Autarkieoptimierung

Autarkhaus

Autarkieoptimierung hat das Ziel den Bezug an Netzstrom und anderen externen Quellen zu minimieren und den Anteil an Eigenerzeugung zu optimieren. Das geht hin bis zum Autarkhaus, welches ganz ohne Netzanschluss auskommt. Vielleicht denken Sie, dass lohnt sich nur in Regionen, die nicht vom Stromnetz erschlossen sind. Die steigenden Strompreise zeigen jedoch, dass es auch im städtischen Bereich wirtschaftlicher und ökologischer sein kann auf Stromanschluss zu verzichten. Im Bezug auf Elektro Mobilität müssten bei Altbauten, Bestandsbauten sowieso die Anschlussleitungen vergrößert werden. Wie sie in diesem Text erfahren werden ist auch die Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen aufwändig.

In diesem Beitrag geht es darum ein Haus in Nordrhein-Westfalen unabhängiger zu machen.

Abbildung 1 Jährlicher Sonnenverlauf

Inhalt

1 Allgemeine Baubeschreibung 3

2 Aufgabenstellung 3

2.1 Energiespeicher 3

2.1.1 Photovoltaik 3

2.1.2 Photovoltaik Nordseite 5

2.1.3 Energiebedarf 5

2.1.4 Energiespeicher 6

2.1.5 Thermischer Speicher 6

2.1.6 Empfehlung Speichergröße 8

2.1.7 Vanadium Redox Flow vs Lithium Speichertechnologien 8

2.1.8 Empfehlung Energiespeicher 9

2.1.9 Empfehlung Wärmeerzeuger 9

2.2 Einschätzung bzgl. einer zusätzlichen Solarthermie 9

2.3 Wärmespeichergröße 10

3 Abbildungsverzeichnis 10

4 Disclaimer 11

Allgemeine Baubeschreibung

Das Einfamilienhaus befindet sich in NRW.

51,9 ° Nord
7,29 ° Ost

Thermische Gebäudehülle: 834 m²
Bruttovolumen 1650 m³
Geschossfläche ca. 450 m²

Energiestandard KFW 55

Folgende Themen werden Bearbeitet

Aufgabenstellung


1. Vanadium Redox Flow System im Vergleich zu Lithium?

2. Einschätzung bzgl. einer zusätzlichen Solarthermie.

4. Wärmespeichergröße

Energiespeicher

Zur Beantwortung der Frage nach dem Energiespeicher muss der Photovoltaik-Ertrag bestimmt werden. Anhand der Lastprognose kann dann der Speicher bedarf abgeschätzt werden.
Es wird versucht den wirtschaftlich besten Speicher zu wählen, der gleichzeitig die kleinsten Umweltauswirkungen aufweist.

Photovoltaik

Es ergibt sich eine für Photovoltaik verfügbare Fläche von ca. 100 m²

Beispielhaft herangezogenes PV System. Inroof oder Indach Photovoltaik System von Solarworld.

Abbildung 4 mögliche Dachbelegung mit PV-Modulen

Es werden 52 Module mit 290 Wpeak angenommen. Daraus resultieren 15 kWpeak.

Die effektive Solarfläche ist dementsprechend 52 Stück mal 1,6 m² pro Stück 85,5 m².

15 kWpeak mal 900 kWh /kWpeak und Jahr ergibt ein ungefähren Jahresertrag von 13.500 kWh /a

Photovoltaik Nordseite

Abbildung 6 Solarsimulation der Nordseite

Für die Belegung der Nordseite würde green-energy-scout amorphes Silizium oder auch Dünnschichtmodule empfehlen, Diese Panele sind günstig, da weniger Aufwändig bei der Herstellung als reines kristallines Silizium.

Energiebedarf

Ohne die Versorgung von Elektromobilen wird von einem Jahresbedarf von 7500 kWh ausgegangen. Das macht einen täglichen Strombedarf von ca. 20 kWh.

Aus dem Wärmeschutznachweis gehen die Potsdamer Vergleichswerte von 6.632 kWh pro Jahr für die Warmwasserbereitung hervor. Es ist also von weiteren 20 kWh für das tägliche Warmwasser auszugehen. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch eine Rammkernsondierung festgestellt werden.

Der Heizwärmebedarf wird mit 15.600 kWh pro Jahr und somit durchschnittlich 85 kWh pro Tag angegeben.
Vereinfacht wird hier von einer Leistungszahl für Bodennahe Geothermie von 4 ausgegangen. Das bedeutet die Wärmepumpe kann für eine Kilowattstunde Strom 4 Kilowattstunden Wärme umwandeln. Daraus folgt ein Energiebedarf von

Abbildung Heizwärmebedarf entsprechen des Wärmeschutznachweises

Heizwärme 20
Trinkwarmwasser 5
Strombedarf 20

45 kWh / d

Energiespeicher

Als Energiespeicher sind derzeit Blei-, Lithium und Redox Flow Batterien auf dem Markt.
Um den Ausnutzungs- oder Autarkiegrad zu erhöhen kann der Speicher die elektrische Arbeit für bis zu drei Tage vorhalten.

Thermischer Speicher

Der Estrich der Fußbodenheizung und die Geschossdecken gelten mit der Fußbodenheizung als thermischer Speicher.

Die Geschossdecke wird mit ca. 170 m² und 37,8 m³, mit einer Dichte von 2350 kg/m³ und einer Wärmespeicherkapazität von 1 kJ/kg K. Wird die Raumtemperatur im Winter an Sonnigen Tagen von 20 auf 24 °C erhöht lassen sich in den 2 Geschossdecken

98,7 kWh

speichern.

Bei der Entladung eines 500 Liter Pufferspeichers von 60 auf 45 in der oberen Hälfte lassen sich

5,8 kWh

speichern.

Somit lassen sich unter grob zwei Tage die thermischen Lasten des Hauses versorgen.

Bleiben 3 Tage Strombedarf und ein Tag Wärmebedarf

85 kWh

Für 100 % Autarkie.

Empfehlung Speichergröße

Es wird zunächst eine 25 % Autarkie empfohlen, um den Ausnutzungsgrad der Batterie hochzuhalten. Es ist davon auszugehen das somit von das das Gebäude somit drei Viertel des Jahres autark ist.

Es wird eine Speichergröße von

maximal 20 kWh

empfohlen. Kleinere Speicher sind möglich.

Im Sommer fallen fast jeden Tag 40 kWh Solarstom an.

Angenommen Elektrofahrzeuge wie der BMW i3 mit ca. 35 kWh könnten Tagsüber laden so könnten im Sommer ca. 150 km mit klimafreundlichem Eigenstrom gefahren werden.

Vanadium Redox Flow vs Lithium Speichertechnologien

Voltstorage ist derweilen der einzige Anbieter von Redox Flow Speichern. Es sind unzählige Anlagen verbaut und im Münsterland ist die Firma eletec kompetenter Ansprechpartner.

 

Lithium

 

Vanadium

 

2 Speicher

 

E3DCpro

Voltstorage

Voltstorage

Garantie

5

 

10

Jahre

 

Photovoltaik peak Leistung

20

1,5

kW

3

mittlerer Leistungsausgang

7,5

0,8

kW

1,6

Batteriekapazität

17,55

6,2

kWh

12,4

Entladungstiefe

90

100

%

200

Lebensdauer

10

20

Jahre

 

Restleistung End of Life

80

100

%

 

Ladezyklen

7020

10000

 

Energiedurchsatz (Quelle LG)

123200

62000

kWh

124000

Brandgefahr

Ja

Nein

 

Gefährliche Substanzen

Cobalt / Nickel

Vanadium unbedenklich

 

Materialursprung

Afrika / Nicaragua

Abfallprodukt der Eisenindustrie

Rücknahme

kostenlos

vom Hersteller + 100 €

 

Produktionsstandort

Asien (LG)

Deutschland

 

Preis

19763,9

10200

18200

Batterie

16107

eletec.de

8300

8000

Zusatzwechselrichter

2859

Fronius symo

1900

 

Ausbau Interner Leistungsmesser

92

 

Motorschalter

324

 

Can Repeater

85

 

Externe PV Wechselrichter Leistungsmesser 40 A ID 104

298

 

 

 

 

 

Lebenszykluskosten

0,16042127

 

0,16451613

€/kWh

0,14677419

Vanadium Redox Flow Batterien (VRF) werden aus dem Abfallprodukt der Stahlindustrie hergestellt. Es ist in der Hochofenschlacke vorhanden und findet als Energiespeicher neuen Einsatz.

Im Gegensatz zu dem oft aus Afrika stammenden Cobalt von Lithium Batterien sind die Recourcen für die VRF Batterie lokal verfügbar.

Als Lösung mit Wasser wechselt die Flüssigkeit die Farbe je nach Ladungszustand. Es besteht keine Brandgefahr und auch Berührung mit der Vanadium Lösung ist unbedenklich.

Neben der Nachhaltigkeit glänzt es mit Zyklenfestigkeit. Die voraussichtliche Lebensdauer von 20 Jahren wird mehr durch die Pumpentechnik als durch die Verschmutzung des Elektrolyts eingeschränkt.

Großer Nachteil der VRF Technologie ist die mäßige Leistungsabgabe von maximal 1,5 kW. Das heißt, große Verbraucher, wie Wärmepumpen können kaum vom Speicher profitieren. Die Lithium Batterie wird damit und mit der Einbindung eines Elektrofahrzeugs leichter fertig.

Ist man mit der stätigen Erfüllung der Grundlast eines Mehrfamilienhauses zufrieden, so ist der VRF Speicher durchaus wirtschaftlich. 62.500 Kilowattstunde Strom können im Lebenszyklus der Batterie eigenverbraucht werden. Ein überschläglicher Stromwert von 18.750 € bei einem Strompreis von 30 Cent pro Kilowattstunde bei einer Investition von knapp 10.750 € ergeben eine Einsparung von ca. 7000 €.

Im Zuge der CO2 Steuer und der bisherigen Energiepreissteigerung ist in Zukunft mit deutlich höheren Strompreisen zu rechnen.

Empfehlung Energiespeicher

Es wird empfohlen zwei Voltstorage Speicher zu kaskadieren, um eine Leistungssteigerung zu erreichen. Sollten 13 kWh nicht ausreichen so ist problemlos ein weiterer Speicher anzuhängen. Sollte ein dritter Speicher gewünscht sein, so ist über Photovoltaik auf dem Norddach nachzudenken.

Die Wärmepumpe wird dem Speicher in diesem Fall vorangestellt und selbst für den Wärmepumpentarif gezählt.

Es ist Wichtig die Lieferzeiten von 6 Monaten zu berücksichtigen.

Empfehlung Wärmeerzeuger

Um den Autarkiegrad eines Gebäudes zu erhöhen, empfehlen wir im Jahre 2021 noch einen Ofen bzw, Pelletkessel, da die Pelletpreise günstiger sind als der Netzstrom. Zudem wird die Preissteigerung von Netzstrom drastischer ausfallen als die von Holz. Auch der aktuelle Bauholzmangel hat sich nicht auf die Palletpreise ausgewirkt.

Einschätzung bzgl. einer zusätzlichen Solarthermie

Sowohl PVt[1] als auch Flachkollektoren werden hier nicht betrachtet, da Sie im Winter ein niedriges Temperaturniveau erreichen.

Vakuumröhrenkollektoren beinhalten z.B. Alkohol dessen überhitzer Heißdampf aus den konzentrierten Absorbern an das Heizungswasser abgibt. Dadurch erreichten Sie sehr hohe Temperaturen. Außerdem sind sie von der Umgebungstemperatur weitgehend unabhängig und bringen auch bei „Minusgraden“ gute Leistung.

Im Gegensatz zu Photovoltaik mit 15 % Wirkungsgrad können Vakuum Röhrenkollektoren 67 % der Strahlungsenergie umwandeln. Die Aperturfläche ist geringer und diffuse Strahlung bei z.B. Bewölkung kann nicht genutzt werden, wobei Photovoltaik auch bei bewölktem Himmel ein wenig Ertrag bringt.

Diese hier betrachteten 8 Kollektoren belegen 18,4 m² der Dachfläche. Die Aperturfläche ist nur 16 m².

Somit kommen wir auf einen Flächenwirkungsgrad von 58 %. Also

ca. 40 %

besser als Photovoltaik.

Hinzu kommt die Hydraulik und dessen Verluste.

Eine positive Nebenerscheinung ist die Notwendigkeit eines Pools um überschüssiges Warmwasser im Sommer abzunehmen.

Wärmespeichergröße

Ein Pufferspeicher kann sehr viel Energie speichern und kostet nicht viel.
Speichergrößen zwischen 50 und 100 Litern pro kW Heizlast sind üblich.

Demnach würde sich ein 1000 Liter Speicher empfehlen. In diesem speziellen Fall muss die Einbausituation berücksichtigt werden. Die Aufstellung zweier Pufferspeicher, bedeutet die doppelte Hüllfläche und die doppelten Wärmeverluste. Die Türöffnung von 1*2,1 m beschränkt einen einzelnen Puffer auf 1,2 m³.

Ein 1000 Liter Pufferspeicher kann bei einer durchschnittlichen Temperatur von 40 °C bis 27° C die Fußbodenheizung speisen.

Möchte man auf Zusätzliche Wärmetauscher für Frischwasserstationen verzichten gibt es Puffer mit Trinkwassererwärmung.

Ein Pufferspeicher mit 1000 Litern Fassungsvermögen wird empfohlen. Dieser speichert

15 kWh.

Abbildungsverzeichnis

Bei Abbildungen ohne Quellenangaben handelt es sich um eigene Darstellungen.

Abbildung 1 Jährlicher Sonnenverlauf 1

Abbildung 4 mögliche Dachbelegung mit PV-Modulen 4

Abbildung 6 Solarsimulation der Nordseite 5

Abbildung 8 Heizwärmebedarf entsprechen des Wärmeschutznachweises 6

Disclaimer

Bei den angenommenen Werten handelt es sich um sehr grobe Schätzungen gemäß des detaillierungsgrades des Projektes.

  1. Photovoltaik kombiniert mit Solarem Warmwasser auf der Rückseite

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