Holzarchitektur meets Hightech: Mit dieser Formel lässt sich das innovative flexEhome in Schöneiche bei Berlin beschreiben. Das Fertigbau-Unternehmen Albert-Haus – Aussteller im Deutschen Fertighaus Center Mannheim – hat dort den Entwurf 141 gebaut, der mit seiner reduzierten Kubatur und der markanten Lärchenholzschalung als architektonisch anspruchsvolle Basis für ein Forschungsprojekt dient. Es handelt sich um das weltweit erste netzdienliche Solar-Wasserstoffhaus mit thermischer und elektrischer Vollversorgung. Es ermöglicht den Bewohnerinnen und Bewohnern ein weitgehend energieautarkes und CO₂-neutrales Leben und entlastet gleichzeitig das Stromnetz.

Auf dem Immobilienmarkt tummeln sich die unterschiedlichsten Arten von Häusern. Da sind zum Beispiel die Exemplare, die in den 70er Jahren noch vor der ersten Wärmeschutzverordnung gebaut wurden. Sie sind klassischerweise ungedämmt und mit einer Öl- oder Gasheizung ausgestattet. Eine Füllung des Öl-Tanks mit mehreren Tausend Litern reicht beispielsweise gerade mal für ein Jahr. Die Nutzung erneuerbarer Energien, zum Beispiel durch eine Solarkollektoranlage zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung, ist eher die Ausnahme und angesichts des enormen Wärmebedarfs auch nicht sonderlich effektiv. Und so sind diese Bestandshäuser meist reine Energieverbraucher (Consumer).

Am anderen Ende der Skala sind die sogenannten Plusenergie-Häuser, die aktuell als Standard in Sachen Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit gelten. Rein rechnerisch sind diese Häuser in der Lage, mehr Strom zu produzieren als zu verbrauchen (Prosumer). Erreicht wird dies durch eine dichte, gut gedämmte Gebäudehülle, eine Photovoltaik-Anlage (PV) auf dem Dach, eine Wärmepumpe zur Deckung des Wärmebedarfs und einen Batteriespeicher. Letztere puffert den Stromertrag hält ihn für die Eigennutzung bereit. Sollte dann noch PV-Strom übrigbleiben, vor allem im Sommer, wird dieser ins allgemeine Netz eingespeist, das dann oft überlastet ist und deshalb nur geringe Einspeisungspreise erzielt werden können. Der Energieüberschuss wird im Sommer produziert. Die Stromspeicher reichen für den Winter von ihrer Speicherkapazität bei weitem nicht aus. In den Wintermonaten besteht dadurch ohne einen saisonalen Stromspeicher ein signifikanter Strombedarf. Und das ist die Jahreszeit, in der der Netzstrom CO₂-intensiv ist: Im Winter 2020 lag der Anteil der fossilen Energien am Strommix bei mehr als 60 Prozent.

Forschung unter realistischen Bedingungen

Genau hier setzt das gemeinsame Forschungsprojekt flexEhome an, das architektonisch auf dem Entwurf 141 von Albert-Haus basiert. Es bietet auf einer Nettogrundfläche von rund 141 Quadratmetern alles, was zu einem zeitgemäßen Wohnkomfort gehört. „Unsere Planer haben eine für jede Jahreszeit optimierte PV-Architektur aus unterschiedlichen Gebäudetypologien kreiert, denn die optimale Ausrichtung zur Sonne ist im Winter gleichermaßen wichtig wie im Sommer“, betonte Michael Albert, Inhaber und Geschäftsführer der Albert-Haus GmbH & Co.KG, in seinem bautechnologischen Vortrag. Dabei wird die In-Dach-Photovoltaikanlage (PV) in Ost-West-Ausrichtung ergänzt durch PV-Module an der Fassade, die nach Süden ausgerichtet ist. „Im Hinblick auf die Energieeffizienz“, so Albert, „handelt es sich um ein KfW-33-Effizienzhaus.“

In Kürze wird das Haus vermietet, denn das Forschungsprojekt zielt darauf ab, unter realistischen Wohnbedingungen das Plusenergie-Haus zu einer netzdienlichen Variante weiterzuentwickeln, das in der Lage ist, zu jeder Zeit des Jahres stromautark zu sein, ohne das Stromnetz zu überfordern. Erreicht werden soll dieses Ziel durch den Wasserstoffspeicher picea der Berliner Firma HPS Home Power Solutions in Verbindung mit einer Brennstoffzelle. Im Unterschied zum gängigen Batteriespeicher, der den selbst erzeugten Strom kurzfristig puffert und den Verbrauchern im Haushalt zur Verfügung stellt, handelt es sich beim Wasserstoffspeicher um eine Lösung, die Produktion und Verbräuche von Strom über einen weitaus größeren Zeitraum steuern und regulieren kann.

Diese saisonale Speicherfähigkeit wird über einen geschlossenen Wasserstoffpfad realisiert. In den Sommermonaten wird solarer Überschussstrom dazu genutzt, um mit einem Alkali-Membran-Elektrolyseur Wasserstoff zu generieren und zu speichern. Die dabei anfallende Wärme aufgrund von Wandlungsverlusten in der Elektrolyse wird zur Brauchwarmwassererwärmung genutzt. In den Wintermonaten, wenn der durchschnittliche tägliche Solarertrag nicht ausreicht, um den Bedarf des Haushalts zu decken, wird der Wasserstoff über eine Brennstoffzelle wieder in elektrische und auch thermische Energie gewandelt und dem Haus zur Verfügung gestellt.

flexEh2ome bietet Paradelösung für die Energiewende

Das bedeutet, dass im Projekt „flexEhome“ nur dann Strom ins Netz gegeben bzw. davon entnommen wird, wenn es dem Netz dienlich ist. Möglich wird dies aufgrund der im Vergleich zu Batterien deutlich größeren Speicherkapazität und einer auch über längere Zeiträume verlustfreien Speicherung im Wasserstoffspeicher möglich. Wichtiger Bestandteil des Systems ist zudem ein vorausschauendes Energiemanagement („modellpräditive Regelung“), das in der Lage ist, die einzelnen Energieströme punktgenau zu steuern. „Die Besitzer eines solchen Gebäudes leisten einen substanziellen Beitrag zur Netzstabilität und Versorgungssicherheit. In Zukunft sind diese dezentralen Flexibilitäten für den Erfolg der Energiewende unverzichtbar“, resümiert Zeyad Abul-Ella, Vorstandsvorsitzender und Gründer von HPS.

In diesem Forschungsprojekt wurden verschiedene Parameter, nämlich die Gebäudehülle und optimale Ausrichtung auf dem Grundstück, der  Wärmeerzeuger, die Speichertechnik, die Lüftung, und insbesondere das Energiemanagement untersucht und optimiert. Das Energiemanagement gleicht in diesem Haus die Strom-Großhandelspreise, die Wetterprognose sowie den Speicherkapazitäten im Viertelstundentakt ab.

Um diese Vollversorgung und Netzdienlichkeit zu dokumentieren, wird die Technische Universität Berlin sämtliche Energieflüsse im Haus für zwei Jahre unter Praxisbedingungen monitoren: In dieser Zeit darf eine vierköpfige Familie zur Miete im „flexEhome“ wohnen.