Technologie

Regenerative Gebäudetechnik aus einer Hand

23.04.2020 - Neues System versorgt Gebäude mit nachhaltigem Strom, Wärme, Kälte und Frischluft.

Bis 2050 sollen in Deutschland nahezu alle privaten und öffentlichen Gebäude „klimaneutral“ sein – so das ambitionierte Ziel der Bundesregierung. Der Plan: In dreißig Jahren verbrauchen Wohnhäuser, Bürogebäude und Co. deutlich weniger Energie als heute und beim Erzeugen von Strom, Wärme und Kälte für Gebäude werden kaum noch klima­schädliche Treibhaus­gas­emissionen freigesetzt. Dafür sollen Gebäude energetisch saniert, mit neuer Anlagetechnik ausgestattet und überwiegend aus erneuerbaren Energien versorgt werden. Im Rahmen eines neuen Forschungs­projekts wollen Wissenschaftler der Universität Paderborn ihren Teil dazu beitragen. Unter Federführung des Projekt­koordinators Bayerisches Zentrum für angewandte Energie­forschung entwickeln sie gemeinsam mit sieben Industrie­unternehmen ein System, das Gebäude gleichzeitig mit Strom, Wärme, Kälte und Frischluft versorgt, energieeffizient ist und ganz auf regenerative Energien setzt. Das auf vier Jahre angelegte Projekt wird vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie mit rund drei Millionen Euro gefördert.
 

„Bisherige Forschungsprojekte konzentrieren sich auf Systeme, die für Gebäude lediglich Strom und Wärme erzeugen können. In unserem Forschungsprojekt entwickeln wir ein kombiniertes System, das erstmals Wohnhäuser und öffentliche Gebäude gesamtheitlich mit Energie versorgt – also zugleich Strom und Wärme, aber auch Kälte und Frischluft zum Heizen, Kühlen und Lüften produziert“, erklärt Eugeny Kenig, Inhaber des Lehrstuhls für Fluid­verfahrens­technik und Vorstands­vorsitzender des „Kompetenz­zentrums für Nachhaltige Energietechnik“ (KET), einer zentralen wissenschaftlichen Einrichtung der Universität. Zusammen mit seinem wissenschaftlichen Mitarbeiter Matti Grabo und KET-Geschäftsführer Gerrit Sonnenrein betreut er das Forschungsprojekt.

Das geplante Versorgungssystem setzt voll auf erneuerbare Energien: Zentraler Bestandteil ist ein photovoltaisch-thermischer Kollektor (PVT), der auf Dächern und an Fassaden von Häusern installiert werden kann. Mittels Solarstrom, solarer Wärme und Umweltkälte kann der PVT-Kollektor sowohl Strom und Wärme als auch Kälte erzeugen. „Tagsüber wandelt das System Sonnenenergie in Strom und Wärme um und nachts nutzt es Umwelt­kälte – im Wesentlichen durch Strahlungs­austausch mit dem kalten Nachthimmel“, erläutert Gerrit Sonnenrein. Eine ebenfalls im System integrierte Wärmepumpe sorgt dafür, dass die im Gebäude erreichten Temperaturen bei Bedarf angehoben oder abgesenkt werden können. Wärme- und Kältespeicher überbrücken die Fehlzeiten zwischen Energie­erzeugung und -bedarf. Eine Lüftungs­anlage mit Wärme­rück­gewinnung komplettiert das System.

Da es sich ausschließlich aus regenerativen Energien speist, könnte diesem Gesamt­system künftig eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung zukommen: Während der Strom in Deutschland bereits zu einem großen Teil aus erneuerbaren Energiequellen wie Windkraft erzeugt wird, stecken hinter unseren Heizungen und unserer Warmwasserversorgung noch immer Anlagen, die überwiegend mit Erdgas und -öl betrieben werden – und insbesondere da entstehen klimaschädliche Treibhaus­gas­emissionen. Diese „regenerative Lücke“ bei der Wärme­versorgung könnte das neue System verkleinern.

Doch nicht nur das. Das neue Versorgungssystem soll sehr energie­effizient sein: „Die aufeinander abgestimmten Komponenten des Systems werden dafür sorgen, dass es effizient arbeitet. Das bedeutet: Bei möglichst geringem Energie­verbrauch wird das System die selbsterzeugte regenerative Energie optimal nutzen und den Eigenbedarf des Nutzers – etwa an Strom und Wärme – umfänglich decken“, beschreibt Matti Grabo. Und: Unternehmen, öffentliche Einrichtungen und Privatpersonen könnten mit dem modernen effizienten Versorgungs­system künftig Geld sparen, denn es würde in den Bereichen Heizen und Kühlen den Energieverbrauch senken. „Die intelligente Steuerung und der Einsatz innovativer Speicher in unserem System könnten außerdem die Versorgungsnetze entlasten: Je nach Energiebedarf eines Gebäudes sorgen sie dafür, dass beispielsweise überschüssiger Strom aus öffentlichen Netzen genutzt wird“, ergänzt Gerrit Sonnenrein. 

Das Versorgungssystem mit PVT-Kollektor, Wärmepumpe und weiteren Geräten soll über eine zentrale Steuereinheit bedienbar sein. Dazu Matti Grabo: „Die Steuereinheit wird Bedienung, Regelung, Monitoring, Visualisierung und Energiemanagement enthalten. Damit das System energetisch optimal arbeiten kann, werden wir außerdem Wetter­vorhersage­modelle integrieren, die eine vorhersagende Regelung des Systems ermöglichen.“

Damit das System des KET möglichst bald praxis­tauglich wird, arbeiten Grabo und Sonnenrein im Forschungs­projekt mit Experten aus dem Baugewerbe, Architekten, Heizungs-, Klima-, Regelungs- und Solar­technikern sowie mit Fachleuten für thermische Energie­speicherung zusammen. Wenn das Versorgungs­system entwickelt ist, wird es in einer ersten Praxisphase an Testgebäuden erprobt.

U. Paderborn / DE

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