Nachhaltig heizen und kühlen mit
SONNE und ERDWÄRME
Das Projekt "NULLplus NULL"
Seit 1991 betreibt kohlpharma eine emissionsfreie, kostengünstige und seit 30 Jahren störungsfreie Gebäudeenergieversorgung zur Beheizung eines 3.400 m² großen kohlpharma Firmengebäudes in Perl, Saarland, und setzt dabei auf eine innovative Kombination bereits bewährter Technologien zur Nutzung von kostenloser, regenerativer Erdreichenergie (= NULL) und ebenfalls kostenloser Sonnenergie (= NULL).
In ca. 1,4 m Tiefe sind 1.800 m² Erdwärmekollektoren (PE-Kunststoffleitungen mit Glykol- Wasser-Gemisch) verlegt. Auf dem Dach des Firmengebäudes befinden sich 34 m² Sonnenkollektoren, die das Wasser in den Heizungspufferspeichern aufheizen. Während der Heizperiode entziehen die Wärmepumpen über die Erdwärmekollektoren dem Boden Wärme.
Im Jahr 2021 lagen die Heizkosten (Stromkosten für Wärmepumpen und Pumpensystem) im kohlpharma-Firmengebäude bei rund 2,20 € netto pro m² und Jahr.
Die Innovation "NULLplus NULL"
Dieses bewährte Wirkprinzip hat Prof. Edwin Kohl nun entscheidend zum System „NULLplus NULL“ weiterentwickelt: künftig wird Sonnenenergie durch eine sanfte Erwärmung des Erdreiches im Boden gespeichert.
Zu Beginn der Heizperiode dürfte das Erdreich in ca. 1,4 m Tiefe statt 12-13 °C künftig ca. 18 °C erreichen. Während der Heizperiode wird das Erdreich mithilfe der Sonnenkollektoren regeneriert.
Mit der jetzt deutlich verbesserten Wärmequelle lässt sich die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe (COP-Wert) erhöhen (Ziel: 4,5 bis 5,5), was sich in niedrigerem Stromverbrauch und höherer Leistung niederschlägt. Die zu erwartende Lebensdauer der Wärmepumpen wird außerdem deutlich erhöht.
kohlpharma investiert nun in den Ausbau der Erdwärme- und Sonnenkollektoren zur Errichtung eines kalten Nahwärmenetzes.
Zu den bereits vorhandenen 1.800 m² Erdwärmekollektoren kommen weitere 890 m² hinzu. Es kommen darüber hinaus teilweise Erdwärmekollektoren aus einem anderen Material versuchsweise zum Einsatz. Mit Hilfe der htw Saar kommt eine umfangreiche Messtechnik zum Einsatz. Die ermittelten Daten werden von der htw Saar wissenschaftlich ausgewertet.
Die 34 m² Sonnenkollektoren werden um weitere 100 m² Vakuum-Röhrenkollektoren auf Solartrackern ergänzt. Die Platzierung auf Solartrackern ist erforderlich, weil auf den Schieferdächern des denkmalgeschützten Komplexes Sonnenkollektoren oder PV nicht angebracht werden dürfen.
• Lebenserwartung der PE-Erdwärmekollektoren: 75 - 100 Jahre
• Erdwärmekollektoren können in Eigenleistung verlegt werden
- Nach VDI-Richtlinie 4640 sind 200% der zu beheizenden Fläche
als Erdwärmekollektorenfläche vorzusehen. -
NULL plus NULL Lösung:
In Verbindung mit Sonnenkollektoren reichen
50% Erdwärmekollektorenfläche aus.
Das Ergebnis
Durch den vermehrten Einsatz von Erdwärmekollektoren und Sonnenkollektoren erhöht sich die Kapazität des „NULLplus NULL"- Netzes, so dass künftig neben dem bestehenden Firmengebäude der benachbarte denkmalgeschützte Wohngebäudekomplex zusätzlich beheizt und gekühlt werden kann. Zur Kühlung werden die vorhandenen Fußbodenheizungsflächen sowie die Deckenheizungsflächenbenutzt. Eine Außendämmung ist aufgrund des Denkmalschutzes nicht möglich, aber dank „NULLplus NULL“ auch nicht notwendig.
Ab Anfang 2023 versorgt „NULLplus NULL" beide Gebäude mit Wärme- und Kälteenergie. Ein in der Projektierung befindliches Mehrfamilienhaus mit zwölf Wohneinheiten (ca. 1.500 m²) wird ebenfalls über die vorhandenen Erdwärmekollektoren und Sonnenkollektoren beheizt und gekühlt werden.
Der Stromverbrauch sämtlicher Wärmepumpen und des Pumpsystems in allen Gebäuden wird durch die Eigentümerschaft an einem 1,5 MW Windrad (Ertrag: 2,8 Mio. kWh pro Jahr) gedeckt. Das Heiz- und Kühlsystem ist somit komplett emissionsfrei.
Signifikante Kostenersparnis im Vergleich zu Heizöl:
Im denkmalgeschützten Gebäudekomplex wurden bislang 21.000 Liter Heizöl pro Jahr verbraucht (ca. 200.000 kWh). Nach Berechnungen der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Saarbrücken (htw saar) können künftig ca. 30% des benötigten Bedarfs durch Sonnenkollektoren und die verbleibenden 70% über die Wärmepumpen gedeckt werden.
Bei einer angestrebten Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen von 5 ergibt sich bei einem Heizölpreis von 1,25 €/Liter eine Kostenersparnis für Heizen und Kühlen von über 80% ggü. der bisherigen Ölbeheizung und Kühlung. Selbst wenn man einen Heizölpreis von 0,50 €/Liter zugrunde legt, beträgt die Kostenersparnis noch rund 47%.
Potenzial und Anwendungsgebiete
Mit Blick auf die Energiewende und die akute Energiekrise im Zuge des Russland-Ukraine-Krieges beschleunigt sich die Abkehr von fossilen Energieträgern hin zu einer unabhängigen, CO2-freien und zudem kostengünstigen Wärme- und Kälteerzeugung. Durch die emissionsfreie und kosteneffiziente Energieversorgung kann „NULLplus NULL" einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten.
Denn gerade im Bereich Wohnen drohen die angestrebten Klimaziele für 2030 nach aktuellem Stand nicht erreicht zu werden. Die CO2-Emissionen im Jahr 2019 lagen bei 219 Millionen Tonnen, die primär auf das Heizen zurückzuführen sind. Hinzu kommt der immer weiter steigende Energiebedarf durch notwendige Kühlung infolge des klimabedingten Temperaturanstiegs.
Beim Neubau eines Einfamilienhauses (160 m²) mit dem „NULLplus NULL"-Konzept beläuft sich die Investition für Heizen und Kühlen auf rund 40.000 – 60.000 € netto, je nachdem wie viel PV- und Sonnenkollektorenkapazität eingesetzt wird. Die zu erwartenden jährlichen Heiz- und Kühlkosten dürften bei ca. 500 €/Jahr liegen. (Annahme: 12.000 kWh Jahresenergieverbrauch, ca. 30% Anteil der Sonnenkollektoren, Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen: 5, Kosten für Wärmepumpenstrom ca. 0,30 € /kWh, bei Einbeziehung von PV-Strom ist dieser Wert niedriger anzusetzen).
Auf eine separate Außendämmung (Kosten 25.000 € - 50.000 €) kann verzichtet werden beim Einsatz eines ausreichend isolierenden Bausteins. Damit liegen die Systemkosten des „NULLplus NULL"- Konzepts unter den gängigen Systemkosten.
Ca. 10-12 Jahre bis zur Amortisation des Investments: bei Bestandsbauten (Einfamilienhaus, 200 m² beheizte Fläche, Öl- oder Gasheizung mit Fußbodenheizung) betragen die jährlichen Heizkosten mit dem „NULLplus NULL"-Konzept ca. 840 €/Jahr. Die Kühlkosten sind in diesem Betrag enthalten.
Im Vergleich zur Beheizung mit Öl (3.000 L/Jahr, € 1,25 /L. Heizöl, Kühlung durch Split-Klimageräte, Kühlkosten ca. 33% der Heizkosten) beträgt die Ersparnis 4.150 €/Jahr.
Ältere Bestandsbauten ohne Fußbodenheizung können durch Installation von modernen Heiz-Kühldecken effizient beheizt und gekühlt werden. Diese modernen Heiz-Kühldecken sind in der Kühlleistung sogar taupunktunabhängig und der Installationsaufwand ist relativ gering.
Soziale Einrichtungen „klimafest“ nachrüsten: über das Potenzial bei Firmengebäuden und Wohngebäuden hinaus könnten beispielsweise auch soziale Einrichtungen, u.a. Schulen, Schwimmbäder, Altenheime usw. nachgerüstet werden. Gerade hier wird der Bedarf für kostengünstige und emissionsfreie Kühlung im Zuge des Klimawandels weiter steigen. Zudem steht bereits ausreichend Fläche durch große (Flach-)Dächer für Sonnenkollektoren und durch Schulhöfe, Parkplätze usw. für Erdwärmekollektoren zur Verfügung.
Moderne Heiz-Kühldecken können hier zum Einsatz kommen.
Sofort umsetzbar und über Joint Ventures skalierbar: bei „NULLplus NULL" handelt es sich um ein Komplettsystem, welches künftig bei Neubauten direkt integriert oder bei bestehenden sowie älteren Gebäuden nachgerüstet werden kann. Da „NULL plus NULL" auf vorhandene Technik setzt, kann es sofort eingesetzt werden.
Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit
Die Haltbarkeit der Erdwärmekollektoren beträgt 75 bis 100 Jahre, bei Sonnenkollektoren aus namhafter deutscher Produktion 25 Jahre, bei den Wärmepumpen ist von ebenfalls 25 Jahren auszugehen. Komplett emissionsfrei mit erneuerbarem Strom: durch „NULLplus NULL" können für die Heizung und Kühlung des Gebäudekomplexes künftig rund 56.000 kg CO2 eingespart werden.
Auf die Hybridlösung (Luft-Wasser-Wärmepumpe + Gastherme oder Pelletheizung bei Außentemperaturen <5 Grad Celsius) kann verzichtet werden. Wird das System mit „grünem“ Strom betrieben, ist es komplett emissionsfrei.
Geringerer Flächenbedarf für Erdwärmekollektoren spart Kosten: durch die hohe Effizienz des „NULLplus NULL" -Konzepts wird ca. 50% der beheizten Fläche als Fläche für Erdwärmekollektoren benötigt. Neben der Kostenersparnis wird „NULLplus NULL" somit auch bei Neubauten mit kleinerem Grundstück umsetzbar.
In Zukunft immer wichtiger: Gebäudekühlung
„NULLplus NULL" löst zudem eine weitere große Zukunftsherausforderung – im Zuge des Klimawandels steigt auch in Deutschland der Temperaturdurchschnitt spürbar und Hitzewellen häufen sich. Dadurch steigt der Bedarf an emissionsfreien Kühlsystemen für Gebäude in Deutschland und damit verbunden der Strombedarf enorm.
„NULLplus NULL" hingegen kühlt das Gebäude über Fußbodenheizungsflächen bzw. Heiz-Kühldecken und bezieht den notwendigen Strom direkt und emissionsfrei über die Dach- PV-Anlage bei Kosten von ca. 6-10 Cent/kWh.
Wissenschaftliche Begleitung
Durch htw saar wissenschaftlich begleitet: „NULLplus NULL" wird von Prof. Dr. Marc Deissenroth-Uhrig, Professur für Erneuerbare Energien und Ingenieurwissenschaften an der Fakukltät für Ingenieurwissenschaften an der htw saar, wissenschaftlich geprüft.
Nach Ablauf der kommenden Heiz- und Kühlperiode werden somit zusätzlich zu den Erfahrungen aus 30 Jahren praktischem Einsatz auch wissenschaftlich verifizierte Daten zum Effizienzgrad, Kosteneinsparung usw. von „NULLplus NULL"vorliegen.
Die Rolle des zukünftigen Unternehmens „NULLplus NULL"
Die kombinierte Nutzung von Erdwärme und Sonnenkollektoren ist unverzichtbar zum Erreichen der Wärmewende.
Die erfolgreiche Realisierung des „NULLplus NULL" - Konzepts hängt stark ab von der fachgerechten, kostengünstigen und minimalinvasiven Verlegung der Erdwärmekollektoren.
Erdwärmekollektoren sind ein skalierbares und effizientes Speichersystem, das zugleich ein hochrentables und nachhaltiges Invest für den Bauherren darstellt.
Spezialmaschinen zur Verlegung von Erdwärmekollektoren befinden sich im Bau und werden ab Frühjahr 2023 zum Einsatz kommen.
Investitionskosten
• Erdwärmekollektoren (hohe Eigenleistung durch Bauherren möglich)
• taupunktunabhängige Heiz-Kühldecken
• besser isolierender Baustein
• aufwändige Aussendämmung
• keine Folgekosten wg. Spätschäden durch Aussendämmung
• Ausgaben für Estrich, Fussbodenheizung
• Verkürzung der Bauzeit
• Heizungsinstallationsaufwand durch moderne Heiz-Kühldecken
• Steuerungsaufwand durch taupunktunabhängige Heiz-Kühldecken
• Wärmepumpe
• Sonnenkollektoren
• Pufferspeicher (grössere Auslegung erforderlich)
Investitionskosten Fazit
• Mehraufwand und Minderaufwand halten sich die Waage
• Steigerung des Wohnwertes durch nachhaltiges Heizen und Kühlen
• Vermeidung eines Wertverlustes bzw. Erzielung einer Wertsteigerung der Immobilie
• Vermietung beheizt und gekühlt („all inclusive“) möglich
Livecam
Ausbau der Erdwärme und Sonnenkollektoren
