Haustech 8/2018

Kühle Sonnenkraft

Foto: Michael Staub
Michael Staub /

Ein Bauernhof der Jucker Farm AG ist seit diesem Frühling nahezu energieautark. Eine PV-Anlage und ein Batteriespeicher liefern die Energie für Heizung, Kühlung und bald auch für Nutzfahrzeuge. Die Sektorkopplung wird damit en miniature demonstriert – ein Beispiel für andere Höfe oder gar Areale.

Der «Spargelhof» in Rafz ZH ist einer von vier Produktionsbetrieben der Jucker Farm AG. Auf einer Fläche von knapp 100 Hektaren werden von Frühling bis Herbst vor allem Spargeln, Heidelbeeren und Kürbis angebaut. Im Winter produziert man verschiedene Gemüse wie Nüsslisalat, Federkohl oder Rosenkohl. In den letzten Jahren ist der Betrieb rasch gewachsen. «Die bestehende Energieversorgung, eine Freileitung der EKZ, konnte nicht mehr mithalten», sagt VR-Präsident Martin Jucker. Um die Zuleitung zu verstärken, wäre eine Investition von mehreren Zehntausend Franken notwendig gewesen. «Wir haben alternative Varianten geprüft und rasch festgestellt, dass alles Notwendige vorhanden ist», sagt Jucker.

Anfang 2017 lud die Bauherrschaft verschiedene Anbieter zu einem Pitch ein, den die Energie 360° AG mit ihrem Vorschlag gewann: Eine PV-Anlage liefert den Strom für das Areal, die Kühlung sowie den grossen Batteriespeicher, der gleichzeitig als Backup dient. Mit der Abwärme der Kühlanlagen wird geheizt. «Auch im Fall eines grösseren Blackouts können wir so die Kühlung der Nahrungsmittel garantieren. Das Konzept bringt damit nur Vorteile – und zwar auch aus Sicht einer ökologischen Produktion», sagt Martin Jucker. Nur 16 Monate nach Abgabe der Offerte konnte das System im April 2018 in Betrieb genommen werden und funktioniert seither störungsfrei. Für Martin Jucker als Contracting-Kunde ist die Lösung «praktisch kostenneutral». Aufgrund der positiven Erfahrungen werde man das Konzept sukzessive auf den übrigen Höfen der Jucker Farm AG umsetzen.

Erfolgreiche Konvergenz

Auf dem Hof in Rafz werden Sektoren verbunden, die bis vor kurzem noch als eigenständig galten: Wärme- und Kälteerzeugung, Stromproduktion und -Speicherung und nicht zuletzt auch Lastmanagement. Für Tobias Meier, Entwickler Lösungen und zuständiger Projektleiter bei der Energie 360° AG, ist es deshalb «das erste integrale Projekt, bei dem alle früheren Themen zusammentrafen». Neben der Integration von PV-Anlagen und Batteriespeichern ging es in Rafz insbesondere auch um die Einbindung der Kälte-, Wärme- und Warmwassererzeugung. «Alle Komponenten wurden von Anfang an gemeinsam geplant und umgesetzt, deshalb ist die fertige Lösung nun aus einem Guss und funktioniert zu unserer Freude einwandfrei», sagt Meier.

Für vergleichbare Einzelhöfe sei das Konzept durchaus anwendbar, meint Meier. Denn wenn der Strombedarf abgelegener Liegenschaften steige, sei es nicht mit einer verbesserten Zuleitung getan. Vielmehr brauche es ab einer gewissen Zahl verstärkter Leitungen auch einen Ausbau der vorgelagerten Infrastruktur, zum Beispiel Trafostationen oder gar Unterwerke. Der dezentrale Ausbau inklusive möglichst hoher Energieautarkie sei deshalb wirtschaftlicher. Anders in der Stadt: «Im urbanen Umfeld, sei es auf einem Areal oder in einem Quartier, würden wir eher eine Aufgabenteilung als eine Autarkielösung sehen. Ein Gebäude erzeugt zum Beispiel PV-Strom, ein zweites Wärme und ein drittes Kälte.»

Eile mit Weile

Die Dünnschichtmodule vom Typ Eterbright CIGS-3500 A1 besitzen im Vergleich mit mono- oder polykristallinen Modulen ein ausgeglicheneres Schwachlichtverhalten. Sie können also auch mit deutlich weniger Sonnenlicht noch Strom erzeugen. «Die Module sind zudem weniger anfällig auf hohe Temperaturen. Sie enthalten keine Schwermetalle wie Blei oder Cadmium und haben die Produktionsenergie nach etwa einem Jahr zurückgewonnen», sagt Dominik Müller, Gründer und Leiter Innovation bei der Solvatec AG. Insgesamt wurden 477 Module mit einer Leistung von je 350 W(p) verbaut. Ihre Gesamtfläche beträgt gut 1100 Quadratmeter, die Gesamtleistung knapp 167 kW(p) und der geschätzte Jahresertrag ungefähr 170 000 Kilowattstunden.

Der Lithium-Ionen-Batteriespeicher von Pfenning Elektroanlagen (Typ 160/192) besitzt eine nominelle Speicherkapazität von 192 Kilowattstunden, effektiv nutzbar sind 153 Kilowattstunden. Ausgehend von der aktuellen Nutzung der Anlage rechnet man mit 5000 Ladezyklen. Der gesamte Batteriespeicher ist zusammen mit dem elektrischen Hauptsicherungskasten und dem EVU-Zähler in einem Schiffscontainer untergebracht. Das Potenzial für vergleichbare Projekte ist gemäss Dominik Müller hoch: «In der Schweiz existieren ungefähr 1800 professionelle Gemüsebaubetriebe. Nach unserer Einschätzung könnten auf den Dachflächen dieser Betriebe rund 300 MW(p) verbaut werden.» Insbesondere der Inselbetrieb und die Begrenzung der Zuleitung seien gute Argumente für das in Rafz gewählte Autarkiemodell.

Gesteuerte Balance

Ein integraler Bestandteil des Speichersystems ist die Steuerung. «Ihre wichtigste Aufgabe ist die jederzeitige Stromversorgung des Betriebs. Zudem übernimmt sie die Lastgangoptimierung, reduziert also Leistungsspitzen gegenüber dem Netz und kompensiert allfälligen Blindstrom», erläutert Roland Zwingli, Geschäftsführer der RZ Energiemanagement GmbH. Ebenso optimiert die Steuerung den Eigenverbrauch. Neben den Energiezählern für PV-Anlage, Verbrauch und Netzübergabepunkt war keine zusätzliche Sensorik notwendig. «Der Lieferant hat das System aufgrund unserer Spezifikationen ausgerüstet und programmiert. Dies reduziert die Komplexität massgeblich, zudem kommuniziert die Steuerung mit sämtlichen Komponenten über bewährte Industrieprotokolle», sagt Zwingli.  

Bereits bei der Einweihung der Anlage im Sommer 2018 stellte Martin Jucker klar, dass er in einem zweiten Schritt auch Ladestationen für elektrische Nutzfahrzeuge installieren möchte. Denkbar wären zum Beispiel elektrische Traktoren für die Bewirtschaftung der Felder oder elektrische Lieferwagen für die Logistik. Dieser spätere Ausbau in Richtung Elektromobilität wurde bereits in der Planung berücksichtigt. Sowohl die Leistung wie auch die Kapazität des Speichers lässt sich innerhalb des bestehenden Containers nochmals verdoppeln. Eine Knacknuss stellt derzeit noch die Ladezeit dar. Denn der PV-Strom fällt naturgemäss tagsüber an, also dann, wenn die meisten Fahrzeuge bewegt werden. «Bei E-Traktoren könnten wir allenfalls mit Wechselakkus arbeiten», sagt Roland Zwingli. Ebenso könnten eigene oder fremde E-Lastwagen während des Güterumschlags eine Schnellladung erhalten.

Autarke Lösung

Bei privaten Liegenschaften passen PV-Produktion und Stromverbrauch nur schlecht zusammen: Im Sommer ist der Ertrag der Anlagen maximal, im Winter jedoch der Strombedarf der Wärmepumpen. Auf dem Hof in Rafz hingegen ist der grösste Stromverbraucher die Kälteanlage. Deshalb steht die solare mit der agrarischen Ernte im Einklang: Von Frühling bis Herbst werden mit dem PV-Strom Spargeln, Beeren oder Kürbisse gekühlt. Im Winter, wenn die Anlage relativ wenig Strom liefert, werden dagegen nur wenige Produkte geerntet und gelagert. Durch den selbst produzierten Strom ist die Anlage insbesondere im Sommer energieautark. Mit einem Schalterdruck kann der Hof physisch vom Netz getrennt werden – eine gute Versicherung auch für Blackouts.

Ein Teil des PV-Stroms wird im Sommer an das Netz abgegeben. «Damit wir möglichst wenig Energie verlieren, ist die Batterieanlage nicht auf möglichst schnelle Ladung getrimmt», sagt Roland Zwingli. Vielmehr vergleicht die Steuerung die aktuelle Produktion mit einer Sollkurve der PV-Anlage und entscheidet danach, mit welcher Leistung die Akkus geladen werden. «Damit verfolgen wir ein klares Ziel», sagt Zwingli, «bei Sonnenuntergang soll der Speicher vollständig geladen sein, ohne dass wir die Leistung der PV-Anlage reduzieren mussten.»

Nachmachen ist erwünscht

Gebäude mit wegweisenden Energiekonzepten gibt es in der Schweiz schon einige. 2016 wurde das energieautarke Mehrfamilienhaus der Umweltarena Schweiz in Brütten ZH bezogen, 2018 folgte ein Mehrfamilienhaus in Leimbach ZH, in dem die Sektorkopplung schon teilweise umgesetzt wurde. Mit dem «Spargelhof» in Rafz erreicht die Ausklammerung nun auch Produktionsbetriebe. «Wir hoffen auf viele Nachahmer», sagt Martin Jucker, «denn eine einzige Lösung bringt wenig gesellschaftlichen Nutzen. Wenn es in der Schweiz aber 1000 solcher Systeme gibt, profitieren wir alle. Wir haben den Leuchtturm gebaut. Jetzt hoffen wir, dass dahinter eine Stadt entsteht.» Die Voraussetzungen dafür sind gut: Der Spargelhof wurde im Oktober 2018 mit dem Schweizer Solarpreis in der Kategorie Energieanlagen ausgezeichnet. Die Jury sprach von einem «Musterbeispiel für ein intelligentes Energiemanagement».