Autarkie

Die energetische Autarkie bedeutet die Selbstversorgung mit der Energie in den eigenen vier Wänden.
Am einfachsten ist es bei den Neubauten, die mit einer Wärmepumpe und einer Photovoltaikanlage ausgestattet sind.
Dann fällt die Pellets-, Öl- oder die Gasrechnung schon mal weg.
Der Strom ist die einzige Energiequelle, die wir selbst produzieren und vielseitig einsetzen können.

Ist es überhaupt möglich?
Ja. Es ist machbar.
Um 100% zu schaffen, muss man entweder sehr großen Aufwand betreiben und/oder die perfekte Lage und das perfekte Haus haben. In der Zukunft wird es aber einen Weg geben (siehe unten).
Dennoch sind 70-75 % Autarkie heute durchaus realistisch. Es gibt Haushalte, die jährlich 80 % oder mehr erreichen.

Wovon hängt die Autarkiequote ab?

(Ich konzentriere mich auf Häuser, die mit einer Wärmepumpe beheizt werden.)

1. vom energetischen Standard des Hauses - Heizenergiebedarf
Je besser das Haus gedämmt ist, desto weniger Heizenergie wird verbraucht. Den besten Standard bietet das Passivhaus an. Die Heizenergie wird im Winter gebraucht, wenn die Photovoltaikanlage deutlich weniger Strom produziert. Darum ist der Punkt so wichtig.
Ein Passivhaus benötigt für die Heizung bei üblicher Nutzung nicht mehr als 1,5 Liter Öl oder 1,5 m3 Erdgas, oder eben 15 kWh Strom pro m2 Wohnfläche im Jahr.
Im Vergleich dazu verbraucht ein Niedrigenergiehaus gemäß gesetzlicher Mindestanforderungen über 75 % mehr Heizenergie.

Jährlicher Heizenergiebedarf für ein 140 m2 großes Haus in verschiedenen Standards:

Passivhaus - 2.100 kWh
KfW 40 - 3.500 kWh
KfW 55 - 4.900 kWh
KfW 70 - 6.300 kWh
EnEV2002 - 9.800 kWh

2. Größe des Hauses
Das ist logisch, da die obigen Angaben sich auf die Quadratmeterzahl der Wohnfläche beziehen.

Der Vergleich zwischen einem 140 m2 und einem 220 m2 großen Haus ergibt den jährlichen Heizenergiebedarf in kWh (reine Elektroheizung):

	Passivhaus	KfW 40	KfW 55	KfW 70	EnEV2002
140 m²	2.100	3.500	4.900	6.300	9.800
220 m²	3.300	5.500	7.700	9.900	15.400

Achtung: das ganze Hausvolumen / die Kubatur wird beheizt. Bei hohen Decken erhöht sich der Heizbedarf entsprechend.

3. Wärmepumpe
Es ist keine gute Idee direkt mit dem Strom zu heizen. Die Ausnahme: Badezimmer im Frühling und im Herbst, wenn die eigentliche Heizung noch nicht/nicht mehr eingeschaltet ist. Die elektrischen Matten, den elektrischen Handtuchhalter oder die Infrarotheizung kann man gut regulieren und nur morgens und abends einschalten.

Bei einer Wärmepumpe werden aus einem Teil Strom zwischen 2,5 und 4 Teilen Heizenergie gewonnen  (der COP Wert einer Wärmepumpe). Somit ist eine Wärmepumpe effizienter als eine reine Elektroheizung.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Ähnlich wie ein Kühlschrank nur andersrum.
Während der Kühlschrank die Wärme nach außen leitet, holt sich die Wärmepumpe Energie aus der Luft oder dem Erdreich mit Hilfe des Stroms über das Heizungssystem in den Wohnraum.

Die Wärmepumpen, die am häufigsten installiert werden:

a) Luft/Luft Wärmepumpe
Die Energiequelle ist die Außenluft. Die warme Luft wird über die Luftkanäle im Haus verteilt.
Vorteile:
günstig in der Anschaffung,
keine Heizkörper,
keine Rohrleitungen,
Kühloption über die Lüftung,
meist ein Kompaktgerät
ein Luftverteilsystem für die Lüftungsanlage und die Wärmepumpe
Nachteile:
nur für Passivhäuser geeignet (problematisch bei hohen Decken und großen offenen Räumen),
Luft als Isolator,
bei kaltem Winter ist höherer Luftaustausch erforderlich, das kann wiederum zu trockener Luft zu Hause führen,
im kalten Winter liegt die reale Arbeitszahl bei 2-2,5 - wenig effizient
zusätzliche Heizung im Badezimmer notwendig,
eventuell laut

b) Luft/Wasser Wärmepumpe
Die Energiequelle ist die Außenluft. Die Wärme wird über die Fußbodenheizung im Haus verteilt.
Vorteile:
unabhängig von der Lüftungsanlage,
keine Heizkörper,
Kühloption über den Fußboden
die meisten Menschen bevorzugen die Fußbodenheizung (in einem Passivhaus wird die Fußbodenheizung nicht wirklich warm)
Nachteile:
erhöhte Kosten für die Fußbodenheizung,
träge Fußbodenheizung
nicht jeder Belag ist für die Fußbodenheizung geeignet
im kalten Winter liegt die reale Arbeitszahl bei 2-2,5
eventuell laut

c) Sole/Wasser Wärmepumpen
Die Energiequelle ist die Erdwärme. Entweder werden Sonden 50-200 Meter tief gebohrt oder ein Erdkollektor flach unter der Erde auf einer großen Fläche verteilt. Hier gibt es eine Fußbodenheizung.
Vorteile:
sehr stabile Energiequelle,
die Arbeitszahlen sind auch im kalten Winter höher und erreichen 3-4.
dadurch geringere Betriebskosten
keine Heizkörper
Fußbodenheizung
wird für größere und schlechter gedämmte Gebäuden empfohlen
Kühloption über den Fußboden
meist sehr leise
Nachteile:
die höchsten Investitionskosten,
die Sonden sind genehmigungspflichtig,
für die Erdkollektoren braucht man ein größeres Grundstück,
träge Fußbodenheizung
nicht jeder Belag ist für die Fußbodenheizung geeignet

Die Wärmepumpen arbeiten am besten mit einer Flächenheizung. Die üblichen Heizkörper mit 70° Vorlauftemperatur senken ihre Effizienz deutlich.

Ein Haus wurde mit einer Luft/Wasser Wärmepumpe ausgestattet, mit einen Wirkungsgrad von mindestens 2,5.
Somit reduziert sich der Verbrauch um den Faktor 2,5:

	Passivhaus	KfW 40	KfW 55	KfW 70	EnEV2002
140 m²	840	1.400	1.960	2.520	3.920
220 m²	1.320	2.200	3.080	3.960	6.160

In einem anderen Haus wird eine Sole/Wasser Wärmepumpe installiert. Ihr Wirkungsgrad liegt bei minimum 3,5.

	Passivhaus	KfW 40	KfW 55	KfW 70	EnEV2002
140 m²	600	1.000	1.400	1.800	2.800
220 m²	943	1.571	2.200	2.828	4.400

Diese Energie wird allein in den kalten Monaten verbraucht.

4. Warmwasserbereitung
Alle sollten das Wasser sparen, weil das saubere Trinkwasser zu einer knappen und immer teureren Ressource wird. Die Wasserpreise werden steigen.

In dem Punkt geht es primär um die Bereitung des Warmwassers.
Die Warmwasserbereitung in einem durchschnittlichen 2 Personen Haushalt verschlingt etwa 1.300 kWh Strom im Jahr.
In einem 4 Personen Haushalt wird durch die Warmwasserbereitung 2.500 kWh Strom im Jahr verbraucht.

Der Warmwasserverbrauch ist über das ganze Jahr ziemlich konstant.
Ein Passivhaus löst das Problem der Warmwasserbereitung nicht. Der Energiebedarf für das warme Wasser ist bei allen energetischen Standards gleich.

Um die Kosten zu senken, können bestimmte Maßnahmen ergriffen werden:
- den Wasserverbrauch reduzieren (Trinkwasser Preise werden steigen)
- der Warmwasserspeicher muss gut dimensioniert sein. ein zu kleiner Speicher für 4 Personen ist unpraktisch, ein zu großer bedeutet höhere Bereitschaftsverluste / Stillstands-Verluste. Ein optimaler Familien Wasserspeicher ist 200-300 Liter groß.
- keine zu hohe Temperatur im Warmwasserspeicher. Wegen der Legionellen Bakterien muss das Wasser regelmäßig auf 60° erhitzt werden. Zum täglichen Gebrauch reichen 45-50° aus.
- keine langen Warmwasserleitungen. wenn ein Punkt selten genutzt wird und weit weg ist (Keller, Garage, Dachboden) kann man über einen kleinen sparsamen Durchlauferhitzer nachdenken.
- keine Warmwasser Zirkulation. wenn die Leitungen optimal kurz sind, wird man es kaum merken. die Warmwasserzirkulation kann schon 600 kWh und mehr im Jahr zu buche schlagen.
- keine Regendusche und stattdessen ein Wasserspar-Duschkopf.
Durch das Beimischen von Luft wird die Durchflussmenge des Wassers um bis zu 50% reduziert. Der Duschkomfort wird in keinster Weise geschmälert. Man merkt kaum den Unterschied beim Duschen.
Informieren Sie sich immer nach dem Wasserverbrauch pro Minute. Sparsame Duschköpfe verbrauchen maximal 6 Liter pro Minute. eine Regendusche kann bis zu 20 Liter pro Minute verbrauchen. das bedeutet: 7 Minuten Regendusche und eine ganze Badewanne ist im Abfluss.
- Wagner Solar Duschrohr kann die Wärme aus dem Abwasser zurückgewinnen (ich habe das System bereits beschrieben)
- Spülmaschine ist sparsamer als das Spülen von Hand

Dank einer Photovoltaikanlage oder einem Sonnenkollektor /Solarkollektor auf dem Dach ist es möglich vom März bis zum Oktober das Wasser beinahe zum Null Tarif zu erhitzen.
Eine Anmerkung: eine Photovoltaikanlage produziert elektrische Energie - Strom,
ein Sonnenkollektor / Solarkollektor ist eine thermische Anlage, die Wärme produziert, mit der man Wasser erhitzen kann.

Eine Frage: was lohnt sich mehr? PV Anlage oder ein Solarkollektor?

Die Dachfläche ist begrenzt. Ein Solarkollektor braucht deutlich weniger Platz, 4-5 m2 würden schon reichen. dagegen ist eine PV Anlage meist viel größer.
Ich finde, die Solarkollektoren gut, wenn man eine Pellets-, Öl- oder Gasheizung hat. Dank einem kleinen Solarkollektor auf dem Dach werden keine fossilen Brennstoffen im Sommer verbrannt. Der Sommerfall führt zu größeren Energieverlusten als im Winter, wo das Wasser nebenbei erhitzt wird.
Auch wenn Sie ein Schwimmbad haben, ist ein Sonnenkollektor für Sie interessant.

Bei einer Wärmepumpe macht eine PV Anlage mehr Sinn.

Das Problem einer Wärmepumpe bei der Trinkwassererwärmung im Winter:
Eine Wärmepumpe arbeitet effizient wenn der Temperaturunterschied zwischen der Quelle und dem Ziel (zB Flächenheizung) gering ist.
Zum Beispiel 24° Fußbodenheizung werden generiert:
entweder aus 5° Außenluft - Unterschied von 19°
oder aus 7° Erdwärme - Unterschied von 17°.
Je geringer der Unterschied desto effizienter die Wärmepumpe, ihre COP wächst.

Eine Sole Wärmepumpe hat eine stabile Quelle im Erdreich, weil die Erde unter der Frostgrenze nie kälter wird als 0°. Daher der höhere Wirkungsgrad.

Bei einer Luftwärmepumpe schwanken die Außentemperaturen deutlich.
Zwar kann eine Luftwärmepumpe auch bei -15° (Unterschied von 39° bei 24° Fußbodenheizung) arbeiten, ihre Effizienz sinkt aber deutlich auf 1,5-2.
Wenn noch das Trinkwasser mit seinem 45-50° (Unterschied von 60-65° bei -15° Außenluft) erwärmt werden muss, stößt die Luftwärmepumpe an ihre Grenzen und schaltet den eingebauten Heizstab an. Sie wird dann zu einer Elektroheizung. Vielleicht könnte man die Warmwasserbereitung nur am Tag einschalten, wenn die Außentemperaturen nicht zu tief absinken.
Im Sommer steigt ihr Wirkungsgrad.

Ich will die Wärmepumpen nicht schlecht reden. Es ist heute die beste Art zu heizen. Welcher Ofen erzeugt mehr Wärme als Energie, die er verbrennt? Moderne Brennwertkessel schaffen es maximal bis 111% vom Öl oder Gas in die Wärme umzusetzen. Die Wärmepumpen sind deutlich effizienter. Dadurch, dass sie die Umweltenergie zur Wärmeerzeugung einsetzen, erreichen sie 200-400 % Wärme aus dem Strom. Kein Kessel schafft das.

Wir berechnen den Energiebedarf um das Trinkwasser zu erhitzen
2 Personen - 1.300 kWh durch Faktor 2 (Luftwärmepumpe) ergibt 650 kWh im Jahr
4 Personen -  2.500 kWh durch Faktor 2 (Luftwärmepumpe) ergibt 1.250 kWh im Jahr

5. Stromverbrauch - Elektrizität 
Neue Häuser haben große Verglasungen Richtung Sonne und nutzen viel besser das Tageslicht aus.
Dank der modernen LED Beleuchtung wird heute deutlich weniger Strom verbraucht.
Die alte Glühlampe mit 60 Watt wird heute durch die 8 Watt LED ersetzt.
Auch die Haushaltsgeräte werden sparsamer.
Nun haben wir immer mehr Haushaltsgeräte und vor allem Elektrokleingeräte zu Hause, die einfach Tag und Nacht an der Steckdose hängen und uns ziemlich viel Strom im Stadby Modus klauen. Mit Smart Home Systemen oder einfachen Schaltern an den Steckdosen bekommt man das Problem in den Griff.
Eine durchschnittliche Familie nutzt etwa 4.000 kWh Strom im Jahr.

6. Stromerzeugung
Wenn man das alles zusammenrechnet, ergibt sich die minimale Größe von der Photovoltaikanlage auf dem Dach.

Als Beispiel möchte ich unser Haus nehmen:
Das Passivhaus mit 156 m2 Wohnfläche ergibt 2.340 kWh Heizwärmebedarf im Jahr.
Eine Luft/Wasser Wärmepumpe reduziert den Bedarf um Faktor 2,5. es bleiben noch 936 kWh im Jahr (eigentlich im Winter) übrig.
Warmwassererzeugung mit einer Luftwärmepumpe im 4 Personen Haushalt ergibt 1.250 kWh im Jahr.
Dazu kommt die Elektrizität etwa 4.000 kWh 
Alles zusammen: 6.186 kWh im Jahr.

Die korrekten Verbrauchsdaten kann ich erst nach dem Umzug ermitteln.

Theoretisch müsste eine Photovoltaikanlage in der Größe von 6-6,5 kWp den Bedarf decken, oder?
Nein, natürlich nicht.
1) Die PV Anlage wäre zu klein dimensioniert
2) den größten Ertrag bekommt man im Sommer, der größte Bedarf ist im Winter
3) viele Familien verbrauchen den Strom und das Warmwasser morgens und abends. Mittags, wenn die Sonne den Strom liefert, ist oft keiner da.

Ich rechne unseren Strombedarf in der Heizperiode (Passivhaus: November-März) aus:
936 kWh von der Heizung
1.250 kWh geteilt durch 2,4 ergibt nur die fünf kalten Monate: 521 kWh
4.000 kWh geteilt durch 2,4: 1.667 kWh
Die Photovoltaikanlage müsste vom November bis März 3.124 kWh Strom produzieren.

Leider habe ich noch keine realen Werte von unserer PV Anlage.
Ich werde sie sammeln und hier posten.

Aus verschiedenen Quellen habe ich folgende Daten entnommen:
eine 7,68 kWp PV Anlage hätte im Zeitraum November-März um die 1.225 kWh generieren können
eine 9,9 kWp PV Anlage würde um die 1.783 kWh produzieren.

Es wird nicht reichen.
Wir hätten über 18 kWp auf dem Dach installieren müssen, um uns die 100 % Autarkie zu sichern. Die Installation müsste fast doppelt so groß sein wie unsere von 9,76 kWp.
Zwei kleine Windräder in der Küstenregion könnten den fehlenden Strom liefern.
Es macht aber keinen Sinn in eine Kleinwindanlage zu investieren, wenn die Voraussetzungen nicht gegeben sind.

Heute scheint die 100 % Autarkie für uns unerreichbar zu sein.

In der Zukunft könnte es aber gute Lösungen geben:

1) virtuelle Kraftwerke - wenn unser Stromspeicher, die winterlichen oder nächtlichen Windspitzen abfangen kann/könnte
2) Anteile am Windstrom dazu kaufen
3) elektrische Energie vom Abwasser nutzen (?)
4) Strom von den Elektroautos anzapfen:
Die Elektromobilität ist in Anmarsch.

In Utrecht (Holland) wird ein Projekt getestet, inwieweit die Elektroautos die Vollversorgung des Haushalts ermöglichen. Die Autos der Zukunft werden nicht nur geladen, sie werden auch fähig sein, jederzeit ihre elektrische Energie an den Haushalt abzugeben. Ein Elektroauto ist ein großer Stromspeicher auf Rädern. Natürlich muss die Energie auch irgendwoher kommen. Vielleicht von den Windrädern? Das Thema bleibt spannend.

Wenn keine 100 % Autarkie - wie viel dann?

Wir werden es sehen.
Außerhalb der Heizzeit brauchen wir monatlich etwa 104 kWh für Warmwasser und 333 kWh für die Elektrizität. Insgesamt um die 437 kWh Strom monatlich.

Wir haben schon 31 Module von LG à 315 W auf dem Dach, das macht zusammen 9,76 kWp. Mit der Anlage könnten wir vielleicht 50% Autarkie in der Heizperiode erreichen.
Im Zeitraum April - September sind die Erträge vom Dach deutlich größer.
Nur im Oktober (Ertrag um die 355 kWh) könnte es noch eng werden, dann würden uns um die 82 kWh fehlen.
Gegen Regentage, in den Abendstunden und in der Nacht hilft ein größerer Stromspeicher.
Aber der beste Speicher kann die Energie nicht herzaubern. Deshalb ist die Überdimensionierung der PV Anlage wichtig und richtig. Die PV Anlage sollte etwa um die 30% größer sein, als der Bedarf.

Unsere Produktion wäre groß genug für unser Haus.

Was ist mit den Überschüssen im Sommer? 

Es gibt zwei Optionen: entweder Einspeisen oder noch besser - ein Elektroauto damit laden 😊

7. Stromspeicher
Ohne Speicher kann man etwa 30% eigenes Solarstroms verbrauchen. Wir möchten natürlich mehr von unserem Strom haben.
Ein Stromspeicher ermöglicht um die 70% Sonnenstroms zu verwenden. Auch der Wasserspeicher ist ein Speicher, den man unbedingt nutzen sollte indem man die PV Anlage mit dem Wasserspeicher verbindet.

Ein Stromspeicher hat mehrere Funktionen: im Sommer sorgt er für die 24 Stunden Sonnenstrom.
Im Winter werden die Spitzen geglättet. Es gibt ein paar sehr sonnigen Tagen/Stunden im Winter. Die gilt es voll zu nutzen: 1. indem man die Waschmaschine startet oder ähnliches, 2. Warmwassertemperatur erhöht, 3. den Rest für den Abend speichert.
Ich weiß, dass die meisten Leute gerade dann bei der Arbeit sind. In dem Fall helfen die Smart Home Systeme.
Durch das Monitoring sieht man, wann manche Haushaltsgeräte wie der Staubsauger, die Wasch- oder Spülmaschine laufen sollten.
Somit optimiert man den eigenen Solarstrom Verbrauch.

Wie groß sollte der Stromspeicher sein?
Mindestgröße des Speichers: der jährliche Stromverbrauch + 20% geteilt durch 1.000.
Ergibt bei uns 7,42 kWh. Je mehr Speicher desto mehr Autarkie kann erreicht werden.

Aus allen Stromspeichern auf dem Markt bietet die E3/DC, meiner Meinung nach, das beste Gesamtkonzept. Ich habe eine lange Zeit nach dem richtigen Solarteur gesucht und ihn bei der Firma GermanSol gefunden. Die LG Neon 2 Module sind schon auf dem Dach. Das Haus wird noch ans Netz angeschlossen und dann bekommen wir einen 13,8 kW Speicher von E3/DC. Ich freue mich schon darauf. Der Speicher hat einen Wechselrichter, eine Schnittstelle für die Wärmepumpe und die Notstromfunktion dabei. Wir können dann alle unsere Daten und Statistiken, die schön bildlich erfasst werden, in der App auf dem Smartphone ablesen.

8. Fazit

Die Daten ergeben den Ertrag in kWh, den Hausverbrauch in kWh und die Autarkie in %.

unser Haus	Jan	Feb	März	April	Mai	Juni	Juli	Aug	Sept	Okt	Nov	Dez
Ertrag	165	340	645	848	1199	900	900	800	600	357	230	136
Verbrauch	625	625	625	437	437	437	437	437	437	437	625	625
Autarkie	26,5	54,5	100	100	100	100	100	100	100	81,5	37	22

Der jährliche Mittelwert von der Autarkie wäre bei 77%.

Der nächste Winter wird zeigen, wie gut oder schlecht ich gerechnet habe 😉