Gebäude als Kraftwerke die Basis einer solaren EnergiewirtschaftKPH Strebersdorf

Hubert Fechner7.März 2012

Wirtschaften auf einem endlichen Planeten

Ausbildung zum Photovoltaiktechniker und -planer

Mobilität und Energie

Eine kurze Geschichte der Energieaufbringung

DEZENTRALE Anfänge:• Holz, Muskel und –tierische Kraft

jahrtausendelang als Hauptenergiequelle• Wind- und Wasserräder

ZENTRALISIERUNG ab ~ 1800:• Kohle leitet die Industrialisierung ein (James Watt, ~ 1790)• Erdöl als der einfach zu fördernde Primärenergieträger (Rockefeller ab

ca. 1860) – Erdgas als „Begleiter“

Mobilität und Energie

Wo wird Energie eingesetzt

Elektrochemie1,1%

Sonstige Verbraucher26,7 %

Industrie9,2 %

Haushalte64,1 %

Fahrzeuge25,0%

Licht, EDV3,1%

Mech. Arbeit10,0%

39,6 %

Prozeßwärme21,2%

Energieverbrauch: 899.362 TJ

Raumwärme, Warmwasser

Mobilität und Energie

Zentralisierte Energiewirtschaft

Großtechnische, zentralisierte Energiewirtschaft - ein Zwischenspiel?

Heute sind die Gebäude für 40% des europäischen Gesamt-Energiebedarfes

verantwortlich

Inhalt Definition Plusenergie-Gebäude Technologien zur Erreichung eines +Energiegebäudes Fokus: Solarenergie

– PV– Thermisch– PVT

Stand der Umsetzung und Perspektiven Wie geht’s den Stromnetzen mit den Plus-

Energiegebäuden? Schlussfolgerungen

Plattenbau (50er bis 70er Jahre)

Energiekennzahl:250-300 kWh pro m² und Jahr

Passivhaus-Siedlung (nach 2005)

Energiekennzahl:15 kWh pro m² und Jahr

Energiekennzahl - Kennzahl für thermische Qualität der Gebäudehülle: Sie sagt aus, wie viel Energie man pro Quadratmeter Fläche im Jahr benötigt und wird in kWh/m².a angegeben.

Ausbildung zum zertifizierten Solarwärmeinstallateur und ‐planer

Jenni Solarhaus – 31.1.1989Erstes Haus, das seinen Wärme‐und Strombedarf zu 100% mit der Sonne decken konnte.

Welche Energietechniken?

Solar-aktiv– Thermisch

Wasser: Heizung/WW Luft: Kühlung/Heizung

– Photovoltaisch– PVT – Hybridkollektoren

Solar Passiv Wärmerückgewinnung Umweltwärme

– Wärmepumpen, Erdkollektoren,… … …

Nächster Schritt: Das Plusenergiehaus  ‐ Gebäude, die Kraftwerke von morgen

Definition

Beim Plusenergiehaus handelt es sich um ein Gebäude auf höchstem Passivhaus-Standard, das rein rechnerisch mehr Energie gewinnt, als es verbraucht.

Dazu ist es mit zahlreichen Photovoltaikzellen zur solaren Stromerzeugung ausgestattet, weitere Anlagen sind Solarkollektoren, Wärmerückgewinnung, evtl. Erdwärmeübertrager.

www.plus-energiehaus.at

Plusenergiehaus: Im Jahresdurchschnitt wird mehr Energie an der Hülle erzeugt, als im Inneren gebraucht wird.

Wichtigste Komponenten:- Wärmedämmung- Fenster (3-fach)- Lüftung (mit WRG)- Solaranlagen (thermisch und photovoltaisch)

Solare Potentiale

Solarstrahlung in ÖsterreichVergleich: Jahresstrombedarf einer 4‐Personen Familie in Österreich: ca. 4.000 kWh

Ref. ISET / Czisch

The solar resourceSolare Ressourcen ‐ Global

Technologien

Solarthermisches System zur Warmwasserbereitung/RH‐Unterstützung

Einfamilienhaus:Standard-Solar WW (6 m², 300 l, nach Förderung): 2.980 €

Einfamilienhaus:Solar Heizung (15 m², 1000 l, nach Förderung): 7.120 €

Angaben nach www.austriasolar.at Jänner 2011

Solarthermie Technologiestatus

Technologie weitgehend ausgereift– Maximaler Wirkungsgrad der Kollektoren: >80%– Lebensdauer > 25 Jahre

Geringes Kostensenkungspotential Grundsätzlich nur additive Energieversorgung (d.h. Back-

up ist erforderlich) Typische Anlagendimensionierung: 75-80% der jährlichen

Warmwasserbereitung, 20-50% der Raumheizung Solarspeicher (Wärmespeicher) weiter nur auf der Basis

von Wasser

• 42 Wohneinheiten• 1500m³ Kies/Wasserspeicher• 510m² Kollektor• 550 kW Gas-Brennwertkessel• Solarer Deckungsgrad 34%

Auch im Wärmebereich kann ein Plus erreicht werden –jedoch finden sich nicht immer Abnehmer dafür

Positivbeispiel: Solarsiedlung Steinfurt-Borghorst

Solare LUFT‐SystemeBei der solaren Wärmenutzung kann der Wärmeträger Wasser sein (übliche Variante) oder auch Luft.Beispiel: Solarer Luftkollektor

Hybrid Kollektoren thermisch/elektrischPVT

The Solar Battery (Photovoltaics)Bell Lab Engineer, New Jersey

PHOTOVOLTAIK ‐ die zentrale Solartechnologie im Gebäude

Planned in 1997: “…Smaller contributions are foreseen from Photovoltaics (3 GW)…”

Realität:

Photovoltaik in EU-27 Ende 2010: 29.3 GW (geschätzte ca. 50 GW Ende 2011)

Photovoltaik neu in 2010: 13.0 GW (geschätzte ca. 21 GW in 2011)

Schätzungen lt. EPIA Bericht vom 25.1.2012

Photovoltaik ‐Weltmarkt

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010China 19 30 45 55 64 68 80 100 145 373 893APEC 38 43 49 57 66 80 112 170 466 718 1.191Rest of World 758 814 894 971 1.000 1.010 1.128 1.190 1.303 1.427 1.844North America 146 177 222 287 379 496 645 856 1.205 1.744 2.727Japan 318 452 637 860 1.132 1.422 1.708 1.919 2.149 2.632 3.622EU 181 275 414 613 1.319 2.324 3.307 5.257 10.387 16.006 29.252

Quelle: EPIA

Österreich neue PV: 

2008:  4,6 MW2009:  20 MW2010:  42 MW2011:  > 120 MW (expct.)

Neue Stromerzeugungskapazitäten in Europa 2010Quelle: European Wind Energy Association

Photovoltaik 2011: Steigerung von 12 auf 21GW !

Enorm ambitionierte weitere Szenarien:

IEA Roadmap: ver15-fachung bis 2020 EPIA: 12% des EU Stromes bis 2020

Photovoltaik

Photovoltaik ‐ Technologiestatus

• Zellenwirkungsgrade: max. 20% (43% im Labor, theoretisch möglich > 60%)

• Lebensdauer: > 25 Jahre, Leistungsgarantie auf 20 Jahre (80% der Nennleistung)

• Energetische Amortisation: 0,9 … 3,5 Jahre

• Photovoltaik Weltmarkt: 68 MW

• Kumulierte PV Leistung in Österreich: 525 kW 

– (2/3 Inselsysteme, 1/3 Netzgekoppelt)

• Kosten pro kWh in Österreich: ca. 14 Schilling (~ 1 €)

• 65.000 MW

• Kumulierte PV Leistung in Österreich: 200.000 kW

• Ca. 0,25‐0,3 €

Photovoltaik im Lauf der Zeit…

Photovoltaik Kostendegression

Solarstromanlagen seit 2006 um ca. 50% billiger

Solarthermie versus Photovoltaik• Wirkungsgrade max. 85%• ~ 4,5 Mio. m² in A gesamt• ca. 300.000 m²/a neu • A internationaler Marktführer• 1 m² in A: 300‐450 kWh/a• Kostentendenz eher stabil• Niedertemperaturwärme

• Wirkungsgrade ~ 20%

• ~ 0,7 Mio. m² in A gesamt

• ca. 50.000 m²/a neu

• A im hinteren Mittelfeld

• 1 m² in A: 100 – 130 kWh/a

• Kostentendenz fallend

• Strom

Schlussfolgerung:Solarwärme für Anwendungszweck Warmwasser und Heizung einsetzen, 

(da System‐Wirkungsgrade höher sind als bei der Photovoltaik)Amortisationszeiten: ~ 5 – 15 und mehr Jahre

Was kann Gebäudeintegration sein?

Dachintegration

Fassaden

Balkone, Parapete

Sonnenschutz

Atrien, Scheds, semi‐transparente Elemente

SolarthermieDI Hubert Fechner

ENERGYbase, Wien 21

- Passivhausstandard

- Effiziente Energiesysteme

- Innovative Bautechnik

- Solar - Thermal- Photovoltaik- Cooling

- Wärmepumpentechnologie

Bachelor und Master „Erneuerbare Urbane Energie“Standort für über 300 Studenten und Experten in EE

Energybase Wien 21

Kosten gebäudeintegrierter Photovoltaik

Quelle: Überblick über Solarfassadentechnologien, M. KirschnerHEI Eco Technology GmbH, Wien, Vortrag am 7.12.2010 Foto: Power Tower, Energie AG, Linz, 

66 kWp

Energie‐Plus und das Stromnetz

Der Tages‐Verlauf der Erzeugung durch Sonne am Dach entspricht nicht dem Verlauf des Tages‐Bedarfes im Haus

__ HH‐Stromprofil 

Werktag

Plus‐Energie ist nicht gleich Plus‐Leistung…

> Mangel am Abend – Überfluss zu Mittag … > SPEICHERUNG

Jahresverlauf

An einem schönen Jänner-Tag wird durch die Solar-Anlage etwa 1/6 dessen erzeugt, was an einem schönen Juli Tag erzielt werden kann.

> Mangel im Winter – Überfluss im Sommer… > SPEICHERUNG

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Juni Juli Aug. Sept. Okt. Nov. Dez.

Monat

Stra

hlun

g [k

Wh/

d]

SonnblickSalzburgGraz

Langjährige Monatsmittelwerte der täglichen Einstrahlung (globale Strahlung auf eine horizontale Fläche in kWh/m²d)

Vorranging ist das Stromnetz der Speicher – Ist das aber ein endloser Speicher der „PLUS Energie“ ?

Bei Einspeisung ins Niederspannungsnetz kommt es zu Spannungsanhebung

Die Spannungshöhe im Verteilnetzmuss immer innerhalb den in den Normen festgelegten Bereichenliegen. (EN 50160) 

Energiespeicher

– Wasserspeicher– Batteriespeicher – Druckluftspeicher– Wasserstoff (Elektrolyse,…)– Solarwärmespeicher– Gebäudespeichermassen,…

Wenn Ökostrom in hoher Dichte anfällt…

Aktuelles Beispiel: Deutschland – Strom (2011):

Maximale Last: 80 GWMinimale Last: 40 GW

PV installiert: > 27 GWWind installiert: ~ 35 GW

16.Juli 2011      12‐13 Uhr48.000 MW Strombedarf (in Deutschland):• 12.000 MW Photovoltaik• 4.000 MW Wind• 32.000 MW konventionelle KW‘s• Steinkohle und Gaskraftwerke wurden abgeschaltet, nur mehr 

Grundlastkraftwerke in Betrieb.

Ab ca. 2020?: an sonnigen Tagen übernehmen die auf den Gebäuden installierten Solaranlagen in den Tagesstunden die gesamte Erzeugung. Die anderen Kraftwerke werden ihre Einsatzzeiten massiv verringern – bzw. bei guter Entwicklung der Speicher evtl. mehr und mehr unnötig werden.

Die Zukunft

Baufeld J9 WohnbauBauklasse IV

Baufeld J10 BürobauBauklasse IV

Projekt Sun Power City ‐ Testgebiet Aspern Seestadt

Projekt analysiert Möglichkeiten eines voll-solaren Stadtteiles

Energie für Strom und Wärme (über WP) aus Photovoltaik

Projekt im Rahmen von „Neue Energien 2020“, Projektleitung: Tatwort

Gebäudetyp Best Case Worst Case

Gesamt-deckung %

Gesamt-deckung

%Supermarkt 218 % 112 %Wohngebäude (6 Geschosse) 134 % 82 %Büro (6 Geschosse) 90 % 56 %

Sun Power City:Energie‐Bilanz nach GebäudetypenBest‐Case … Worst‐Case

Seite 52

Platz auf Österreichs Dächern? Photovoltaik:

Etwa 30 TWh könnten auf den geeigneten Dächern und Fassaden gewonnen werden. (IEA PVPS – Task 7)

Zum Vergleich: Gesamtstrombedarf Österreichs: ca. 70 TWh

Solarpotentialkataster Wien

Kiyomino Saizo ‐ Japan

Cybertecture- Egg

James Law