Niedrigstenergiehäuser auch mit Gas möglich

ASUE und ITG untersuchten, welche Optionen sich in Zukunft für die Wärmeerzeugung mit Gas in einem Niedrigstenergiehaus ergeben.

Der aktuelle Entwurf des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) sieht zwar noch keine wesentliche Verschärfung gegenüber der EnEV 2014 vor, dennoch werden sich die Anforderungen an die Bauhülle und an die Heiztechnik eines Neubaus spätestens Anfang des kommenden Jahrzehnts verschärfen müssen. Selbst wenn der Energieverbrauch durch eine nahezu perfekte Dämmung und durch Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen stark herabgesetzt wird, wird durch den Warmwasserbedarf und die verbleibenden Verluste selbst bei bester technischer Ausstattung ein Restbedarf an Energie, der nicht durch solare Wärmeeinstrahlung und interne Wärmegewinne gedeckt werden kann, bestehen bleiben.

Durch die Bewertung des zu Heizzwecken genutzten elektrischen Stroms mit einem Primärenergiefaktor (PEF) von 1,8 in der EnEV ist es i.d.R. möglich, sogenannte Niedrigstenergiehäuser mit Wärmepumpen zu versorgen, vorzugsweise solche, die einen hohen erneuerbaren Wärmeanteil über Geothermie gewinnen. Wärmepumpen, deren Wärmequelle die Umgebungsluft darstellt, können rein rechnerisch die Anforderungen der heutigen EnEV ebenfalls erfüllen. In der Realität hat sich jedoch gezeigt, dass diese Systeme bei sehr niedrigen Außentemperaturen wie eine Stromdirektheizung funktionieren und den Strom ineffizient einsetzen. Daher wird das neue GEG voraussichtlich härtere Anforderungen an Wärmepumpen definieren. Aber auch bei Erdreich und Gewässern als Wärmequellen gibt es häufig Fälle, in denen der Betrieb einer Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpe aus Gründen des Trinkwassersschutzes oder innerhalb einer Stadtbebauung unmöglich ist. Zugleich sollte das Risiko nicht außer Acht gelassen werden, dass elektrischer Strom in Zukunft wesentlich teurer wird oder aus Gründen der Netzstruktur nicht in ausreichender Weise zur Verfügung steht.

Der richtige Technologie-Mix ist entscheidend

Die Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V. (ASUE) und das Institut für Technische Gebäudeausrüstung (ITG) in Dresden haben nun insgesamt acht Ausstattungsoptionen erarbeitet und hinsichtlich Energiebilanz bewertet. Das zur Berechnung gewählte Haus hat eine den Anforderungen eines KfW-Effizienzhauses 40 entsprechende bauliche Hülle. Dafür wurde ein Primärenergiebedarf einschließlich Warmwasserbereitung von 10.700 kWh/a unterstellt, was einem spezifischen Primärenergiebedarf von 82,6 kWh/m²*a entspricht.

Im ersten Ergebnis konnte festgestellt werden, dass nur in seltenen Fällen ein einziges Heizgerät allein ausreicht. Meist führt jedoch die Kombination aus effizienten, aufeinander abgestimmten Geräten zu den besten Ergebnissen.

Der Einbau einer Gasbrennwerttherme in Kombination mit einer PV-Anlage und einem Stromspeicher gehört oft schon zur Standardausrüstung eines Neubaus, kann aber wegen der mangelnden Anrechnung des PV-Stroms in die Wärmebilanz in der EnEV die Anforderungen bisher nicht erfüllen. Wird der PV-Strom aber in einer Trinkwasserwärmepumpe genutzt, lässt sich dagegen ein hoher Anteil des erzeugten PV-Stroms der Wärmebilanz zurechnen. Dieses gilt auch für die Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung, die die Lüftungsverluste minimiert. In dieser Konstellation wird ein spezifischer Primärenergiebedarf von nur 26,5 kWh/m²*a erreicht.

Hybrid-Geräte aus Gasbrennwerttherme und Wärmepumpe sind seit ca. sechs Jahren auf dem Markt. Die Geräte kombinieren die Vorteile beider Technologien und erzeugen in ihrem jeweils optimalen Bereich die Wärme. In Kombination mit einem Warmwasserspeicher und einer Abluftanlage können die Anforderungen der EnEV erfüllt werden. Der spezifische Primärenergiebedarf liegt jedoch bei 55,4 kWh/m²*a. Um also den Standard KfW-Effizienzhaus 40 zu erreichen, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden.

In der Markteinführungsphase befindet sich eine gasbetriebene Luft/Wasser-Wärmepumpe eines französischen Herstellers. Sie wird mit einem thermischen Kompressor angetrieben und nutzt CO₂ als umweltfreundliches Kältemittel. In Kombination mit einem Warmwasserspeicher und einer Abluftanlage wurde ein spezifischer Primärenergiebedarf von 48,7 kWh/m²*a erreicht. Eine sinnvolle, ergänzende Maßnahme wäre eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung.

Eine PEM-Brennstoffzelle mit einer elektrischen Leistung von 0,75 kW und einer integrierten Gasbrennwerttherme erzeugt als KWK-Anlage Strom und Wärme. Der Strom wird in der Wärmebilanz in der EnEV mit einem PEF von 2,8 gutgeschrieben. In Kombination mit einem Warmwasserspeicher und einer Abluftanlage wurde ein spezifischer Primärenergiebedarf von 44,7 kWh/m²*a ermittelt, welcher auch die Anforderungen an ein KfW-Effizienzhaus 55 verfehlt. Daher sind hier zusätzliche Maßnahmen erforderlich.

Um diese zusätzlichen Maßnahmen zu demonstrieren, wurde die Kombination mit einer PV-Anlage, einer Trinkwasserwärmepumpe sowie einer Abluftanlage simuliert. Um die Wärme aus Brennstoffzelle und Trinkwasserwärmepumpe während des Sommers nicht in Konkurrenz zu setzen, wird die Brennstoffzelle in der Berechnung nur während des Winterhalbjahres in Betrieb genommen, was zusätzlich eine Verdopplung der Lebenszeit, also ca. 20 Jahre, zur Folge hat. Durch diese Kombination wurde ein spezifischer Primärenergiebedarf von 32,1 kWh/m²*a und damit fast die Anforderung eines KfW-Effizienzhauses 40 erreicht. Um die Anforderungen eines KfW-Effizienzhauses 40 schließlich noch zu unterschreiten, kann die PV-Anlage durch einen Stromspeicher ergänzt werden. Auf diese Weise ermittelt sich ein spezifischer Primärenergiebedarf von 22,6 kWh/m²*a.

Mit der SOFC-Brennstoffzelle steht eine Technologie mit einem sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad zur Verfügung. Die Stromerzeugung von z.B. 1,5 kW_el wird mit einem Faktor von 2,8 ebenfalls der Energiebilanz zugerechnet. Kombiniert mit einer Gasbrennwerttherme, einem Warmwasserspeicher und einer Abluftanlage errechnet sich in der EnEV sogar ein negativer Primärenergiebedarf, den man an dieser Stelle aber mit 0,0 kWh/m²*a angeben muss. Der Gedanke liegt nahe, den Einsatz der Gasbrennwerttherme durch eine elektrische Luft/Wasser-Wärmepumpe, die mit dem Strom der Brennstoffzelle direkt angetrieben wird, zu ersetzen. In dieser Kombination würde der winterliche Wärmebedarf ideal gedeckt werden. Leider wird dem erzeugten Strom durch die Verwendung innerhalb des Bilanzkreises aber keine Stromgutschrift zugerechnet. Damit liegt der Primärenergiebedarf zwar ebenfalls im negativen Bereich, aber nicht so deutlich, wie beim Betrieb der Brennstoffzelle allein.

Lösungen mit einem motorischen BHKW wurden bei dieser Betrachtung nicht untersucht. Denn im unteren Leistungsbereich dieser Anlagen ab etwa 2 kW_el und 6 kW_th wird der Wärmebedarf eines einzelnen Niedrigstenergiehauses typischerweise überschritten. Im Rahmen von Untersuchungen für eine effiziente Quartiersversorgung werden wir aber unterschiedliche BHKW-Lösungen berechnen. Hierzu sind noch nicht alle Untersuchungen abgeschlossen.

Fazit

Die Berechnungen konnten nachweisen, dass Gebäude mit hohen energetischen Anforderungen auf verschiedene Weise auch mit Erdgas und zukünftig mit erneuerbaren Gasen alle Anforderungen an die Gebäudeeffizienz erfüllen können. Im wirtschaftlichen Vergleich beweist sich der Einbau und Betrieb einer Brennstoffzelle hinsichtlich des erreichbaren Primärenergiebedarfs als eine interessante Option. Die Wirtschaftlichkeit wird durch eine Förderung aus dem KfW-Programm 433, den KWK-Zuschlägen gemäß KWK-Gesetz sowie der Vergütung für die erzeugten Strommengen begünstigt. Aber auch eine Gasbrennwerttherme in Kombination mit PV-Anlage und Trinkwasserwärmepumpe erzielt bereits sehr gute Effizienzwerte.