Abgenabelt

Unabhängigkeit beim Wohnen

Ziel des Projekts war es zu zeigen, wie autarkes – von externen Versorgungseinrichtungen unabhängiges – Wohnen funktionieren kann: eine Erkenntnis, die wegweisend ist für Gegenden mit fehlender Infrastruktur, aber auch für künftige Siedlungen auf Seen oder auf dem Meer.

Das Schwimmhaus zieht allein schon durch seine ungewöhnliche Architektur die Blicke von Besuchern am Bergheider See auf sich: Es besteht aus mehreren, ineinander verschachtelten, gegeneinander verkippten und in unterschiedlichen Winkeln geneigten würfelförmigen Bauelementen – „eine Gestaltung, die eine autarke Versorgung des Gebäudes mit Energie unterstützt“, erklärt Fraunhofer-Forscher Ernst-Eckart Schulze, der sowohl für das technische Design als auch für die Systemintegration verantwortlich ist. Dabei geht es sowohl um die Versorgung mit elektrischem Strom sowie thermischer Energie fürs Heizen und zur Warmwasserbereitung als auch um die Bereitstellung von sauberem Trinkwasser. „Das ist eine Kombination, die unser Demonstrationshaus auf dem Bergheider See von anderen energieautarken Häusern unterscheidet“, erläutert Schulze.

Energieautarkes Bauen

Solche Gebäude wurden in den letzten Jahren an verschiedenen Orten – und auf Basis unterschiedlicher technologischer Konzepte – entwickelt und gebaut. Ein Beispiel ist ein Gebäude in Esslingen, das die von den Bewohnern benötigte elektrische Energie das ganze Jahr über selbstständig bereitstellen kann. Dafür sorgt eine Verbindung von zahlreichen Solarmodulen mit einer Elektrolyseanlage im Keller. Sie verwandelt mit elektrischem Strom, den die Solarmodule über den aktuellen Bedarf hinaus produzieren, Wasser unter anderem in Wasserstoff, der gespeichert wird. Wird hingegen mehr Strom gebraucht, als sich aus dem Sonnenlicht beziehen lässt, können Brennstoffzellen aus dem gespeicherten Wasserstoff elektrische Energie zurückgewinnen. Die Technik dafür hat das Berliner Startup-Unternehmen Home Power Solutions geliefert.

Im österreichischen Burgenland gewann die Stadt Güssing seit Anfang der 1990er-Jahre etliche Jahre lang mehr elektrische und Wärmeenergie aus erneuerbaren Quellen, als ihre Einwohner und Betriebe selbst benötigten.

Etwa zur selben Zeit wurde das erste energieautarke Haus Deutschlands und weltweit eingeweiht: das sogenannte Freiburger Solarhaus oder „Heliotrop“. Der aus der südbadischen Metropole stammende Architekt und Wegbereiter der Nutzung von Solarenergie Rolf Disch hat das zylinderförmige Gebäude, um seine zentrale Achse drehbar gelagerte Gebäude entworfen und zog dort 1994 selbst mit seiner Familie ein.

Inzwischen dient das Heliotrop als Außenstelle des Freiburger Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE. Zudem wurde es 2022 vom baden-württembergischen Landesamt für Denkmalpflege zu einem „innovativen Kulturdenkmal“ erklärt. In dem Pionierbauwerk sorgen unter anderem eine hochwirksame Isolierung, eine großflächige Verglasung sowie eine Photovoltaikanlage auf dem Dach für ein Plus an Energie.

Darin ähnelt das Freiburger Solarhaus der rund 25 Jahre später errichteten schwimmenden Demonstration auf dem Bergheider See. Auch bei diesem Gebäude liefern Solarzellen reichlich elektrischen Strom. Allerdings verfügt das autartec-Haus neben einer Anlage mit herkömmlichen Photovoltaikmodulen aus kristallinem Silizium auch über neuartige, teilweise lichtdurchlässige Dünnschicht-Solarzellen. Diese sind in die Fenster des Schwimmhauses integriert.

Um die Versorgung mit elektrischer Energie auch nachts und an bewölkten Tagen sicherzustellen, lässt sich ein Teil des aus Sonnenlicht erzeugten Stroms in Lithium-Ionen-Akkus speichern. Sie befinden sich in den Wänden des Gebäudes und in den Stufen einer Treppe, die vom Erd- ins Obergeschoss führt.

Wärme pumpen aus dem Seewasser

„Eine weitere wichtige Rolle spielen die Wärmegewinnung und -speicherung sowie effiziente Kühlsysteme“, sagt Schulze. Zentrale technische Elemente dabei sind Solarthermie-Kollektoren auf dem geneigten Dach des Schwimmhauses sowie eine Wärmepumpe, die Energie aus dem Seewasser schöpft. Um die thermische Energie aufzubewahren, steht ein rund 1000 Liter fassender Schichtspeicher für warmes Wasser zu Verfügung. An dieses Heizsystem sind sowohl ein wasserführender Kaminofen als auch Anschlüsse für zusätzliche Wärmespeichermöglichkeiten – etwa über Salzhydrat und Zeolithe – angeschlossen.

Auch die Dämmung des auf schwimmenden Pontons aus Metall ruhenden Hauses war eine Herausforderung, ebenso wie die Kühlung an heißen Tagen. Sie wird an der Außenhülle des Gebäudes durch eine mit verschiedenen Pflanzen begrünte Fassade gewährleistet. Im Inneren des Hauses erproben die Wissenschaftler die Möglichkeit eines adiabaten Kühlsystems.

Geschlossener Wasserkreislauf

Doch die Besonderheit des schwimmenden Hauses in der Niederlausitz liegt in seiner Wasserversorgung: Im Gegensatz zu den meisten anderen energieautarken Gebäuden, die nur bei Strom und Wärme von externen Quellen unabhängig sind, haben die Experten des autartec-Forscherteams für das Amphibienhaus auf dem Bergheider See die Möglichkeiten eines stark geschlossenen Wasserkreislaufs erprobt. Dazu gehören eine Filtrationsanlage und ein Photokathalysesystem, die das sogenannte Grauwasser, das zum Beispiel beim Duschen, Spülen oder Wäschewaschen anfällt, wieder in Trinkwasser aufbereiten.

„Um das zu erreichen, wurden wir im Rahmen des Forschungsprojekts unterschiedliche Verfahren entwickelt und getestet“, berichtet Ernst-Eckart Schulze. Letztlich entschied sich das Forscherteam für den Einbau einer miniaturisierten Aufbereitungsanlage, die vollständig ohne biologische Reinigungsstufen und die Verwendung chemischer Substanzen auskommt. „Der Platz für die Technik ist in den Schwimmkörpern der Plattform, auf der das Amphibienhaus ruht, bereitgestellt“, sagt Schulze. Das Herzstück der Anlage sind keramische Membranfilter und der Einsatz von Photokatalyse – der Nutzung der Energie aus dem Sonnenlicht, um bestimmte chemische Reaktionen anzustoßen und in Gang zu halten.

Ein 1000 Liter großer Tank zum Zwischenspeichern von Grauwasser sowie mehrere Tanks für Wasser in Trinkqualität sorgen dafür, dass das schwimmende Gebäude die Wasserversorgung innerhalb des Forschungsprojekts in Eigenregie bereitstellen kann. Die Anlage dient dazu zu demonstrieren, was technisch möglich ist. Allerdings: Aus rechtlichen Gründen existiert nach wie vor parallel eine Versorgung mit Trinkwasser aus dem kommunalen Versorgungsnetz.

„Wir haben mit der autartec-Technologie viele unserer Visionen umgesetzt, auf die wir in mehreren Folgeprojekten aufbauen konnten“, stellt Ernst-Eckart Schulze fest. „Unser Bestreben war von Anfang an, weitgehend autarke Energieversorgung urbaner Siedlungsstrukturen zu ermöglichen und regenerative Wasserkreisläufe deutlich zu verlängern und zu schließen.“ Dass das auf dem Wasser gelingt, unterstreicht die Möglichkeiten für die Realisierung schwimmender Ortschaften, die ihre Bewohner selbstständig versorgen und kaum auf Lieferungen von Energie oder Trinkwasser vom Land angewiesen sind. Wie solche schwimmenden Siedlungen aussehen sollen, beschreibt der vorangehende Beitrag ab Seite 14. In einigen Teilen der Welt, die unter Bevölkerungswachstum oder steigendem Meeresspiegel leiden, gibt es bereits konkrete Pläne für Schwimmstädte mit vielen Tausend Einwohnern.

Ein Nachbar auf dem See

Die Siedlung auf dem Bergheider See ist hingegen überschaubar. Das autartec-Demonstrationshaus hat fortan nur einen einzigen Nachbarn: Auf Initiative der EUROS-Stiftung – einer Einrichtung, die dem Identitätsverlust in der Region entgegenwirken will und unter anderem Projekte zum Erhalt der ländlichen Infrastruktur fördert – liegt dort seit 2021 das Konferenzboot „aquaforum“ vor Anker. Auch für dieses schwimmende Gebäude haben Forscher am Fraunhofer IVI das Design und die technische Auslegung der Systeme entwickelt. Energetisch lässt es sich mit dem autartec-Haus koppeln, sodass sich die in den Batteriespeichern aufbewahrte Energie von beiden schwimmenden Objekten nutzen lässt.

Darüber hinaus wollen die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt auch in andere innovative Siedlungskonzepte einfließen lassen – auf dem Wasser und an Land. Etwa im Rahmen des Projekts „AMSEL“ in der sächsischen Stadt Mittweida: Dort soll eine „autarke Mikrosiedlung für energiebewusste Lebensweise“ entstehen, mit Beteiligung der Forscher am Fraunhofer IVI. Ziel ist es, mehrere Gebäude am Beispiel sogenannter Tiny-Häuser – komplett ausgestatteter Wohngebäude im Miniformat – als Experimentierplattform zu nutzen, um etwa Technologien für eine gekoppelte Energiespeicherung der Gebäude und neuartige Systeme zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht zu testen.

In einem weiteren Projekt untersucht das Fraunhofer-Team mit Wissenschaftlern der Hochschule Mittweida, wie ein strukturiertes Energie- und Lastmanagement den CO2-Ausstoß von Gebäuden deutlich verringern kann. Auch das könnte ein Beitrag sein zum Wohnen auf dem Wasser – klimaschonend und zugleich an den Klimawandel angepasst.