Strom und Wärme selbst erzeugen - Energiewende im Eigenheim: Wie Kraft-Wärme-Kopplung, PV und ein Hauskraftwerk für Autarkie sorgen

Moderne KWK-Anlagen sind besonders effizient, weil sie langlebige und wartungsarme Stirlingmotoren oder zunehmend Brennstoffzellen einsetzen. Familie Boelkes in Niedersachsen und das Ehepaar Klys in Baden-Württemberg realisieren mit Mini-BHKWs als Ergänzung zu PV und Stromspeicher ihre ganz persönliche Energiewende.
Timo Boelkes kaufte vor einem Jahr ein Einfamilienhaus in Schwanewede, einem kleinen Ort in der Nähe von Bremen. Der gut gedämmte 70er-Jahre-Klinkerbau war zum damaligen Zeitpunkt mit einer klassischen Ölheizung ausgestattet. Die wollte Timo Boelkes auf keinen Fall behalten. „Meine Familie und ich hatten den Wunsch, in unserem neuen Heim möglichst energieautark zu leben und uns weitgehend unabhängig von den steigenden Energiepreisen zu machen“, erklärt der Physiotherapeut.
Recherchen führten ihn zu Laudeley Betriebstechnik im benachbarten Ritterhude. Holger Laudeley ist als einer der zertifizierten Vertriebspartner des Stromspeicherherstellers E3/DC tätig. Nach einer Ortsbegehung bei Timo Boelkes und der Prüfung der Energiebilanz des Gebäudes erstellte Laudeley in Kooperation mit der Firma Jürgen Ahlers Heizung und Sanitär sowie den Geräteherstellern E3/DC, Remeha und Brötje ein individuelles Energiekonzept für den Hausumbau. Dieses sah vor, die alte Ölheizung auszubauen und den Ölkessel zu einer Regenwassernutzungsanlage umzurüsten. Als neue Technologie sollte eine Kombination aus PV, KWK-Anlage, Brauchwasserwärmepumpe und Stromspeicher dienen.

Hauskraftwerk speichert überschüssigen Strom aus PV und KWK
Das Herzstück der neuen Energieversorgung im Hause Boelkes bildet seit August 2014 das dreiphasige Hauskraftwerk „S10“ des Osnabrücker Technologieunternehmens E3/DC. Es speichert den Strom aus PV- und KWK-Anlage vollautomatisch in seinen Lithium-Batterien. Die intelligente Steuereinheit registriert und steuert sämtliche Energieströme im Haushalt. Dafür misst das „S10“ im Sekundentakt den Stromverbrauch aller elektrischen Geräte. Ob und wann ein- und ausgespeist werden muss, registriert das Hauskraftwerk mit „TriLINK“-Technologie selbstständig.
Erst wenn die Akkus vollständig geladen sind, regelt das „S10“ die Einspeisung des darüber hinaus produzierten Stroms ins öffentliche Stromnetz. Umgekehrt muss Familie Boelkes auch erst dann Strom vom öffentlichen Anbieter beziehen, wenn alle Akku-Reserven des Hauskraftwerks aufgebraucht sind. Weitere Vorteile des Stromspeichers von E3/DC sind sein modularer Aufbau (All-In-One-Konzept) sowie seine kompakten Abmessungen: Bei einer Breite und einer Höhe von je einem Meter ist das Hauskraftwerk lediglich 40 cm tief und passt damit in jeden Keller oder Hauswirtschaftsraum. Das „S10“ kann unkompliziert installiert und per Fernwartung mit regelmäßigen Updates auf den neuesten technischen Stand gebracht werden. Seine 2,3-kWh-Batterien und weitere Komponenten lassen sich einfach nachrüsten.

KWK-Anlage mit Stirlingmotor liefert Strom und Wärme
Eine PV-Anlage übernimmt seit Sommer 2014 auf der Ost- und Westseite des Hausdaches (14,4 kWp) den größten Teil der Stromversorgung von Familie Boelkes. Im Keller steht jetzt ein Gasbrennwertkessel mit Stirlingmotor der Firma Remeha, der nach dem KWK-Prinzip sowohl nutzbaren Strom als auch Wärme produziert. Dazu treibt der wärmegeführte Stirlingmotor einen Generator an, der Strom erzeugt. Die dabei entstehende – bis zu 500 Grad heiße – Abwärme wird ausgekoppelt und für die Heizung und Warmwasserbereitung genutzt.
Das Verhältnis Strom- zu Wärmeproduktion liegt dabei etwa bei 1:5, d.h. pro kWh Strom werden 5,5 kWh Wärme erzeugt. Der Spitzenlastbedarf wird von einem integrierten Brennwertkessel abgedeckt. Insgesamt verfügt das Gerät über eine thermische Leistung von maximal 25 kW. Im Sommer wird die KWK-Anlage gar nicht benötigt. Dann erzeugt eine Brauchwasserwärmepumpe von Brötje immer dann Warmwasser, wenn Solarenergie nach Abzug des Stromverbrauchs zur Verfügung steht, und somit wird die Netzeinspeisung zugunsten des Eigenverbrauchs vermieden. Die Eigenstromquote erhöht sich deutlich.

Steigende Energiekosten weckten den Wunsch nach Autarkie
Auch Waltraud und Eugen Klys im baden-württembergischen Esslingen nutzen in ihrem Haus eine PV-Anlage, KWK und einen E3/DC-Stromspeicher. Wie Timo Boelkes haben sie sich im vergangenen Jahr zu einem energetischen Umbau ihres Eigenheims entschlossen. Wärme für das Zweifamilienhaus mit 300 m² Wohnfläche lieferten bis Mitte 2014 zwei klassische Gasbrennwertgeräte – eines in jeder Wohnung. Sie verbrauchten zusammen zwischen 27000 und 30000 kWh Gas im Jahr.
Strom bezog Familie Klys aus dem öffentlichen Netz. Die Stromkosten schlugen mit 3800 Euro jährlich zu Buche – das entsprach einem überdurchschnittlich hohen Verbrauch von 14000 kWh. Dazu trugen nicht nur die beiden Wohnungen bei, sondern auch der kleine Friseursalon, den Waltraud Klys im Untergeschoss des Hauses betreibt. Darüber hinaus besitzt das Ehepaar im Garten einen Koi-Teich, der mithilfe zweier strombetriebener Pumpen gereinigt wird.

Energiemix aus PV und Brennstoffzellenheizgerät
Die hohen Energiekosten brachten Waltraud und Eugen Klys zum Umdenken. Hinzu kam, dass die Gasheizung sanierungsbedürftig war und hätte ausgetauscht werden müssen. Statt sich weiterhin von steigenden Energiepreisen abhängig zu machen, entschieden sich die Hauseigentümer für einen Umbau mit Erneuerbaren Energien, den sie in die Hände des Stuttgarter Elektrotechnikspezialisten Berner legten. „Eine Herausforderung in der Planung war, sich ein Energiekonzept zu überlegen, das den hohen Strom- und Wärmeverbrauch der Familie bestmöglich durch Eigenproduktion abdeckt“, erklärt Jakob Kämmerzell, der als Installateur und Solarteur bei der Berner GmbH beschäftigt ist. Als ideal erwies sich in diesem Fall ein Energiemix aus PV und Brennstoffzellenheizgerät, gekoppelt mit einem Stromspeicher. „Die Voraussetzungen für einen solchen Umbau waren gut. Das Haus entspricht dem heutigen Energiestandard und ist gut gedämmt. Für den Einsatz einer Brennstoffzelle ist das perfekt“, so Kämmerzell.

Effizienz der Brennstoffzelle derzeit von ene.field erprobt
Im Sommer 2014 erfolgte der energetische Umbau des Zweifamilienhauses. Die beiden alten Heizgeräte wurden durch eine zentrale Brennstoffzellenheizung von Vaillant vom „Typ SOFC G5“ ersetzt. Sie arbeitet entsprechend dem KWK-Prinzip. Mittels Erdgas wird durch eine chemische Reaktion Strom produziert und im Haus genutzt – die dabei entstehende Abwärme dient zur Haus- und Brauchwassererwärmung. Das Verhältnis liegt hier etwa bei 1:2, d.h. auf ein kW Strom kommen zwei kW Wärme. Die Brennstoffzelle im Klys’schen Heizgerät stammt vom Dresdner Technologieunternehmen Sunfire.
„Eine Spitzengaslasttherme kann zusätzlich dann eingeschaltet werden, wenn der Wärmebedarf – etwa in langen, sehr kalten Wintermonaten–überdurchschnittlich hoch ist“, erklärt Werner Völkle, Key Account Manager für KWK beim Heizungshersteller Vaillant.
Die Effizienz der Brennstoffzellentechnologie als Beitrag zur Energiewende wird aktuell im dreijährigen Demonstrationsprojekt ene.field erprobt, an dem u.a. Vaillant mit seinem wandhängenden Brennstoffzellen-Heizgerät beteiligt ist. Waltraud und Eugen Klys gehören zu 80 Vaillant-Kunden, bei denen die Technologie 2014 installiert wurde. Ziel ist es, die Brennstoffzelle mit Abschluss des Feldversuchs zur Marktreife zu bringen. Während die Wärme der Brennstoffzelle direkt genutzt wird, kann der Strom je nach Bedarf verwendet, zwischengespeichert oder ins öffentliche Netz eingespeist werden. Zusätzlich zur Brennstoffzelle installierte die Berner GmbH bei Familie Klys eine 8,25 kWp Photovoltaikanlage in Südausrichtung auf dem Dach.

Erst der Stromspeicher schafft hohe Autarkie
Damit der überschüssige Strom, der an sonnigen Sommertagen produziert wird, nicht für ca. 13 Cent pro kWh an Energieversorgungsunternehmen verkauft wird, nutzen die Hauseigentümer ebenfalls das Hauskraftwerk S10 des Osnabrücker Herstellers E3/DC als Speicher. Dessen Kapazität liegt hier bei insgesamt 9,2 kWh. Im Hause Klys speichert das S10 sowohl den Strom aus der PV-Anlage als auch den der Brennstoffzelle. „Die vier Akkus meines Hauskraftwerks sind an sonnigen Tagen immer voll“, berichtet Eugen Klys, der den Energieverbrauch und sämtliche andere Daten regelmäßig auf seinem Smartphone verfolgt.
Waltraud und Eugen Klys denken bereits darüber nach, sich noch zwei weitere Akkus für das Gerät zuzulegen, um ihren Eigenverbrauch noch weiter zu erhöhen. Fest steht jetzt schon: Durch den energetischen Umbau kann das Paar mindestens drei Viertel seines Strombedarfs über Photovoltaik und Brennstoffzelle abdecken. „Ohne Speichergerät läge der Autarkiegrad deutlich niedriger“, sagt Jakob Kämmerzell. Ein Vergleich, der deutlich macht, wie maßgeblich ein intelligenter Stromspeicher die Energiebilanz eines Eigenheims beeinflussen kann. Letztendlich ist es aber der individuelle Energiemix – aus Photovoltaik, Mini-BHKW und Speicher – der sowohl Familie Boelkes als auch das Ehepaar Klys eine nahezu vollständige Energieautarkie ermöglicht.

Autorin: Grit Wolkowicz

Kontakt: E3/DC GmbH, 49074 Osnabrück, Tel. 0541 7602680, Fax 0541 76026819, info@e3dc.com, www.e3dc.com