Zeitschrift EE

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2011-03

Projektinformationen und Service

Nullenergiegebäude: Internationale Projekte zum klimaneutralen Wohnen und Arbeiten

Die Europäische Union fordert mit der 2010 veröffentlichten Neufassung der Gebäuderichtlinie ihre Mitgliedsstaaten dazu auf, bis spätestens Ende 2020 für alle Neubauten den Energiestandard des „Nearly Zero Energy Building“ einzuführen. Gleichwohl gibt es bisher keine Standards, die das Ziel im Kontext der jeweils nationalen Normung für die bauliche Praxis ausreichend präzise beschreiben. Das dazu notwendige Hintergrundwissen zum Gesamtverständnis der Thematik wird im ersten Teil des Buches vermittelt.

Ein Nullenergiegebäude zu planen und zu bauen bedeutet, dass von Beginn an Energiebedarf und Eigenerzeugung konsequent ins Gleichgewicht gesetzt werden. Eine integrale Planung von Architektur, Baukonstruktion und Gebäudetechnik ist dazu die entscheidende Voraussetzung. Die in diesem Buch thematisierten „Nullenergie-“ und „Plusenergiegebäude“ zeigen auf, wie durch die konsequente Zusammenführung von Architektur, Energieeffizienz und Nutzung erneuerbarer Energien vor Ort diese ausgeglichene Jahresenergiebilanz erreicht wird. Die Auswahl der 23 Projekte zeigt unterschiedliche Größen, Gebäudetypologien, Standorte und Architekturen für den Wohnungsbau und Nichtwohnbauten bis hin zu Siedlungen und einer gesamten Stadt. Querschnittsanalysen über mehr als 50 weitere weltweit realisierte Projekte ergänzen die Darstellung und erweitern die Erkenntnisse zu möglichen Strategien. Die Autorenschaft gründet auf einem aktuellen Forschungsprojekt der Internationalen Energieagentur und umschließt Projektarchitekten und beteiligte Ingenieure aus der Planung und Realisierung.

Herausgeber: Karsten Voss, Eike Musall
Verlag: DETAIL - Institut für internationale Architektur-Dokumentation
ISBN 978-3-920034-50-8
Preis: 49,90 Euro

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2011-03

Windkraftnutzung

Abbildung 1: 400-m²-Solaranlage für Früchtetrocknung, Alimentos -Campestres, Guatemala Quelle: CONA Entwicklungs- und Handes GesmbH

Wachsender Beliebtheit erfreuen sich in den letzten Jahren Kleinwindkraftanlagen. Darunter versteht man Anlagen bis max. 10kW zusammen. Eine genaue Definition gibt es aber nicht. Je nach Bundesland gibt es unterschiedliche Richtlinien (Bauordnung, Elektrizitätsrecht), welche eine Grenze darstellen, und ab deren Überschreitung die Genehmigungsverfahren aufwendiger werden. Doch bei der Planung und der Anlagenwahl ist Vorsicht geboten. Vor allem die Standortwahl stellt eine Herausforderung dar.

Kleinwindkraftwerk

Von Daniel Reiterer *

Technik

Rein optisch leicht zu unterscheiden sind die unterschiedlichen Rotortypen. Der Horizontalläufer ist wohl das verbreitetste System und auch aus der Großwindkraft bekannt. Doch auch Vertikalläufer in Form des H-Darrieus- und des Savoniusrotors sind am Markt verfügbar, jedoch nicht sehr verbreitet. Der Horizontalläufer benötigt eine Windnachführung. Hierbei unterscheidet man ebenfalls unterschiedliche Systeme: Der Leeläufer braucht keine gesonderte Nachführung, da seine Rotorblätter selbst als Windfahne fungieren und die Anlage somit immer im Wind steht. Die Nachführung per Windfahne ist das einfachste System und bei kleinen Anlagen verbreitet, weil einfach und kostengünstig. Eine weitere Variante ist die Nachführung per Windrichtungsmessung und Stellmotor, wie auch in der Großwindkraft üblich.

Abbildung 1: Gebräuchliche Rotortypen:
Horizontalläufer mit Windfahne als Nachführung Quelle: AEE NÖ-Wien
Vertikal: H-Darieus Rotor Quelle: AEE NÖ-Wien
Savonius Rotor Quelle: www.newtak.it

Abbildung 2:
Weitere Arten der Nachführung (nur bei Horizontalanlagen erforderlich)
Nachführung per Stellmotor Quelle: www.maschinenmarkt.vogel.de
Leeläufer Quelle: AEE NÖ-Wien

Die Netzanbindung ist mit jener von Photovoltaikanlagen zu vergleichen: Mittels Wechselrichter wird der erzeugte Strom in eine netzkonforme Frequenz umgewandelt. Dabei kann nicht immer eingespeist werden. Wenn nur wenig Wind weht, wird zwar Energie erzeugt, diese ist aber für die Einspeisung zu gering und wird verheizt bzw. nicht genutzt. Es ist sinnvoll diese für die Heizung von Warmwasser- oder Pufferspeichern zu verwenden. Dies kann relativ einfach über eine elektrische Heizpatrone realisiert werden.

Abbildung 3: Schema Elektrische Anbindung

Sturmsicherung

Essenziell bei Kleinwindkraftanlagen ist die Sicherung gegen Sturm. Ohne eine ausreichende Sicherung kann es schon bei kurzzeitigen Böen zu dramatischen Auswirkungen kommen. Die Zerstörung beschränkt sich dann nicht nur auf die mechanischen Komponenten. Im schlimmsten Fall können auch der Generator, die Steuerungselektronik bis hin zum Wechselrichter zerstört werden. Es finden sich verschiedene Arten von Sturmsicherungs- und Bremssystemen, meist in Kombination:

  • Stall-Regelung (Strömungsabriss)
  • Scheibenbremse
  • Generatorkurzschluss (Bremswirkung durch höheren mechanischen Widerstand)
  • „Aus dem Wind nehmen“ (durch drehen, Klappmechanismus oder Drehung der Rotorblätter)

Rechtliches

Im Wesentlichen sind 3 rechtliche Bereiche bei der Errichtung einer Kleinwindkraftanlage zu beachten:

  1. Baurecht (lokale Baubehörde: Gemeinde und Land)
  2. Elektrizitätsrecht (zuständiges EVU)
  3. Umweltrecht (zuständige Bezirkshauptmannschaft)

Je nach Bundesland oder sogar Ort gibt es also unterschiedliche Auflagen. Diese sind unbedingt im Vorhinein in Erfahrung zu bringen, um spätere Ungereimtheiten zu vermeiden.

Wirtschaftlichkeit

Ein wirtschaftlicher Betrieb ist unter den derzeitigen Bedingungen nur unter 2 Voraussetzungen möglich:

Guter Windstandort
Von guten Standorten spricht man ab 1000 Vollaststunden/Jahr. Das bedeutet, eine 10kW Anlage würde im Jahr 10.000 kWh erzeugen. Dies ist in Österreich allerdings nur in wenigen Gebieten der Fall. Aus diesem Grund muss unbedingt vor der Errichtung eine Standortanalyse durchgeführt werden. Professionelle unabhängige Messungen übersteigen schnell die 1000€ Marke. Es gibt jedoch auch andere, wenn auch ungenauere, Möglichkeiten um eine erste Einschätzung zu bekommen, wie die Messung mit Hobbywetterstationen, die Verwendung von Messdaten aus der Umgebung (Flugplätze, Wetterdienste etc.) und die Analyse des Geländes vor Ort. Bei der Verwendung von Windkarten ist Vorsicht geboten, da sich diese auf Höhen ab 50m beziehen. Das darunterliegende Relief, Gebäude und Vegetation schwächen den Wind jedoch maßgeblich ab.

Möglichst hoher Anteil an Eigenverbrauch
Sowohl die Installationskosten als auch die elektrischen Erträge (guter Standort vorausgesetzt) sind mit Photovoltaik vergleichbar. Für Kleinwindkraft gibt es allerdings kaum Förderungen. Da die eingespeiste kWh derzeit nur mit 9,7c vergütet wird, ist ein wirtschaftlicher Betrieb bei Einspeisung nicht möglich. Wird der Strom hingegen selbst verbraucht erspart man sich pro kWh je nach Stromanbieter bis zu 20c/kWh. Bei guten Standorten ist ein wirtschaftlicher Betrieb (kein Verlust) auf lange Sicht so gerade möglich.

Standortfrage

Unser Feldtest in NÖ hat leider gezeigt, dass die durchschnittliche Auslastung der betrachteten Anlagen nur bei knapp über 500 Vollaststunden/Jahr liegt. Viele Anlagen stehen nach unseren Untersuchungen auf Standorten, welche eigentlich nicht für Windkraft geeignet sind. Dies ist meist darauf zurückzuführen, dass die BetreiberInnen aus „Prestige Gründen“ unbedingt eine Anlage wollten. In einigen Fällen sind leider auch die maßlos überschätzten Prognosen von Anlagenvertreibern für diese Misere verantwortlich. Als Folge reduziert sich der Ertrag erheblich, und ein wirtschaftlicher Betrieb ist unmöglich.
Als Richtwert sollte eine Durchschnittswindgeschwindigkeit von mehr als 4 m/s = 14,4 km/h vorherrschen. Aussagekräftiger ist jedoch eine Windklassenverteilung (nur durch vor Ort Messungen ermittelbar), da vor allem die hohen Windgeschwindigkeiten interessant sind. Abbildung 4 zeigt eine Windklassenverteilung an einem sehr guten Standort im Weinviertel und eine beispielhafte Leistungskennlinie. Dabei wird die gegenläufige Tendenz der beiden Grafiken deutlich: Niedrige Windgeschwindigkeiten sind durch die Anlagen nicht nutzbar. Auf der anderen Seite sind nur selten hohe Geschwindigkeiten verfügbar bei denen die Anlage mit hoher Leistung arbeiten kann.

Abbildung 4: Windklassenverteilung (oben) und Leistungskurve (unten)

Zuverlässigkeit

Die notwendige Qualität der verkauften Anlagen ist leider nicht bei allen Herstellern gegeben. Teils lässt auch das Service nach dem Kauf zu wünschen übrig. Aus diesem Grund sind eine gewissenhafte Anlagenwahl und die Überprüfung der Referenzen der Hersteller unumgänglich.

Fazit

Kleinwindkraftanlagen können bei guten Windverhältnissen vor Ort dazu beitragen, den eigenen Stromverbrauch zu decken. Als lukratives Anlageobjekt sind sie unter den derzeitigen Bedingungen allerdings nicht zu sehen. Nähere Infos, Empfehlungen und Ergebnisse unserer Projekte finden Sie unter www.aee-now.at

Links:

  • Allgemeines: www.kleine-windkraft.at, www.aee-now.at
  • Feldtest NÖ: www.aee-now.at

 

Aktuell laufende Projekte:

  • Kleinwindkraftanlagen: Qualitätssicherung, Netzeinbindung, Geschäftsmodelle und Information www.evn.at/kleinwindkraft, www.bww.cc
  • STEP-A (Untersuchung des technologischen & ökonomischen Potentials von Kleinwindenergieanlagen in bewohnten Gebieten in Österreich) www.aee-now.at
  • IPPONG (Einsatz von numerischer Strömungssimulation zur optimalen Positionierung von Kleinwindkraftanlagen) www.aee-now.at

*) Daniel Reiterer M.A. ist Projektleiter von AEE NÖ-Wien, (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!) [^]

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2011-03

Wassermanagement

Abbildung 1: Der unterirdischer Pufferspeicher entlastet Technikräume, indem Abwärme außerhalb des Gebäudes zwischengespeichert wird - ideal bei Abwärmenutzung oder Kühlung mit stark wechselndem Wärmebedarf/Wärmeangebot Grafik: Mall

Für den Neubau in Edingen bei Heidelberg entwickelte das Familienunternehmen Nader GmbH ein ökologisches und ökonomisches Wasser- und Energiekonzept. Herstellung und Betrieb von Prüfständen für die Automobilindustrie erfordern eine Stromstärke von maximal 600 Ampere, die mit eigenem Blockheizkraftwerk erzeugt wird. Aus der Abwärme werden ca. 200 kW in einem Pufferspeicher zur Heizung von Wohnhaus, Büro-Gebäude und Produktionshalle „zwischengelagert“.

Wärme loswerden, ohne sie zu verlieren
Marktführer Nader nutzt Pufferspeicher aus Beton

Von Klaus W. König *

Das Familienunternehmen mit 16 Mitarbeitern wird in der 2. Generation von Jens Nader geführt. Er hat die Ausbildung als Mechatroniker abgeschlossen und ist zurück im elterlichen Betrieb, den sein Vater vor 40 Jahren gegründet hat. Nader ist Marktführer bei der Entwicklung und Serienfertigung von Prüfständen für Ladeluft- und Kühlkreislauf-Komponenten der Automobilindustrie. Nahezu alle Automobilbauer in Deutschland und viele ihrer Zulieferer nutzen die Prüfstände von Nader. Doch die Auftraggeber erhalten mehr als das. Es geht zunächst darum, die Vorschriften und Anforderungen der Fahrzeughersteller zu erproben und mit zu entwickeln, dann Prüfstände dafür zu produzieren. Mittlerweile sind Tests zu Bremsgeräuschen und Berstdruck dazugekommen.
Ein bei Nader hergestellter Prüfstand sieht, aus der Entfernung betrachtet, wie eine Heimsauna aus, jedenfalls der Form und Größe nach. Werden darin Kühlerschläuche geprüft, herrscht in der Kammer eine Temperatur von abwechselnd -40 und +135° C. In den Schläuchen zirkuliert dann im geschlossenen Kreislauf Glykol mit bis zu 10 bar Druck. Zugleich wird den getesteten Produkten eine mechanische Belastung aus Stauchung, Rotation und Vibration zugemutet. Das entspricht Bedingungen, denen ein Fahrzeug ausgesetzt wäre, wenn es mit voller Leistung abwechselnd durch Sibirien und die Sahara führe.

Abbildung 2: Produktionshalle Nader GmbH und Wohnhaus in Edingen bei Heidelberg Foto: König

Energiekonzept

Um derart extreme Verhältnisse zu erzeugen, empfiehlt sich eine eigene Stromversorgung. „Wir fahren im Wechsel 90 kW Kältelast und 90 kW Heizlast und brauchen dafür eine Stromstärke im Einzelfall von 360 Ampere, die wir mit unserem Blockheizkraftwerk selbst erzeugen,“ erklärt Jens Nader. Er hat im Jahr 2010 seine freie Zeit in die Fertigstellung des Neubaus investiert. Hand in Hand mit dem Vater und Firmengründer Wolfgang Nader wurden Betrieb und Wohnhaus am neuen Standort in Edingen-Neckarhausen geplant und eingerichtet. Die Gebäude stehen über Eck zusammen. Der Juniorchef hat es zu seiner Sache gemacht, Energie- und Wasserversorgung so zu optimieren, dass nichts verschwendet wird – und so den Umweltschutz gesteigert, die Betriebskosten gesenkt.
Im Zentrum des Energiekonzeptes bei Nader steht das Blockheizkraftwerk. Es wird für die Erzeugung der Elektrizität benötigt. Die dabei entstehende Abwärme ist nicht wirklich übrig; sie wird nur zu einem späteren Zeitpunkt gebraucht. Das Dieselaggregat hat 495 kW mechanische Leistung. Ein Teil der Abwärme des Dieselmotors, ca. 200 kW, kann über Wärmetauscher für das Aufheizen eines Pufferspeichers genutzt werden. Dieser erwärmt sich dabei um 10 K pro Stunde bis auf 80 °C.

Abbildung 3: Liefern des Pufferspeichers Foto: Mall

Abbildung 4: Versetzen des Pufferspeichers mit Autokran, im Hintergrund Wohn-/Bürohaus Nader Foto: Mall

Unterirdischer Wärmespeicher

Um Gebäudeflächen zu sparen, wurde der Pufferspeicher im Betriebshof unterirdisch eingebaut. Er hat ein Nutzvolumen von 10.700 Liter; die Bauweise ähnelt einer Thermoskanne. „Das Wasser befindet sich in einem Stahlbehälter, der bis zu 3 bar Druck halten kann. Zwischen diesem und der äußeren robusten Hülle aus Stahlbeton sorgt Granulat-Dämmstoff für eine lange Nutzungsdauer“, erklärt Clemens Hüttinger vom Hersteller Mall in Donaueschingen. Das System Wärmetauscher/Pufferspeicher hat einen Betriebsdruck von 1 bar, maximal 3 bar. Das darin enthaltene Wasser kann sich um bis zu 435 Liter ausdehnen, so dass ein Ausdehnungsgefäß mit 1.200 Liter Volumen Wasser/Stickstoff gewählt wurde. Nader entzieht dem Pufferspeicher die Wärme zur Heizung von Produktionshalle und Büro-/Wohngebäude sowie für die Warmwasserbereitung. Fehlt Wärme, weil das Dieselaggregat nicht benötigt wird, soll eine solarthermische Anlage auf dem Dach den Bedarf ausgleichen. Sie ist derzeit in Planung und wird zwischen 25 und 50 m² Fläche haben. Im Sommer, wenn ein Wärmeüberschuss vorhanden ist, wird der Dieselmotor über einen separaten Wärmetauscher mit Gebläse zur Außenluft hin gekühlt.

Abbildung 5: Pufferspeicher-Hülle aus Stahlbeton-Fertigteilen, Schachtabdeckung Foto: Mall

Unterirdischer Regenspeicher

Auch das auf den Dachflächen anfallende Regenwasser nutzt der Betrieb geschickt für sein Energiekonzept. Er sammelt es in einer unterirdischen Zisterne mit 25 m³ Fassungsvermögen. Mit 2 Umwälzpumpen wird das Regenwasser bei Bedarf zur Kältemaschine geführt, um diese von Abwärme zu befreien. Auf dem Rückweg zur Zisterne fließt das erwärmte Regenwasser als Fußbodenheizung durch das Wohn-/Bürogebäude. Zugleich kann aus der Regenzisterne der Bedarf für die WC-Spülung in Wohnung und Betrieb gedeckt werden, denn mit jedem Niederschlag füllt sich der Vorrat wieder auf.
Überlaufendes Regenwasser, falls der Zulauf größer ist als die Entnahme, versickert in einer unterirdischen Rigole, die ein Volumen von 30 m³ hat. Sie wurde hinter dem Haus in Ortbeton erstellt, während Zisterne und vorgeschalteter Filterschacht ein System aus befahrbaren Betonfertigteilen vor dem Haus, unter dem Betriebshof, sind. Daneben, auch unterirdisch, befindet sich ein Pumpenschacht mit Druckstation, um überlaufenden Regenwasser bei voller Zisterne in die höher gelegene Rigole zu fördern. So kommt Niederschlag, der nicht verwendet werden kann, dem natürlichen Wasserhaushalt zu Gute, indem das Grundwasser angereichert wird. Und obendrein spart Nader die bei Ableitung in den örtlichen Kanal fällige Niederschlagsgebühr - und die Trinkwassergebühr bei den mit Regenwasser gespülten WC’s.

Abbildung 6: Regenwasserzisterne, Filter- und Pumpenschacht, im Betriebshof eingebaut Foto: König

Abbildung 7: Mall-Pufferspeicher Solitherm PUD 10700 Grafik: Mall

Betriebskosten

Die gesamte Baumaßnahme wurde ohne Fördergelder realisiert. „Wir wollten ohne bürokratische Hemmnisse unsere Entscheidungen schnell umsetzen,“ betont Jens Nader. „Nicht einmalige Zuschüsse sind uns wichtig, sondern die Einsparung der über Jahrzehnte wirkenden Nebenkosten.“ Die hier realisierte Kombination aus Strom- und Wärmeerzeugung, aus Kühlung und Heizung, aus Regenrückhaltung und Trinkwassereinsparung kann Vorbild für Gewerbe- und Industriebetriebe sein, auch wenn das spezielle Nader-Konzept nicht 1:1 übertragbar ist.

Projektdaten

Bauherr:

 

Nader GmbH, Elektrotechnik,
Treidlerstr. 17, 68535 Edingen-Neckarhausen

Planung Energie- u. Wasserkonzept:

Jens Nader

Wärme-Pufferspeicher: Mall-Pufferspeicher Solitherm PUD 10700
für 3 bar Betriebsdruck

Regenwassernutzung:

 

 

Mall-Regenspeicher, 25 m³ Fassungsvermögen, Typ B 225 330
mit vorgeschaltetem Mall-Filterschacht FS 1750 und nachgeschaltetem Pumpenschacht mit Druckstation Mall-PS 122-50 S/D D400
Fertigstellung: 2010

 

Wärmeschutz Wohn-/Bürohaus Nader

Die Erzeugung und Zwischenspeicherung von Wärme im Betrieb ist zukunftsweisend und findet ihre Ergänzung im konstruktiven Wärmeschutz beim Neubau der Gebäudehülle:

  • Mauerwerk aus Dämmziegel mit 8 mm Perlite-Füllung
  • Fenster mit 3-fach Verglasung und Krypton-Füllung im Scheibenzwischenraum

Dachfläche mit Gasbeton-Platten, 20 cm stark, auf Stahlblöcken. Darauf Holzsparren, 18 cm stark, mit zwischenliegender Steinwolle

 

Weitere Referenzen

Unterirdischer Pufferspeicher für Wärme

  • Landwirtschaftlicher Hof in Beuren-Balzholz für Stückholzkessel, 4.500 l, drucklos
  • Wohnhaus in Petersberg/Fulda für Stückholzkessel und Solaranlage, 4.500 l, drucklos
  • Wohnhaus in Katlenburg/Göttingen für Wasser führenden Kaminofen und Solaranlage, 4.800 l, Druck haltend
  • Grundschule in Pähl/Oberbayern für Holzpelletkessel, 3.000 l, Druck haltend

*) Dr. Klaus W. König (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!) ist Architekt, Sachverständiger für Bewirtschaftung und Nutzung von Regenwasser, Fachjournalist und Vorstandsmitglied der Fachvereinigung für Betriebs- und Regenwassernutzung (fbr), Überlingen [^]

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2011-03

Industrielle Prozesse

Abbildung 1: 400-m²-Solaranlage für Früchtetrocknung, Alimentos -Campestres, Guatemala Quelle: CONA Entwicklungs- und Handes GesmbH

Europäische Firmen haben in der Vergangenheit eine stufenweise Verbesserung ihrer Prozesse durchlaufen: von Umweltschutzmaßnahmen über integrierte Emissionskontrolle und Eco-Effizienz bis zu Maßnahmen im Bereich von Prozessintensivierung. Um Schwellen- und Entwicklungsländer auf einen schnellen Weg in Richtung einer nachhaltigen Produktion zu bringen sollten gewisse Schritte übersprungen werden und direkt Prozessintegration und Prozessintensivierung und die Realisierung einer „Zero fossil CO2 -Produktion durch den Einsatz von erneuerbarer Energie umgesetzt werden.

(Dieser Text setz sich aus Auszügen aus einem Paper über “Barriers and opportunities for the transfer of PI-options to the agro-food industry in developing countries” zusammen das von den Autoren Prof. Dr. Hans Schnitzer, DI Bettina Muster, Ing. Werner Weiss und DI Christoph Brunner verfasst wurde.)

Nachhaltige Produktion in Schwellen- und Entwicklungsländer

Von Hans Schnitzer, Bettina Muster, Werner Weiss und Christoph Brunner *

Um diese Ziele bestmöglich zu erreichen müssen jedoch Methoden und Strategien, die für europäische Firmen entwickelt wurden, bestmöglich auf die Anforderungen und Bedürfnisse der Firmen in den Schwellen- und Entwicklungsländer angepasst werden.
Basierend auf den Kundenanforderungen liegt in diesen Ländern der Fokus zur Verbesserung von Produktionsprozessen bei der Produktqualität und den Hygienestandards. Dabei werden die Firmen regelmäßig Audits unterzogen und müssen verschiedene internationale Standards erfüllen.
Jedoch werden Material- und Energieeffizienz in der Produktion eher stiefmütterlich behandelt. Das betrifft vor allem das Abfallmanagement und die Abfallbehandlung und noch mehr die Ressourcen- und Energieeffizienz der Produktion. Aktuell beginnen viele Firmen mit einem Benchmarksystem um einen nationalen und internationalen Vergleich mit dem Mitbewerb anzustellen. Doch nur sehr wenige der Firmen haben die Möglichkeit „low-carbon“ Technologien und Strukturen direkt umzusetzen.
2010 haben UNIDO und UNEP vereinbart gemeinsam Maßnahmen zur Klimaveränderung durch die Verstärkung von Ressourcenproduktivität umzusetzen. Dabei wurde in einem Grundsatzpapier wichtige Schritte zur Erreichung der Ziele und Umsetzung der Maßnahmen festgehalten. Grundsätzlich wurde vereinbart, dass eine „low-carbon“ Produktion auf den Methoden und Technologien des Programms für Ressoueceneffizienz und Cleaner Production – RECP aufbaut und den gesamten Lebenszyklus eines Produkts mit einbezieht. Der Fokus liegt dabei auf den synergetischen Möglichkeiten Material, Chemikalien und Wasser in einer effizienten und effektiven Produktion einzusetzen. In Abbildung 2 ist zu erkennen, dass fünf fundamentale Dimensionen dazu beitragen die Entwicklung von RECP zu einer „low-carbon“ Produktion zu erzielen.

  • Dematerialisierung der Produkte: Reduktion des gesamten Material- Energie und Wassereinsatzes für das Produkt und der Dienstleistung und Minimierung des Treibhausgasemissionen über den gesamten Produktionszyklus
  • Erhöhung der Produktionseffizienz: Industrielle Prozesse müssen mehr effizient in Bezug auf deren Energie-, Material- und Wassereinsatz werden, die Verminderung der Treibhausgasemissionen durch den verminderten Einsatz von Treibstoffen und Strom und durch die Reduktion der Abhängigkeit von Wasser und anderen Rohstoffen
  • Minimierung der Prozessemissionen: Die Anpassung und der Einsatz von „Clean Technologies and Practices“ die die Treibhausgasemissionen aus dem nicht energetischen Nutzen reduziert beziehungsweise wo möglich ganz vermeidet wie zum Beispiel die Emissionen von Lachgas oder Methan Emissionen aus der chemischen Industrie und er Lebensmittelindustrie
  • Der Wechsel zu einer „Low-Carbon“ Produktion: Die Verwendung von kohlenstoffarmen Alternativen als Ersatz von kohlenstoffreiche Treibstoffe und Materialen wobei erneuerbare kohlenstoffhaltige Energie und Materialen mit einbezogen sind. Weiters die vermehrte Rückgewinnung von sekundären Rohstoffen wie zum Beispiel Abwärme oder Abfallströme aus Produktionen oder Gemeinden
  • Schließung der Kohlenstoffkreislaufs: Rückgewinnung von organischen Abfällen zum Wiedereinsatz als Energiequelle und/oder als Materialquelle. Dadurch wird vermieden, dass diese wieder in die Atmosphäre als Methan oder Kohlendioxid gelassen werden. Weiters wird der Wert von Feldfrüchten und anderer Biomasse erhöht

Abbildung 2: Von Ressourcen Effizienz und Cleaner Production zu einer “Low-Carbon” Industrie Quelle: UNIDO, 2010

Im Rahmen eines UNIDO Projekts wurde mit Industriebetrieben in Mazedonien und Uganda ein Programm und Trainingskurs zur Einführung und Umsetzung von „Low-Carbon“ Ansätzen für die Lebensmittelindustrie entwickelt.
Im Allgemeinen ist der energetische Wert der Einsatzmaterialien für die Lebensmittelherstellung höher als der energetische Wert in den dabei erzeugten Produkten. Daher sollte es möglich sein, dass das gewünschte Produkt hergestellt wird und gleichzeitig Energie aus dem selben Prozess zu erzeugen. Ein solcher Industriebetrieb soll als „PLUS-energy-Zero-waste-food“ Betrieb bezeichnet werden (analog zu einem „Plus-Energie-Haus“), da neben dem Produkt aus demselben Rohstoff auch noch Energie zur Verfügung gestellt wird. Zero-Waste (Null-Abfall) bezieht sich dabei auf jeglichen Massenfluss aus der Produktion ohne ökonomischen Wert (nicht verwertbar als eine Ressource für einen anderen Prozess). Das beinhaltet festen Abfall, Abwasser aber auch verschwendete Energie. Die Möglichkeit, die meist effiziente Verwendung von landwirtschaftlichen Rohstoffen zu erzielen und gleichzeitig die Emissionen zu reduzieren, wird in Zukunft vor allem in den Entwicklungs- und Schwellenländer die Schlüsselkompetenz darstellen.
Einige der wichtigsten Maßnahmen, die unter anderem in dem Projekt identifiziert wurden, werden im Folgenden aufgelistet:

  • Ein Umrüsten von Batch Prozessen zu einer kontinuierlichen Produktion: Die meisten Prozesse in der Lebensmittelindustrie sind Batch Prozesse. Prozesse (Unit operations) wie trocknen, rösten, mahlen, mischen oder sieben kommen in den meisten Betrieben zum Einsatz, die jedoch in den wenigsten Fällen kontinuierlich betrieben werden. Die Batch-Prozesse sind kaum mit Messinstrumenten bestückt und es gibt kaum genaue Bedienungsvorschriften. Viele Prozesse werden nur gefüllt und eingeschaltet ohne ein genaues Wissen über die benötigte Prozessdauer. Ein kontinuierlicher Prozess mit einer passenden Prozesskontrolleinheit würde nicht nur den Rohstoffeinsatz verbessern sondern auch eine gleichbleibende Produktqualität garantieren.
  • Prozessintegration: Viele Prozesse laufen in hintereinander gelagerten Unit-operations ab. Zum Beispiel mahlen und mischen bei der Schokoladeherstellung. Der Zusammenschluss von mehreren Prozessen in einem Arbeitsschritt würde nicht nur die Produktionszeit verkürzen sondern auch den Energieverbrauch reduzieren.
  • Wärmerückgewinnung: Da die meisten Prozesse im Batch Betrieb ablaufen ist das Bewusstsein und auch die Ausrüstung für Wärmerückgewinnung und Wärmeintegration kaum vorhanden. Neben der Implementierung von geeigneten Wärmetauschern ist gerade für Produktionen mit zeitlich unterschiedlich ablaufenden Prozessen im Batch-Betrieb ein optimiertes Speichermanagement der Schlüssel für eine substantielle Erhöhung der Energierückgewinnung.
  • Energieversorgung auf niedrigem Temperaturniveau für Prozesse auf niedrigem Temperaturniveau: In den meisten Lebensmittelbetrieben in Entwicklungs- und Schwellenländer werden Temperaturen zwischen 60 und 120°C benötigt. Eine genaue Analyse der Prozesse und deren benötigte Temperaturen führt zu einem Mix an unterschiedlichen Versorgungstechnologien, die Energie, zugeschnitten für das benötigte Temperaturniveau, liefert.

Als vorläufiges Ergebnis aus den laufenden UNIDO Projekt „Low Carbon in der Agro Foodindsutry in Macedonia und Uganda“ kann gesagt werden, dass Entwicklungs- und Schwellenländer sehr zurückhaltend in der Anwendung von Technologien, die wenig Anwendung in der europäischen Industrie finden, sind. Deshalb ist es ausgesprochen wichtig diese zukunftbringenden Technologien (emerging technologies) in Industrieländern einzusetzen um auch in Entwicklungs- und Schwellenländer Überzeugungsarbeit leisten zu können.

*) Prof. Dr. Hans Schnitzer ist Professor am Institut für Prozess- und Partikeltechnik der Technischen Universität Graz. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!; Ing. Werner Weiss ist Geschäftsführer von AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!; DI Bettina Muster ist Mitarbeiterin in des Bereichs „Industrielle Prozesse und Energiesysteme – IPE“ von AEE INTEC (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!); DI Christoph Brunner ist Leiter des Bereichs „Industrielle Prozesse und Energiesysteme – IPE“ von AEE INTEC (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!) [^]

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2011-03

Nachhaltige Gebäude

Abbildung 1: Rendering Demogebäude Sanierung zum Plus-Energiegebäude (Bauvorhaben Kapfenberg) Quelle: Nussmüller Architekten ZT GmbH

Im Rahmen des beauftragten Leitprojektes aus der Forschungslinie „HausderZukunft-plus“ „Sanierungskonzepte zum Plus-Energiehaus mit vorgefertigten aktiven Dach- und Fassadenelementen, integrierter Haustechnik und Netzintegration“ wird in Kapfenberg (Steiermark) seitens des Wohnbauträgers „Gemeinnützige Wohn- u. Siedlungsgenossenschaft ennstal“ ein Demo-Sanierungsgebäude geplant und errichtet.

Hochwertige Sanierung eines 60er-Jahre-Gebäudes
Energie- und Haustechnikkonzept zum Plus-Energiegebäude

Von Karl Höfler und Rudolf Kunesch *

Dabei werden innovative und wirtschaftliche Energie- und Haustechnikkonzepte entwickelt und in der Praxis umgesetzt. Ein begleitendes Monitoring sowie eine umfangreiche Evaluierung sollen die Qualität und Erreichung der ambitionierten Projektziele, wie z.B. Plus-Energiestandard sicherstellen.

Kurzbeschreibung des Demonstrationsgebäudes

Die Wohnanlage befindet sich im südöstlichen Stadtgebiet von Kapfenberg in der Obersteiermark. Der viergeschossige, ost-west-orientierte Baukörper ist 62,0 m lang und 10,5 m tief und war ursprünglich für 48 Wohnungen konzipiert. Eine Trennwand unterteilt den Baukörper in zwei identische Mehrspänner-Typen.
Derzeit liegt eine gemischte Energieversorgung aus Gasetagenheizungen, Elektro-(Nachtspeicher-), Öl-, Holz- oder Kohle-Einzelöfen vor.

Abbildung 2: Bestandsgebäude (Bauvorhaben Kapfenberg) Quelle: Nussmüller Architekten ZT GmbH

Darstellung des innovativen Haustechnik- und Energiekonzeptes

Die Notwendigkeit zur Erreichung eines Plusenergiegebäudes liegt einerseits in der Sanierung mit einer hochgedämmten thermischen Hülle und andererseits in der Reduktion des Energieverbrauches durch energiesparende Geräte und Beleuchtungen. Der Restenergiebedarf wird weitgehend durch aktive Komponenten abgedeckt.
Die Reduzierung des Nutzenergieverbrauches ist somit eine Voraussetzung um ein Plus-Energiegebäude zu erreichen.
Dies kann durch besonders innovative Aspekte, sowie gebäudetechnische, anlagentechnische und nutzungsabhängige Maßnahmen erreicht werden.

Großformatige aktive und passive Fassadenmodule
Die hochwertige thermische Sanierung wird mittels vorgefertigten großflächigen aktiven und passiven Fassadenmodulen erreicht.
Durch den Einsatz der energieerzeugenden Aktivelemente („Plus“-Energieerzeuger) wie Solarkollektoren, Solarwaben und PV-Anlagen wird die Gebäudehülle vom Energieverbraucher zum Energieerzeuger.

Abbildung 3: Rendering Montage Großformatige vorgefertigte Fassadenmodule Quelle: Nussmüller Architekten ZT GmbH

Vorgefertigte Haustechnikmodule
Die Integration von Ver- und Entsorgungsleitungen in die Gebäudehülle in den vorgefertigten Versorgungsmodulen ermöglicht die Erneuerung der Haustechnik in der umfassenden Sanierung und Modernisierung.
Somit sind die Schächte zukünftig von außen zugänglich und können jederzeit nachgerüstet werden. Diese Art der Haustechnikschächte ist derzeit in Österreich noch nicht realisiert und somit mit einem hohen Innovationsgrad behaftet.

Abbildung 4: Rendering vorgefertigte Haustechnikmodule an der Fassade Quelle: Nussmüller Architekten ZT GmbH

Heizungssystem, Wärmeverteil- und Abgabesystem
Das Heizungssystem stellt Wärmeenergie für die Raumheizung und hygienische Warmwasserbereitung der Wohnungen bereit.
Die Übergabe der Wärmeenergie erfolgt durch Heat Boxen (Wohnungsstationen). Die Energieverteilung erfolgt in Zwei-Strangsystemen ganzjährig, verlegt in den außen liegenden vorgefertigten Schächten. Die diskontinuierlich anfallenden solaren Energien und Abwärmen werden im Technikraum in einem Energie-Schichtspeicher, ca. 10 – 15 m³ Nutzinhalt eingebracht und aus diesem werden die Wohneinheiten mit Wärmeenergie versorgt.
Teile dieser Anlage werden derzeit im Neubau eingesetzt. In der Sanierung ist diese Art und Zusammensetzung der einzelnen Haustechnik-Komponenten noch nicht umgesetzt und somit innovativ für weitere Umsetzungen von Gebäuden dieser Epoche.
Die Wohnungen der Zukunft in der Sanierung sollen aus Sicht der Verfasser aufgrund der geringen Heizleistungen mit flinken Wärmeabgabesystemen (z.B. Sockelleisten, Radiatoren). Trotz der niedrigen Vorlauftemperaturen – erforderlich wegen der Heizungseinbindung von Erneuerbaren Energien - ist die Leistung ausreichend. Diese Heizung ist flink und kann sehr schnell auf die Außentemperaturen und deren Veränderung im Laufe des Tages reagieren.
Die zentrale Übergabestation liegt unmittelbar hinter den außen liegenden Haustechnikschächten.
Somit ist eine Verteilung der Vor- und Rücklaufrohre auf Putz im Bereich der Sesselleisten möglich – eine Beeinträchtigung der Mieter während der Installation sehr gering.

Bedarfsabhängige Lüftung gemäß ÖNORM H 6036:2007
Bei diesem System wird die kontinuierliche Abfuhr verbrauchter, belasteter Raumluft mittels eines Abluftventilators sichergestellt, und gleichzeitig die kontinuierliche Zufuhr von gefilterter Außenluft aufgrund des vom Abluftventilators aufgebautem Unterdruck über die Zuluftelemente in der Außenwand bzw. Fensterkonstruktion sichergestellt.
Dadurch ist ein hygienischer Luftwechsel (in Abhängigkeit der relativen Feuchtigkeit in den Räumen) gewährleistet, ein niedriger CO2-Gehalt vor allem im Wohn- und Schlafbereich und ein Mindestvolumenstrom pro Raum möglich. Damit dieser Luftwechsel auch energetisch optimiert wird, ist eine zentrale Wärmerückgewinnung mittels Wärmepumpe (Abluft-/Heizungswasser-Wärmepumpe) vorgesehen. Bei diesem System sind nur Luftkanäle im Bereich der Abluft erforderlich.
Die Innenluft wird über die vorhandenen Kamine pro Wohneinheit über Dach abgeleitet, dort zusammengefasst und dem Verdampfer der Wärmerückgewinnung (Wärmepumpe) zugeführt.

Abbildung 5: Rendering SO-Ansicht vorgefertigte Haustechnikmodule an der Fassade Quelle: Nussmüller Architekten ZT GmbH

Abbildung 6: Lüftungsschema Wohnungen mit Fensterlüftung und Abluftanlage mit WRG Quelle: Prof. Kunesch

Mit dieser Art der Wohnungslüftung ist eine ausreichende Wohnraumlüftung (Luftwechselzahl) gegeben. Durch die Verminderung der Rohrleitungslängen (lediglich Abluftleitungen) ist eine wesentliche Kostenersparnis zu erwarten und somit für zukünftige Bestandsbauten wirtschaftlich einsetzbar.

Konzept zum Plus-Energiegebäude
Über angebrachte Sonnenkollektoren an der Südseite (Sonnensegel ca. 200m²) wird Wärme für Heizung und Warmwasser erzeugt.
Die Abluftanlage ist mit Wärmerückgewinnung und einer Wärmepumpe ausgestattet. Die Restwärmeversorgung erfolgt über das Fernwärmenetz der Stadtwerke Kapfenberg. Dieses besteht großteils aus Abwärme aus den Böhler-Werken (Stahlerzeugung der VOEST). Durch diese alternativen Energieträger wird der Schicht-Energiespeicher gespeist.
Die produzierte Energie versorgt somit den Energiespeicher (10.000 – 15.000l) und danach mittels Zweileiternetz und Heat Box jede Wohnung (Heizung + Warmwasser).
Am Dach des Gebäudes (Flachdach anstatt des vorhandenen Steildaches) ist eine Photovoltaikanlage im Ausmaß von ca. 400 m² / 50 kWp und an der Ost- und Westfassade Dünnschichtmodule an Laubengangbrüstung und Fassadenintegration geplant.
Abgedeckt werden damit die benötigte Hilfsenergie, die Beleuchtung und der Haushaltsstrom, sowie die zu kompensierende Heizenergie. Zusätzliche Energie wird in das Stromnetz eingespeist.

Abbildung 7: Konzept zum Plus-Energiegebäude Quelle: AEE INTEC

Energie sparende Geräte und Beleuchtung
Die Reduktion der elektrischen Energie bezüglich Haushaltsstrom und Hilfsstrom ist eine wesentliche Voraussetzung um ein Plus-Energiegebäude zu realisieren.
Die Reduktion des Stromverbrauches im Haushalt der einzelnen Wohneinheiten ist ein Entwicklungsprozess, der vor allem organisatorischer Natur ist. Hier wird permanente Bewusstseinbildung im laufenden Betrieb notwendig sein. Beispielhaft soll mindestens eine Wohnung mit energiesparenden Geräten und Beleuchtungen ausgestattet werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Um die Zielsetzung eines Plus-Energiestandards zu erreichen, ist es unbedingt erforderlich, dass eine optimale Abstimmung sämtlicher innovativer Komponenten stattfindet. Nur im Gesamtsystem kann von einer zukunftsweisenden innovativen Modernisierungsmethode gesprochen werden.
Gelingt die erfolgreiche Umsetzung in diesem Demonstrationsprojekt, wird ein Vorbildcharakter geschaffen, welcher in der praktischen Umsetzung aufzeigt, dass innovative Haustechnik- und Plusenergiekonzepte im sozialen Wohnbau möglich sind. Die Erhöhung des NutzerInnenkomforts und einer nachhaltig energieeffizienten Nutzung unseres Gebäudebestandes sind weitere Vorteile.

*) DI Dr. Karl Höfler ist Leiter des Bereiches Nachhaltige Gebäude von AEE INTEC
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!; Prof. Dr.
Rudolf Kunesch, Ingenieurkonsulent für Maschineningenieurwesen, Schwerpunkte: Technische Gebäudeausrüstung
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]

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