Was ist ein Nullenergiehaus

Theoretisch betrachtet verbraucht ein Nullenergiegebäude keine Energie, aber kann es dadurch als autark bezeichnet werden? Der folgende Artikel nennt autarke und netzbasierte Konzepte zur Erreichung des Nullenergiestandards und führt die Vorgehensweise zur Ermittlung eines Nullenergiegebäudes in der Praxis an.

Prinzip Nullenergiegebäude

Das Prinzip eines Nullenergiegebäudes ist es, die durch das Haus verbrauchte, Energiemenge in einer Jahresbilanz auf null zu reduzieren. Aus diesem Grund ist eine hohe Energieeffizienz und somit ein geringer Energiebedarf des Gebäudes ein wichtiger Aspekt bei einem Nullenergiegebäude, weshalb sie oft in einem hocheffizienten Gebäudestandard, wie z.B. im Passivhausstandard, errichtet werden. Wir unterscheiden zwischen autarken und netzbasierten Nullenergiegebäuden.

Autarke Wärmeversorgung

Um eine autarke Wärmeversorgung bei einem Gebäude gewährleisten zu können, wird ein Wärmespeicher in Kombination mit einer Solarthermischen Anlage oder einer Wärmepumpe benötigt.

Phasenwechselmaterialien

Phasenwechselmaterialen können in Wände und Decken eines Gebäudes eingebracht und als Wärmespeicher genutzt werden.[1] Diese Materialen schmelzen bei steigender Temperatur und nehmen dadurch Wärme aus den Räumen auf. Bei sinkender Temperatur geben sie die Wärme wieder ab. Selbst wenn alle Oberflächen eines Gebäudes diese Materialien enthalten, ist eine zusätzliche Beheizung notwendig.

Wasser-Wärmespeicher

Für die Wärmespeicherung im Gebäudebereich  sind Wasser-Wärmespeicher besser geeignet, müssen jedoch für eine autarke Wärmeversorgung sehr groß dimensioniert werden. Für eine vollständige Deckung des Warmwasser- und Heizwärmebedarfs eines 150 m² Wohnhauses für vier Personen mit einer Solarthermischen Anlage und einem Wasserspeicher muss die Kollektorfläche mindestens 30 m² und das Speichervolumen mindestens 50 m³ groß sein.[2]

Erdreich-Wärmespeicher

Als Alternative zum Warmwasserspeicher kann auch das Erdreich als Wärmespeicher genutzt werden. Überschüssige Wärmeenergie wird über Erdsonden an das Erdreich übergeben und kann im Winter zur Heizung des Gebäudes wieder entzogen werden. Da die Wärmepumpe die Temperatur des Erdreiches von 10°C auf das Niveau der Heizungsanlage von etwa 35°C „hochpumpen“ muss, ist eine zusätzliche Stromversorgung notwendig. Der Erdwärmespeicher kann nur in Kombination mit einer Photovoltaikanlage und einem Batteriespeicher autark verwendet werden.

Zusatzheizung

Durch eine zusätzliche Biomasseheizanlage kann die Speichergröße stark verringert werden, jedoch kann die Wärmeversorgung dadurch nicht mehr als autark bezeichnet werden.  Der Wärmebedarf einer Passivhauswohnanlage mit 60 Wohneinheiten in Salzburg wird durch eine 200 m² Solarthermische Anlage, einen 21 m³ Pufferspeicher und einen 100 kW Holzpellet-Kessel bereitgestellt.[3] Das Beispiel zeigt, dass durch eine zusätzliche Heizungsanlage die Speichergröße im Vergleich zum bereits beschriebenen Wohnhaus stark reduziert werden kann.

Autarke Stromversorgung

Um eine autarke Stromversorgung zu erreichen, wird durch die fluktuierende Stromerzeugung der Photovoltaikanlage ein zusätzlicher Batteriespeicher benötigt. Eine Langzeitspeicherung ist mit einem solchen Speicher durch die Selbstentladung jedoch problematisch. Zudem sind für die vollständige Strombedarfsdeckung sehr große Speicher notwendig, welche hohe Kosten verursachen. Um den Strombedarf eines Einfamilienhauses für einen Tag (10 kWh) zu decken, wir bei einer Energiedichte der Batterie von 40 Wh/kg, ein Energiespeicher von 400 kg benötigt.[4] Dieser Wert ergibt sich durch einen Ladungswirkungsgrad von 80% und einer Mindestladung von 20%, da die Lebensdauer von Batteriespeichern bei Tiefenentladung stark reduziert wird.

Netzbasierte Nullenergiegebäude

Da energieautarke Gebäude, sowohl in wärmetechnischer als auch elektrotechnischer Hinsicht, mit sehr viel Regelungsaufwand und Kosten verbunden sind, gibt es in der Praxis netzbasierte Konzepte für Nullenergiegebäude. Ein Gebäude, welches nur Strom als einzigen Energieträger aus einem Grünen Netz bezieht, kann als Nullenergiegebäude bezeichnet werden, da keine fossilen Energieressourcen benötigt werden. Dieses Grüne Netz muss jedoch eine Stromerzeugung aus 100% Erneuerbaren Energien gewährleisten. Da es weltweit kein Stromnetz mit Strom aus 100% Erneuerbaren Energien gibt, kann ein netzbasiertes Nullenergiegebäude nur mit Hilfe des Bilanzprinzips erreicht werden. Da das Gebäude nur in bilanzieller Hinsicht, durch gegenseitigen Ausgleich von aus dem Netz bezogener und an das Netz durch Einspeisung zurückgegebener Energiemenge, ein Nullenergiegebäude ist, muss die korrekte Bezeichnung eigentlich „Netto-Nullenergiegebäude“ lauten.[5]

Bilanzprinzip

Bei der Energiebilanzierung werden zwei wichtige Vorgehensweisen verfolgt: zum einen wird der Energieaufwand des Gebäudes reduziert, um die aus der Umwelt entnommene Energiemenge zu verringern, zum anderen wird die am Haus erzeugte, und in das Netz eingespeiste Energiemenge, z.B. durch eine Photovoltaikanlage oder eine Kraftwärmekopplungsanlage, optimiert, um die bezogene Energiemenge auszugleichen. Abbildung 1 zeigt das Grundprinzip der Bilanzierung durch Energieeinsparung und Einspeisegutschrift. Die Diagonale im Diagramm steht für das Gleichgewicht zwischen bezogener und eingespeister Energiemenge und somit für ein Netto-Nullenergiegebäude. Wird eine höhere Energiemenge an das Netz zurückgegeben als daraus entnommen wird, befindet sich das betrachtete Gebäude im Bereich über der Diagonale. Ein solches Gebäude wird als „Plusenergiehaus“ bezeichnet. Es ist ersichtlich, dass durch eine Energieeinsparung, z.B. durch eine Verbesserung der thermischen Hülle oder Effizienzsteigerung der Heizungsanlage, ein geringerer Energiebezug erreicht wird, und dadurch auch weniger Energie eingespeist werden muss, um die Diagonale zu erreichen. Für eine eindeutige Berechnung der Energiebilanz sind folgende drei Festlegungen mindestens erforderlich: ein oder mehrere geeignete Indikatoren, die Bilanzgrenze, und der Bilanzierungszeitraum.[6]

Indikatoren

Als betrachteter Indikator bei der Energiebilanzierung wird zumeist die Primärenergiemenge des Bedarfs und der Einspeisung betrachtet, da dadurch ebenfalls der anfallende Energiebedarf für Gewinnung, Umwandlung und Transport des Energieträgers in die Bilanzierung einfließt. Die Primärenergie des betrachteten Energieträgers kann über Primärenergiefaktoren bestimmt werden, durch welche neben der Gesamtmenge auch der nicht erneuerbare Anteil ausgewiesen werden kann. Diese Primärenergiefaktoren unterscheiden sich jedoch in den unterschiedlichen Ländern. Als erklärendes Beispiel dazu, kann der Primärenergiefaktor des Energieträgers Strom betrachtet werden. In Ländern mit einem hohen Anteil an fossiler Energieerzeugung im Strom-Mix, ergibt sich ein höherer Primärenergiefaktor, da zur Stromerzeugung fossile Ressourcen benötigt werden. Vor der Umwandlung in elektrische Energie müssen diese mit zusätzlichem Energieaufwand aufbereitet und zum Kraftwerk transportiert werden. Im Vergleich dazu, ergibt sich bei einem hohen erneuerbaren Anteil, wie z.B. Wind-, Solar- und Wasserkraft, ein niedriger Primärenergiefaktor, da die regenerativen Energieressourcen direkt vor Ort in elektrische Energie umgewandelt werden.
Neben der Betrachtung der Primärenergie können auch „Nullemissionsgebäude“, durch eine Klimagas-basierte Bewertung, oder „Nullenergiekostenhäuser“, durch eine Kostenbewertung, realisiert werden.[7]

Bilanzgrenze

Die Bilanzgrenze umfasst in erster Linie den gebäudetechnischen Energiebedarf. Darunter fallen die Anlagen zur Heizung und Wassererwärmung sowie die Hilfsenergie für Pumpen und Ventilatoren. Die Gebäudeeffizienzrichtlinie der EU gibt vor, dass die Energiemenge, die tatsächlich verbraucht oder veranschlagt wird um den unterschiedlichen Erfordernissen im Rahmen der Standardnutzung des Gebäudes gerecht zu werden, für die Gesamtenergieeffizienz des Gebäudes berücksichtigt werden muss.[8] Ergänzend zu Heizungs- und Warmwasseranlagen sind darum auch Anlagen für Lüftung, Kühlung und Beleuchtung Teil der Bilanzgrenze.

Nutzungsspezifische Energieverbräuche

Nutzungsspezifische Verbräuche von Geräten, wie z.B. Haushaltsgeräte, EDV und Produktionsmaschinen, sowie zentrale Einrichtungen, wie z.B. Serverräume, Kühlhäuser, Rolltreppen und Aufzüge, werden selten in der Bilanzierung betrachtet.[9] Sollten diese Verbräuche jedoch im Rahmen der Standardnutzung des Gebäudes erforderlich sein, müssen sie in die Bilanzgrenze übernommen werden. Die Nichtbetrachtung der nutzungsspezifischen Verbräuche führt jedoch zu einer Verfälschung der Energiebilanzierung, da der Strombedarf energieeffizienter Gebäude meist einen großen Anteil am Primärenergiebedarf ausmacht. Eine Bestimmung dieser Verbräuche von Nichtwohngebäuden kann mit Hilfe von standardisierten Lastprofilen, abhängig von der jeweiligen Benutzung des Gebäudes, einer Berechnung durch Auflistung aller benutzter Geräte und deren Betriebsdauern, oder durch eine Evaluation des Verbrauchs, mittels Messung über eine längere Periode, erreicht werden.

Standort Energieerzeugungsanlage

Des Weiteren muss festgelegt werden, wo sich die Energieerzeugungsanlage befinden muss, um Teil der Energiebilanz des Gebäudes zu sein. Die Energieerzeugungsanlage muss prioritär den Eigenbedarf des Gebäudes decken.[10] Ein Beispiel hierfür ist eine Photovoltaikanlage, die sich auf dem Dach des Gebäudes oder auf demselben Grundstück befindet. Die erzeugte Energie wird bei Eigenbedarf genutzt und nur überschüssige Energie wird in das Stromnetz eingespeist. Ein Beispiel für eine Energieerzeugungsanlage, welche nicht in der Energiebilanz berücksichtigt werden darf, ist der Einkauf von Windenergieanteilen, da die Windkraftanlage ein Teil des Netzes ist und nicht für die Deckung des Gebäudeenergiebedarfs ausgelegt ist.

Bilanzierungszeitraum

Die letzte Festlegung, um eine eindeutige Berechnung der Bilanz zu ermöglichen, ist die Wahl des Bilanzierungszeitraumes. Üblicherweise wird der Energiebedarf und die Einspeisemenge des betrachteten Gebäudes über ein Jahr ermittelt. Soll jedoch eine Lebenszyklusbilanz des Gebäudes gebildet werden, muss die Graue Energie, welche bei der Bauausführung anfällt, mit berücksichtigt werden. Um in diesem Fall ein Nullenergiegebäude zu erreichen, muss bei der einjährigen Betrachtung ein Plusenergiegebäude ermittelt werden. Mittels der jährlichen, überschüssigen Einspeisegutschriften, kann nun die Graue Energie innerhalb mehrerer Jahre amortisiert werden.

Unterscheidung durch Eigenbedarfsdeckungsgrad

Der Eigenbedarfsdeckungsgrad wird als Verhältnis aus Eigenerzeugung durch eine Photovoltaikanlage oder Kraftwärmekopplungsanlage und Eigenverbrauch des Gebäudes gebildet. Es kann maximal ein Deckungsgrad von 100% erreicht werden, jedoch nur durch Einsatz von Batteriespeichern, Demand Side Management, oder einer Unterdimensionierung der Erzeugungsanlage gegenüber dem Energiebedarf. Der Deckungsgrad wird verwendet um unterschiedliche Nullenergiegebäude miteinander vergleichbar zu machen. Viele Gebäude haben durch eine große Photovoltaikanlage zwar eine große Erzeugung, können den Großteil dieser erzeugten Energie aber nicht selbst nutzen, da sie in Zeiten geringen Lastbedarfs erzeugt wird. Dies ist bei einer monatlichen Ermittlung der Erzeugung und des Eigenbedarfs gut ersichtlich. Im Winter, bei hohem Lastbedarf, hat die PV-Anlage eine geringe Erzeugung. Im Gegensatz dazu herrscht im Sommer, bei geringem Lastbedarf, eine hohe Erzeugung. Zur Ermittlung des Eigenbedarfsdeckungsgrads wird die erzeugte Energiemenge durch eine Photovoltaikanlage oder Kraftwärmekopplungsanlage dem Eigenstrombedarf monatlich betrachtet gegenübergestellt, wie in Abbildung 2 ersichtlich. Nur der Anteil des Ertrags pro Monat, welcher den Eigenbedarf deckt, wird betrachtet. Der Eigenbedarfsdeckungsgrad ist das Verhältnis der aufsummierten Monatswerte und dem jährlichen Eigenstrombedarf. Bei einer Berechnung des Deckungsgrads, mittels Viertelstundenwerte der genau bekannten Tageslastganglinie des Gebäudes und Erzeugungskurve der Energieerzeugungsanlage, fällt dieser Wert wesentlich geringer aus. Dies wird in der Praxis nur selten angewandt, da die Last- und Erzeugungskurve nur durch aufwendige Prognosen ermittelt werden können.

Quellen:

[1], [4], [5], [6], [9], [10] Voss, Karsten und Musall, Elke (2011) Nullenergiegebäude – Internationale
      Projekte zum klimaneutralen Wohnen und Arbeiten, Detail Green Books, S. 19, 22, 25, 28, 33.
[2] Voss, Karsten (1997) Experimentelle und theoretische Analyse des thermischen Gebäudeverhaltens
      für das Energieautarke Solarhaus Freiburg, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme -ISE-,
      Freiburg/Brsg.
[3] Initiative Architektur Salzburg (2006) Wohnanlage Samer Mösl. Online verfügbar:
      https://www.nextroom.at/building.php?id=28858 [09.05.2014]
[7] Crawley, Dru; Pless, Shanti und Torcelline, Paul (2009) Getting to Net Zero, Ashrae Journal 51,
      S. 18ff.
[8] Europäisches Parlament und Rat der Europäischen Union (2010) Richtlinie 2010/31/EU des
      europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von
      Gebäuden, S. 17 Anhang 1 Gemeinsamer allgemeiner Rahmen für die Berechnung der
      Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden. Online verfügbar: https://www.parlament.gv.at/PAKT/VHG
      /XXIV/ME/ME_00303/imfname_227984.pdf [23.05.2014]
[11] Forschung für Energieoptimiertes Bauen (2013) Beispielgebäude SolarCity EnerCalC 2013.

Abb. 1: Grundprinzip der Bilanzierung [6]rgiegebäude

Abb. 1: Grundprinzip der Bilanzierung [6]

Abb. 2: Gegenüberstellung Bedarf und Ertrag [11]

Abb. 2: Gegenüberstellung Bedarf und Ertrag [11]