Haustech 6/2017

Power vom Garagendach

(Foto: Simone Bossi)
(Foto: Simone Bossi)
(Foto: Simone Bossi)
(Foto: Simone Bossi)
Michael Staub /

Die Verknüpfung von Photovoltaik und Elektrofahrzeugen ist naheliegend, aber nicht einfach. Im Tessin steht nun die erste Pilotanlage des Schweizer Unternehmens Protoscar. Die Solargarage verbindet elegante Architektur mit der klugen Nutzung von alten Batterien und einem Smart Grid in Miniaturform.

In den späten 1980er-Jahren machte Marco Piffaretti als Student bei der Tour de Sol mit. Das Wettrennen der solarbetriebenen Elektrofahrzeuge elektrisierte die Schweiz. Und es überzeugte den damaligen Studenten und heutigen Autodesigner auf Jahrzehnte. «Man konnte einsteigen und losfahren, ohne einen Tropfen Benzin zu verbrauchen. Diese Idee hat mich fasziniert», erinnert sich Piffaretti. Der Geschäftsführer der Protoscar SA in Rovio, TI, arbeitet seit Jahrzehnten mit der Autoindustrie zusammen. Seine Firma war unter anderem am Design verschiedener Prototypen und «Concept Cars» namhafter Firmen beteiligt. Zudem hat sie den «Lampo» entwickelt, einen Elektroflitzer mit bis zu 570 PS. Heute, 30 Jahre nach der Tour de Sol, hat die Firma nun eine Garage gebaut, die es in sich hat.

«Sun2wheel» heisst das Konzept, und was der Name verspricht, soll die Technik einlösen. «Wir wollen die Fahrzeuge mit sauberer, lokal gewonnener Energie bewegen. PV-Zellen auf dem Fahrzeug eignen sich aus verschiedenen Gründen nicht dazu, aber das Garagendach ist der ideale Standort», sagt Piffaretti.

Hölzerne Batterie-Arche

Die erste Pilotanlage steht in Rovio und beeindruckt mit ihrer kühnen Gestaltung. Der schlanke Betonsockel ragt weit über einen steilen Hang aus. «Glücklicherweise fanden wir einen stabilen Baugrund vor. Für den Sockel waren keine speziellen Fundationen oder Verankerungen nötig», sagt der verantwortliche Architekt Federico Testa. Die architektonische Lösung habe sich letztlich aus einer Neubewertung der Situation vor Ort ergeben: «Indem wir die Nachteile des Terrains als Vorteile betrachteten, gelang es uns, eine einzigartige Lösung zu finden.»

Wände und Dach des Gebäudes sind mit Brettsperrholzelementen in Fichte aufgebaut, die Fassade besteht aus Lärchenleisten. «Für die Anordnung dieser Leisten haben wir viel Zeit investiert. So fanden wir ein Arrangement, das sie gleichsam im Sonnenlicht tanzen lässt und einen interessanten Schattenwurf auf der Fassade ergibt», erläutert Testa. Die PV-Module sind hinterlüftete Designergy-Indachelemente. Sie bestehen aus Sunage-Modulen mit integrierter Wärmedämmung und Abdichtung. Sie wurden direkt auf die Dachkonstruktion aufgeschraubt.

Die Gesamtfläche der Module beträgt 60 Quadratmeter, sie liefern insgesamt rund 7000 kWh pro Jahr. Dies sollte für eine Fahrleistung von ungefähr 40 000 Kilometern pro Jahr reichen. Interessant ist die Raumwirkung der Garage. Das Tragwerk wurde mit Innensichtqualität gefertigt, denn es gibt keine separate Verschalung. So schweift der Blick von den parkierten Fahrzeugen und den Batteriespeichern über das unbehandelte Holz – ein gelungenes Nebeneinander von Technik und Natur. Auch das einteilige, acht Meter breite und nahezu eine Tonne schwere Garagentor fügt sich nahtlos in das Ensemble ein.

Speichern  und vernetzen

Die Verknüpfung von PV-Anlagen mit der Elektromobilität ist ein logischer Schritt. Doch ihre Umsetzung ist nicht ganz trivial. Wer den Solarstrom in die Fahrzeugbatterie bringen will, braucht zwingend einen Pufferspeicher. Denn gerade Privatfahrzeuge stehen zur Mittagsspitze nur selten in der heimischen Garage. Und die wachsende Anlage von «Prosumern», also Kunden, die sowohl Strom beziehen als auch produzieren, stellt viele Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) vor Probleme. Das historisch gewachsene Schweizer Stromnetz wurde als Einbahnstrasse vom Kraftwerk zum Strombezüger gebaut, nun soll es mit Gegenverkehr klarkommen.

Der Einbezug der EVU war deshalb für Sun2wheel ein zwingender Schritt. «Wir bieten dem EVU die Möglichkeit, sich in das System einzuklinken. Wenn es im Netz gerade Überschüsse gibt, können diese in den Puffer eingespiesen werden. Und wenn zu wenig Energie vorhanden ist, kann ein gewisser Teil der Batterieleistung abgerufen werden», sagt Piffaretti.

Die Anbindung der Garage an das Netz ist auf zwei Arten möglich. EVU, die auf bestehende Technik setzen, können das System über die klassische Rundsteuerung ansprechen. Und Unternehmen, die bereits mit Smart Metern arbeiten, finden ein zweites, moderneres Interface für diese Steuerung. Die Solargaragen sind dank dieser zwei Systeme nicht nur abwärtskompatibel, sondern auch für die zukünftige Entwicklung offen. «Für uns ist wichtig, dass die an sich autarken Garagen auch eine Verbindung zum EVU haben. Auf einer höheren Ebene, sei es im Quartier oder in der Region, ist es sinnvoll, noch eine übergeordnete Regelinstanz zu haben», sagt Piffaretti. Ob ein EVU die Möglichkeit wahrnehme, sei jedoch ihm überlassen.

Kaskadierte Verwertung

Seit einigen Jahren wird die Ankoppelung von Elektrofahrzeugen an das Stromnetz erforscht. Unter dem Namen «vehicle to building» laufen so unterschiedliche Projekte wie dasjenige von Nissan in Japan oder die «Schwarmbatterie» in Hamburg. Wäre es in diesem Kontext auch sinnvoll, die Fahrzeugbatterie dem Hausnetz zur Verfügung zu stellen? Eher nicht, lautet die Antwort von Sun2wheel. Mit der Photovoltaik will man den teuersten aller Energiebezüge ersetzen, denjenigen für die Mobilität. Deshalb geniesst das Elektrofahrzeug jederzeit Priorität. Wenn es bei Sonnenschein in der Garage steht, wird die Fahrzeugbatterie direkt geladen. Ansonsten leitet man den PVStrom in die Pufferbatterien.

Sind auch diese voll, kann der Überschuss entweder direkt im Gebäudenetz verwendet oder – gleichsam als letzter Ausweg – in das Netz des EVU eingespiesen werden. Die Pufferbatterien stammen allesamt aus Fahrzeugen des Typs Nissan Leaf. Nach einigen Einsatzjahren besitzen die Batterien immer noch eine Kapazität von 70 bis 80 Prozent. Für den stationären Einsatz reicht dies längstens. «Wir sprechen die Batterien mit der Elektronik genauso an, als steckten sie noch im Fahrzeug. Der Speicher weiss also nicht, dass er gar nicht mehr im Auto steckt», sagt Piffaretti. Diese «Second Life»-Verwendung bietet verschiedene Vorteile:  

 

  • Bestehende Ressourcen nutzen. Für die Pufferbatterien der Solargaragen muss kein neues Lithium gewonnen werden.
  • Wachsende Stückzahlen. Bisher hat Nissan über 200 000 Leafs verkauft. In den nächsten Jahren werden durch den normalen Austausch zahlreiche solcher Fahrzeugbatterien verfügbar sein. Die wachsenden Stückzahlen passen ideal zur angestrebten Entwicklung von Sun2wheel.  
  • Gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis. Die Fahrzeugbatterien besitzen eine Kapazität von 24 kWh. Im Garagenbetrieb werden sie auf 15 kWh gedrosselt, was die Lebensdauer deutlich verlängert. Je nach Bedarf können mehrere Batterien parallel geschaltet werden. So ist viel langlebige Kapazität zu einem sehr guten Preis verfügbar.

Skalierbare Lösung

Die eigentliche Anlage von Sun2wheel besteht aus drei Komponenten: regelbaren Ladesäulen, Pufferbatterien und einer speziellen Software. Gemeinsam bilden sie die Infrastruktur, um die PV-Anlage mit dem Fahrzeug zu verbinden. PV-Anlage und auch Fahrzeug werden als externe Komponenten betrachtet und können beliebig gewählt werden.

Auch bei der Dimensionierung der Solargarage gibt es keine festen Vorgaben. «Bei der Skalierbarkeit sind wir offen. Es gibt in diesem Sinn keine Systemgrenze, man könnte durchaus eine Anlage mit zehn oder 15 Ladeplätzen bauen», erläutert Piffaretti. Neben der Anlage in Rovio sind derzeit zwei weitere Garagen im Bau, eine weitere Handvoll in der Pipeline. Mit mindestens einem Dutzend Pilotanlagen, deren Betrieb begleitet und ausgewertet wird, will Sun2wheel breite Erfahrungen sammeln.

Welche Marktpreise sind für eine Anlage wie in Rovio zu erwarten? Die ungefähren Investitionskosten betragen derzeit etwa 50 000 Franken, wie Piffaretti sagt. Durch Skaleneffekte bei der Serienfertigung würden diese sicherlich sinken. Wichtiger als das Preisschild ist für das Team von Sun2wheel aber noch die technische und wirtschaftliche Validierung des Konzepts. «Wir wollen zuerst ein Dutzend Pilotanlagen bauen. Bei diesen ist neben der Hard- und Software auch die Datensammlung und -auswertung inbegriffen», sagt Piffaretti.

Mit der Auswertung will man unter anderem beweisen, dass der wirtschaftliche Break-even schon nach weniger als zehn  Jahren erzielt werden kann. Das ökonomische Potenzial der Lösung wird derzeit mit einer Doktorarbeit an der Uni St. Gallen abgeklärt. Diese befasst sich unter anderem mit dem Potenzial von Neu- respektive Bestandesbauten. Neben Wohn- werden auch Firmengebäude untersucht. Denn gerade hier, wo unzählige Autos acht Stunden pro Tag parkiert sind, liesse sich die Mittagsspitze der Sonne auf kurzem Weg oder allenfalls via Pufferbatterie in die Fahrzeugbatterien leiten.

Gleichstrom als Ziel

Der PV-Strom läuft derzeit noch über gängige Wechselrichter. In einem weiteren Ausbauschritt strebt man bei Sun2wheel jedoch die «Gleichstrom-Garage» an. Wenn man auf die Umwandlung DC-AC verzichtet und die Batterien direkt mit Gleichstrom lädt, entfallen die Umwandlungsverluste, und der Wirkungsgrad steigt nochmals. Die normale Garageninfrastruktur, beispielsweise LED-Beleuchtung oder Torantriebe, liesse sich ebenfalls mit Gleichstrom betreiben. «Wir müssten dann nur noch den Überschuss in Wechselstrom wandeln und ins Haus schicken», sagt Piffaretti.