Nachaltigkeit 2 | Klarerhof

1. Intelligentes Stromnetzwerk

Der Strom für den Eigenbedarf wird durch die Nutzung von Photovoltaik (PV) und einem Blockheizkraftwerk (BHKW) bereitgestellt. Bis dato erfolgte der Ausbau einer 40 kW PV-Anlage auf dem Dach des Heizhauses. Ein späterer PV-Ausbau und damit die Nutzung weiterer Dächer von Wirtschaftsgebäuden ist geplant. Im BHKW wird durch die Vergasung von Holz neben Wärme 20 kW elektrische Energie erzeugt. Zur Zwischenspeicherung dieser Energien sollen zwei verschiedene Batteriesysteme genutzt werden. Eine AC-gekoppelte Lithiumionen-Batterie sorgt für eine hohe Strombelastbarkeit und für die Glättung von Stromspitzen. Die Kapazität (Speichergröße) beträgt bei dieser 40 kWh. Zudem ist eine Vanadium-Redox-Flow Batterie geplant. Diese fasst 250 kWh, soll als Langzeitspeicher dienen und ermöglicht die Aufnahme großer Strommengen bei Betrieb des BHKW oder bei langen Sonnenzeiten. Für die intelligente Verwaltung der Strommengen werden Smartmeter eingesetzt. Ein Smartmeter hat gegenüber einem üblichen Stromzähler den Vorteil, dass er seine aktuellen Messwerte digital weitergeben kann. Mittels dieser Werte können die im System regelbaren Verbraucher (Sauna, E-Ladestationen, Wärmepumpen) an die aktuelle Erzeugungsleistung angepasst werden. Dadurch kann im Optimalfall der Eigenbedarf an Strom komplett selbst abgedeckt werden, sodass nur selten Energie aus dem Stromnetz bezogen werden muss.

2. Energiemengen-gesteuertes Nahwärmenetz

Im hofinternen Nahwärmenetz sorgen eine Hackschnitzelheizung (HK), ein Blockheizkraftwerk (BHKW) und mehrere Wärmepumpen für die Bereitstellung von Wärme. Wärmepumpen können Wärmeenergie aus ihrer Umgebung (Luft, Wasser, Erde) nutzen. Der Vorteil dabei ist, dass auch Niedrigtemperatursystemen Energie entzogen werden kann. Am Klarerhof werden drei Wärmepumpen im Heizhaus und eine Wärmepumpe im Milchviehstall verwendet, die eine Gesamtleistung von 3x 16 kW und 1x 6,5 kW erzielen können. Genauere Beschreibungen sind jeweils unter den Teilprojekten" zu finden.
Das BHKW liefert bei Betrieb parallel 60 kW Wärme und 20 kW Strom, weshalb es nur bei Notwendigkeit beider Energieformen genutzt werden sollte. Ist der Stromspeicher bereits voll, erfolgt die Wärmeversorgung deshalb bevorzugt durch die Hackschnitzelheizung. Diese besitzt eine Grundlast von 40 kW. Zur Speicherung und Verteilung der Wärme wurden ein zentraler Pufferspeicher mit 26 m³ (26000 L) Fassungsvermögen im Heizhaus sowie dezentrale Pufferspeicher (2x 2000L und 1x 1000L) an den Verbrauchsorten installiert. Der zentrale Pufferspeicher wird direkt von den Wärmeerzeugern (HK, BHKW, Wärmepumpen) geladen. Eine intelligente Steuerung sorgt dafür, dass die Beladung des Puffers vorausschauend nach Bedarf erfolgt. Aktuelle Wetterdaten und aufgezeichnetes Nutzerverhalten liefern dabei die notwendigen Informationen.

Die anschließende Entladung bzw. der Verbrauch der gespeicherten Wärme erfolgt sodann durch die Trocknungsanlage (falls in Betrieb) und das hofinterne Nahwärmenetz, welches zugleich die dezentralen Pufferspeicher mit Wärmeenergie versorgt. Auch in Bezug auf die dezentralen Pufferspeicher wird mit einer intelligenten Regelung gearbeitet, sodass steuerbare Wärmeverbraucher wie Heizkörper oder die Poolbeheizung nur bei Bedarf beliefert werden. Während bei herkömmlichen Heizsystemen nur die Durchschnittstemperatur gemessen und nach dieser beheizt wird, sorgen am Klarerhof mehrere Temperaturfühler je Pufferspeicher und zahlreiche Messeinrichtungen (Wärmemengenzähler) für einen genauen Überblick der enthaltenen Energiemengen. Die Versorgung erfolgt demnach Energiemengen-gesteuert anstatt Temperatur-gesteuert, ist viel präziser und sorgt für ein Minimum an Verlusten. Zudem bietet diese Art des Systems eine hervorragende Überwachbarkeit.
Zusätzliche Besonderheit stellt die Wärmerückgewinnung in den Nahwärmeleitungen dar. Warmes Restwasser im Leitungssystem wird nicht wie üblich durch die Umgebung abgekühlt, sodass die enthaltene Wärme verloren geht. Stattdessen wird die Restwärme je nach Bedarf für den Pool bzw. den Trockner genutzt oder zum Zentralpuffer zurückgeführt. Generell erfolgt eine Nutzung des Rücklaufs über den Pool, wenn die Rücklauftemperatur größer 30 °C beträgt. Bei der Ladung der dezentralen Puffer werden die Ladevorgänge der verschiedenen Puffer zusammengefasst und so geladen, dass sich eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur einstellt. Dadurch erhöht sich der Quotient aus transportierter Wärme zu Wärmeverlust der Leitungen. Ist der Ladevorgang beendet, wird über einen Kurzschluss das restliche, warme Wasser in der Vorlaufleitung über den Rücklauf wieder zum Zentralpuffer zurückgeführt. Zur besseren Isolation wurden im Nahwärmenetz außerdem getrennte Vor- und Rücklaufleitungen verwendet.

3. Glasfaserbasierte IT- Infrastruktur

Zwischen allen relevanten Gebäuden und Anlagen des Klarerhofs wurde eine glasfaserbasierte Netzwerk-Infrastruktur aufgebaut. Die Internet-Geschwindigkeit beträgt maximal bis zu 1 GBit/s, während hofintern eine Kommunikationsgeschwindigkeit bis zu 10 GBit/s erreicht werden kann. Zusätzlich können über das flächendeckende W-Lan (Standard 2022: dual-band WiFi 6) überall am Hofe beispielsweise per Smartphone Prozesse kontrolliert und in diese eingegriffen werden. Dies bedeutet, dass je nach Bedarf individuell verschiedene Erzeuger und Verbraucher (z.B. Außenbeleuchtung, Sauna, Pool, Trocknungsanlage) im Energienetz hinzu- oder weggeschalten werden können. Die digitale Sicherheit wird durch ein Security Gateway der Firma Unify gewährleistet.

4. Landwirtschaftliche Trocknungsanlage

Die Trocknungsanlage am Klarerhof ist durch ihre Regelbarkeit und Anpassungsfähigkeit an verschiedenes Trocknungsgut ein eigenes Entwicklungsprojekt und stellt in ihrer Funktionsweise eine Innovation der Firma Maustronik GmbH dar. Herkömmliche Trocknungsanlagen durchlaufen ein fest eingestelltes Trocknungsprogrm Gegensatz dazu werden bei der Trocknungsanlage am Klarerhof Feuchtigkeits- und Temperaturwerte sowie der Volumenstrom über installierte Messfühler vor und nach Durchströmung des Trocknungsgutes aufgenommen und die eingesetzte Wärme- und elektrische Energie gemessen. Über die erhaltenen Werte kann der notwendige Volumenstrom und die entsprechende Temperatur auf das jeweilige Trocknungsgut ständig angepasst werden. Das Regelungsziel ist demnach eine Maximierung des Wassertransports aus dem Trocknungsgut bezogen auf die eingesetzte Energiemenge (Strom und Wärme). Eine Art Fuzzy-Regelung versucht dabei diesen Quotienten stetig zu erhöhen.
Zusammengefasst bietet dieses System demnach drei entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Trocknern. Zum einen kann durch die Regelbarkeit der Energieaufwand auf ein Minimum reduziert werden, zum anderen wird über Parametermessungen sichergestellt, dass der gewünschte Trocknungsgrad messbar erreicht wird. Zudem ermöglicht die intelligente Regelung freiprogrammierbare Trocknungsabläufe, sodass je Trocknungsvorgang eine Anpassung an das jeweilige Trockengut ermöglicht wird:

Die Regelung wechselt eigenständig die Parametergrößen Volumenstrom und Temperatur, sodass mit einem Minimum an Energieaufwand das Trocknungsziel erreicht wird. Diese "lernende Anpassung" erfolgt als Reaktion auf den jeweiligen Trockenstatus der Heuballen.
Die Trocknung von Hackgut kann dahingehend optimiert werden, indem bei flexiblem Zeitpunkt der Fertigstellung nur Restenergie (Wärme und Strom) aus dem hofinternen Energienetz genutzt wird.
Hier gilt dasselbe Prinzip als bei Hackgut mit dem Unterschied, dass die Trocknung in der eigenen Trockenkammer für Heu und Nutzholz erfolgt.
Bei Nutzholz wird die Trocknungs-Geschwindigkeit gezielt geregelt, um Trocknungsrisse zu vermeiden. Mit zwei zusätzlichen Ventilatoren zwischen Ab- und Zuluft kann die feuchte Abluft wieder in die Trockenluft dosiert eingemischt werden, um damit den Trocknungsvorgang gezielt zu verlangsamen. Dies ist notwendig, wenn an sonnigen Tagen die Eingangsluft bereits ohne Erwärmung für das aktuell zu trocknende Nutzholz schon zu trocken ist. Zusätzlich ist eine Sonde im Holz mit Datenanbindung an die Steuerung angebracht, um den Feuchtigkeitsgrad des Nutzholzes zu erfassen.

Im Sinne der Ökologie zu arbeiten, bedeutet (Energie)Verluste möglichst zu vermeiden und damit die Effizienz von Anlagen zu erhöhen. Für die Trocknungsanlage wurde deshalb ein Zuluft-System entwickelt, dass möglichst alle Restwärme aus umliegenden Anlagen nutzt. Dadurch wird zugleich Abwärme sinnvoll eingesetzt anstatt sie zu verlieren und notwendige Heizenergie eingespart. Der Trockner bezieht seine Zuluft demnach nicht direkt von der (kühlen) Außenluft, sondern aus dem erwärmten Luftpolster unterhalb desselben Gebäudedaches. Dort wird sowohl die Abwärme der verschiedenen Heizungssysteme gesammelt als auch gezielt Stauwärme von sonnenbeschienenen Fassadenflächen zugeführt. Besonderes Augenmerk liegt zudem auf dem erwärmten Luftpolster unterhalb von Photovoltaik-Anlagen. Treffen Sonnenstrahlen auf eine PV-Anlage, kann nur ein Bruchteil der Sonnenenergie in Strom umgewandelt werden. Der Verlust zeigt sich durch die Erwärmung der Paneele sowie der Luft unterhalb der Anlage. Diese thermische Energie ist sogar 3 bis 4-fach so hoch als die nutzbare elektrische Energie der PV-Anlage selbst. Am Klarerhof hat man sich diese Tatsache zu Nutze gemacht. Die erwärmte Luft unterhalb der PV-Anlage wird über den Dachgiebel abgesaugt und dient zusätzlich als Wärmelieferant für die Trocknungsanlage.
Des Weiteren wird die (warme) Abluft nach Durchströmung des Trockengutes zweistufig wieder genutzt. In der ersten Stufe wird die Abluft über einen Kreuzwärmetauscher geführt und kühlt sich auf diese Weise bis ca. +2 °C über die Temperatur der Frischluft ab. Dies bringt jedoch nur einen Gewinn, wenn die Frischluft vor Verwendung erhitzt werden musste, um die erforderliche, niedrige relative Feuchte für das Trockengut aufzuweisen. Da die Zuluft wie oben benannt aus dem bereits erwärmten Luftpolster bezogen wird, kann diese in manchen Betriebsfällen bereits ohne Erhitzung trocken genug sein. In diesem Fall bietet die Nutzung des Kreuzwärmetauschers keinen Vorteil, da die einströmende Zuluft bereits höhere Temperaturen als die Abluft aufweist.

Aus diesen Grund wird in einer zweiten Stufe die Fortluft (= Abluft nach dem Kreuzwärmetauscher) nochmals durch einen Wärmetauscher geführt, der mit der kalten Sole der Wärmepumpen gekühlt wird. Die Restwärme der Abluft kann dadurch über die Wärmepumpen in den Zentralpuffer eingespeichert und für Heizwasser genutzt werden. Folgendes Rechenbeispiel verdeutlicht den Vorteil dieses Systems: Aus einer Fortluft mit 20 °C kann über die Wärmepumpen 48 kW Wärme erbracht werden. Die Fortluft wird dabei auf 11 °C abgekühlt. Je nach notwendiger Heizwasser-Temperatur, die für die verschiedenen Zwecke benötigt wird (Heizen, Warmwasser, Trockner, Pool), muss für 48 kW Wärme zwischen 10,8 kW und 15 kW Strom für die Wärmepumpen aufgewendet werden. Die Wärmeleistung und somit auch die Stromleistung ist von 30 % bis 100 % für alle Wärmepumpen regelbar. Da drei Wärmepumpen in Kaskadenschaltung eingesetzt werden, kann der Strombedarf zwischen ca. 1 kW und 15 kW stufenlos an den verfügbaren Eigenstrom angepasst werden.

5. Projekt "Heizhaus": Nutzng von Abwärme zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpen

Im Heizhaus des Klarerhofs werden drei Wärmepumpen zur Bereitstellung von Wärme installiert. Diese liefern je eine Leistung von 16 kW und sind regelungstechnisch in Kaskade geschalten. Sie arbeiten demnach analog zu einer großen Wärmepumpe mit 48 kW Leistung, bieten aber den Vorteil einer besseren Regelbarkeit. Vor allem im Winter und in den kühlen Monaten zahlt sich dieser Vorteil aus, sodass der Mehraufwand an Kosten gegenüber einer einzelnen, großen Anlage über die Zeit rentabel ist. Heutzutage ist eine Wärmepumpe vor allem bei der Nutzung von Eigenstrom finanziell sinnvoll, da der Verkauf von elektrischer Energie durch die fallende Einspeisevergütung kaum mehr Gewinn einbringt. Auch aus ökologischer Sicht sprechen Wärmepumpen für sich: Die Speicherung von Energie ist in Form von Wärme (Pufferspeicher) deutlich einfacher gegenüber aufwendigen Stromspeichern sowohl in Bezug auf die Kapazität und die Bauweise als auch kostentechnisch.

Wärmepumpen haben den großen Vorteil, dass sie die Wärme aus ihrer unmittelbaren Umgebung nutzen können. Mit nur geringem Eigenverbrauch an Strom können sie je nach Ausführung der Umgebungsluft, dem Wasser oder dem Erdreich Wärmeenergie entziehen und über interne Prozesse nutzbar machen. Im Inneren der Wärmepumpen zirkuliert ein sogenanntes Kältemittel. Dieses besitzt einen sehr geringen Siedepunkt, sodass es bereits bei geringen Temperaturen den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig durchläuft. Nimmt die Wärmepumpe nun externe Wärmeenergie auf, verdampft das integrierte Kältemittel. Das entstandene Gas wird sodann mit Hilfe elektrischer Energie (= Stromverbrauch Wärmepumpe) komprimiert und erhitzt sich dabei. Das nun heiße Kältemittelgas besitzt eine etwa 3 bis 8-fach so hohe Wärmeenergie als die eingesetzte elektrische Energie und kann zum Beispiel für die Erwärmung von Heizwasser genutzt werden (siehe Schaubild 1). Dieser Zahlenfaktor, auch Arbeitszahl oder COP (engl. Coefficient of Performance) genannt, beschreibt dabei die Höhe des Nutzens gegenüber dem Energieaufwand und verdeutlicht das hohe Potential von Wärmepumpen. Bereits Umgebungstemperaturen von -9 °C können mit Hilfe von Wärmepumpen zur Gewinnung von Wärme genutzt werden. Allerdings gilt zu beachten, dass bei sehr geringen Temperaturen die Heizleistung sowie der COP deutlich absinken. Am Klarerhof greifen Wärmepumpen deshalb auf die Abwärme verschiedener Systeme zurück, wodurch COP-Werte größer 4 erwartet werden können.

Schaubild: Vereinfachtes Schema einer Wärmepumpe

Die eingesetzten Wärmepumpen am Hofe arbeiten mit Hilfe einer Sole, sprich einer optimierten Flüssigkeit für die Wärmeaufnahme und -abgabe, welche zwischen dem "Wärmeort" und dem Standort der Wärmepumpen zirkuliert. Dieser Wärmeort entspricht schlichtweg der nutzbaren Umgebung, aus welcher die Wärmepumpen wie oben benannt ihre Energie beziehen. In diesem Projekt wurde die Umgebung nun so gewählt, dass zugleich die Abwärme anderer Systeme und Anlagen sinnvoll genutzt werden kann. Konkret wird unter dem isolierten Dach des Heizhauses (= Wärmeort) die Abwärme aus vier verschiedenen Quellen gesammelt:

Blockheizkraftwerk und Hackschnitzelheizung im selben Gebäude

Fassadenwärme des Heizhauses: An der Ost- und Westseite sind steuerbareLüftungsklappen montiert, die an sonnigen Tagen die Stauwärme der Außenwände absaugen können.

Trocknungsanlage im selben Gebäude: Nutzung der Restwärme aus der Abluft des Trockners als zweite Stufe nach der Wärmerückgewinnung über den integrierten Kreuzwärmetauscher.

PV-Thermie: Ist die Trocknungsanlage nicht in Betrieb, dient die erwärmte und abgesaugte Luft unterhalb der Photovoltaik-Anlage als Wärmelieferant. Die Energiemenge der erwärmten Luft ist sogar 3 bis 4-fach so hoch wie die nutzbare elektrische Energie der PV-Anlage selbst. Zudem steigertdie parallele Kühlung der PV-Anlage die eigene Energieeffizienz, da ein PV-Paneel am besten bei kühler Umgebung arbeitet.

Die Abwärme all dieser Systeme wird demnach an einem Ort gesammelt und steht als Wärmelieferant zur Verfügung. Falls die Trocknungsanlage nicht in Betrieb ist (siehe Projekt „Landwirtschaftliche Trocknungsanlage"), greifen die Wärmepumpen auf dieses warme Luftpolster zurück. Dadurch kann zugleich Abwärme sinnvoll genutzt und die Effizienz der Wärmepumpen erheblich gesteigert werden.

6. Projekt "Milchviehstall": Kühlung und Abwärmenutzung in einem System

Im Milchviehstall des Klarerhofs werden durch den Einsatz einer Wärmepumpe mehrere Vorteile kombiniert. Der Kühlprozess der Milch, sowohl bevor sie in den Tank gelangt als auch im Milchtank selbst, wird wesentlich verbessert. Wärmeenergie aus der Milch, dem Erdreich sowie die Abwärme des Abwasserkanals werden energetisch genutzt und zusätzlich verbessern diese Wärmequellen die Effizienz der Wärmepumpe selbst. In der Energiebilanz können schlussfolgernd Wärmeverluste vermieden und der Stromverbrauch gesenkt werden. Zudem erhöht sich die Qualität der Milchkühlung und damit die Hygienebedingungen.

Optimierte Nutzung der Milchwärme: Bei bisherigen Systemen wurde die Wärmegewinnung aus der Milch über die Kühlung im Milchtank erreicht. Die Kältemaschine, welche den Milchtank kühlt, gibt dabei die Wärmeenergie der Milch über Wärmetauscher an einen Warmwasserboiler ab. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, dass durch die Erwärmung des Boilerwassers die Rücklauftemperatur und damit die Temperatur des Kältemittels im Kompressor zunehmend steigt. Als Folge nehmen die Qualität der Kühlung und der Wirkungsgrad der Kältemaschine stetig ab. Im Gegensatz dazu kann mit Hilfe der Wärmepumpe die Kältemitteltemperatur gezielt geregelt und ein energetisch optimierter Kühlprozess im Tank gewährleistet werden. Die Nutzung der Milchwärme wird demnach verbessert.

Erhöhter Nutzungsgrad der Wärmepumpe: Die Wärmepumpe am Standort Milchviehstall erreicht erhöhte COP-Werte. Der Coefficient of Performance (COP), oder Arbeitszahl genannt, beschreibt den Nutzen einer Wärmepumpe (= Menge an Wärmeenergie) gegenüber dem notwendigen elektrischen Energiebedarf. Durch die Abwärmenutzung der Milch kann der COP erheblich erhöht werden, wodurch der erforderliche Strombedarf im Vergleich zu bisherigen Anlagen wesentlich gesenkt wird.

Verbesserte Vorkühlung der Milch: Durch den Einsatz der Wärmepumpe wird eine wesentlich bessere Vorkühlung der Milch erzielt noch bevor diese in den Milchtank gelangt. Dies ist insbesondere für Milchanlagen mit Robotermelkung von großem Vorteil. In solchen Anlagen gelangen je Melkvorgang nur relativ kleine Milchmengen in den Tank, sodass insbesondere bei anfangs leerem Tank und geringer Befüllung die Milch nicht optimal gekühlt werden kann. Zudem konnten die bisherig verwendeten Vorkühler lediglich mit Frischwasser von 8-12 °C als Kältemittel arbeiten. Mit Hilfe der Wärmepumpe kann nun Solewasser mit einer Temperatur von 0-2 °C bereitgestellt und eine durchschnittliche Milchladung von 8-15 Liter auf ca. 4 °C vorgekühlt werden. Jede Milchladung gelangt daher mit bereits optimaler Temperatur in den Milchtank und eine durchgängige Kühlung der Tankfüllung kann gewährleistet werden.

Um durchgehend das notwendige, kalte Solewasser bereitstellen zu können, wird die Wärmepumpe immerzu geregelt betrieben. In ihrer elektrischen Leistung (= Strombedarf) kann sie von ca. 0,5–2,1 kW stufenlos an die verfügbare elektrische Energie im hofinternen Stromnetz angepasst werden. Da die Sole zudem in einem 30-Liter-Kaltwasserspeicher zwischengespeichert wird, ist ein Dauerbetrieb der Wärmepumpe nicht immer notwendig. Für begrenzten Zeiträume zwischen den Melkungen kann der Strombedarf demnach bis auf null gesenkt werden. Damit fügt sich dieser Verbraucher gut in das Energiemanagement ein.

Abwärmenutzung des Erdreichs und des Abwassers: Bei einer Robotermelkung kommen die Milchladungen nur in sehr unregelmäßigen Abständen mit Wartezeiten von durchaus über einer Stunde. Um trotzdem immer kaltes Solewasser verfügbar machen zu können, benötigt die Wärmepumpe deshalb eine zweite Wärmequelle. Der Kältespeicher des 30-Liter-Tanks würde sich ansonsten in den Wartezeiten zu stark erwärmen. Der Einsatz einer zweiten Wärmequelle bietet zusätzlich auch wirtschaftliche Vorteile, da die Wärmepumpe zur tatsächlichen Wärmeversorgung des Milchviehstalls besser genutzt und damit externe Heizenergie eingespart werden kann.

Die Wärmepumpe am Klarerhof bezieht deshalb als Zweitquelle Energie über den Erdspeicher und zusätzlich über abfallende Wärme des Abwasserkanals. Hierfür ist ein 600 m langes 2“-Rohr im Graben des Abwasserkanals verlegt worden. Die Wärmepumpe trägt dadurch zu einem wesentlichen Teil zur gesamten Wärmeversorgung über Heißwasser (Reinigung), Warmwasser wie auch der Heizung der Betriebsräume bei. So kann auch an dieser Stelle Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit sinngebend miteinander verbunden werden, indem bisher ungenutzte Wärmequellen genutzt und die Effizienz des Wärmesystems gesteigert werden.

Schaubild 2 gibt einen vereinfachten Überblick der beiden genannten Solekreisläufe.

Schaubild 2: Übersicht der Solekreisläufe der Wärmepumpe im Milchviehstall

Für den Klarerhof wurde eine Wärmepumpe mit maximal 6,5 kW Wärmeleistung kalkuliert. Die obig genannten Punkte beschreiben den vorteilhaften Einsatz der Wärmepumpe, indem sie auf verschiedene (Ab)Wärmequellen zugreift und diese nutzbar macht. Die so gewonnene Wärmeenergie kann nun in Heizwasser umgesetzt und direkt vor Ort verwendet werden. Im Milchviehstall sind durch den Betrieb des Melkroboters hohe Wassertemperaturen für die Reinigung notwendig. Die Erhitzung des Brauchwassers muss hierfür nach wie vor mit Hilfe eines Heizstabs erfolgen, jedoch kann durch die Vorerwärmung des Brauchwassers von ca. 14 °C auf 62 °C wesentlich an notwendiger Heizenergie und demnach an Stromverbrauch eingespart werden. Das hofeigene Wärmenetz ermöglicht zudem bei Überschusswärme (z.B. während der Sommermonate) eine Rückführung der Wärme zum Pool, zur Trocknungsanlage oder zum Zentralpuffer selbst, je nachdem wo aktuell Bedarf besteht.

7. Projekt "Spielhütte": Ferienanlage inklusive Sauna, Pool und Gemeinschaftsräume

Die sogenannte Spielhütte ist ein gemeinschaftlich genutzter Aufenthaltsraum inklusive Küchennische, Sauna, Umkleide, WC, Duschen und Technikraum. Sie ist Teil der Ferienanlage und steht am Klarerhof allen Gästen der Ferienwohnungen und -apartments sowie in Zukunft den Campinggästen zur Verfügung. Im Außenbereich befindet sich zudem ein Kinderspielplatz sowie ein beheizbarer Swimmingpool. Der Gemeinschaftsraum sowie die Außenanlage wurde mit moderner Licht- und Audiotechnik ausgestattet. Die Anlage bietet dadurch ein schönes Ambiente für die Ferienzeit und setzt gleichzeitig ein besonderes Augenmerk auf die Nachhaltigkeit und die Möglichkeit, Energie einzusparen.

Die komplette Beleuchtung im Innen- und Außenbereich ist mit modernen LED-Stripes und LED-Spotlichtern umgesetzt. Neben schönen Farbeffekten kann hier gezielt die Helligkeit und Beleuchtungsdauer eingestellt und dadurch der Stromverbrauch auf die Bedürfnisse und Notwendigkeiten angepasst werden. Unnötiger Energieverbrauch durch Dauerbeleuchtung oder ineffiziente Leuchtmittel wird vermieden.

Für die beiden relativ hohen Energieverbraucher Sauna und Pool wurden gezielt Möglichkeiten entwickelt, um Energieverluste und damit den Verbrauch an Wärme und Strom minimal zu halten:

Pool: Beheizbare Swimmingpools wurden in der Vergangenheit wie heute oft nur ungenügend wärmeisoliert. Dabei geht ein Großteil der Wärme über die Wasseroberfläche durch Konvektion (Luftströmung) verloren, insbesondere an windigen Tagen. Aber auch die Außenwände von Poolanlagen geben Wärmeenergie an ihre Umgebung ab. Am Klarerhof ist der Swimmingpool im Erdreich eingelassen. Für eine optimale Wärmeisolierung nach aktuellem Standard wurde hierbei auf Glasschotter als Isolationsmaterial zurückgegriffen. Eine 50 cm dicke Schicht sorgt für eine Wärmebarriere nach unten sowie an den Seitenwänden. Glasschotter hat gegenüber der üblich verwendeten Untergrundisolierung Styrodur (extrudierter Polystyrol-Hartschaum) den Vorteil, dass er keine Giftstoffe an die Umwelt abgibt und zudem weitaus langlebiger ist. Die Herstellung und das Basismaterial sprechen ebenfalls für sich: Glasschotter entsteht durch die Verflüssigung von recyceltem Altglas, das über Luftzufuhr eine schaumige und gut isolierende Struktur mit feinsten Luftbläschen erhält. Es muss demnach einiges an Energie für die Herstellung eingesetzt werden, die lange Lebensdauer auch im feuchten Erdreich kann diesen Nachteil jedoch relativieren.

Um die Wärmeverluste über die Oberfläche einzudämmen, wurde eine doppelwandige Abdeckungshaube montiert. Die Haubenform ermöglicht die Nutzung des Pools auch an kalten Tagen ohne zu viel Wärmeenergie zu verlieren. Die Doppelwandigkeit der Überdachung minimiert zudem Wärmeverluste durch Wärmeleitung (=Wärmetransport durch Körper).

Der Swimmingpool kann außerdem als zusätzlicher Wärmespeicher im Energienetz dienen. Die Anlage ist so konzipiert, dass bei Bedarf Wärmeenergie nicht nur in das Poolwasser eingebracht, sondern begrenzt auch aus dem Poolwasser z.B. für den Trockner oder als Vorerwärmung des Rücklaufs (HK und BHKW) heraus bezogen werden kann. Die Nutzung als Wärmespeicher kann dann sinnvoll sein, wenn beispielsweise durch die Ladung von Elektroautos viel Strom benötigt wird und die dabei entstehende Abwärme über den Pufferinhalt des Zentralspeichers hinausgeht.

Sauna: Der Betrieb einer Sauna stellt immer einen erhöhten Energieverbrauch dar. Um den Strom- und Wärmebedarf möglichst gering zu halten wurde am Klarerhof ein System zur Wärmerückgewinnung entwickelt und eingesetzt. Über CO2-, Temperatur- und Feuchtigkeitsmesssysteme im Inneren der Sauna kann die Luftqualität stetig kontrolliert werden. Während also bei herkömmlichen Saunen die Luft ohne Messsystem regelmäßig komplett ausgetauscht werden muss, ist bei dieser Anlage ein geführter Luftaustausch möglich. Zudem wird eine Rückführung der Wärme zum Saunaofen realisiert, anstatt die heiße Saunaluft direkt nach außen zu führen und den Saunaraum durch die Außenluft abzukühlen. Die Wärme der ausströmenden Luft kann dadurch zu 80-90 % an die einströmende Frischluft übertragen werden, sodass Wärme zurückgewonnen und Wärmeverluste verringert werden. Die Zuluft wird dabei jeweils über Pendellüfter mit Sauerstoff angereichert.

Ein wesentlicher Aspekt stellt zudem die Art der Beheizung dar. Herkömmliche Saunen arbeiten rein mit elektrischer Heizenergie. Elektrische Energie stellt allerdings die höchste Veredelungsstufe der Energieformen dar, sodass die Nutzung rein für Wärmezwecke zu verschwenderisch wäre. Für die Sauna am Klarerhof wird deshalb die Grundwärme über eine Bodenheizung realisiert. Temperaturen bis zu 40 °C können demnach über den Einsatz an Warmwasser erreicht werden. Erst anschließend wird für die Differenz bis zur gewünschten Sauna-Temperatur ein elektrisches Heizsystem verwendet. Über die genannten Optimierungen sowie eine Wärmeisolierung nach aktuellem Standard (Heizwärmebedarf mit < 70 kWh/m²a - low energy building nach ENEV 2009) wird der Saunabetrieb möglichst nachhaltig gestaltet.

8. Modernisierung der Ferienanlage

Im Zuge der Umbaumaßnahmen wurden die beiden Ferienwohnungen „Enzian“ und „Edelweiß“ modernisiert und die Ferienanlage um die Spielhütte, einen Spielplatz, eine Sauna und den Swimmingpool erweitert. Für die Gäste stehen dadurch nun einige Bedienmöglichkeiten zur Verfügung. So können je nach Wunsch die Beleuchtungen in Helligkeit und Farben sowie die Temperatur individuell je Wohnraum eingestellt werden. Im Außenbereich und in der Spielhütte steht zudem eine Audioanlage zur Verfügung. Für die Nutzung der Sauna können Temperatur, Lichtatmosphäre sowie Hintergrundmusik individuell angepasst werden. Neben diesen Möglichkeiten einer individuellen Gestaltung für die Gäste wurde über moderne Smarthome-Technologie (Loxone) das Energiemanagement der Ferienwohnungen und -anlage auf nachhaltige Aspekte angepasst. Die Innen- und Außenbeleuchtung wurde vollständig über energiesparende LED-Technik realisiert. Durch steuerbare RGBW-LEDs werden Betriebsweise und -dauer bezüglich Anwesenheit (Bewegung) und Helligkeit (Tag/Nachtmodus) dem Bedarf angepasst. Raumspezifische Temperaturmessungen und Heizkörper-Ansteuerungen ermöglichen eine bedarfsgerechte Beheizung und können dort Wärmeenergie sparen, wo sie aktuell nicht benötigt wird. In allen Wohn- und Gemeinschaftsräumen wurden zudem Temperatur- und Feuchtigkeitsmesssysteme sowie Pendellüfter installiert. Dadurch kann mit Hilfe der gewonnenen Messwerte die Belüftung in ihrer Dauer und ihrem Durchsatz adaptiert werden. Die Pendellüfter bieten zudem den bemerkenswerten Vorteil, dass sie in ihrer Funktion eine Wärmerückgewinnung in der Raumluft ermöglichen. Der Wirkungsgrad beträgt dabei bis zu 90 %. In einem Zahlenbeispiel bedeutet dies, dass bei gleichem Luftmengenstrom eine Außenluft von anfangs 0 °C über die Pendellüfter auf bis zu 22,5 °C als Zuluft erwärmt werden kann, wenn die ausströmende Raumluft eine Temperatur von 25 °C beträgt.

Folgendes Schaubild 3 gibt eine Übersicht über die eingesparte Wärmeenergieleistung bezogen auf die Wohnfläche bei Einsatz eines Pendellüfters:

Schaubild 3: Vergleich der Heizlast von Berechnungen nach DIN EN 12831 und Passivhaus-Projektierung (PHPP) sowie der durchschnittlichen Leistung im Januar am Beispiel eines Mehrfamilienhauses mit 1200 m² Wohnfläche und 18 Wohneinheiten (Quelle: ITG-Studie Schulze/Darup 2022; Bezug: https://www.leaf-ventilation.de/service/lueftungsvergleich/)

Die Graphik zeigt die berechneten Heizlasten für Gebäude drei verschiedener Isolationsstandards (EH 40, EH 55, Bestand) sowie den Vergleich mit und ohne Wärmerückgewinnung (WRG). Die Säulen stellen dabei die Höhe der jeweiligen Heizlast in Watt pro Quadratmeter (W/m²) dar, wobei die Säulenfarben jeweils die Art der Berechnung abbildet (DIN EN 12831, Passivhaus-Projektierung (PHPP), durchschnittliche Leistung im Januar). Bei Gebäuden mit hohem Isolationsstandard ist demnach eine Einsparung von über 40 % zu erkennen, da hierbei der Wärmeverlust über die Wände, Fenster und Türen geringer ist. Aber auch bei Altbauten kann eine Einsparung von etwa 20 % erreicht werden.

Für ein sinnvolles und effektives Energiemanagement ist die Vermeidung von Wärmeverlusten von höchster Bedeutung. Die modernisierten Ferienwohnungen im Zuhaus wurden deshalb nach den optimal wirtschaftlich realisierbaren Standards wärmeisoliert. Die Umsetzung erfolgte durch die natürlichen und recyclebaren Isolierstoffe Blähglas und Holzfaser.

Des Weiteren wird das Warmwasser im Gästehaus nun über Frischwasserstationen zur Verfügung gestellt. Dies hat zwei wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Warmwasserboilern: Zum einen besteht keine Gefahr der Keimbildung, da kaltes Frischwasser erst direkt zum Zeitpunkt des Verbrauchs erwärmt wird. Zum anderen müssen keine Warmwasserboiler als weitere dezentrale Energiespeicher im Energiemanagement-System mit eingebunden werden, was sehr aufwendig wäre und zu mehr Totspeicher (= nicht benötigte, aber gespeicherte Wärmeenergie) führen würde.

9. Elektro- Ladestation zur eigenen und öffentlichen Nutzung

In naher Zukunft werden am Klarerhof mehrere eigene Elektro-Ladestationen aufgebaut. Die Vorrichtungen und das elektrische Grundgerüst wurden bereits umgesetzt, um die Anlagen in das hofinterne Stromnetz einzubinden. Je nach Bedarf an elektrischer Energie für die Fahrzeuge, kann die Bereitstellung von Strom initialisiert werden. Aber auch umgekehrt wird über das intelligente Energieverwaltungssystem bei Überschussstrom über diesen Status informiert, sodass Nutzer und Eigentümer reagieren können. Zeigen die Stromspeicher und Erzeugungslast eine positive Strombilanz, kann individuell darauf reagiert und der Verbrauch erhöht werden, beispielsweise durch die Beladung von E-Fahrzeugen. Hofintern wird im ersten Schritt ein Elektro-Radlader eingesetzt, der eine 100 kWh Batterie mit der Möglichkeit zur Rückladung verbaut hat. Das Energiemanagement kann demnach auf diesen Strom zugreifen und ihn an anderen Bedarfsstellen verwenden, wenn der Benutzer es freigibt. Die Elektro-Ladestationen sind also intelligent regelbar und werden auf die aktuelle Energiesituation abgestimmt.

Zudem ist die Einstellung von verschiedenen Modi möglich. Werden Fahrzeuge nicht unmittelbar benötigt, ermöglicht der Ökomodus eine Beladung nur bei Überschussstrom wie z.B. an sonnigen Tagen. Soll im Gegensatz dazu das Fahrzeug schnellst möglich zur Verfügung stehen, kann der Modus „Sofort Laden“ ausgewählt werden.

Die Elektro-Ladestationen sind sowohl für die hofeigenen Fahrzeuge als auch zur öffentlichen Nutzung geplant. Bei Überschussstrom am Hofe kann somit auch die Allgemeinheit von günstigen Strompreisen profitieren.

10. Energieverwaltung der Firma Maustronik GmbH

Die Software zur Energieverwaltung am Klarerhof kombiniert alle oben benannten Teilprojekte zu einem großen Energieversorgungs-Projekt und bildet das Herzstück der Anlage. Um Energie intelligent zu verwalten - sprich die Gewinnung, die Speicherung und den Verbrauch möglichst vorausschauend und ohne Verluste auf den Bedarf anzupassen – ist ein einheitliches Kommunikationssystem unumgänglich. Bisher bestehen auf dem Markt viele Systeme und Anlagen zur Nutzung erneuerbarer und nachhaltiger Energien (PV-Anlagen, Wärmepumpen, Wasser- und Stromspeicher etc). Eine intelligente technische Vernetzung und eine automatisierte Regelung mit dem Ziel der stetigen Effizienzsteigerung ist jedoch noch Mangelware. Diese Art der Energieverwaltung wird nun durch die entwickelte Software der Firma Maustronik GmbH verwirklicht. Konkret handelt es sich um eine selbstlernende und sich anpassende Regelung, die alle Komponenten im Energiesystem zentral vernetzt, miteinander kommunizieren lässt und die Energieflüsse vorausschauend und bedarfsgerecht mit möglichst geringen Verlusten verteilt. Datenbank-gestützt kann die Software dabei auf Erfahrungswerte zurückgreifen, sodass automatisch nach optimalen Betriebsparametern gesucht wird. Dies gilt beispielsweise für das Halten von gewünschten Raumtemperaturen bei minimalem Energieaufwand oder für die bedarfsgesteuerte Pufferladung im Nahwärmenetz. Für Letzteres wird auf eine maximale Temperaturspreizung von Vor- und Rücklauf, auf eine kombinierte Ladung mehrerer dezentraler Puffer sowie die Nutzung der Rücklaufwärme für den Pool oder die Trocknungsanlage geachtet. Um immer einen guten Überblick der Energiesituation auf dem Hof zu haben und um bei Bedarf individuell einzugreifen, sind alle Energieströme und möglichen Parametereinstellungen visualisiert. Per Smartphone, Tablet oder andere Endgeräte können benutzerdefiniert Einsichten und Eingriffe freigeschaltet werden.

Als neuartige Innovation gilt zudem sowohl die Kombination des Strom- und Wärmenetzes als auch die dauerhafte Möglichkeit der Weiterentwicklung. Durch die freiprogrammierbare und individuell anpassbare Software sowie die Offenlegung aller Dokumentationen können zu jedem Zeitpunkt neue Ideen eingebracht werden. Dieser Aspekt ist vor allem im Hinblick auf die energetische Versorgung in der Zukunft sowohl wirtschaftlich als auch nachhaltig sehr wertvoll.

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