Häuser heizen ohne dicke Mauern

Mit dem ETH-Gebäudesystem 2SOL sollen neue Massstäbe für die Energiewende gesetzt werden. Häuser dämmen ist nicht mehr der alleinige Schlüssel, um Energie und Emissionen zu sparen.

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Das Tempo empfindet er selbst als «unheimlich». Vor drei Jahren sprach Hansjürg Leibundgut noch von Experimentieren. Der emeritierte Professor für Gebäudetechnik an der ETH Zürich hatte sein Mehrfamilienhaus an der Bolleystrasse 35 im Zürcher Hochschulquartier aufwendig und kostspielig saniert und zum «Labor B35» gemacht. Seither testen und optimieren ETH-Ingenieure und Studenten sein Energiekonzept. Und nun soll in den nächsten Wochen das System 2SOL der Öffentlichkeit vorgestellt werden. «Das System ist marktreif», sagt Leibundgut und ergänzt: Ohne sein Forschungsteam und das Netzwerk der Industrie wäre dies in so kurzer Zeit nicht möglich gewesen.

Das Prinzip des Systems ist im Grunde einfach und nicht neu: Im Sommer wird Wärme für die Nutzung im Winter geerntet und im Boden gespeichert. Das Besondere ist jedoch das Gesamtsystem, das laut Leibundgut selbst am kältesten Tag im Jahr genügend Energie ohne CO2-Emissionen aus dem Erdspeicher bereitstellt – vorausgesetzt, der Winterstrom stammt aus einer erneuerbaren Quelle.

Hybridkollektoren auf dem Dach und ein Kühlungssystem im Gebäude «ernten» im Sommerhalbjahr Wärme, die über Erdsonden tief unter dem Gebäude gespeichert wird. Eine effiziente Wärmepumpe, das Herz des Systems, stellt die Wärme für Warmwasser und zum Heizen in der kalten Jahreszeit wieder bereit. Das Ganze funktioniert ohne starke Fassadendämmung, wie das in den Baudepartementen der Kantone gefördert wird. Das System soll vorab bei Gebäudesanierungen, aber auch bei Neubauten zum Einsatz kommen.

Minimaler Stromverbrauch

Damals, vor drei Jahren, war vieles noch in Entwicklung. Doch Hansjürg Leib­undgut war von seinem System überzeugt. Fast trotzig sagte er an die Adresse der Skeptiker: Er müsse nicht mehr beweisen, dass sein System funktioniere, sondern nur die Industrie davon überzeugen. Das tat er im Eilzugtempo. Im November 2013 wurde die Allianz 2SOL gegründet, der zwölf führende Schweizer Firmen angehören. Darunter der weltweit tätige Solarzulieferer Meyer-Burger, die Schweizer Wärmepumpenfirma CTA und das grosse Schweizer Immobilienunternehmen Halter. Das ETH-Energiesystem verfüge über Marktchancen, liess die Firmenallianz verlauten. Es sei für die Energiewende bedeutend, sagte damals Patrick Hofer-Noser, der Präsident der Allianz

Das System wurde inzwischen in zahlreichen Dissertationen und Diplomarbeiten untersucht und verbessert. Verschiedene Entwicklungen wurden patentiert. Die Hybridkollektoren zum Beispiel sind inzwischen im Vergleich zur ersten Generation auf dem Dach von B35 effizienter geworden. «Das Gesamtsystem wurde etwa 20 Prozent billiger», sagt ETH-Ingenieur Leibundgut. Die Investitionskosten der technischen Komponenten sind zwar laut Leibundgut höher als bei herkömmlichen Heizungssystemen, doch wenn die Energie aus Tiefen bis zu 500 Metern gewonnen wird, so spendet der Untergrund auch in den kältesten Tagen über 15 Grad Celsius Wärme. Mit einer effizienten Turbowärmepumpe können gemäss Leibundgut Gebäude mit minimalem Stromverbrauch geheizt werden.

Ökonomisch ist für den Erfinder des Systems jedoch vor allem die Lebensdauer der Systemteile: Die wichtigsten Komponenten seien nahezu unverwüstlich, sie würden theoretisch mehrere Generationen halten, seien es die Erdsonden, die Wärmepumpe oder die Hybridkollektoren. Kaum teurer als herkömmliche Systeme wird es laut Leib­undgut, wenn sich mehrere Eigentümer dazu entschliessen, ihre Liegenschaften mit einem gemeinsamen Erdspeicher zu sanieren. Das ETH-Gebäudesystem soll nicht über Subventionen auf den Markt gebracht werden.

Verstärkter Bau von Erdsonden

Heizungen in Gebäuden produzieren laut Bundesamt für Umwelt gut 40 Prozent der CO2-Emissionen in der Schweiz. 1,5 Millionen Häuser müssen in den kommenden 40 Jahren saniert werden, soll das politische Ziel erreicht werden, die Schweiz ins postfossile Zeitalter zu führen. Für den Gebäudetechniker dreht sich die Diskussion zu viel um Energie, zu wenig um Emissionen. Und Leibundgut ist ein hartnäckiger Zeitgenosse. Er lobbyiert seit Jahren gegen die scheinbar unverrückbare Maxime der kantonalen Bauverwaltungen: Häuser dämmen und Energie sparen, der bisher gängige Weg beim Bauen und Sanieren, um die Werte der Minergiestandards zu erreichen. Den Fokus auf Fassadendämmung zu legen, ist für ihn zu kurzsichtig und zu kostspielig.

Kommt hinzu, dass künftig in der Schweiz mit einem verstärkten Bau von Erdsonden zu rechnen ist. Solche Systeme sind laut Leibundgut nur sinnvoll, wenn dem Boden nicht mehr Wärme entzogen wird, als hineingeführt wurde. Bereits gibt es Beispiele, bei denen das nicht der Fall war. Etwa in einem Haus in Zumikon, Baujahr 1955. Der Untergrund kühlte nach zehn Jahren derart ab, dass die Erdsonden im Winter in vereisten Böden steckten.

Das ist beim ETH-Ernte-Prinzip nicht möglich. Seit vier Jahren funktioniert Leibundguts Haus an der Bolleystrasse nach dem 2SOL-Konzept. Auch das ETH-Bürogebäude auf dem Hönggerberg, Baujahr 1972, liefert die gewünschten Resultate. Trotzdem muss sich das neue System erst etablieren. Kinderkrankheiten gehören zu jeder Innovation. Das zeigte sich zum Beispiel bei den Bohrungen für die erstmals verlegten Polyester-Tiefenerdsonden im Zürcher Quartier Witikon, wo das erste 2SOL-Mehrfami­lienhaus steht. Weitere Projekte sind unter anderem im Kanton Zürich geplant. Eben hat die aargauische Regierung den Projektierungskredit genehmigt, um das alte Zeughaus in Aarau nach dem 2SOL-Prinzip zu sanieren. Auch der Bund ist offen gegenüber neuen Optionen: Sollten Alternativen zu den Technologien vorhanden sein, um die Minergieanforderungen zu erfüllen, würden sie geprüft, heisst es beim Bundesamt für ­Bauten und Logistik.

Ein Handicap hat das System trotz wissenschaftlicher Prüfung trotzdem: Seit Sommer 2014 gilt im Kanton Zürich eine örtliche Tiefenbegrenzung für Erdwärmesonden zum Schutz von Mineralwasservorkommen. Generell sind entsprechend dem Vorsorgeprinzip in der Schweiz Erdwärmesonden in Grundwasserzonen nicht zugelassen, in denen Trinkwasser gewonnen werden kann. Die Zürcher Baudirektion geht davon aus, dass in wenigen Jahrzehnten rund 100 000 Erdwärmesondenanlagen erstellt werden. Das stelle ein «nicht zu vernachlässigendes Risiko» dar, weil vertikale Sickerströme entlang der Sonden Grundwasservorkommen qualitativ beeinträchtigen könnten, schreibt die Baudirektion in einem Brief an Leibundgut. Das im Untergrund zirkulierende Grundwasser deckt im Kanton Zürich rund 60 Prozent des Trinkbedarfs.

Keine Bewilligung in Kloten

Dem ETH-Professor sind damit grosse Schranken gesetzt. «In stark besiedelten Gebieten wie in den Kreisen 4 und 5 in Zürich oder in Kloten, Bülach und Dübendorf sind Erdwärmesonden derzeit verboten», sagt er. Die Argumentation versteht er zwar. Doch er ist überzeugt, dass die neuen Koaxial-Erdwärmesonden ökologisch heikle Zonen nicht gefährden. Der Grund: Das Material der Sonden ist so elastisch, dass sie durch den Wasserüberdruck direkt an die Wand des Bohrlochs gepresst werden. Es braucht deshalb keine Zement-­Betonit-Hinterfüllung.

Die neuen Qualitäten der Innovation wollte Leibundgut mit einer Sonderbewilligung für ein Bohrprojekt in Kloten aufzeigen. So weit kam es aber nicht. Das kantonale Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (Awel) erteilte keine Bewilligung. Nach «negativen Erfahrungen» beim Einbau der Membran-Erdwärmesonden in Witikon im «einfachsten felsigen Baugrund» sei das Projekt in Kloten neu beurteilt worden. Für Leibundgut ist die Begründung nicht nachvollziehbar, weil es in Witikon nicht um geologische, sondern um technische Probleme ging. Dichtetests an der ETH sollen nun aufzeigen, dass die Erdsonden kein Sickerwasser durchlassen.

Im April soll die Markteinführung erfolgen. Die Lizenzen für das System verkauft die Entwicklungsfirma BS2, die Leibundgut mitgründete und bei der inzwischen eine Reihe ehemaliger Doktoranden seines Forschungsteams arbeiten. Den Einbau des Systems dürfen nur zertifizierte Unternehmen vornehmen, die vorgängig entsprechend ausgebildet wurden. Demnächst werden Zimmerleute ausgebildet für den Bau der Dachkonstruktion aus Hybridkollektoren. Bis Ende 2016, so hofft der Ingenieur, wird das neue Gebäudesystem in 20 bis 30 Gebäuden mit rund 500 Wohnungen in Betrieb sein. Und er wünscht sich viele Unternehmen, die das System nach­ahmen: «So wird es verbessert.»

(Tages-Anzeiger)

(Erstellt: 27.03.2015, 19:11 Uhr)

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Hybrid-Kollektoren

Effizient Wärme «ernten»

Die Kombination von Fotovoltaik mit Solar­kollektoren ist hocheffizient. Ein Fotovoltaik-Modul wandelt nur etwa 15 bis 20 Prozent in elektrischen Strom um. Der Rest verpufft als Wärme. Einen grossen Teil der Wärmeenergie «ernten» nun die Solarkollektoren. Sie wird über einen Wasserkreislauf in den Erdspeicher geleitet, der die Wärme im Winter zum Heizen und für Warmwasser wieder abgibt. Das Gesamtsystem speichert mindestens so viel Wärme im Untergrund, wie das Gebäude für das Heizsystem braucht. So kühlt der Boden nicht aus. Das Besondere: Die Hybrid-Kollektoren sind heute Teil des Daches, was die Investitionskosten für das gesamte Gebäudesystem reduziert. Die Einheit – ­Fotovoltaik, Kollektor, Dämmung und Tragstruktur – lässt sich auf jedes Dach montieren. Hybrid-Kollektoren wurden in den letzten Jahren weiterentwickelt. Dabei konnten die Kosten deutlich gesenkt werden. Vorne dabei ist das Produkt des Schweizer Solarunternehmens Meyer-Burger. (ml)

Koaxial-Erdwärmesonde

Aufrollbar und elastisch

Es ist heute üblich, Erdwärmesonden bis etwa 300 Meter Tiefe zu verlegen. Je tiefer die Wärme im Untergrund gewonnen wird, desto effizienter ist der Wärmepumpen­betrieb. Das 2SOL-System funktioniert mit sogenannten Koaxial-Erdwärmesonden, die vorzugsweise bis in eine Tiefe von 500 Metern reichen. Der Vorteil ist, dass der Wärmeträger Wasser in zwei thermisch getrennten Röhren nach unten bzw. nach oben fliesst. Das steigert die Energieeffizienz. Neu und besonders ist: Die aus Polyesterzwirn hergestellte Sonde lässt sich aufrollen und ohne Hinterfüllung installieren. Denn durch den Überdruck des Wassers wird das elastische Rohrmaterial direkt an die Bohrlochwand gepresst. Dank diesem Prinzip sind diese Sonden kostengünstiger als herkömmliche. Eine Erdwärmesonde bewirtschaftet den Erdreichzylinder von 6 Meter Durchmesser.Die «geerntete» Energiemenge beträgt 50'000 Kilowattstunden, was dem Brennwert von 5000 Liter Heizöl entspricht. (ml)

Turbo-Wärmepumpe

Weniger Stromverbrauch

Noch gibt es erst einen Prototyp der Turbo-Wärmepumpe, der mit einem Gaslager funktioniert. Der Erdspeicher liefert Wärme auch am kältesten Tag des Jahres um 15 Grad Celsius. Die sogenannte Niederhub-Wärmepumpe liefert zusätzlich Energie, um das Wasser zum Heizen auf 28 bis 35 Grad zu erwärmen. Die Wärmepumpe wurde an der Hochschule Luzern in Zusammenarbeit mit der Entwicklungsfirma BS2 entwickelt, aufgebaut und getestet. Optimiert im Gebäude-Gesamtsystem 2SOL kann sie eine Leistungszahl von 10 erreichen. Das heisst: Mit einer Kilowattstunde Strom können 10 Kilowattstunden Nutzwärme produziert werden. Die Stromeinsparung im Vergleich zu gängigen Geräten beträgt laut Allianz 2SOL 30 bis 50 Prozent. Die erste Testserie soll im nächsten Jahr bereitstehen. Aktuelle Wärmepumpen weisen lediglich eine Leistungszahl von 4 bis 5 aus. Abgestimmt auf das 2SOL-System soll laut Fachleuten eine Steigerung auf eine Leistung 7 möglich sein. (ml)

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