV, Batteriespeicher, Elektrolyseure, Brennstoffzellen und Behälter bzw. Vorrichtungen für die Wasserstoffspeicherung? Und wie lauten die Prognosen für die nächsten 5 bis 10 Jahre? Die Preisdegression von PV und Batteriespeichern der letzten Jahre ist gut dokumentiert und dementsprechend einfach auch für die Zukunft zu prognostizieren. Elektrolyseure und Brennstoffzellen sind in ihrer Marktdurchdringung weniger weit, derzeit aber in aller Munde, weil auf allen politischen Ebenen Wasserstoff-Strategien aus dem Boden schießen. Die technologischen und preislichen Prognosen sehen entsprechend erfreulich aus; lediglich bei der Speicherung des Wasserstoffs muss man sich derzeit noch mit bekannten, wenig innovativen Techniken behelfen (Drucktanks, handelsübliche Gasflaschen). Abbildung 2 zeigt beispielhaft die ermittelten Preise für PV-Anlagen.
 
Die Simulation dieser sowohl technisch als auch ökonomisch komplexen Anlagenkonstellation erfordert eine Reihe von Annahmen – nicht nur, was die preisliche Entwicklung der Komponenten anbelangt, sondern auch in Bezug auf Effizienzdaten, Strom- und Gaspreise, Teuerungen, CO2-Steuer und ähnliches. Für die wichtigsten dieser Parameter wurden Sensitivitätsanalysen durchgeführt.
Die technische Simulation erfolgte auf Stundenbasis. Verbrauchsprofile und Einstrahlungsdaten, sowie der Anlagenteil von Photovoltaik, Wechselrichter und Batteriesystem wurden mittels „PV-SOL“ simuliert. Die rechnerische Darstellung der Wasserstoff-Komponenten samt Wärmemanage-ment erfolgte in einem eigens hierfür pro-grammierten Tool. Eine beispielhafte Auswertung der Speicherstände (Wasserstoff, Abwärme für Heizung und Warmwasser, Batteriespeicher) über ein Betriebsjahr ist in der Abbildung 3 zu sehen.
 
Folgende Gebäudearten und Energiestandards wurden betrachtet: Einfamilienhaus mit einem Heizwärmebedarf (HWB) von 15 kWh/m², 50 kWh/m² und 150 kWh/m²; Mehrfamiliengebäude mit 10, 20 und 40 Wohneinheiten á 80 m² Wohnnutzfläche. Für die Mehrfamilienhäuser wurde nur noch Passivhausstandard simuliert, weil die Ein-familienhaus-Varianten bereits folgende Erkenntnisse lieferten: Um das betrachtete Bestandsgebäude mit einem HWB von 150 kWh/m²a autark zu versorgen, wäre eine PV-Anlage mit etwa 22 kWp erforderlich, was auf dem Gebäude nicht unterzubringen ist. Ein HWB von 50 kWh/m²a führt zu einer PV-Größe von 13 kWp. Die hierfür erforderliche Fläche bedingt in der Regel die Einbeziehung der Südfassade, ist aber realisierbar. Allerdings stellt sich die gesamthafte Wirtschaftlichkeit bei einem HWB von 15 kWh/m²a deutlich besser dar. Die Abbildung 4 zeigt die kumulierten Kosten über 30 Jahre; beinhaltend die Investitionskosten der Anlage (inkl. Wärmeerzeugung, ohne Wärmeverteilung), Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie Energiekosten. Die einzelnen Balken stehen für das betrachtete System: Basisvariante ist eine Gastherme für Heizung und Warmwasser; der Haushaltsstrom wird vom Netz bezogen. Dem gegenüber gestellt wird eine Wärmepumpe; in der dritten Reihe unterstützt von einer Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher. Balken 4, 5 und 6 zeigen die Kosten des autarken Wasserstoffsystems; Preisbasis 2020, 2025 und 2030.
 Vergleicht man für den Neubau die HWB 15 und 50 kWh/m²a, so zeigt sich bei den ersten drei Reihen die bekannte Differenz von 15.000 bis 20.000 €, was in etwa den Mehrkosten für das Passivhaus entspricht. Soll das Gebäude allerdings autark gemacht werden, schneidet das Passivhaus um 30.000 bis 50.000 € besser ab. Am wirtschaftlichsten erreicht man Autarkie – wie zu erwarten – im Passivhaus. Noch deutlicher kommt der Unterschied im Bestand zu tragen. Satte 150.000 € müsste man heute zusätzlich investieren, um ein unsaniertes Gebäude autark zu machen.

Am Beispiel des EFH wird also klar, dass Passivhausstandard die besten Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Anwendung saisonaler Speicherung liefert. Je großvolumiger das Gebäude, umso schwieriger wird es aber auch, die erforderliche Fläche an PV unterzubringen: Während ein Einfamilienhaus mit 50 kWh/m²a gerade noch versorgt werden kann, ist im 3-geschossigen MFH Passivhausstandard bereits Voraussetzung, um mit der gegebenen PV-Fläche über das Jahr zu kommen. Aus diesem Grund wurden die MFH-Varianten nur im PH-Standard betrachtet.

Je größer die Anlage, umso wirtschaftlicher wird der Betrieb. Im Mehrfamilienhaus mit 40 Einheiten verursacht eine wasserstoff-autarke Anlage bereits bei heutigen Preisen nur unwesentlich höhere kumulierte Gesamtkosten als Gebäude ohne jegliche Integration von Photovoltaik und Speichersystemen. Dementsprechend attraktiv sehen die Varianten 2025 und 2030 aus, wie der Abbildung 5 entnommen werden kann.

Man muss allerdings betonen, dass die mit PV ausgestattete, nicht-autarke Variante immer die beste ökonomische Performance liefert. Es ist höchst wirtschaftlich, die benötigte elektrische Energie mittels PV selbst zu gewinnen und zu verbrauchen; der Winterstrom kann – derzeit! – aber immer günstiger vom Netz bezogen werden. Energiepolitisch stellt sich eben die Frage, woher wir den Winterstrom (aus Erneuerbaren) zukünftig in ausreichendem Maße nehmen werden. Und welchen öffentlichen Wert wasserstoff-autarke Passivhäuser in diesem Zusammenhang darstellen.

Artikel aus dem Tagungsband des BauZ Kongresses 2021

 

HyLiving: Saisonale Energiespeicherung im Wohnbau

Kurzstudie mit ökonomischer Recherche zu Preisen von PV, Batteriespeicher und Wasserstoff-Anlage (Elektrolyse, Speicherung, Brennstoffzelle). Verschiedene Gebäudetypen und -standards wurden simuliert und die Wirtschaftlichkeit von energieautarken Anwendungen beleuchtet. 

https://www.drexelreduziert.at/downloads

 

Weitere Informationen:

Christof Drexel, drexel reduziert GmbH

www.drexelreduziert.at, www.zwei-grad-eine-tonne.at

Abbildung 1: Die wichtigsten Komponenten und Energieflüsse
Abbildung 2: PV-Anlagekosten in Abhängigkeit der Anlagengröße
Abbildung 3: Ladestände der verschiedenen Energiespeicher im Jahresverlauf
Abbildung 4: Kumulierten Kosten verschiedener Varianten im Einfamilienhaus über 30 Jahre
Abbildung 5: Kumulierten Kosten der verschiedenen Systeme über 30 Jahre