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Ausgezeichnete Bachelorarbeit: Selbstversorgerin in Sachen Energie

Andrea Antonini und Milo Bernasconi zeigen in ihrer Bachelorarbeit in Energie- und Umwelttechnik zwei Varianten auf, wie die Winterthurer Gemeinschaft Hard den Strom und die Wärme, die ihre Bewohner benötigen, selber produzieren und speichern könnte. Für ihr Konzept wurden die Absolventen mit einem Preis ausgezeichnet.

In der ehemaligen Spinnerei Hard am Stadtrand Winterthurs leben und arbeiten heute rund 250 Personen. (Bildquelle: Roland zh, Wikimedia Commons)
In der ehemaligen Spinnerei Hard am Stadtrand Winterthurs leben und arbeiten heute rund 250 Personen. (Bildquelle: Roland zh, Wikimedia Commons)

Etwas ausserhalb Winterthurs, direkt an der Töss, liegt die ehemalige Spinnerei Hard. Heute leben und arbeiten in den Gebäuden rund um die erste mechanische Grossspinnerei der Schweiz etwa 250 Personen. Wie zur Zeit der Industrialisierung wird nach wie vor Strom aus Wasserkraft produziert, dieser fliesst allerdings ins Winterthurer Netz, dem das Quartier angeschlossen ist; geheizt wird mit Gas. Entsprechend ihrer ökologischen Grundhaltung wäre die Gemeinschaft Hard gerne energetisch autark. Sie hat deshalb die ZHAW School of Engineering mit einer Machbarkeitsstudie beauftragt. Andrea Antonini und Milo Bernasconi, Absolventen des Studiengangs Energie- und Umwelttechnik, haben sich der Aufgabe angenommen und im Rahmen ihrer Bachelorarbeit untersucht, ob eine autarke Energieversorgung möglich wäre und was es dazu alles bräuchte. Die Leplan AG hat diese Arbeit im Rahmen der diesjährigen Diplomfeier mit einem Preisgeld in der Höhe von 2000.- Franken ausgezeichnet.

Andrea Antonini (links) und Milo Bernasconi haben zwei Energiekonzepte für die Gemeinschaft Hard erstellt.
Andrea Antonini (links) und Milo Bernasconi haben zwei Energiekonzepte für die Gemeinschaft Hard erstellt.

«Power to Gas» oder Batteriespeicher

Die Absolventen haben zwei Konzepte ausgearbeitet, die Energieflüsse simuliert und die Kosten berechnet. In beiden Varianten produzieren Photovoltaikanlagen Strom, der entweder direkt verbraucht oder gespeichert wird. Die Wärme für Warmwasser und Heizung liefert ein Wärmepumpensystem. Die Art der Speicherung unterscheidet die beiden Varianten, wie Andrea Antonini erklärt: «In Variante 1 wird überschüssiger Strom im ‘Power to Gas’-Verfahren in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert. Bei Bedarf wird der Wasserstoff mit Brennstoffzellen wieder rückverstromt, auch um die Wärmepumpen für die Heizung anzutreiben und elektrische Energie in den Gebäuden bereitzustellen. In Variante 2 wird im Sommer der überschüssige PV-Strom genutzt, um mit Wärmepumpen grosse saisonale Warmwasserspeicher zu laden, die im Winter Heizenergie und Brauchwarmwasser bereitstellen. Zusätzlich sorgt ein Batteriespeicher für die Elektrizitätsversorgung im Winter.»

Skizze «Power to Gas»-Verfahren
Die erste und bevorzugte Variante speichert überschüssigen Strom mittels «Power to Gas»-Verfahren…
Skizze der zweiten Variante mit Warmwasserspeicher und Batteriespeicher
…während in der zweiten Variante saisonale Warmwasserspeicher und ein heute noch teurer Batteriespeicher zum Einsatz kommen.

Autarkie oder Netzeinspeisung

«'Power to Gas' ist deutlich wirtschaftlicher und daher auch die Lösung, die wir der Gemeinschaft Hard empfehlen.»

Andrea Antonini

Die Modellierung der Energieversorgung und die Simulation der Energieflüsse, welche die beiden Absolventen entwickelt haben, zeigen auf, dass eine vollständige Autarkie der Gemeinschaft Hard mit beiden Varianten möglich wäre – jedoch zu unterschiedlich hohen Kosten. «Insbesondere der Batteriespeicher in Variante 2 ist sehr teuer, die Gesamtinvestitionskosten betragen rund 30 Millionen Franken. Der Preis der elektrischen Energie würde für diese Variante 12 Franken pro Kilowattstunde betragen», sagt Milo Bernasconi. Wesentlich günstiger ist die «Power to Gas»-Variante mit Gesamtkosten in der Höhe von 6,5 Millionen Franken und einem Strompreis von 1,10 Franken pro Kilowattstunde. Der Wärmepreis liegt für beide Varianten bei ca. 40 Rappen pro Kilowattstunde. «Variante 1 ist also deutlich wirtschaftlicher und daher auch die Lösung, die wir empfehlen», so Andrea Antonini. Der Preis könnte weiter gesenkt werden, wenn der produzierte Strom nicht direkt genutzt, sondern ins Netz gespeist würde. Die Gemeinschaft Hard wäre dann im strengen Sinn nicht autark, weil nachts oder im Winter Strom bezogen werden müsste; sie hätte aber zumindest eine ausgeglichene Energiebilanz, weil über ein Jahr betrachtet gleich viel Strom produziert wie bezogen würde.

Möglich, aber teuer

«Die Absolventen haben sehr gut aufgezeigt, dass eine energieautarke Gemeinschaft Hard möglich ist, dass aber derzeit der Preis recht hoch ist», sagt Dozent Joachim Borth. «Es ist insbesondere die Speicherung, welche die Kosten in die Höhe treibt.» Hinzu kommt, dass die Berechnungen von Andrea Antonini und Milo Bernasconi eine umfassende energetische Sanierung sämtlicher Gebäude der Gemeinschaft voraussetzen. «Daher sollte das Energiekonzept schrittweise umgesetzt werden. Es kann der Gemeinschaft als Leitfaden dienen, um das Ziel einer umfassenden nachhaltigen Energieversorgung anzusteuern», so Joachim Borth.