Solarenergie für Wärme, Strom und Mobilität

Timo Leukefeld plant Gebäude, die hohe Autarkie bei Wärme, Strom und Mobilität erreichen. Nun sind die ersten Mehrfamilienhäuser bezugsfertig.

Vor einigen Jahren noch schien der Startpunkt für die Umsetzung der 2010 verabschiedeten EU-Gebäuderichtlinie (EPBD) in weiter Ferne: "2019" – so viele Jahre noch, bis öffentliche Gebäude als Niedrigstenergiehäuser gebaut werden sollen. Und "2021", das Jahr, in dem der gleiche Standard für private Gebäude gelten soll, schien noch viel länger hin. Doch nun ist 2019 da. Und noch immer ist die europäische Richtlinie nicht in nationales Recht umgesetzt. Am Gebäudeenergiegesetz (GEG), in welcher der neue Standard definiert werden soll, wird weiter gefeilt. Die grobe Richtung oder, besser gesagt, das große Ziel ist aber schon lange klar.

Und so hat der Freiberger Energieexperte Timo Leukefeld beschlossen, nicht abzuwarten, sondern selbst eine Lösung für die Umsetzung im Wohnungsbau zu entwickeln. Er plant Gebäude, in denen große Solarthermie- und Photovoltaikanlagen mit den entsprechen-den Speichern für eine hohe Autarkie bei Wärme, Strom und Mobilität sorgen. Der Restenergiebedarf ist minimal. Dass sein Bau- und Energiekonzept der "energieautarken Gebäude" funktioniert, hat er nun "schwarz auf weiß" dokumentiert.

Schluss mit der Gängelei

Eine Frage, die ihn umtreibt, ist, wie die Energiewende im Wohnungswesen beschleunigt werden kann. Weder die existierenden Förderprogramme noch die geforderten Effizienzmaßnahmen und auch nicht der beständige Appell, Energie einzusparen, hätten bisher die gewünschte Wirkung gezeigt. So lautet sein Fazit. Und auf die Umsetzung der EU-Gebäuderichtlinie wollte er schon gar nicht warten. Er beschloss, einen anderen Weg einzuschlagen.

"Wir drehen die Gängelei in etwas Positives um und plädieren dafür, erneuerbare Energie intelligent zu verschwenden, anstatt blöd zu sparen. Solarenergie für Wärme, Strom und Elektromobilität soll nach Belieben und reichlich genutzt werden: Dann können die Menschen wieder die Heizung aufdrehen, das Licht anlassen und mit gutem Gewissen viele Tausend Kilometer mit ihrem Elektroauto fahren. Das zieht an und verführt zum Energiesparen, die Investitionen in klimaschonende Haustechnik auf Basis von Solarenergie kommen in Schwung."

Leukefeld und andere Forscher gehen davon aus, dass Solarstrom aus einer neuen Photovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus-Dach in Deutschland im Jahr 2030 nur noch ein bis zwei Cent je Kilowattstunde kosten wird. "Langfristig gesehen, wird Energie aus regenerativen Energieträgern kostenlos sein", prognostiziert er und plädiert dafür, schon jetzt einen Großteil des heimischen Energiebedarfs mit Solarenergie zu decken.

Im Eigenheim selbst erprobt – und wissenschaftlich überwacht

Um sein Hauskonzept zu verbreiten, schloss Leukefeld Kooperationen. Das erste Bauprojekt war ein Musterhaus, das die Helma Eigenheimbau AG nach seinem Konzept baute. "Es war eine Weltneuheit, fand aber keine Akzeptanz", muss er rückblickend feststellen. Deshalb ging er zusammen mit einem Kollegen aus der Solarbranche, Stefan Riedel, selbst ins Risiko und "in die Vollen". Sie bauten selbst zwei solcher Einfamilienhäuser, die jeweils 368.000 Euro kosteten – inklusive Bodenplatte, ohne Keller und ohne Grundstück. In identischer Optik stehen sie nebeneinander in der sächsischen Universitätsstadt Freiberg und waren 2013 bezugsfertig. Eines bezog Leukefeld mit seiner Familie. Das andere nutzt er seit ein paar Jahren als Bürohaus für sein Planungsunternehmen.

Um einen "wasserdichten Nachweis" bzw. ein belastbares Energiedaten-Monitoring zu haben, holte Leukefeld die TU Bergakademie Freiberg ins Boot. Sie richtete eigens für die wissenschaftliche Begleitung des Bauprojektes eine Planstelle ein. Das BMWi unterstützt das Monitoring finanziell. 190 Messsensoren sind in dem Wohnhaus installiert. Nach vier Jahren endete das Forschungsprojekt im vergangenen Jahr.

Doch zunächst zu den Eckdaten der Häuser: Beide haben eine Wohnfläche von jeweils 162 m². Auf dem nach Süden ausgerichteten, 45° steilen Dach sind 46 m² Solarkollektoren installiert. Der Langzeitwärmespeicher hat ein Fassungsvermögen von 9,1 m³. Ein Kaminofen mit 25 kW Leistung steht für die Nachheizung bereit. Auf dem gleichen Dach sind 58 m² Photovoltaikmodule montiert. Die PV-Anlage hat eine Leistung von 8,4 kW. Blei-Gel-Akkus mit 58 kWh Speicherkapazität speichern den Solarstrom zwischen, der gerade nicht direkt im Haus verbraucht werden kann.

Messergebnisse bestätigen Autarkie

Seit dem Herbst 2018 liegt der Abschlussbericht der Messungen durch die TU Bergakademie Freiberg vor. "Unsere Simulation ist eine Punktlandung", freut sich Leukefeld und ergänzt: "Unser Wohnhaus ist das Haus in Deutschland, das mit Abstand die höchste solare Deckung in der Wärme- und Stromversorgung hat – und das wissenschaftlich belegt."

Bei dem energieautarken Wohnhaus in Freiberg hatte Leukefeld im Vorfeld einen solaren Deckungsgrad von 65 Prozent für die Wärmeversorgung simuliert, real lag er im Jahr 2016 bei 68,5 Prozent. Für die Stromversorgung waren 100 Prozent prognostiziert, in dem gleichen Jahr waren es laut Monitoring-Bericht 99,6 Prozent.

"Unser Ziel war es, zu zeigen, wie integrales Denken für Strom, Wärme und Mobilität im Bauen funktioniert und hohe Autarkie in allen drei Sektoren erreicht werden kann", so Leukefeld. Dieses Ziel sieht er erfüllt. Auch beim Primärenergiebedarf schneiden die energieautarken Häuser sehr gut ab. Der spezifische Primärenergiebedarf für die Wärmeversorgung war mit 7 kWh/m²a berechnet. Real lag er in den Jahren 2014 bis 2016 zwischen 4,9 und 8,6 kWh/ m²a und damit zum Teil noch unter dem prognostizierten Wert.

Der Wärmeverbrauch war in den Jahren 2014 bis 2017 zum Teil witterungsbedingt um 16 bis 33 Prozent erhöht. Trotzdem übertraf die solare Deckung des Wärmebedarfs des bewohnten Hauses in den Messperioden die Planungsdaten von 65 Prozent. Um überschüssige Wärme im Sommer zu nutzen, baute Leukefeld gar einen kleinen Pool im Garten. Weiterhin wird mit einer Erdsonde passiv gekühlt.

Eine 100-prozentige Stromautarkie wurde in den ersten zwei Jahren unter anderem aufgrund unterdurchschnittlicher Einstrahlungswerte und einiger technischer Defekte nur knapp verfehlt. Mit dem solaren Deckungsgrad von 99,6 Prozent im Jahr 2016 wurde sie jedoch fast erreicht. Der geplante geringe Gesamtstrombedarf in dem Wohnhaus von 2.000 kWh/a konnte mit 2.065 bis 2.245 kWh/a bis 2016 nutzerunabhängig sehr gut erreicht werden. "Das ist sehr sparsam, wenn man bedenkt, dass fünf Personen in dem Haus leben", kommentiert Leukefeld.

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Das Haus als Tankstelle

Der Strom aus der Photovoltaikanlage wird auch für das Elektroauto genutzt. Die Familie fährt damit rund 7.000 km im Jahr. In zehn bis elf Monaten tankt sie ausschließlich Solarstrom. Das Elektroauto und die Ladesäule hat die envia Mitteldeutsche Energie AG zu Forschungszwecken zur Verfügung gestellt. Im Rahmen der Forschung hat der Energieversorger und -dienstleister auch den Wärmespeicher in dem Haus, das als Büro genutzt wird, mit dem "power-to-heat"-Prinzip bewirtschaftet.

"Ein Haus als Tankstelle für Solarstrom: Das ist die Zukunft", betont Leukefeld. Mit kleinen Extras leistet er weitere Beiträge zum Klimaschutz. So gibt es beispielsweise für jedes Haus eine eigene Brunnenwasser-Versorgung für das WC und die Gartenbewässerung.

"Um eine möglichst hohe Gesamtenergie- und Kosteneffizienz eines Gebäudes zu erreichen, wird die Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität in den eigenen vier Wänden in Zukunft eine wichtige Rolle spielen", lautet ein Fazit in dem Abschlussbericht der TU Bergakademie Freiberg. Die Forscher kommen aber auch zu diesem Schluss: "Für eine bessere Wirtschaftlichkeit werden zukünftig bei Mehrfamilienhäusern wahrscheinlich nicht einzelne Konzepte von Niedrigenergiehäusern den Wohnungsmarkt dominieren, sondern es wird der Zusammenschluss mehrerer Gebäude zu einem Quartier an Bedeutung gewinnen." An genau diesen Einsatzgebieten arbeitet Leukefeld bereits.

Energieautarke Mehrfamilienhäuser als weiterer Schritt

Mit seinen Plänen haben die Wohnungsgenossenschaft eG Wohnen 1902 in Cottbus und die Spar- und Baugesellschaft eG in Wilhelmshaven die ersten energieautarken Mehrfamilienhäuser Deutschlands gebaut. Trotz des unterschiedlichen Baustarts waren die drei Gebäude alle im vergangenen Dezember bezugsbereit.

Mit 96 m² Solarkollektoren, einem 20-m³-Langzeitwärmespeicher, einer PV-Anlage mit 28,8 kW Leistung und zwei Solarstrom-Akkus mit jeweils 22 kWh Speicherkapazität können im Wilhelmshavener Mehrfamilienhaus rund 70 Prozent des Energiebedarfs für Wärme und Strom solar gedeckt werden. Der PV-Strom kann auch für das Beladen von Elektrofahrzeugen genutzt werden.

Durch den hohen solaren Deckungsgrad sind die Energiekosten niedrig und langfristig kalkulierbar. Die Wohnungsgenossenschaft an der Nordsee hat sich deshalb zu einem neuen Vermietungskonzept, das ebenfalls von Leukefeld entwickelt wurde, entschlossen. Ihre Mieter zahlen keine Betriebs- und Heizkosten, sondern eine verbrauchsunabhängige Pauschalmiete von 10,50 Euro je Quadratmeter und Monat. Das ist ein Novum in Deutschland. "Mit den Mietern wurden auskömmliche Verbrauchsobergrenzen vereinbart", räumt Peter Krupinski, Vorstandsmitglied der Spar- und Baugesellschaft, ein. Für Strom und die Heizung liegt die Obergrenze bei jeweils 3.000 kWh pro Jahr, beim Wasser beträgt sie 100 m³ im Jahr. Darüber hinausgehende Verbräuche würden individuell abgerechnet – Displays in den Wohnungen zeigen den Mietern ihre Verbrauchsdaten tagesaktuell an.

Die eG Wohnen bietet ihren Mietern eine Pauschalmiete mit "Energieflatrate" in der gleichen Höhe an. Das Unternehmen hat zwei solcher Gebäude mit jeweils sieben Wohnungen und einem ganz ähnlichen Energiekonzept gebaut. Hier geben die Solarthermieanlagen im Sommer aber auch noch Solarwärme in ein benachbartes Quartier ab. Über eine mangelnde Nachfrage kann Timo Leukefeld sich also nicht beklagen. Allein für 2019 hat er Planungsaufträge für energieautarke Gebäude mit 180 Wohneinheiten und drei Gewerbeobjekte.