Im vorhergehenden Beitrag wurden einige Typen von Erdwärmespeichern vorgestellt. Der Autor Samuel Schlaefli stellt in seinem in GEO erschienenen Artikel das Bauvorhaben eines Schweizer Professors vor, der einen Erdsonden-Wärmespeicher realisiert hat und dessen Beitrag darum hier insgesamt zu Ihrer Mitkenntnis zitiert ist (den Original-Beitrag finden Sie hier).
Wärmespeicher in der Tiefe
Was sorgt für Klimaschutz beim Bauen? Dämmung, heißt die gängige Antwort! Ein Schweizer Professor macht vor, dass es auch ganz anders geht
Weiße Rauchschwaden steigen aus den Kaminrohren über den Dächern des Zürcher Oberstrass-Quartiers. Überall laufen die Öl- und Gasheizungen auf Hochtouren, um die Wohnungen der beinahe 100-jährigen Altbauten an diesem kalten Tag warm zu halten. Genau wie in Millionen anderen Häusern auf dieser Welt. Ein beachtlicher Teil der globalen CO2-Emissionen entfällt auf das Heizen, in der kalten Schweiz sind es sogar 40 Prozent – ein gewaltiges Potenzial im Kampf gegen den Klimawandel.
Der Boden wird zur Wärme-Batterie
Mitten im historischen Quartier, an der Bolleystraße 35, fällt ein modernes Mehrfamilienhaus auf, mit dunkelgrauer Sichtbetonfassade und weiten, verspiegelten Fensterfronten. “B35” hat es sein Schöpfer getauft, der Professor für Gebäudetechnik Hansjürg Leibundgut. B35 ist sein Zuhause – und ein Labor: die erste konsequente Umsetzung von Leibundguts Forschung an der ETH Zürich. Sein gesamtes Geld, viele Nerven und Hunderte von Arbeitsstunden hat er in sein gebautes Opus magnum gesteckt. All das, um zu beweisen: CO2-freies Wohnen ist schon heute möglich. Mit einer neuen Idee.
Der Boden wird zur Wärme-Batterie
Im ganzen Haus sind Prototypen von Systemen verbaut, die Leibundgut zusammen mit Industriepartnern entwickelt hat oder bei denen er zumindest als Ideengeber involviert war. Darunter die Hybrid-Sonnenkollektoren auf dem Flachdach, 18 Stück, insgesamt 28 Quadratmeter groß, südseitig ausgerichtet. Fotovoltaik versorgt die Gebäudetechnik im Sommer mit Strom. Doch was ist im Winter, wenn sich die Sonne tagelang hinter Wolken versteckt? Für solche Zeiten sorgen die Kollektoren im Sommer vor: Ein Kühlkreislauf an der Rückseite der Fotovoltaik-Zellen führt den größten Teil der überschüssigen Wärme ab, denn nur 15 bis 20 Prozent der solaren Energie werden tatsächlich als Strom genutzt. Die zusätzlich “geerntete” Energie wird für den Winter im Erdreich eingelagert. Der Boden wird zur Batterie: Das ist der Clou des Hauses.
Für dieses neue Konzept machte sich Leibundgut die Geologie zunutze: Schon in zehn Meter Tiefe liegt die Temperatur in der Schweiz über das Jahr praktisch unverändert bei 11 Grad Celsius. Bohrt man weiter, wird es alle 30 Meter knapp ein Grad wärmer. In 380 Meter Tiefe beträgt die Temperatur etwa 22 Grad Celsius – und diese Wärmeenergie lässt sich für die Gebäudeheizung anzapfen. Dafür stechen zwei “Erdsonden”, Polyethylenrohre von je fünf Zentimeter Durchmesser, von der Tiefgarage aus 380 Meter tief in den Untergrund. Zuerst durch Geschiebe, dann durch Mergel und ab 100 Meter durch harten Fels. Die unteren Enden der Rohre sind zu einem U verbunden. Zirkuliert Wasser im System, werden die Rohre zu Wärmetauschern. Im Winter entziehen sie dem Boden Energie: Im Radius von drei Metern rund um das Ende der Erdsonden kühlt das Erdreich auf 18 bis 19 Grad ab. Im Sommer heizt das Wasser vom Dachkollektor das Erdreich wieder auf die ursprünglichen 22 Grad auf. Laut Leibundgut liefert der Boden im Jahr damit so viel Energie, wie es 3500 Liter Erdöl täten.
Das Projekt B35 (Link) beweist: CO2-freies Wohnen ist möglich
Energiesparende Wärmepumpe
Diese Speicherenergie versorgt in der kalten Saison das “Herz” von B35: die Niederhub-Wärmepumpe. Der bullige graue Kasten von der Größe eines Schreibtisches veredelt die Erdwärme zu den im Haus benötigten Vorlauftemperaturen. Bei konventionellen Bauten sind das 50 Grad zum Heizen und 60 Grad für Warmwasser. B35 hingegen kommt dank optimierter Heizschlangen in Decken und Böden mit 30 Grad und 42 Grad aus. Das verringert drastisch den Strombedarf der Wärmepumpe. Mit einer “Turbopumpe”, wie sie Leibundgut mit der Hochschule Luzern entwickelt, brauchte man nur noch die Hälfte der bisherigen Werte. Im Sommer kommt dieser Strom von der Fotovoltaik auf dem Dach; im Winter vom Netz. Damit ist B35 weitgehend energieautark – im Sommer zu 100 Prozent; im Winter zu über 80 Prozent. Um den restlichen CO2-Bedarf zu kompensieren, ist der Bauherr an einer Solaranlage in Spanien beteiligt.
Leibundguts System ist eine Abkehr vom “Verpackungsparadigma” konventioneller Nachhaltigkeitsideen. Wie die Deutsche Gemeinschaft für Nachhaltiges Bauen propagiert auch “Minergie” für die Schweiz Wärmedämmungen als Königsweg für Klimafreundlichkeit und einen möglichst geringen Energieverlust. “Solche Konzepte sind nicht fertig gedacht”, sagt Leibundgut. “Die Menschheit hat kein Energieproblem, sondern ein Emissionsproblem.” Schließlich reiche die Sonneneinstrahlung auf die Erde, den globalen Energiebedarf 10.000-mal zu decken. Gemeinsam mit den Architekturprofessoren der ETH Zürich forderte der Ketzer deshalb 2010 in einem medienwirksamen Manifest einen Paradigmenwechsel hin zu seiner “Null-Emissions-Architektur”.
Dämmen oder Erdwärmespeicher?
Zwar gesteht Leibundgut ein, dass sich der Energieverbrauch durch Dämmung langfristig halbieren ließe. Doch an Wintertagen, an denen die Fotovoltaik als Stromlieferant ausfällt, die Wärmepumpen für die Heizung aber auf Hochtouren laufen, wäre das Stromnetz heillos überlastet. Deshalb sieht er den Erdwärmespeicher als weit elegantere Lösung. Die Tiefbohrungen gehören in der Schweiz zum Stand der Technik. Die Kosten dafür lagen im Fall B35 bei 30.000 Euro.
Dass sein Konzept nicht nur für Neubauten, sondern auch für die Sanierung bestehender Gebäude taugt, demonstriert der Professor derzeit auf dem Campus Hönggerberg der ETH Zürich. 90 Prozent der Energie zum Heizen und Kühlen auf dem Campus sollen ab 2025 aus einem Erdwärmespeicher kommen. Dafür werden 800 Erdsonden vier Millionen Kubikmeter Erdreich anzapfen. 230 Sonden wurden bereits verlegt und drei Bauten ans Netz angeschlossen, darunter eines aus dem Jahr 1969. Für dessen Sanierung hat Leibundgut lediglich neue Fenster, eine LED-Beleuchtung und ein Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung eingebaut.
Das Ergebnis: Die Hochschule spart jährlich 62.000 Liter Erdöl und verhindert dadurch 180 Tonnen CO2-Emissionen – bei geringeren Baukosten als mit einer Fassadensanierung samt dicker Dämmung.
Wird sich das von Leibundgut entwickelte Verfahren gegenüber der Dämmung durchsetzen? Ob und wo es überlegen ist, kommt auf den Untergrund an; nicht überall sind die Tiefbohrungen realisierbar. Genug Bedarf besteht für beide Systeme: Allein in der Schweiz gelten 1,5 Millionen Häuser als energetisch dringend sanierungsbedürftig.
Hansjürg Leibundgut
Seit 2005 ist Prof. Dr. Hansjürg Leibundgut Ordentlicher Professor für Gebäudetechnik an der ETH.
Er sagt: Die gegenwärtige Diskussion über Klimawandel, Energieversorgung und insbesondere Stromversorgung wird auf einer sehr dürftigen Basis des Wissens geführt. Den peak of oil (ob früher oder später) scheint jedermann zu kennen und zu akzeptieren aber kaum jemand weiss, wie gross das Solarstrahlungsangebot der Sonne auf sein eigenes Hausdach im Sommer im Vergleich zum Heizenergiebedarf des Hauses im Winter ist.