Ein energieautarkes Energiekonzept für einen Campus

Die Herausforderung

Neuhof ist eine Bildungseinrichtung in Birr, Schweiz, die junge Menschen in ihrer sozialen und beruflichen Entwicklung unterstützt, mit Einrichtungen für Gartenbau, Gärtnerei, Gastronomie, Landwirtschaft, Malerei, Metallverarbeitung und einer Schreinerei sowie Wohn- und Schulungsräumen. Über neun Bildungseinrichtungen, Büros, Wohngebäude und landwirtschaftliche Flächen hinweg, mit 18’000 m² bebauter Fläche auf 172’000 m² Land, hat der Campus die Vielfalt eines kleinen Dorfs. Bisher stammt seine Energie aus dem Strom- und Gasnetz. Neuhof hat sich das Ziel gesetzt, in Bezug auf seine Energienutzung als Leuchtturm für andere zu dienen: ein zu 100% erneuerbares, vollständig autarkes Energiesystem.

Dieses Ziel erzwingt Sektorkopplung. Vollständige Autarkie bedeutet, dass jeder Bedarf, also Raumheizung, Strom und Treibstoffe für Fahrzeuge inklusive der landwirtschaftlichen Traktoren, aus erneuerbaren Ressourcen vor Ort oder in der unmittelbaren Umgebung gedeckt werden muss. Eine neue Schulungseinrichtung und die Sanierung bestehender Gebäude verändern das Bedarfsprofil. Und ein autarkes System braucht physischen Platz für dezentrale Produktion und Speicherung vor Ort, sodass jedes Konzept räumlich machbar sein muss und nicht nur energetisch optimal.

Wie Sympheny eingesetzt wurde

Das Sympheny-Team quantifizierte zunächst die stündlich aufgelösten Raumwärme-, Warmwasser- und Strombedarfsprofile für jedes Gebäude auf dem Gelände sowie die Energiebedarfsprofile für Fahrzeuge und Traktoren, anhand einer Kombination aus Messungen und Energiesimulationen. Auf der Angebotsseite wurden die vor Ort verfügbaren erneuerbaren Ressourcen aus früheren Bewertungen des geothermischen Potenzials, der Windgeschwindigkeiten und Wasserströme beurteilt und quantifiziert, darunter Solarenergie, geothermische Energie, Windenergie, Wasserenergie, landwirtschaftliche Abfälle, Gülle und organische Abfälle aus der Umgebung. Anschliessend wurde ein breites Spektrum an Umwandlungs- und Speichertechnologien spezifiziert, und der Algorithmus von Sympheny iterierte durch die möglichen Systemkonfigurationen, um einen möglichst kostengünstigen, technisch machbaren Weg zur vollständigen Autarkie zu finden.

• Autarkie über alle Bedarfsvektoren: Wärme, Strom und Fahrzeugtreibstoffe wurden gemeinsam optimiert, sodass der Algorithmus die Sektorkopplung ausnutzen konnte, anstatt jeden Vektor isoliert zu behandeln.
• Integration landwirtschaftlicher Ressourcen: Landwirtschaftliche Flächen, Gülle und organische Abfälle wurden als vollwertige Energieressourcen behandelt, neben Solar-, Geo-, Wind- und Wasserenergie.
• Logik der saisonalen Speicherung: Methan- und Wasserstoffspeicher wurden so dimensioniert, dass die Sommerüberschüsse den Standort durch den Winter tragen, ganz ohne Netzentnahme.

Das in Sympheny konfigurierte Energiesystem von Neuhof, mit Solar-PV-, Biogas-und-Methan-, Wasserstoff- sowie Wärme-und-Strom-Teilsystemen, verknüpft zu einem autarken Modell.

Ergebnis

Nach mehreren Optimierungsiterationen identifizierten Neuhof und Sympheny ein Konzept mit einer besonders attraktiven Balance aus geringer Systemkomplexität und niedrigen Lebenszykluskosten: eine grosse Agri-PV-Anlage, ein grosser Methantank für die saisonale Energiespeicherung, ein Gas-BHKW, eine Luftwärmepumpe sowie mehrere kleinere Speichersysteme für die kurzfristige Energiespeicherung. Wärme, Strom und Methan für die landwirtschaftlichen Fahrzeuge werden in erster Linie durch die Kombination aus Solarenergie der Agri-PV-Anlage und organischen Abfällen aus den landwirtschaftlichen Betrieben vor Ort und aus der Umgebung bereitgestellt, die über eine Biogasanlage und einen anschliessenden Aufbereitungsprozess zu Methan umgewandelt werden. Die saisonale Speicherung von Methan sorgt dafür, dass in den Wintermonaten genügend Energie zur Verfügung steht, ohne dass Strom oder Gas aus dem Netz entnommen werden muss.

Die Agri-PV-Anlage erzeugt zudem einen erheblichen Sommerüberschuss, der in diesem Konzept in Wasserstoff umgewandelt, vor Ort zwischengespeichert und an Dritte verkauft wird, womit aus dem saisonalen Ungleichgewicht externe Erträge werden. Das Konzept nutzt genau das, was Neuhof auszeichnet: die grosszügigen landwirtschaftlichen Flächen und den stetigen Strom organischer Abfälle. Damit ist es direkt auf andere landwirtschaftliche Standorte und ländliche Regionen übertragbar, die so energieautark und sogar energiepositiv werden könnten.

Der Jahresbetrieb des optimalen Konzepts, mit Agri-PV-Produktion über das Jahr, monatlicher H₂-Produktion aus dem Sommerüberschuss, Brennstoffzellenstrom in den Winterspitzen und dem daraus resultierenden H₂-Exportprofil.