Effiziente Systeme und erneuerbare Energien
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Effiziente Systeme und erneuerbare Energien Technologie- und Energie-Forum Vorwort Die Messe Frankfurt und der Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik e. V., BDH, organisieren anlässlich der ISH 2011 zum vierten Mal das ISH Technologie- und EnergieForum. Dabei werden sie unterstützt von den folgenden Kooperationspartnern: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V. (ASUE), Bundesverband Erneuerbare Energie e. V. (BEE), Bundesverband Wärmepumpe e. V. (BWP), Deutscher Energie-Pellet-Verband e. V. (DEPV), der Innovationsoffensive des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW), Fachinstitut Gebäude-Klima e. V. (FGK), Fachverband für Energie-Marketing und -Anwendung e. V. (HEA), Industrieverband Haus-, Heiz- und Küchentechnik e. V. (HKI) und Institut für Wärme und Oeltechnik e. V. (IWO). Besonders freuen wir uns über die erstmalige ideelle Unterstützung des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, BMU. Hiermit unterstreicht die Politik eindrucksvoll die hohe Bedeutung moderner Systemtechnik für die ambitionierten europäischen und nationalen Klima- und Ressourcenschutzziele. Auf 450 Quadratmeter Fläche zeigt das Forum unternehmensneutral moderne Systemtechnik, die fossile Energieträger für die Wärmeerzeugung in Gebäuden effizient nutzt und zugleich erneuerbare Energien einbindet. Mit der Doppelstrategie aus Effizienz und erneuerbaren Energien lassen sich im Gebäudebereich Energieeinsparund CO2-Minderungspotenziale in einer Größenordnung von bis zu 50 Prozent erschließen. Damit leistet die deutsche Spitzentechnologie für diesen Bereich einen hohen Beitrag zum Ressourcen- und Klimaschutz. Als Weltleitmesse ist die ISH mit ihren rund 200.000 Fachbesuchern der Treffpunkt zahlreicher ausländischer Gäste. Auf diese Entscheider richtet das Forum ein besonderes Augenmerk. Die heute verfügbare effiziente Systemtechnik wird nicht nur in Mitteleuropa, sondern auch zunehmend in Südeuropa, Russland, China, der Ukraine und den USA eingesetzt. Daher stehen die Materialien des Forums in sechs bedeutenden Sprachen zur Verfügung. Die zentralen Inhalte des ISH Technologie- und Energie-Forums 2011 sind in dieser Broschüre zusammengefasst. Den Besuchern und Lesern wünschen die Organisatoren fruchtbare Erkenntnisse und gute Gespräche. Iris Jeglitza-Moshage Mitglied der erweiterten Geschäftsleitung, Messe Frankfurt Exhibition 2 Andreas Lücke M.A. Hauptgeschäftsführer BDH Inhaltsverzeichnis Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Inhaltsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 EU-Rahmenbedingungen BDH: Verband für Effizienz und erneuerbare Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Rahmenbedingungen für den EU-Wärmemarkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Gasförmige Biomasse – Bio-Erdgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 Flüssige Brennstoffe aus Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Biomasse Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Wie steht es mit Heizöl/Erdgas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Energieberatung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Modernisierungsbeispiele Moderne Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 System Gas-Brennwerttechnik mit Solarthermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 System Brennwerttechnik mit Wohnungslüftung im Mehrfamilienhaus . . . . . . . . . . . . 28 System Öl-Brennwerttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 System multivalente Heizungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 System Luft-Wasser-Wärmepumpe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 System Sole-Wasser-Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 System Holz-Pelletkessel mit solarer Warmwasserbereitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 System Holzvergaserkessel mit solarer Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 System Mini-KWK-Anlage im Mehrfamilienhaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Technologien/Produkte Prinzip der Brennwertnutzung (Gas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Prinzip der Brennwertnutzung (Öl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Prinzip Wärmepumpe – mehr als nur eine Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Effiziente Wärmequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Solarthermische Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Solarthermische Anlagen: Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Photovoltaik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Wärme aus Holz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 Die Strom erzeugende Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Wärmeverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Flächenheizung/-kühlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Heizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Lüftungssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung/Feuchterückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . 74 Speichertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Abgasanlagen – flexibel einsetzbare Systeme für viele Anwendungsbereiche. . . . . . . . 78 Tanksysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Intelligente Regelungs- und Kommunikationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Neue Technologien Neue Technologien: Gas-/Öl-Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Mikro-KWK (Gas-/Öl-betrieben) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Smart Grid/Smart Home. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90 Mit Gas in eine erneuerbare Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 BDH Mitglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3 4 EU-Rahmenbedingungen EU-Rahmenbedingungen BDH: Verband für Effizienz und erneuerbare Energien Rahmenbedingungen für den EU-Wärmemarkt Gasförmige Biomasse – Bio-Erdgas Flüssige Brennstoffe aus Biomasse Biomasse Holz Wie steht es mit Heizöl/Erdgas? Energieberatung 5 BDH: Verband für Effizienz und erneuerbare Energien Im Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik e. V. , BDH, sind 96 Unternehmen organisiert, die hocheffiziente Anlagensysteme bzw. Komponenten für die Beheizung, Warmwasserbereitung, Lüftung und Klimatisierung von Gebäuden herstellen. „Effizienz und erneuerbare Energien“ – für diese Doppelstrategie stehen der BDH und seine Mitglieder. Deren Produktpalette umfasst moderne Systemtechnik und Komponenten, die fossile Energieträger effizient umsetzen und erneuerbare Energien nutzen. Die Wärmeleistung reicht dabei von 4 Kilowatt bis 36 Megawatt – vom Einsatz im Einfamilienhaus bis hin zu industriellen Großanlagen. Die BDH-Mitgliedsunternehmen nehmen international eine technologische Spitzenstellung ein. Sie repräsentieren etwa 60 Prozent des europäischen Marktes im Bereich der Wärmeversorgung von Gebäuden. Weltweit erwirtschaften sie einen Umsatz von über 12 Milliarden Euro und beschäftigen ca. 62.000 Mitarbeiter. BDH Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik e. V. Porträt 2011 96 Unternehmen 2 Verbände Produkte und Systeme Gaskessel Wärmeverteilsysteme und Pumpen Ölkessel Heizkörper Holzkessel Flächenheiz-/-kühlsysteme Wärmepumpen Be- und Entlüftungssysteme Solarthermie Klimatechnik Großkessel und Abgastechnik und Zubehör Feuerungstechnik bis 36 MW Speicher und Tanksysteme KWK-Anlagen Haus- und Gebäudeautomation Marktanteile: 90 % in Deutschland 60 % in der EU Umsatz: 12,2 Mrd. Euro weltweit Beschäftigte: 62.000 weltweit F & E: 357 Mio. Euro weltweit Abb. 1: Porträt BDH Wärmemarkt: Größter Energieverbrauchssektor Europas im Fokus Mehr als 40 Prozent der in Europa eingesetzten Endenergie entfallen auf den Gebäudebereich. Rund 85 Prozent davon sind dem Heizwärmebedarf sowie der Warmwasserbereitung zuzurechnen. Innerhalb der Europäischen Union macht dieses Segment immerhin ca. ein Drittel des Gesamtenergieverbrauchs aus. Dies entspricht zugleich den Gegebenheiten in Deutschland. Nach Angaben des EU-Grünbuchs zur Energieeffizienz (“Green Paper on Energy Efficiency or Doing More With Less”) erreicht die Energieeffizienz von Gebäuden lediglich rund 50 Prozent. 6 Damit wird derzeit mehr als doppelt so viel Energie wie notwendig eingesetzt. Anders gesagt: 50 Prozent Energie ließen sich einsparen, wenn die Gebäude – unter Berücksichtigung der Anlagentechnik und der Gebäudehülle – auf den Stand der Technik gebracht würden. Die Europäische Kommission, aber auch die Bundesregierung und andere nationale Regierungen haben erkannt, dass die mit Abstand größten Energieeinspar- und CO2-Minderungspotenziale im energetisch veralteten Gebäudebestand dieses Kontinents liegen. Mit entsprechenden Modernisierungsmaßnahmen ließen sich alleine in Deutschland rund 80 Millionen Jahrestonnen CO2 einsparen. Dies entspricht etwa 15 Prozent des deutschen EU-Rahmenbedingungen 'EBiUDEBEREICH 6ERKEHR 2AUMWiRME U 4RINKWASSERERWiRMUNG )NDUSTRIE 3TROM Abb. 2: Endenergieverbrauch nach Sektoren innerhalb der EU 3500 2500 Erneuerbare Energien Entwicklung 2006–2020 2000 Heizöl 1500 1000 Erdgas Reduktion fossiler Energien um 30 % Verdreifachung Anteil erneuerbarer Energien 500 10 20 11 20 12 20 13 20 14 20 15 20 16 20 17 20 18 20 19 20 20 20 08 09 20 20 20 20 07 0 06 Energieverbrauch in PJ (kumulativ) 3000 Abb. 3: Heizenergieverbrauch nach Energieträgern – BDH-Prognose 7 Entlastung der Bürger -30 bis -50 % d. Kosten für Heizung u. Warmwasser Bürger Volkswirtschaft Klimaschutz durch CO2-Minderung -100 Mio. t pro Jahr BDH-Strategie Effizienz und erneuerbare Energien Wachstum u.Beschäftigung zus. Arbeitsplätze 300.000 zus. Investment 24 Mrd. Politik Ressourcenschutz -18 % des deutschen Energieverbrauchs Abb. 4: Win-win-Situation durch beschleunigte Modernisierung bis 2020 Gesamtenergieverbrauchs. Rechnet man die Energieeinsparund CO2-Minderungspotenziale im Bereich der industriellen Prozesswärme bis ca. 36 Megawatt Leistung hinzu, wäre sogar eine Steigerung auf annähernd 100 Millionen Jahrestonnen bzw. ca. 18 Prozent des deutschen Gesamtenergieverbrauchs möglich. Doppelstrategie unterstützt Ressourcen- und Klimaschutz Der Einsatz effizienter Systeme und erneuerbarer Energien im Gebäudebestand und industrieller Wärmeanwendung dient nicht zuletzt dem Ressourcen- und Klimaschutz, wie am Beispiel Deutschland deutlich wird. Darüber hinaus bietet die Doppelstrategie „Effizienz und erneuerbare Energien“ aber noch weitere Vorteile. Auch für Arbeitsmarkt und Volkswirtschaft könnten sich beispielsweise erhebliche positive Effekte ergeben: zusätzliche Arbeitsplätze, die aus der hohen Arbeitsintensität der Modernisierungsprojekte resultieren, sowie vermehrtes Investment mit einer über 80-prozentigen inländischen Wertschöpfung. Hinzu kämen Energieeinsparungen in einer Größenordnung von bis zu 50 Prozent, die Mieter und selbst nutzende Eigentümer massiv entlasten. 8 Entwicklung des Energieverbrauchs Der Verbrauch an Heizöl und Erdgas geht bis zum Jahr 2020 kontinuierlich zurück. Immer mehr kommen dagegen erneuerbare Energien zum Einsatz. Basis für diese Entwicklung sind die moderne Anlagentechnik sowie Maßnahmen an der Gebäudehülle: Diese sorgen für Energieeffizienzsteigerungen in den Gebäuden und senken zugleich den Anteil fossiler Energieträger. Technologischer Fortschritt für mehr Effizienz Die Technologien im Wärmemarkt wurden in den letzten 30 Jahren weiterentwickelt: So liegen z. B. die Nutzungsgrade beim Einsatz der Brennwerttechnik mittlerweile an der physikalischen Grenze. Die Nutzung erneuerbarer Energien und eine zusätzliche Optimierung des Gesamtsystems ließen den Verbrauch fossiler Primärenergie weiter sinken. Zur Deckung des jeweiligen Wärmebedarfs steht heute eine Vielzahl technischer Optionen zur Verfügung. Besonders positiv schneiden dabei jene Systeme ab, die auf die Doppelstrategie „Effizienz und erneuerbare Energien“ setzen. EU-Rahmenbedingungen 2 kWh/m a 322 300 290 Verluste Wärmebedarf des Gebäudes (EFH, Baujahr 1965, 150 m2) 150 kWh/m2a = 15 Liter Heizöl/m2a (100 %) 231 220 210 200 198 40 180 40 154 140 130 100 % 14 146 128 126 Wärmebedarf 100 50 44 0 Standard- NT-Kessel BW-Kessel Kessel BW-Kessel + Solar BW-Kessel Sole-Wasser- Pelletkessel + Solar Wärmepumpe + Biogas/-Öl Erneuerbare Energien Biomasse Strom Primärenergieverbrauch Solar-, Geothermie, Umweltwärme Heizöl, Gas Abb. 5: Endenergie- und Primärenergiebedarf im typischen Bestandsgebäude Die Branche analysiert: Modernisierungsstau torpediert Ressourcen- und Klimaschutz Mieter und Eigentümer können 50 % Energiekosten sparen Politische Rahmenbedingungen sind unzureichend Die Branche schlägt vor: Verdopplung des Modernisierungstempos Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energien im Wärmemarkt Optimierung der ordnungspolitischen Rahmenbedingungen Steigerung und Verstetigung der Förderung Nutzung von Bioöl und Bio-Erdgas im Wärmemarkt wie beispielsweise KWK oder Brennwert mit Solarthermie 9 Rahmenbedingungen für den EU-Wärmemarkt Seit März 2007 gelten folgende EU-Ziele für das Jahr 2020: Reduzierung der Treibhausgase um 20 % (2010 erhöht auf 30 %) gegenüber 1990 Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien am Energieverbrauch auf 20 % Steigerung der Energieeffizienz um 20 % Die EU-Kommission und das Europäische Parlament sind sich darüber im Klaren, dass der Schlüssel für die Umsetzung dieser ambitionierten Ziele in der energetischen Modernisierung des Gebäudebestands liegt. Auf diese Weise kann die extreme Importabhängigkeit Europas von fossilen Energieträgern wirkungsvoll reduziert werden. Innerhalb der Europäischen Union treiben vor allem drei Richtlinien die gemeinsamen Ziele voran: die Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD), die Richtlinie zur umweltgerechten Gestaltung energiebezogener Produkte (Ecodesign; ErP) und die Richtlinie zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen (RES). Die darin festgelegten 20 % Increase of efficiency EU Council 20 % share Renewable Energies 30 % CO2 Reduction by 2020 Relevance for Buildings and Products 10 Energy Performance of Buidlings Directive, EPBD Directive on Ecodesign requirements for Energy relevant Products, ErP Directive on the Promotion of the Use of Energy from Renewable Energy Sources, RES The EPBD guideline sets a general European framework for the definition of minimum energy performance standards in the buildings of the member countries. Minimum standards and computation methods are defined by the countries individually. The ErP guideline defines the minimum requirements via the ecological properties of energy consuming and energy-relevant products. These include heat boilers, water heaters, pumps, fans as well as air-conditioning and ventilation systems. The guideline is often linked to the introduction of an energy efficiency label for the concerned products. The RES guideline aims at increasing the proportion of renewable energy sources in the EU substantially. It obliges the member countries to initiate measures by virtue of which the proportion of renewable energies in the EU can increase by at least 20 %. EU-Rahmenbedingungen Rahmenbedingungen werden in den Mitgliedsstaaten der EU in nationalen Gesetzen und Verordnungen umgesetzt. In Deutschland ist die EPBD durch die Energieeinsparverordnung, EnEV, umgesetzt. Sie definiert einen gesamtheitlichen Ansatz für Gebäude und legt Anforderungen an deren Primärenergiebedarf fest. Das deutsche EEWärmeG spiegelt für den Wärmemarkt die RES-Richtlinie wider, die für den Neubau den Einsatz von erneuerbarer Energie vorschreibt. Im Gebäudebestand wirkt vor allem das im EEWärmeG verankerte Marktanreizprogramm für erneuerbare Energien, MAP. Dieses setzt insbesondere über ein Zuschussprogramm auf die Steigerung der Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt, der Solarthermie, der Erd- und Umweltwärme und der festen Biomasse. Der europäische Markt Europa befindet sich auf dem Weg zu Effizienz und erneuerbaren Energien. Im Wesentlichen sind die ambitionierten europäischen Rahmenbedingungen wie EPBD, ErP und RES, aber auch die kräftig gestiegenen Energiepreise für die für diese Revolution in Europa verantwortlich. Vor fünf Jahren waren in vielen Ländern noch keine nennenswerten Anteile an Brennwerttechnik oder Wärmepumpen zu verzeichnen. Heute beträgt deren Anteil an den jährlichen Investitionsfällen z.B. in Frankreich, Italien und Spanien bereits rund 37 %. Was Niederlande, England, Deutschland und Österreich schon vor vielen Jahren vorweggenommen haben, erfüllt sich nunmehr auch in den romanischen Ländern der EU. 97 % Neue Herausforderungen für Handwerk, Planer und Investoren Die Technologierevolution in den europäischen Ländern stellt eine große Herausforderung für das Handwerk sowie für Planer und Investoren dar. Gefordert ist nun ein systemischer Ansatz, der auch den primären Wärmeerzeuger, die Speicherung, die Nutzung erneuerbarer Energien, die Optimierung der Wärmeverteilung und eine adäquate Anpassung der Wärmeübergabe berücksichtigt. Zunehmende Komplexität und die steigende Anzahl an Systemlösungen erfordern dabei eine zusätzliche und kontinuierliche Qualifikation von Planern und Verarbeitern. Die vorliegende Broschüre dient hier als praktische Orientierung, kann aber auch für Beratungen von Endverbrauchern, Vermietern und öffentlichen Investoren eingesetzt werden. Aufgezeigt werden unter anderem die politischen Rahmenbedingungen für Investitionen in Effizienz und erneuerbare Energien im Gebäudebereich. Bestehende Systemlösungen werden kurz und anschaulich beschrieben, die spezifischen Vorteile am Beispiel erläutert. Neue Technologien wie Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung sowie die Gas- oder Öl-Wärmepumpe ergänzen den bestehenden Strauß effizienter Systeme. 95% 95% 1% 95 % 70 % 39 % 66 % 2% 2% 65% 34 % 9% 39 % 34 % 24 % Die in den Niederlanden und Deutschland entwickelte Brennwerttechnik sowie Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien setzen sich nunmehr in Gesamteuropa durch. Abb. 6: Anteil der Brennwerttechnik am Absatz von Wärmeerzeugern in ausgewählten Ländern Europas im Jahr 2010 14 % 30 % 15% 1% 15% 1% 8% 65% 1% 1% Abb. 7: Anteil von Wärmepumpen am Absatz von Wärmeerzeugern in ausgewählten Ländern Europas im Jahr 2010 11 Gasförmige Biomasse – Bio-Erdgas Biogas aus Biomasse Biogas entsteht, wenn sich organisches Material, die sogenannte Biomasse, unter Luftabschluss zersetzt. Dafür sind anaerobe Bakterien verantwortlich, die ohne Sauerstoff leben können. Zu Biomasse zählen u. a. vergärbare biomassehaltige Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall, Mist oder Pflanzenteile. Biogas besteht hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid. Zur Energiegewinnung ist jedoch nur das Methan wertvoll: Je höher sein Anteil, desto energiereicher ist das Biogas. Nicht nutzbar hingegen sind das Kohlendioxid und der Wasserdampf. Biogas wird in großen Fermenteranlagen gewonnen, in denen Mikroorganismen Biomasse umsetzen, sodass Biogas als Stoffwechselprodukt entsteht. Um dieses Gas zu Heizzwecken oder zur Stromerzeugung zu nutzen, wird es getrocknet, gefiltert und entschwefelt. Zusätzlich reinigt man es von Spurengasen. speziellen Waschmitteln. Einen weiteren Reinigungsprozess stellt die Druckwechsel-Adsorption – ein Adsorptionsverfahren mit Aktivkohle – dar. Daneben befinden sich weitere Verfahren wie die kryogene Gastrennung, die mithilfe von Kälte durchgeführt wird. In der Entwicklung befindet sich derzeit eine Gastrennung durch eine Membran, um Biogas für verschiedene Anwendungen nutzbar zu machen. Vor der Einspeisung in das Erdgasnetz muss das Biogas auf den entsprechenden Betriebsdruck verdichtet und auf Netzqualität aufbereitet werden. Auch für die Nutzung als Kraftstoff ist eine starke Komprimierung nötig. Wenn das Biogas als Kraftstoff eingesetzt werden soll, müssen sowohl der Schwefelwasserstoff als auch das Ammoniak vor dem Verbrennungsvorgang entfernt werden, damit die Gasmotoren keinen Schaden nehmen. Die aus der Vergärung übrig gebliebene Biomasse eignet sich sehr gut als biologischer Dünger, sodass hier ein geschlossener Stoffkreislauf vorliegt. Geschlossener Stoffkreislauf Bestehende Strukturen nutzen Die Aufbereitung von Biogas umfasst vor allem die Reduzierung des CO2- und O2-Anteils. Ein gängiges Aufbereitungsverfahren ist die Gaswäsche, mit der das CO2 abgetrennt wird, sodass sich der Methananteil im Rohstoff vergrößert. Hinter einer solchen Gaswäsche steht ein Absorptionsverfahren mit Wasser oder Bereits seit 2007 wird Biogas mit herkömmlichem Erdgas gemischt und in die Erdgasnetze eingespeist. Hierbei wird dann von Bio-Erdgas gesprochen. Es gelangt über die bestehende Infrastruktur zu den Nutzern. Weil Bio-Erdgas die gleichen Biogas Bio-Erdgas Erdgasspeicher Abb. 8: Produktions- und Transportwege von Biogas bzw. Bio-Erdgas 12 EU-Rahmenbedingungen Qualitätskriterien wie Erdgas aufweist, kann es ebenso flexibel eingesetzt werden, etwa in Gas-Brennwertkesseln, in KraftWärme-Kopplungs-Anlagen oder als Kraftstoff in Erdgasfahrzeugen. Bei einem Erdgasauto mindert Bio-Erdgas spürbar die CO2-Emission um bis zu 65 %. Durch die vermehrte Einspeisung von Biogas steigen die Erdgasverbraucher somit nach und nach auf erneuerbare Energien um. Bis 2030 könnten pro Jahr bis zu 100 Mrd. kWh Bio-Erdgas erzeugt werden, was rund einem Zehntel des Erdgasverbrauchs von 2005 entspricht. Importabhängigkeit von fossilen Energieträgern und stärkt die regionale Wirtschaft. Die deutsche Gaswirtschaft hat sich verpflichtet, dem Erdgas, das als Kraftstoff verwendet wird, bis 2020 rund 20 % Bio-Erdgas beizumischen. Energiemix der Zukunft Quelle: Deutsche Energie-Agentur (dena) Biogas besitzt eine hohe Flächeneffizienz: Im Vergleich zu Biodiesel kann man von dem Ertrag eines Hektars Biomasse die dreifache Energiemenge an Biogas herstellen. Biogas kann über das gesamte Jahr kontinuierlich erzeugt werden und lässt sich ebenso einfach wie Erdgas speichern. Aufgrund der Unabhängigkeit von Wind oder Sonneneinstrahlung wird das Biogas eine wichtige Rolle im Energiemix der Zukunft einzunehmen. Biogas ist zudem CO2-neutral: Bei seiner Verbrennung wird nur so viel Kohlendioxid freigesetzt, wie die Biomasse zuvor der Atmosphäre entzogen hat. Biogas vermindert gleichzeitig die 16000 Projekte in Planung bis 2012 14000 Anlagen in Betrieb 12000 Hamburg Berlin Rheinland-Pfalz Saarland Sachsen Thüringen Schleswig-Holstein Hessen Baden-Württemberg Nordrhein-Westfalen Niedersachsen 2000 Bayern 4000 Brandenburg 6000 Mecklenburg-Vorpommern 8000 Sachsen-Anhalt Einspeisekapazität Nm3/h 10000 Abb. 9: Biogas-Einspeiseanlagen in Deutschland, Stand: November 2010 13 Flüssige Brennstoffe aus Biomasse Pflanzen als Heizöl-Lieferanten Energiereiche und ölhaltige Pflanzen wie Raps oder Sonnenblumen können heutzutage zu energetischen Zwecken – also zur Strom-, Wärme- und Treibstofferzeugung – genutzt werden. Diese flüssigen Brennstoffe aus Biomasse kommen als Brennstoff oder als Beimischung zu konventionellen Energieträgern wie Heizöl EL zum Einsatz. Auf diese Weise hilft Biomasse, den Verbrauch fossiler Energieträger zu reduzieren, wodurch sich entsprechend die Reichweite der vorhandenen Erdölreserven verlängert. Zurzeit laufen umfangreiche Forschungsprojekte, um den Einsatz von flüssigen Biobrennstoffen in den rund 6 Millionen Ölheizungen in Deutschland zu ermöglichen. Ein Einsatz in den bestehenden Heizungsanlagen hätte den Effekt, ohne größere Investitionen des Verbrauchers den Anteil erneuerbarer Energien kurzfristig zu erhöhen. Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz Um flüssige Brennstoffe aus Biomasse herzustellen, kommen verschiedene Ausgangsstoffe zum Einsatz: Öle auf pflanzlicher Basis, veresterte Pflanzenöle (sogenannte Fatty Acid Methyl Ester, kurz „FAME“), gecrackte und hydrierte pflanzliche Öle und tierische Fette (sogenannte Hydrogenated Vegetable Oils, kurz „HVO“) sowie synthetische Öle aus Biomasse (sogenannte Biomass-to-Liquids, kurz „BtL“). Verschiedene Produktionsverfahren sind möglich, um flüssige Biomasse zu gewinnen. Man teilt 0RODUKT 2OHSTOFF dLSAMEN UND dLFR~CHTE Z " 2APS 3ONNENBLUME 0FLANZENyL &!-% (YDRIERTE 0FLANZENyLE (6/ ¯ (YDROGENATED 6EGETA BLE /ILS ¯ ZWEITE 'ENERATION "T, "IOMASSTO,IQUIDS ¯ ZWEITE 'ENERATION Abb. 10: Mögliche Rohstoffe für flüssige Biobrennstoffe 14 diese in zwei „Generationen“ ein. All diesen Verfahren ist gemein, dass sie einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung der Zukunft leisten können. Denn im Gegensatz zu den fossilen Ressourcen setzen Energieträger aus Biomasse bei ihrer Verbrennung immer nur die Menge an CO2 frei, die sie während ihres Wachstums der Atmosphäre entnommen haben. Flüssige Biobrennstoffe der ersten Generation Zur ersten Generation zählen Öle auf pflanzlicher Basis wie zum Beispiel Raps oder Sonnenblumen. Dabei wurden die ölhaltigen Bestandteile der Pflanzen ausgepresst, ausgeschmolzen oder mit Lösungsmitteln extrahiert und im Anschluss daran raffiniert. Zur gleichen Generation gehören die so genannten Fettsäuremethylester („Fatty Acid Methyl Ester“, kurz „FAME“). Sie lassen sich durch die chemische Umsetzung (Veresterung) von Pflanzenölen mit Methanol gewinnen. Die Eigenschaften des Pflanzenöls bzw. der Fette werden im FAME so weit verändert, dass sie ähnliche Eigenschaften wie Heizöl EL oder Diesel aufweisen. Die Eigenschaften von FAME sind in der DIN EN 14213 genormt. Mischungen von FAME und Pflanzenölen mit Heizöl EL nach DIN V 51603-6 werden bereits auf dem Markt angeboten. Die beiden Herstellungsverfahren auf Basis von Pflanzenölen und FAME gelten heute als Stand der Technik. 4IERISCHE &ETTE GEBRAUCHTE 3PEISEyLE 'ESAMTE 0FLANZE -~LL '~LLE EU-Rahmenbedingungen Biomasse Vergasung Luft Lufttrennung BtL-Brennstoff Synthese Kohlenwasserstoffe CO + H2 O2 Wasser Abb. 11: Herstellung von BtL-Brennstoffen Die nächste Generation Viele Vorteile, viel Effizienz Eine neue Technologie, um flüssige Brennstoffe aus Biomasse herzustellen, stellt das Cracken und Hydrieren pflanzlicher Öle und tierischer Fette dar (HVO). Das Ergebnis ist ein von Schwefel und Aromaten freier, hochreiner Biobrennstoff. Ein weiteres, recht junges Verfahren nutzt inzwischen nicht nur die Öle bzw. Fette, sondern komplette Pflanzen wie Stroh, Restholz oder sogenannte Energiepflanzen, um die Biobrennstoffe auf synthetische Weise herzustellen (Biomass-to-Liquids, BtL). Dazu wird die Biomasse, also Äste, Blätter, Späne etc., durch Vergasung zu einem Synthesegas umgewandelt und anschließend verflüssigt (Fischer-Tropsch-Verfahren). Das Ergebnis ist auch hier ein von Schwefel und Aromaten freier, hochreiner Biobrennstoff. Diese Technologie weist gegenüber den zuvor erwähnten Herstellungsverfahren einige Vorteile auf: Zum einen lässt sich so die gesamte Biomasse nutzen und nicht mehr ausschließlich ihre ölhaltigen Komponenten. Zusätzlich erhöht sich auf diese Weise ganz entscheidend der Hektar-Ertrag der Energiepflanzen. Darüber hinaus lassen sich während des Produktionsprozesses spezielle Eigenschaften erzeugen, sodass nicht nur sehr hochwertige Brennstoffe entstehen, sondern auch solche, die genau auf die Bedürfnisse der späteren Anwender abgestimmt sind. Diese neuen regenerativen Energien sollten nach derzeitigen Erkenntnissen auch in installierten Ölheizungen problemlos eingesetzt und konventionellen Brennstoffen beigemischt werden können. Die Produktionskapazitäten für flüssige Biobrennstoffe der zweiten Generation befinden sich zurzeit im Aufbau. Flüssige Biobrennstoffe weisen eine hohe Energiedichte auf und lassen sich mit moderner Verbrennungstechnik nahezu rückstands- und schadstofffrei verbrennen. Sie sind zudem relativ einfach zu transportieren und zu lagern. Die Mineralölwirtschaft und die Geräteindustrie entwickeln neue Biobrennstoffe, durch die der Verbraucher auch in Zukunft nicht auf den Komfort der bekannten Heizungssysteme verzichten muss. Somit können dann auch bestehende Ölheizkessel mit den neuen Brennstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden. Damit reduziert sich der Bedarf an konventionellem Öl, was dazu beiträgt, die künftige Energieversorgung hierzulande zu sichern. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass diese regenerativen Brennstoffe krisensicher sind. 15 Biomasse Holz Holz als Multitalent Holz wird als Brennstoff immer attraktiver: Es verfügt über eine sehr gute Ökobilanz und weist eine fast konstante Preisentwicklung auf. Zudem ist Holz ein regionaler und nachwachsender Brennstoff, der für kurze Transportwege steht, lokale Arbeitsplätze schafft und die inländische Wertschöpfung stärkt. Nicht von ungefähr setzen inzwischen fast 20 % der Haushalte in Deutschland bei der Wärmeerzeugung auf Holz, ein Fünftel davon verfügt über eine Holzzentralheizung, die zugleich auch der Trinkwassererwärmung dient. Automatisierte Befeuerungsanlagen sorgen für viel Komfort, sodass Holz den herkömmlichen Brennstoffen Öl oder Gas hinsichtlich Komfort kaum mehr nachsteht. Unterstützung für den Wald- und Klimaschutz Über 380 Mio. m2 nachhaltig erzeugtes Holz aus europäischen Wäldern gelangt pro Jahr auf den Markt. Davon werden in Europa inzwischen rund 40 % für die Wärmegewinnung genutzt. Die Nutzung von Energieholz aus dem Wald dient dabei der Waldpflege und dem Waldschutz: Nur ein gut durchforsteter Wald ist stabil und resistent gegenüber Umwelteinflüssen. Die vermehrte Nutzung von Holz als Brennstoff vermeidet eine – ökologisch nicht vorteilhafte – Überalterung von Waldbeständen und bestätigt die Funktion des Waldes als Kohlenstoffspeicher. Holz zählt zu den nachhaltigen Rohstoff- bzw. Energiequellen, sofern die genutzte Menge nicht die nachgewachsene Menge übersteigt. Als nachwachsender Rohstoff ist Holz CO2-neutral, denn bei der Verbrennung wird nur die Menge wieder freigesetzt, die der Baum während seines Wachstums aufgenommen hat. Die natürlichen Abläufe des Ökosystems bleiben somit gewahrt. Pellets, Scheitholz und Hackschnitzel Holz gelangt in Form von Pellets, als Holzhackschnitzel oder Scheitholz in moderne Heizungsanlagen. Holzpellets sind kleine genormte, zylinderförmige Presslinge aus naturbelassenem, unbehandeltem Holz, beispielsweise Sägemehl, Hobelspäne oder Restholz aus dem Wald. Um Pellets herzustellen, werden Holzspäne getrocknet und gesäubert, in Mühlen auf eine einheitliche 317 1908 Mio. m3 Mio. m3 3381 Mio. m3 68 Mio. m3 1095 2892 Mio. m3 Mio. m3 1429 Mio. m3 594 Mio. m3 Abb. 12: Holzvorräte für ausgewählte europäische Länder im Jahr 2006 16 EU-Rahmenbedingungen Holzarten Abb. 13: Pellets Abb. 14: Scheitholz Größe gebracht und in Matrizen zu Pellets verpresst. Die Späne verbinden sich dabei ohne Zugabe von Bindemitteln durch das ihnen eigene Lignin. Hersteller sind häufig große Sägewerke, bei denen Späne als Nebenprodukt während der Produktion anfallen. 2 kg Holzpellets entsprechen dem Energiegehalt von ungefähr 1 l Heizöl. Auch Scheitholz wird von Wohneigentümern wieder vermehrt zum Heizen eingesetzt. Grundsätzlich eignet sich jede Baumart, um als Scheitholz verfeuert zu werden. Luftgetrocknetes Holz mit einem Wassergehalt zwischen 15 und 20 % besitzt einen durchschnittlichen Energiewert von 4 kWh/kg. Das Holz sollte möglichst trocken sein, ideal ist eine Lagerungszeit an der Luft unter einem Regenwasserschutz von 2 Jahren. Holz, das bei der Gewinnung von Nutzholz anfällt, sowie schwache und krumme Stämme werden auf die gewünschte Länge gesägt und gespalten. Durch das Spalten wird eine bessere Trocknung und Verbrennung erreicht. Zur Herstellung von Hackschnitzeln existieren mehrere gängige Verfahren. Zum einen werden in Sägewerken zur anderweitigen Verarbeitung nicht nutzbare Nadelholzstammteile direkt zerkleinert und können in einer Stückgröße von 10 bis 50 mm als Brennstoff für Heizkessel verwendet werden. Eine andere Möglichkeit der Hackschnitzelherstellung besteht in der Zerkleinerung von ansonsten nicht nutzbarem Rundholz im Forst. Abb. 15: Hackschnitzel A Verrottung B Verbrennung Abb. 16: Der CO2-neutrale Kreislauf durch Waldgesetze und Zertifizierungssysteme fest verankert. Aus Klimaschutzgründen soll die energetische Nutzung von Holz in der EU bis 2020 ausgebaut werden. Nachhaltig verfügbar In einigen EU-Mitgliedsstaaten wird Holz auch zur Stromerzeugung in Kraft- und Heizkraftwerken genutzt. Seit 1992 ist die Waldfläche in Deutschland jährlich um rund 176 km2 gewachsen. Jedes Jahr kommen pro Hektar 11,1 m3 Holz hinzu, woraus ein Holzvorrat von 3,4 Mrd. m3 resultiert. Mit diesen Werten liegt Deutschland in Mitteleuropa an der Spitze und noch vor „klassischen“ Waldländern wie Finnland und Schweden. Unterschiedliche Zielsetzungen der Bewirtschaftung in Europa sichern eine breite Verfügbarkeit. Die nachhaltige und umweltschonende Bereitstellung von Holz ist in Mitteleuropa zudem 17 Wie steht es mit Heizöl/Erdgas? 3,88 Mrd. Tonnen Bedarf: weltweite Ölförderung pro Jahr Reserven: technisch und wirtschaftlich gewinnbar 228 Mrd. Tonnen 410 Mrd. Tonnen Ressourcen: nachgewiesen oder geologisch möglich, aber derzeit technisch oder wirtschaftlich nicht gewinnbar Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe „Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen 2010“, Kurzstudie Was die fossilen Energien und ihre Vorräte betrifft, so unterscheidet die Fachwelt zwischen Reserven und Ressourcen. Bei den Reserven handelt es sich um Vorkommen von Erdöl oder Erdgas, die mit großer Genauigkeit erfasst wurden und die mit den derzeit zur Verfügung stehenden Möglichkeiten auch wirtschaftlich gewonnen werden können. Von Ressourcen hingegen spricht man bei Vorkommen von nachgewiesenen oder mit hoher Wahrscheinlichkeit erwarteten Abb. 17: Weltweite Ölreserven und -ressourcen 2010 Bedarf: weltweite Erdgasförderung pro Jahr Reserven: Sicher gewinnbare Erdgasreserven Platzhalter 2.897 Mrd. m3 187.200 3 Mrd. m Ressourcen: nachgewiesen oder geologisch möglich, aber derzeit technisch oder wirtschaftlich nicht gewinnbar Abb. 18: Weltweite Erdgasreserven und -förderung Rohstoffen, die derzeit entweder technisch nicht gewonnen werden können oder aber deren Abbau unter wirtschaftlichen Aspekten nicht rentabel ist. Aus Ressourcen werden Reserven, wenn sie z. B. durch verbesserte Techniken förderwürdig werden. dass Erdöl seine Funktion als bedeutendster Energieträger auch in den nächsten Jahren erfüllen kann. Konventionelle und unkonventionelle Wege Erdgas ist ein brennbares Naturgas, das sich unter Luftabschluss, erhöhter Temperatur und hohem Druck aus abgestorbenen marinen Kleinstlebewesen wie Mikroorganismen bildet. Erdgas lässt sich auch aus unkonventionellen Vorkommen mit aufwändigeren Techniken gewinnen, z. B. aus Kohleflözen, wo es an die poröse Kohle adsorbiert ist. Es wird beim Abbau von Steinkohle sowie im Zuge von mikrobiellen Prozessen freigesetzt. Der wesentliche Bestandteil ist das Methan (CH4). Unkonventionelles Erdgas ist derzeit vor allem in den USA in großen Mengen als „Schiefergas“ vorhanden und wird gefördert. „Erdgashydrate“ kommen noch hinzu. Erdgashydrat ist eine schneeförmige Verbindung zwischen Erdgas und Wasser, die bis zu einer Temperatur von 20 °C stabil bleibt. In Sibirien gibt es größere Lagerstätten, aber auch auf dem Meeresboden. Allerdings gibt es derzeit noch keine geeignete Technologie, um diese Ressourcen wirtschaftlich zu verarbeiten. Erdgas wird über eine Pipeline oder als Flüssigerdgas (LNG) transportiert. Unter Flüssigerdgas versteht man Die Weltreserven beim Erdöl belaufen sich nach den jüngsten Angaben der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) auf 228 Milliarden Tonnen (Gt). Diese Reserven bestehen aus 161 Gt konventionellem und 67 Gt nicht konventionellem Erdöl. Unter nicht konventionellem Erdöl fasst man Ölsande, Ölschiefer und Schwerstöle zusammen. Ölschiefer ist ein tonhaltiges Gestein, das Bitumen oder schwerflüchtige Öle enthält. Um daraus Erdöl zu gewinnen, muss das Gestein nach dem Abbau auf 500 °C erwärmt werden – ein Prozess, der nur durch die steigenden Ölpreise der letzten Jahre wirtschaftlich geworden ist. Als Ölsand wird eine Mischung aus Ton, Silikaten, Wasser und Kohlenwasserstoffen bezeichnet. Die Kohlenwasserstoffe von Ölsanden sind sehr unterschiedlich zusammengesetzt, von Bitumen bis hin zu normalem Rohöl. Große Vorkommen von Ölsand befinden sich im Nordwesten Kanadas. 18 Schwerstöle sind Öle mit einer Dichte über 1,0 g/cm3. Sie sind damit schwerer als Wasser. Abbau und Verarbeitung zu Rohöl sind sehr aufwändige Verfahren, auch wenn sie verbreiteter sind als bei Ölschiefern. Von den immensen Vorkommen wird nur ein Teil je wirtschaftlich förderbar sein, der aber trotzdem in Zukunft einen Beitrag zur Gesamtproduktion liefern kann. Die Ressourcen von Erdöl werden mit 410 Gt von der BGR beziffert. Sie untergliedern sich in 99 Gt konventionelles und 311 Gt nicht konventionelles Erdöl. Bei einem Jahresbedarf von 3,9 Gt für 2010 bedeutet die Menge von 638 Gt an Reserven und Ressourcen, Quellen: Oil & Gas Journal 2010, E. ON Ruhrgas Ressourcen und Reserven Erdgas in vielfältigen Formen EU-Rahmenbedingungen durch Abkühlung auf –164 bis –161 °C verflüssigtes Erdgas. Flüssigerdgas gewinnt als Transportmittel zunehmend an Bedeutung. Wie lange reichen die Vorräte? Erdöl ist mit einem Anteil von etwa 35 % am Primärenergieverbrauch der weltweit dominanteste Energieträger. Seit Beginn der industriellen Erdölförderung wurden weltweit etwa 159 Giga- tonnen (Gt) Erdöl gefördert. Damit entspricht der Verbrauch den heute ausgewiesenen Reserven an konventionellem Erdöl (161 Gt). Ende 2009 betrug das verbleibende Potenzial (Ressourcen und Reserven) rund 638 Gt. Erdgas ist mit einem Anteil von etwa 24 % am weltweiten Primärenergieverbrauch der drittgrößte Energieträger. Ähnlich wie bei Erdöl variieren die Aussagen zur Verfügbarkeit. Die weltweiten Reserven betrugen Ende 2009 etwa 187 Billionen m3. 2ESSOURCEN 2ESERVEN 0RODUKTION ¯ -ILLIARDEN 4ONNEN Abb. 19: Nie gab es mehr bekannte Ölvorkommen als heute 180 in 1.000 Mrd. m³ 160 140 120 100 Quelle: E. ON Ruhrgas 80 60 40 Statische Reichweite Reserven 20 0 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 1 m³= 11,5 kWh Abb. 20: Nie gab es mehr bekannte Gasvorkommen als heute 19 Energieberatung Potenziale nutzen, Effizienz steigern Rat und Tat für Bauherrn und Eigentümer Die größten Energieverbraucher in Europa sind die Gebäude: Wohnhäuser und Büros ebenso wie Werkhallen, Läden oder Schulen. Der Endenergiebedarf liegt europaweit bei rund 40 %, wovon der überwiegende Anteil der Deckung der Heizlast und der Trinkwassererwärmung dient. Die Energieeffizienz von Gebäuden wird auf 50 % geschätzt, was bedeutet, dass Gebäude doppelt so viel Energie verbrauchen, wie nach heutigem Stand eigentlich nötig wäre. Das kommt nicht von ungefähr: In Wohngebäuden wurde in den vergangenen Jahrzehnten fast gar nicht investiert. Überalterte Heizungsanlagen mit einem unnötig hohen Energieverbrauch, schlecht isolierte Fenster und Türen sowie ungedämmte Gebäude sind die Folge. Dieser Modernisierungsstau im Gebäudebestand soll nach Maßgabe der EU dringend behoben werden. Energieausweise können in Deutschland laut EnEV allein von qualifizierten Energieberatern ausgestellt werden. Dazu gehören beispielsweise Ingenieure und Architekten, die durch ihre Tätigkeiten oder Fortbildungen die dafür nötigen Fachkenntnisse erworben haben, Absolventen der Lehrgänge der Handwerkskammern zum geprüften „Gebäudeenergieberater (HWK)“ oder andere Experten, die eine Fortbildung nach den Kriterien des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) nachweisen können. In Deutschland sind derzeit rund 15.000 qualifizierte Energieberater tätig, die über diesen staatlich anerkannten Abschluss verfügen. Dieser berechtigt sie auch zu staatlich geförderten Beratungsleistungen, was für Eigentümer wichtig ist, weil sie Beratungskosten einsparen können. Energieverbrauch vergleichbar machen Anleitung zum Modernisieren Hinzu kommt der Aspekt der steigenden Energiekosten, der den großen Handlungsbedarf auch monetär belegt: In den letzten zehn Jahren sind die Energiekosten um mehr als 100 % gestiegen. Wer nicht in sein Gebäude investiert, zahlt also langfristig drauf. Seit Anfang des Jahrtausends setzt die europäische Politik deshalb darauf, die Energieeffizienz im Gebäudesektor umfassend zu verbessern. Mit verschiedenen gesetzlichen Regelungen soll der Gebäudesektor maßgeblich dazu beitragen, das Gesamtziel der EU, 20 % Energie einzusparen, zu erreichen. Staatliche Fördermittel unterstützen Eigentümer beim energieffizienten Bauen und Sanieren. Wer einen hohen Energieverbrauch hat, Modernisierungsmaßnahmen plant oder seine Heizungsanlage austauschen will, braucht mittlerweile fachliche Unterstützung. Auch die hohen Anforderungen an Wärmeschutz und Energieeinsparung in den EU-Mitgliedsstaaten machen Energieberatungen zunehmend erforderlich. Energieberater ermitteln den energetischen IstZustand des Gebäudes. Darauf aufbauend erarbeiten sie Modernisierungsmaßnahmen, die die Qualität des Gebäudes und der Heizungstechnik verbessern und gleichzeitig den Komfort und die Behaglichkeit steigern. Dadurch können Immobilienbesitzer den Energieverbrauch senken, die Umwelt schonen und den Wert des Gebäudes steigern. Durch Energieausweise und -beratungen sollen so neue Impulse in den Modernisierungsmarkt gelangen. Energiebedarf versus Energieverbrauch Eine dieser Regelungen auf EU-Ebene ist die Richtlinie 2010/31/EU („EPBD Energy Performance of Buildings Directive“) zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden, die die Basis für die Einführung von Energieausweisen in den Mitgliedsstaaten ist. Energieausweise bewerten Gebäude hinsichtlich ihres Energiebedarfs – ganz gleich ob Wohnhaus, Fabrik oder Bürogebäude. Bei der Errichtung, Änderung oder Erweiterung von Gebäuden muss ein Energieausweis für das betreffende Gebäude ausgestellt werden. Energieausweis ist Pflicht Käufern, Mietern oder auch Pächtern von Grundstücken, Häusern oder Wohnungen ist auf Verlangen ein Energieausweis vorzulegen. In Deutschland ist diese Vorgabe durch die EnEV umgesetzt. Das betrifft auch öffentliche Gebäude wie Ämter oder Schulen mit mehr als 500 m2 Fläche, die ihren Energieausweis sichtbar im Gebäude aushängen müssen. Energieausweise bei Neubau oder Umbau von Gebäuden sind auf der Grundlage des Energiebedarfs zu erstellen. 20 Quelle: Bausparkasse Schwäbisch Hall EU-Rahmenbedingungen Abb. 21: Thermografiebild eines Hauses Abb. 22: Energieberatung Abb. 23: Muster des Energieausweises 21 22 Modernisierungsbeispiele Modernisierungsbeispiele Moderne Heizungssysteme System Gas-Brennwerttechnik mit Solarthermie System Brennwerttechnik mit Wohnungslüftung im Mehrfamilienhaus System Öl-Brennwerttechnik System multivalente Heizungsanlage System Luft-Wasser-Wärmepumpe System Sole-Wasser-Wärmepumpe System Holz-Pelletkessel mit solarer Warmwasserbereitung System Holzvergaserkessel mit solarer Warmwasserbereitung System Mini-KWK-Anlage im Mehrfamilienhaus 23 Moderne Heizungssysteme Energieeffizienz und erneuerbare Energien Für Neubau und Altbausanierung sowie für alle Energieträger stehen optimale Systemlösungen der Heizungstechnik zur Verfügung. Die Entscheidung für das eine oder andere System hängt von den Rahmenbedingungen ab, insbesondere von der Heizlast des Gebäudes, seinem Verwendungszweck, Ausrichtung, Grundstücksgröße und nicht zuletzt den Präferenzen der Investoren. Die dargestellten Systeme für die Versorgung von Gebäuden mit Wärme, Warmwasser und zur Wohnungslüftung gelten international als Stand der Technik. Sie zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus, d. h., sie wandeln Energieträger wie Gas, Öl und Strom hocheffizient in Wärme um und nutzen hierbei bereits erneuerbare Energien. Der Systemgedanke steht immer im Vordergrund Die Energieeinsparpotenziale moderner Wärmeerzeuger kommen nur zum Tragen, wenn die übrigen Komponenten des Heizungssystems optimal aufeinander abgestimmt sind. Wärmeerzeugung, -speicherung, -verteilung und -übergabe sind somit immer als Gesamtsystem zu betrachten. So sind großflächige Wärmeübergabesysteme in Form von Flächenheizungen (z. B. Fußbodenheizungen) oder richtig dimensionierte Heizkörper die Voraussetzung um niedrige Systemtemperaturen im Heizungssystem zu realisieren. Nur so können die hohen Effizienzwerte von Wärmepumpen, Gas- oder Ölbrennwertkesseln erreicht und solarthermische Energie sinnvoll eingebunden werden. Mit modernen Speichersystemen lässt sich Warmwasser zu Trinkwasserzwecken und für die Heizungsunterstützung energieeffizient und hygienisch zwischenspeichern. Moderne Hocheffizienzpumpen, Thermostatventile und Armaturen sowie die Durchführung des hydraulischen Abgleichs sorgen für eine energieeffiziente Wärmeverteilung bei gleichzeitig niedrigem F Solarthermie H Lüftungsanlage I Fußbodenheizung J Heizkörper Mini-KWK Wärmepumpe (Luft-Wasser, Sole-Wasser, Wasser-Wasser) A Gas-Brennwertkessel B Öl-Brennwertkessel C Holzkessel (Pellet, Scheitholz,Hackschnitzel) D E Abb. 24: Übersicht der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten 24 Stromverbrauch. Intelligente Regelungs- und Kommunikationseinrichtungen ermöglichen das optimale Zusammenspiel aller Komponenten. Beim Einsatz von fossilen Brennstoffen sorgen moderne Abgasanlagen für die sichere Abführung der Abgase und ermöglichen gleichzeitig niedrige Abgastemperaturen. Beim Betrieb einer Ölheizungsanlage stehen moderne Öltanksysteme in verschiedensten Varianten zur Verfügung. Solarthermische Energie lässt sich bei allen Heizungssystemen zur Unterstützung der Trinkwassererwärmung und Gebäudeheizung nutzen. Unabhängig vom Heizungssystem reduzieren Anlagen zur kontrollierten Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung den Energiebedarf deutlich und sorgen gleichzeitig für die erforderlichen hygienischen Luftbedingungen im Gebäude. Da die Erzeugung von Strom mit PV-Anlagen grundsätzlich unabhängig vom Heizungssystem abläuft, kann die solare Stromerzeugung parallel zu allen Systemen betrieben werden. Modernisierungsbeispiele Energieeffizienz und erneuerbare Energien Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung H Solarthermieanlage F J Heizkörper Fußbodenheizung I Warmwasserspeicher G A B C D E Gas-Brennwertkessel Öl-Brennwertkessel Holzkessel (Pellet, Scheitholz, Hackschnitzel) Mini-KWK-Anlage Wärmepumpe (LuftWasser, Sole-Wasser, Wasser-Wasser) Abb. 25: Moderne Heizungssysteme 25 System Gas-Brennwerttechnik mit Solarthermie Anlagenmerkmale Gut geeignet für Anlagenmodernisierung Einfache Einbindung von solarthermischen Anlagen Nutzung von Bio-Erdgas über Gasnetz möglich Raumluftunabhängiger Betrieb möglich Im Ein- und Zweifamilienhausbereich gewöhnlich keine Neutralisation des Kondensats erforderlich (Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 251) Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Einfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 150 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Sanierungsmaßnahmen Moderner Gas-Brennwertkessel Solare Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung Geregelte Pumpen Anpassung der Heizflächen und neue Thermostatventile Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Sanierung der Abgasanlage Jährlicher Energiebedarf 4.290 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 2.092 m3/a Gas nach der Sanierung Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a 100 kWh/m2a 150 kWh/m2a Vor der Sanierung 200 kWh/m2a 250 kWh/m2a 164 kWh/m2a 325 kWh/m2a -50 % 26 300 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele 27 System Brennwerttechnik mit Wohnungslüftung im Mehrfamilienhaus Anlagenmerkmale Gut geeignet für Anlagenmodernisierung Gas-/Öl-Brennwerttechnik als zentraler Wärmeerzeuger Nutzung von Solarthermie zur Unterstützung der Warmwasserbereitung Kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung sorgt für eine hohe Luftqualität im Gebäude und minimiert die Lüftungswärmeverluste Nutzung von Bio-Erdgas über Gasnetz bzw. Beimischung von Bioöl möglich Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Mehrfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 8 x 82 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Jährlicher Energiebedarf Sanierungsmaßnahmen Moderner Gas-/Öl-Brennwertkessel Solare Trinkwassererwärmung Kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung Sanierung der Gebäudehülle entsprechend KfW-Effizienzhaus100-Standard Geregelte Pumpen Anpassung der Heizflächen und neue Thermostatventile Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Sanierung der Abgasanlage 14.700 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 3.300 m3/a (l/a) Gas (Öl) nach der Sanierung Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a Vor der Sanierung 100 kWh/m2a 150 kWh/m2a 64 kWh/m2a 250 kWh/m2a 246 kWh/m2a -74 % 28 200 kWh/m2a 300 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele 29 System Öl-Brennwerttechnik Anlagenmerkmale Gut geeignet für Anlagenmodernisierung Einfache Einbindung von solarthermischer Energie Beimischung von bis zu 10 % flüssiger Biomasse möglich (Herstellerangaben beachten) Raumluftunabhängiger Betrieb möglich Bei schwefelarmem Heizöl ist bis 200 kW Kesselleistung keine Neutralisation des Kondensats erforderlich (Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 251) Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Einfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 150 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Sanierungsmaßnahmen Moderner Öl-Brennwertkessel Solare Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung Geregelte Pumpen Anpassung der Heizflächen und neue Thermostatventile Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Sanierung der Abgasanlage Jährlicher Energiebedarf 4.290 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 2.092 l/a Öl nach der Sanierung Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a 100 kWh/m2a 150 kWh/m2a Vor der Sanierung 200 kWh/m2a 250 kWh/m2a 164 kWh/m2a 325 kWh/m2a -50 % 30 300 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele 31 System multivalente Heizungsanlage Anlagenmerkmale Gas-/Öl-Brennwertkessel mit solarthermischer Anlage und Holz-Einzelraumfeuerstätte mit integrierter Wassertasche Gas-/Öl-Brennwertkessel als Grundlastwärmeerzeuger Vollständige Warmwasserbereitung während der Sommerperiode über thermische Solaranlage Einbindung des Kamin-/Pelletofens in das Heizungssystem über integrierten Wasserwärmetauscher Wärmespeicherung über Kombi- bzw. Puffer- und Trinkwarmwasserspeicher Einsparung von Gas/Öl durch Nutzung von erneuerbaren Energien Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Einfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 150 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Sanierungsmaßnahmen Jährlicher Energiebedarf Moderner Gas-/Öl-Brennwertkessel Solarthermische Anlage Holz-Einzelraumfeuerstätte mit integrierter Wassertasche Moderner Kombispeicher Geregelte Pumpen Anpassung der Heizflächen und neue Thermostatventile Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Sanierung der Abgasanlage 4.290 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 1.684 m3/a (l/a) Gas (Öl) nach der Sanierung 6,4 Rm/a Hartholz (2,6 t/a Pellets) nach der Sanierung Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a 100 kWh/m2a 150 kWh/m2a Vor der Sanierung 200 kWh/m2a 250 kWh/m2a 152 kWh/m2a 325 kWh/m2a -53 % 32 300 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele 33 System Luft-Wasser-Wärmepumpe Anlagenmerkmale Außenluft als Wärmequelle ist leicht nutzbar und immer verfügbar Innen- oder Außenaufstellung möglich Geringer Platzbedarf durch Wegfall des Brennstofflagers Integrierte Kühlung durch Heiz- und Kühlkonvektoren möglich Emissionsfrei am Aufstellort, kein Abgassystem (Schornstein) notwendig Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Einfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 150 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Sanierungsmaßnahmen Einbau einer Luft-WasserWärmepumpe Einbau eines Pufferspeichers Neuer, indirekt beheizter Warmwasserspeicher Integrierte, geregelte Hocheffizienzpumpen Anpassung der Heizflächen Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Jährlicher Energiebedarf 4.290 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 48.607 kWh/a Primärenergie vor der Sanierung 9.873 kWh/a Strom nach der Sanierung 26.608 kWh/a Primärenergie nach der Sanierung Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a 100 kWh/m2a 150 kWh/m2a Vor der Sanierung 200 kWh/m2a 250 kWh/m2a 178 kWh/m2a 325 kWh/m2a -45 % 34 300 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele 35 System Sole-Wasser-Wärmepumpe Anlagenmerkmale Vertikale Erdwärmesonden – ganzjährig gleichbleibende Temperatur der Wärmequelle Integration aktiver und sehr effizienter passiver Kühlung Geringer Platzbedarf für die Bohrung Zusätzliche Nutzfläche im Gebäude durch den Wegfall des Brennstofflagers Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Einfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 150 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Sanierungsmaßnahmen Jährlicher Energiebedarf Einbau einer Sole-Wasser-Wärmepumpe Einbau eines Pufferspeichers Solare Trinkwassererwärmung Kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung Überprüfung der Heizflächen Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Einbau einer Solaranlage Erstellung einer luftdichten Gebäudehülle mit zusätzlicher Wärmedämmung zur Erreichung des KfW-70-Standards 4.290 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 2.800 kWh/a Strom nach der Sanierung 48.607 kWh/a Primärenergie vor der Sanierung 8.753 kWh/a Primärenergie nach der Sanierung Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a Vor der Sanierung 100 kWh/m2a 150 kWh/m2a 200 kWh/m2a 59 kWh/m2a 300 kWh/m2a 325 kWh/m2a -82 % 36 250 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele 37 System Holz-Pelletkessel mit solarer Warmwasserbereitung Anlagenmerkmale Gut geeignet für Anlagenmodernisierung und Neubau Vollständige Warmwasserbereitung über solarthermische Anlage während der Sommermonate Deckt Wärmebedarf des Hauses vollständig ab Niedrige Emissionswerte und hoher Anlagenwirkungsgrad Raumluftunabhängiger Betrieb möglich Vollautomatischer modulierender Betrieb und Pelletzufuhr Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Einfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 150 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Sanierungsmaßnahmen Jährlicher Energiebedarf Holz-Pelletkessel Solare Trinkwassererwärmung Geregelte Pumpen Anpassung der Heizflächen und neue Thermostatventile Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Sanierung der Abgasanlage 4.290 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 6,4 t/a Pellets nach der Sanierung 48.600 kWh/a Primärenergie vor der Sanierung 8.040 kWh/a Primärenergie nach der Sanierung Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a Vor der Sanierung 100 kWh/m2a 150 kWh/m2a 200 kWh/m2a 54 kWh/m2a 300 kWh/m2a 325 kWh/m2a -83 % 38 250 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele 39 System Holzvergaserkessel mit solarer Warmwasserbereitung Anlagenmerkmale Gut geeignet für Anlagenmodernisierung Vollständige Warmwasserbereitung während der Sommermonate über solarthermische Anlage Deckt vollständig den Wärmebedarf des Gebäudes ab Innovative Leistungs- und Verbrennungsregelung ermöglicht geringe Emissionen, konstante Leistungen und hohe Wirkungsgrade Hoher Komfort durch lange Nachlegeintervalle von Scheitholz Einfach und komfortabel zu bedienen Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Einfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 150 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Sanierungsmaßnahmen Moderner Holzvergaserkessel Solare Trinkwassererwärmung Geregelte Pumpen Anpassung der Heizflächen und neue Thermostatventile Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Sanierung der Abgasanlage Jährlicher Energiebedarf 4.290 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 16 Rm/a Hartholz nach der Sanierung 48.600 kWh/a Primärenergie vor der Sanierung 8.040 kWh/a Primärenergie nach der Sanierung Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a Vor der Sanierung 100 kWh/m2a 150 kWh/m2a 200 kWh/m2a 54 kWh/m2a 300 kWh/m2a 325 kWh/m2a -83 % 40 250 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele 41 System Mini-KWK-Anlage im Mehrfamilienhaus Anlagenmerkmale Gut geeignet für Einsatz in Mehrfamilienhäusern und kleineren Gewerbebetrieben Effiziente Nutzung des Energieträgers durch gleichzeitige Strom- und Wärmeerzeugung Reduzierung der Stromkosten durch Nutzung des selbst erzeugten Stroms Zusatzeinnahmen bei Einspeisung in das öffentliche Stromnetz Geräuscharmer Betrieb durch spezielle Wärme- und Schalldämmgehäuse Kombinierbar mit Gas-/Öl-Brennwertkessel zur Abdeckung der thermischen Spitzenlasten Modernisierungsbeispiel: Frei stehendes Mehrfamilienhaus Teilsaniertes Gebäude, Baujahr 1970 Nutzfläche 8 x 82 m2 Bauweise massiv/verputzt Alter Heizkessel Gas/Öl Sanierungsmaßnahmen Jährlicher Energiebedarf Neue Mini-KWK-Anlage mit Pufferspeicher und neuer Brennwertkessel (Spitzenlast) Geregelte Pumpen Anpassung der Heizflächen und neue Thermostatventile Dämmung der Verteilleitungen Hydraulischer Abgleich Sanierung der Abgasanlage 1) 14.270 m3/a (l/a) Gas (Öl) vor der Sanierung 14.919 m3/a (l/a) Gas (Öl) nach der Sanierung 31.267 kWh Stromerzeugung 1) Zusätzliche Stromerzeugung zur Eigennutzung und Einspeisung in das Netz. Jahres-Primärenergiebedarf Nach der Sanierung 50 kWh/m2a 100 kWh/m2a Vor der Sanierung 150 kWh/m2a 200 kWh/m2a 130 kWh/m2a 246 kWh/m2a -47 % 42 250 kWh/m2a 300 kWh/m2a 350 kWh/m2a Modernisierungsbeispiele Anmerkung: neuer Brennwertkessel in Systemhaus nicht dargestellt 43 44 Technologien/Produkte Technologien/Produkte Prinzip der Brennwertnutzung (Gas) Prinzip der Brennwertnutzung (Öl) Prinzip Wärmepumpe – mehr als nur eine Heizung Effiziente Wärmequellen Solarthermische Anlagen Solarthermische Anlagen: Komponenten Photovoltaik Wärme aus Holz Die Strom erzeugende Heizung Wärmeverteilung Flächenheizung/-kühlung Heizkörper Lüftungssysteme Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung/ Feuchterückgewinnung Speichertechnik Abgasanlagen – flexibel einsetzbare Systeme für viele Anwendungsbereiche Tanksysteme Intelligente Regelungs- und Kommunikationstechnik 45 Prinzip der Brennwertnutzung (Gas) Effiziente Wärmeversorgung Ausgereifte Technik Die Brennwerttechnik mit Erdgas trägt zur Energie- und Kosteneinsparung in der häuslichen Wärmeversorgung bei. ErdgasBrennwertgeräte arbeiten sehr effizient, weil sie auch die in den Verbrennungsabgasen enthaltene Kondensationswärme des Wasserdampfes nutzen. Wer sich also für die Erdgas-Brennwerttechnik entscheidet, wählt eine besonders umweltschonende und bequeme Art der Wärmeerzeugung. Moderne Brennwertgeräte sind in der Lage, die benötigte Wärme für Heizung und Warmwasser umweltfreundlich und ressourcenschonend bereitzustellen. Es können auf den Brennwert bezogene Nutzungsgrade von bis zu 98 % erreicht werden. Aufgrund dieser Vorteile sind Erdgas-Brennwertgeräte nicht nur für neue Anlagen, sondern auch bei der Modernisierung bestehender Heizungssysteme häufig die erste Wahl. Hierbei liegt die Hauptheizlast selbst bei einer Auslegung von 80/75 °C zum größten Teil im Bereich der Brennwertnutzung. In Deutschland wurden im Jahr 2010 rund 335.000 Erdgas-Brennwertkessel verkauft. Mit einem Marktanteil von rund 55 % nehmen sie den ersten Platz in der Verkaufsstatistik der zentralen Wärmeerzeuger ein. Die Brennwertgeräte decken nahezu alle Leistungsbereiche ab. Die Wandgeräte leisten bis zu 100 kW. In Kaskaden hintereinandergeschaltet lässt sich diese Leistung sogar auf mehrere 100 kW erhöhen. Bodenstehende Kessel werden bis in den Megawatt-Bereich angeboten. Nach mehr als zwanzig Jahren ist die Gas-Brennwerttechnik ausgereift, was gleichwohl für den Komfort und die Emissionen gilt. Zudem trägt ihr modernes Design dazu bei, dass sich die Geräte unauffällig in ihre Umgebung einfügen. Durch die sehr geräuscharme und geruchslose Funktionsweise der Geräte lassen sich diese problemlos in nahezu allen Bereichen eines Gebäudes installieren. Ihr Platzbedarf ist gering und eine Brennstofflagerung nicht erforderlich. Darüber hinaus können auch stark schwankende Leistungsanforderungen für Heizung und Warmwasser effizient abgedeckt werden. A B C D E F G 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0% A B C D E H A Luft D Erdgas G Abgas B Gebläse E Heizungsvorlauf H Kondensatablauf C Gasventil F Heizungsrücklauf Abb. 26: Schema eines Brennwertgerätes 46 A Standardkessel (vor 1978) D Erdgas-Brennwertkessel + Solarenergie (Trinkwarmwasser) B Niedertemperaturkessel E C Erdgas-Brennwertkessel Erdgas-Brennwertkessel + Solarenergie (Trinkwarmwasser und Heizungsunterstützung) Abb. 27: Kohlendioxid-Emissionen Technologien/Produkte Alter Kessel Brennwertkessel 100 % Energieeinsatz 100 % Energieeinsatz (Bei Systemtemperatur 30/40 °C) +10 % +10 % Kondensationswärme 8% nicht nutzbare 2 % Kondensationswärme 90 % 90 % +10 % 98 % 90 % 97 % 77 % 1 % Abgasverluste 13 % 96 % 57 % 1 % Oberflächenverluste 20 % Nutzungsgrad (Bezug: Brennwert) Abb. 28: Effizienzvergleich alter Kessel und Erdgas-Brennwertkessel Kesselwirkungsgrad (brennwertbezogen) Brennwertkessel 40 °C/30 °C Brennwertkessel 75 °C/80 °C NT-Kessel 75 °C/80 °C Außentemperatur in °C Abb. 29: Wirkungsgradvergleich Brennwert- und NT-Kessel 47 Prinzip der Brennwertnutzung (Öl) Nutzung des Brennwerteffektes Heizwert und Brennwert sind physikalische Größen, die der Charakterisierung von Brennstoffen dienen. Der Heizwert gibt darüber Auskunft, wie viel Energie in einem Brennstoff steckt. Er bezeichnet die Wärmemenge, die bei der Verbrennung und anschließenden Abkühlung auf die Ausgangstemperatur des brennenden Gemisches frei wird, wobei das Verbrennungswasser noch dampfförmig vorliegt. Der Brennwert berücksichtigt sowohl die notwendige Energie zum Aufheizen der Verbrennungsluft und der Abgase als auch die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme von Wasser. Er kennzeichnet folglich den gesamten Energiegehalt eines Stoffes und ist um den Betrag der Verdampfungswärme höher als der Heizwert. Heizöl ist ein fossiler Brennstoff, der Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C) enthält. Bei der Verbrennung von Heizöl entstehen durch die Reaktion mit Luftsauerstoff (O2) Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2). Werden die Abgase des Verbrennungsprozesses durch Wärmetauscher mit dem kälteren Wasser im Heizungsrücklauf gekühlt, kondensiert der in ihnen enthaltene Wasserdampf und die gebundene Kondensationswärme wird frei. Wann die Kondensation des Wasserdampfs im Abgas – und damit der Brennwert- Brennwert effekt – beginnt, hängt vom Wasserstoffgehalt des Brennstoffs bzw. vom Wasserdampfgehalt des Abgases ab. Bei Heizöl EL (extra leichtflüssig) liegt die sogenannte Taupunkttemperatur bei rund 47 °C. In der Praxis fallen je nach Heizungsanlage bei der Verbrennung von 1 l Heizöl (ca. 10,68 kWhHs) etwa 0,5 bis 1 l Kondensat an. Aufgrund der relativ niedrigen Abgastemperatur von 45 bis 50 °C genügt bei der Ableitung der Abgase von ÖlBrennwertkesseln der Einsatz eines Kunststoffrohrs. Hoher Wirkungsgrad Die moderne Öl-Brennwertheizung ist eine effiziente Technik zur Wärmeerzeugung im Haus. Mit ihrer Hilfe lässt sich der Energiegehalt des eingesetzten Brennstoffs auf optimale Weise nutzen. Bezogen auf den Brennwert erzielt die Öl-Brennwerttechnik einen Nutzungsgrad von bis zu 98 %. Die Auslegung auf möglichst niedrige Rücklauftemperaturen wirkt sich generell vorteilhaft auf den Nutzungsgrad aus. Auch bei Modernisierungen ist die Öl-Brennwertnutzung sinnvoll, da die Hauptheizlast selbst bei einer Auslegung von 70/55 °C zum größten Teil im Bereich der Brennwertnutzung liegt. Ein konventioneller Heizkessel dagegen nutzt die Abwärme nicht, sondern führt die im Abgas Heizwert Kondensationswärme (/ #/ (/ (/ Heizöl EL reine Temperaturdifferenz (fühlbare/sensible Wärme) Kondensationswärme/ (latente Wärme) Abb. 30: Energiegehalt von Heizöl ca. 160 ˚C heiße Abgase ca. 40 ˚C entwärmte Abgase Wärmetauscher Zusätzlicher Wärmegewinn Energie Ölgerät Wärme Abb. 31: Öl-Brennwerttechnik bringt zusätzlichen Wärmegewinn 48 Energie Ölgerät Wärme A Technologien/Produkte E E H J H I J H I GG K B D AA F EE J K DD K K F H BB K K D I K FF C C CC zur solaren Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung assererwärmung undKombispeicheranlage Heizungsunterstützung (LAS) den A Kollektor D für Kombispeicher A Kollektor D Kombispeicher G Luft-Abgas-System raumluftunabhängigen Betrieb E Warmwasser B Solarstation E Warmwasser Warmwasser Warmwasser B Solarstation C Kaltwasserzulauf F Öl-Brennwertkessel Kombispeicher C Kaltwasserzulauf Öl-Brennwertkessel Öl-Brennwertkessel den H Außenrohr G Luft-Abgas-System (LAS)HfürAußenrohr raumluftunabhängigen Betrieb J H Außenrohr Abgas Feuchtunempfindliches I Innenrohr K Verbrennungsluft Feuchtunempfindliches Feuchtunempfindliches I Innenrohr I Innenrohr F Öl-Brennwertkessel Abb. 32: Kombispeicher zur solaren Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung Sauber für die Umwelt Heizöl EL (extra leichtflüssig) ist ein nach DIN 51603-1 genormter Brennstoff, der nach dieser Norm in zwei Qualitäten hergestellt wird. Die Qualitäten unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihren Schwefelgehalt. Heizöl EL Standard hat einen Grenzwert für den Schwefelgehalt von 1.000 ppm (mg/kg), bei Heizöl EL schwefelarm liegt dieser Grenzwert bei 50 ppm. Bei der Verbrennung von Heizöl EL bildet sich Schwefeldioxid (SO2), das bei Kontakt mit dem Kondenswasser eine Säure bilden und damit Korrosionsschäden verursachen kann. Deshalb werden an Öl-Brennwertgeräte, die mit Standard-Heizöl EL betrieben werden, hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit gestellt. Darüber hinaus muss das Kondenswasser grundsätzlich neutralisiert werden. Schwefelarmes Heizöl weist gegenüber normalem Heizöl wesentliche Vorteile auf. Mit schwefelarmem Heizöl lassen sich die Schadstoffe im Abgas auf ein Minimum reduzieren, außerdem kann die Neutralisation des Kondensats bis zu einer Nennleistung des Wärmeerzeugers von 200 kW entfallen. Aus diesem Grund wird Heizöl EL schwefelarm von führenden Heizgeräteherstellern empfohlen und verdrängt nach und nach das Standardheizöl. Das schwefelarme Heizöl ist optimal auf die Anforderungen der Brennwerttechnik abgestimmt und auch für Niedertemperaturkessel von Vorteil. Schwefelarmes Heizöl verbrennt sehr sauber und sichert einen gleichbleibend guten Wärmeübergang im Kessel. Daraus resultieren ein dauerhaft hoher Wirkungsgrad und eine hohe Betriebssicherheit des Kessels. Seit 2009 ist schwefelarmes Heizöl gegenüber Heizöl EL Standard in Deutschland steuerlich begünstigt. Der Gesetzgeber fördert damit den Einsatz von schwefelarmem Heizöl und schafft eine wichtige Voraussetzung für einen breiten Einsatz der Öl-Brennwerttechnik. Zudem lässt sich Öl-Brennwerttechnik hervorragend mit Solarthermie kombinieren. Die Solarkollektoren unterstützen die Warmwasserbereitung und je nach Anlagenausführung auch die Beheizung des Gebäudes. Beispiel: Heizkörper (Auslegung 70/55 ºC) 90 80 Temperatur (ºC) enthaltene Energie direkt über den Schornstein an die Umwelt ab. Die Öl-Brennwerttechnik erreicht so höchste Nutzungsgrade bei geringstem Brennstoffverbrauch und minimalen Emissionen. Kondensationsbreich 70 °C Vorlauf 70 60 55 °C Rücklauf Taupunkttemperatur (Heizöl ca. 47 º C) 50 40 30 -6 °C 20 20 15 10 5 0 -5 Außentemperatur (ºC) -10 -15 Abb. 33: Einfluss Heizsystemtemperatur auf Kondensationsverhalten 49 Prinzip Wärmepumpe – mehr als nur eine Heizung Energie aus Luft, Wasser und Erde Mit einer Wärmepumpe wird die im Boden oder in der Umwelt gespeicherte Energie für Heizzwecke nutzbar gemacht. Wärmepumpen werden meist mit Strom angetrieben, doch während Gas-Wärmepumpen inzwischen in den Markt eingeführt werden, befinden sich Öl-Wärmepumpen derzeit noch in der Testphase. Elektrische Wärmepumpen sind sehr wirtschaftlich: Eine Wärmepumpe mit der Jahresarbeitszahl 4,0 kann aus einem Kilowatt Antriebsstrom rund vier Kilowatt Wärme erzeugen. Wärmepumpen werden exakt an den individuellen Wärmebedarf angepasst, um eine hohe Effizienz zu erreichen. Heizen, Kühlen, Lüften Je höher die Temperatur der Wärmequelle ist, umso effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Die Quellentemperatur sollte im Jahres verlauf möglichst wenig schwanken und langfristig verfügbar sein. Je geringer der Aufwand zur Erschließung der Wärmequelle ist, desto geringer sind auch die Investitionen für diese umweltfreundliche Heizungstechnik. Moderne Wärmepumpen heizen, bereiten auf Wunsch auch das Trinkwarmwasser auf und lassen sich je nach Modell zusätzlich zum Lüften und Kühlen eines Gebäudes einsetzen. Wärmepumpen arbeiten nahezu wartungsfrei. Durch den leisen Betrieb wird Wohnkomfort gewährleistet. Wärmepumpen sind vor allem dann eine effiziente Alternative, wenn sie mit niedrigen Systemtemperaturen und ausreichend dimensionierten Heizflächen (Flächenheizung, Heizkörper) kombiniert werden. Wenn sie ihren Antriebsstrom aus erneuerbaren Quellen wie Windkraft oder Photovoltaik decken, arbeiten sie praktisch emissionsfrei. Da mit einer Wärmepumpe fossile Energie nachhaltig eingespart und so zum Klimaschutz beigetragen wird, gibt es von vielen Stellen finanzielle Förderungen: Bund, Länder und Gemeinden bieten bei der Anschaffung einer neuen Wärmepumpe verschiedene Förderprogramme mit attraktiven Zuschüssen an. E F A C D B Abb. 34: Funktionsprinzip einer motorisch angetriebenen Wärmepumpe 50 A Kompressor B Expansionsventil C Verdampfer D Kondensator E Wärmequelle F Wärmenutzungsanlage Technologien/Produkte A &F 'G (H )I ! A Heizwärme B Nutzenergie C Umweltwärme D Vom Kunden zu bezahlende Energie E Primärenergie B" Verluste D$ C# F Regelung und Verteilung G Stromverteilung H Kraftwerk I Bereitstellung und Transport E% Abb. 35: Energiefluss am Beispiel einer Elektro-Wärmepumpe Viele Energieversorger bieten spezielle Stromtarife für die Betreiber von Wärmepumpen an. Auch in anderen Ländern wie Schweden, der Schweiz und Österreich hat sich die Wärmepumpe als Heizungssystem etabliert. Fast 90 % aller Neubauten werden in Schweden mit Wärmepumpen ausgestattet, in der Schweiz sind es annähernd 75 %. gespeicherte Wärme an das Heizungswasser ab und kondensiert wieder. Die nachfolgende Entspannung und Abkühlung des Kältemittels ist die Voraussetzung, dass dieser Kreislauf erneut ablaufen kann. Ein geschlossener Kreislauf Das technische Prinzip der Wärmepumpe entspricht dem umgekehrten Prinzip eines Kühlschranks: Ein Kältemittel entzieht der Umwelt Wärme und verdampft dabei. Danach wird das Kältemittel in einem Verdichter komprimiert. Dadurch steigen Druck und Temperatur des Kältemittels. Das so auf ein höheres Temperaturniveau gebrachte Kältemittel gibt anschließend die 51 Effiziente Wärmequellen Grundwasser, Luft oder Geothermie können als Wärmequelle für Wärmepumpen genutzt werden. Aber auch Ab- oder Prozesswärme kann als Energiequelle dienen. Es wird zwischen drei häufig eingesetzten Arten von Wärmepumpen unterschieden: Sole-Wasser-Wärmepumpen Diese Form der Wärmepumpe nutzt die Erdwärme (Geothermie) als Wärmequelle. Dafür wird das Erdreich bis zu 200 Meter tief erschlossen, um durchschnittliche Erdreichtemperaturen von 10 °C nutzen zu können. Diese Wärme wird dem Erdboden entzogen und an das jeweilige Heizsystem weitergeleitet. SoleWasser-Wärmepumpen erreichen hohe Jahresarbeitszahlen zwischen 3,8 und 5,0. Sole-Wasser-Wärmepumpen gibt es in verschiedenen Bauformen, als einfaches Basisgerät oder Kompaktgerät mit integriertem Trinkwarmwasserspeicher. Durch die freie Kühlfunktion kann man sie auch nutzen, um Räume im Sommer zu temperieren. Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen zur Wärmequellenerschließung eine Frostschutzflüssigkeit (oft als Sole bezeichnet), die in Kunststoffrohren zirkuliert. Diese werden im Erdreich verlegt, um so der Umwelt Wärme zu entziehen. Bei der Erschließung des Erdreichs wird zwischen zwei verschiedenen Bauweisen unterschieden, die von äußeren Umständen abhängig sind: Ist das Grundstück groß, ist es möglich, einen Erdreichkollektor zu verlegen. Erdreichkollektoren sind Rohre aus Polyethylen, die in 1,2 bis 1,5 m Tiefe im Garten verlegt werden. Der Abstand zwischen den Rohren muss 0,5 bis 0,8 m betragen. Rund 25 m2 Fläche reichen für ein Kilowatt Heizleistung aus. Nach der Verlegung der Kollektoren wird das Erdreich wieder geschlossen. Ist diese Option aus Platzgründen nicht möglich, können Erdwärmesonden genutzt werden. Als Erdwärmesonde bezeichnet man U-Rohre aus Polyethylen, bis zu mehrere Hundert Meter tief reichen. Erdwärmesonden lassen sich auch zur Kühlung nutzen. Abb. 36: Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit Saugund Schluckbrunnen Abb. 38: Splitsystem Abb. 37: Innen aufgestellte Luft-Wasser-Wärmepumpe 52 Abb. 39: Außen aufgestellte Luft-Wasser-Wärmepumpe Technologien/Produkte Abb. 40: Erdgekoppelte Wärmepumpe mit vertikaler Sondenanlage Abb. 41: Erdgekoppelte Wärmepumpe mit Erdreichkollektor Wasser-Wasser-Wärmepumpen Luft-Wasser-Wärmepumpen Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird die Wärme über ein Brunnensystem aus dem Grundwasser entzogen. Ein Saugbrunnen fördert das Wasser hoch und die Wärmepumpe entzieht dem Wasser die Wärme. Anschließend wird das abgekühlte Wasser über einen Schluckbrunnen zurück ins Grundwasser geleitet. Da diese Wärmepumpe das nahezu gleichmäßig hohe Temperaturniveau des Grundwassers von etwa 15 °C nutzt, kann sie die höchsten Jahresarbeitszahlen erreichen: bis über 5,0. Viele Wärmepumpen nutzen die Umgebungsluft, um ihr Wärme zu entziehen. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind in der Lage, der Außenluft auch dann noch Energie zu entziehen, wenn die Temperaturen bereits auf -15 °C gesunken sind. Da die Wärmequellentemperatur schwankt und niedriger ist als die bei den anderen Wärmepumpen-Typen, erreichen Luft-Wasser-Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen von 3,0 bis 3,5. Die aufwändige Erschließung von Wärmequellen, die bei Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen erforderlich ist, entfällt. Einige Luft-Wasser-Wärmepumpen können auch für die Kühlung im Sommer genutzt werden. Wasser-Wasser-Wärmepumpen werden wie die anderen Wärmepumpen-Typen ebenfalls mit oder ohne Warmwasserspeicher angeboten. Auch bei ihnen ist eine Kühlfunktion möglich. Für die Installation muss in der Regel eine Genehmigung vom örtlichen Wasserwirtschaftsamt eingeholt werden. 53 Solarthermische Anlagen Anwendung im System Unterstützung der Heizung Solarkollektoren wandeln Sonnenlicht in Wärme um, die zur Wärmeversorgung von Gebäuden genutzt werden kann. Auf diese Weise sparen sie viel Energie und damit auch fossile Brennstoffe ein. Die Anlagen werden in der Regel bivalent ausgeführt. Um Solarwärme als umweltfreundliche und energiesparende Technologie zu nutzen, muss die Anlage gut mit den anderen Wärmeerzeugern abgestimmt werden; sie dürfen nicht gegeneinander arbeiten. Nur mit einem regeltechnisch und hydraulisch optimierten Gesamtsystem lassen sich die gewünschten Einspareffekte tatsächlich erzielen. Soll neben der Trinkwarmwasserbereitung auch die Raumbeheizung unterstützt werden, vergrößert sich die Kollektorfläche um das 2- bis 2,5-fache. Die Brennstoffeinsparung liegt zwischen 10 % und 30 %, je nach Dämmung des Gebäudes. Bei Niedrigenergiegebäuden sind bis zu 50 % erreichbar. Bereitung von Trinkwarmwasser Soll die solarthermische Anlage das Trinkwarmwasser aufbereiten, werden zunächst die Kollektoren auf dem Dach installiert, um den Wärmeträger durch die Sonne zu erhitzen. Als Wärmeträger wird ein frostgeschütztes und hitzebeständiges Medium im Solarkreislauf verwendet. Die gewonnene Wärme erwärmt über einen Wärmetauscher den Solarspeicher. Reicht die Solarenergie nicht aus, wird der konventionelle Wärmeerzeuger zugeschaltet. Weitere Komponenten der Anlage sind Pumpen, Temperaturanzeige, Ausdehnungsgefäß, Entlüftung sowie der Regler zur Steuerung der Solarpumpe. Die solar unterstützte Trinkwarmwasserbereitung deckt ca. 60 % des Energiebedarfs ab. Die Speicher Bei der solaren Heizungsunterstützung wird zur Speicherung entweder ein zweiter Speicher (Pufferspeicher) oder ein Kombispeicher mit eingebautem Trinkwarmwasserbereiter verwendet. Alle Systeme sind auch mit Schichtladeeinrichtungen erhältlich. Große Potenziale Solarthermische Anlagen zur Trinkwarmwasserbereitung und Heizungsunterstützung werden zurzeit hauptsächlich in Wohngebäuden eingesetzt, mit einem Schwerpunkt in Ein- und Zweifamilienhäusern. Für den Geschosswohnungsbau sind hohe Steigerungsraten zu erwarten. Zuschüsse und zinsgünstige Darlehen beschleunigen diese Entwicklung. Aber auch für Krankenhäuser, Hotels und Sportstätten bietet sich mit einer Solaranlage die Möglichkeit, Energie einzusparen. Fast alle Wärmeverbraucher lassen sich solarthermisch unterstützen. A A Kollektorfeld B Solarstation C Solarspeicher D Moderne Zusatzheizung Abb. 42: Standardsolaranlage im Einfamilienhaus 54 C D B Technologien/Produkte A A A Kollektor A Kollektor B Solarstation B Solarstation B B D C Solarspeicher C Tank-in-Tank-Speicher D Nachheizung D Nachheizung C C D Abb. 43: Standardsolaranlage zur Trinkwassererwärmung im Einfamilienhaus Abb. 44: Solaranlage zur Unterstützung der Raumheizung mit Kombispeicher Abb. 45: Anlagenbeispiel – Flachkollektor Abb. 46: Anlagenbeispiel – Vakuumröhrenkollektor Sonstige Anwendungen Hohe Qualität Sonnenkollektoren können auch Warmwasser für Freibäder und Schwimmhallen erzeugen. Dort sind enorme Einsparungen bei den Energiekosten zu erzielen. In südlichen Ländern gibt es Systeme, die nach dem Thermosiphon-Prinzip mit wärmegedämmtem Speicher oberhalb des Kollektors arbeiten. Die solarthermische Unterstützung von gewerblichen oder industriellen Prozessen steckt noch in den Kinderschuhen, bietet aber ein riesiges Potenzial, ebenso wie Systeme für thermisch angetriebene Kälteanlagen zur solaren Klimatisierung. Fertig konfektionierte Anlagen verkürzen die Montagezeit wesentlich. Die als Solarstation vormontierte Einheit ermöglicht die schnelle und sichere Montage. Hohe Verarbeitungsqualität und gutes Material sichern die Zuverlässigkeit und die Energieeinsparung für Jahrzehnte. Vielfältiger Einsatz Fast alle Anforderungen und technischen Systeme im Wärmemarkt lassen sich sinnvoll mit einer solarthermischen Anlage kombinieren. Für die meisten Anwendungen sind fertige Systemlösungen verfügbar. 55 Solarthermische Anlagen: Komponenten Kollektoren Vakuumröhrenkollektoren Die Mitgliedsunternehmen des BDH produzieren Kollektortypen mit unterschiedlichen Kennwerten und Abmessungen. Sie zeichnen sich durch hohe Qualität und lange Lebensdauer aus. Neben architektonischen Erwägungen bestimmt die geplante Anwendung die Auswahl des passenden Kollektors. Die in den Kollektoren strömende Solarflüssigkeit ist bis -30 °C frostsicher und biologisch unbedenklich. Die Pumpe für den Solarkreislauf ist sehr sparsam im Verbrauch und wird je nach Bedarf geregelt. Alle Armaturen und Rohrleitungen sind für hohe Temperaturen und den Betrieb mit Glykol geeignet. Durch die Vakuumdämmung (evakuiertes Glasrohr) sind bei Anwendungen mit hohen Zieltemperaturen hohe Erträge zu erreichen. Bei Standardanwendungen hat der Vakuumröhrenkollektor bezogen auf den durchschnittlichen Jahresertrag einen geringeren Flächenbedarf als ein Flachkollektor. Flachkollektoren Speicher Für alle Anwendungen stehen ausgereifte Speichertypen (bivalente Trinkwarmwasserspeicher, Pufferspeicher, Kombispeicher) zur Verfügung. Gemeinsame Qualitätsmerkmale sind ihre schlanke, hohe Bauform und die lückenlose Dämmung, um die gespeicherte Wärme möglichst gut zu halten. Flachkollektoren sind der am häufigsten verwendete Kollektortyp. Selektiv beschichtete Hochleistungsabsorber gewährleisten höchste Wärmeerträge. Die Kollektoren erlauben vielseitige architektonische Gestaltungsmöglichkeiten sowohl bei Indachmontage als auch bei der Aufdach- oder Flachdachmontage. Abb. 48: Mit außen liegendem Reflektor Abb. 47: Praxisbeispiel für die Anwendung von Solarthermie-Vakuumröhrenkollektoren 56 Abb. 49: Ohne Reflektor Technologien/Produkte Abb. 50: Praxisbeispiel für die Anwendung von Solarthermie-Flachkollektoren A Selektiv beschichteter Absorber A B Dämmung C Mäander-Bauart B C 57 Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht Die Sonne ist eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Ihre Strahlungsenergie, die jährlich auf die Oberfläche der Erde trifft, könnte den weltweiten Energiebedarf der Menschheit rund 15.000 Mal decken. Im Sommer ist die Einstrahlleistung natürlich am höchsten. In unseren Breiten erreicht sie bei wolkenlosem Himmel um die Mittagszeit rund 1.000 W/m2. An einem trüben Wintertag fällt dieser Wert bis 20 W/m2 ab. Sonnenstrom ist sauber und leise. Weil er Energiekosten drückt, steigert er den Wert der Immobilie. Das Jahr der Inbetriebnahme der Photovoltaikanlage bestimmt die Höhe der Vergütung. Dies gilt sowohl für den selbst genutzten als auch für den in das Versorgungsnetz eingespeisten Strom. Einspeisung ins Stromnetz In Deutschland werden Photovoltaikanlagen meist an das Stromnetz angeschlossen. Der nicht selbst verbrauchte Solarstrom wird eingespeist, der Betreiber der Anlage erhält die gesetzlich garantierte Vergütung. Den Reststromverbrauch deckt er zu den üblichen Konditionen aus dem Netz. Das Prinzip Autarke Anlagen Um Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln, werden Solarmodule genutzt. Sie bestehen aus Siliziumzellen oder anderen Halbleitern, die bei Lichteinfall eine elektrische Spannung aufbauen. Um das Licht möglichst optimal auszunutzen, sollten die Module nach Süden zeigen und um 30° geneigt sein. Je nach Abweichung davon verringert sich der Stromertrag. Sonnenstrom wird in Deutschland nach den Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) 20 Jahre lang vergütet. In Regionen ohne Netzanschluss können Photovoltaikanlagen autark arbeiten. Ein Akkumulator speichert die solare Energie für sonnenschwache Zeiten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch solare Taschenrechner oder Solaruhren. B A 90 % 95 % 80 % 100 100 % 65 % F 95 % 50 % 65 % 70 % C Westen D E Osten Süden A PV-Module D Einspeise- & Bezugszähler B Generatoranschlusskasten E Netzanschluss C Wechselrichter F Verbraucher Abb. 51: Photovoltaik als System 58 Abb. 52: Nutzungsmöglichkeiten der solaren Einstrahlung Technologien/Produkte 0 200 400 600 800 1000 W/m2 W/m2 Abb. 53: Strahlungsleistung bei unterschiedlichen Himmelszuständen Abb. 54: Praxisbeispiel 1m 2 Abb. 55: 1.367 W/m2 Strahlungsleistung beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre Abb. 56: Praxisbeispiel 59 Wärme aus Holz Angenehme Wärme für jeden Raum Luftgeführte Wohnraumgeräte Heizungsanlagen wurden lange Zeit fast ausschließlich mit Öl oder Gas betrieben. Doch zunehmend treten die Vorzüge von Holz als Brennstoff für Heizungssysteme in den Vordergrund. Denn während die Vorräte der fossilen Energieträger Erdöl und Erdgas begrenzt sind, ist Holz ein permanent nachwachsender Rohstoff. Insbesondere in Deutschland wird im Rahmen einer nachhaltigen Holzwirtschaft den Wäldern nicht mehr Holz entnommen, als gleichzeitig nachwächst. Holz kann relativ einfach und energiearm gewonnen werden, und dank des hohen Waldaufkommens in Europa gilt eine langfristige Versorgungsmöglichkeit als gesichert. Holz wird in ganz unterschiedlichen Formen zum Heizen genutzt, am häufigsten ist die Verwendung von Scheitholz, Holzpellets und Holzhackschnitzeln. Holz kann zur Beheizung von einzelnen Räumen ebenso wie als Zentralheizung für das ganze Gebäude genutzt werden. Abhängig vom Leistungsbereich, den Lagermöglichkeiten und nicht zuletzt vom manuellen Aufwand entscheiden hier die individuellen Vorlieben der Eigentümer und Bewohner. In diese Kategorie fallen insbesondere Kamin- und Pelletöfen. Beide Ofenarten enthalten einen Feuerraum für eine schadstoffarme Verbrennung, an dem Luftkanäle vorbeiführen. Raumluft wird durch die Kanäle geführt, erwärmt sich dabei und wird anschließend in den Wohnraum geleitet. Zusätzlich zu dieser Art der Wärmeübertragung gibt der Ofen selbst die von vielen Personen als besonders angenehm empfundene Wärmestrahlung ab. Diese Einzelöfen mit direkter Wärmeabstrahlung verfügen über einen Leistungsbereich von bis zu 10 kW und werden vorwiegend zum Beheizen einzelner Räume als Zusatz- oder Übergangsheizung oder zur Abdeckung von Spitzenlasten eingesetzt. Holz-Einzelraumfeuerstätten für den Wohnraum Für die Beheizung von einzelnen Wohnräumen stehen zwei wirkungsvolle Typen zur Verfügung: Luftgeführte Wohnraumgeräte und Wohnraumgeräte mit Wassertasche. Bei beiden Typen kommen schwerpunktmäßig Scheitholz, Holzpellets und Holzbrickets zum Einsatz. Abb. 57: Holz und Holzpellets sind CO2-neutrale Brennstoffe 60 Wohnraumgeräte mit Wassertasche In Wohnraumgeräten mit so genannten Wassertaschen zirkuliert Heizwasser im Inneren der Feuerstätte. Über einen integrierten Wärmetauscher sind diese Geräte in das zentrale Heizungs- und Warmwassersystem des Hauses eingebunden. Im Ofen wird neben der direkten Wärmeabgabe an den Aufstellraum somit auch Wärme zur Heizungsunterstützung und/oder Warmwasserbereitung erzeugt. Hierbei wird oftmals auch eine solarthermische Anlage eingebunden. In Niedrigenergiehäusern ist es außerdem möglich, dass ein einziger Pellet- oder Kaminofen mit Wassertasche für die Beheizung ausreicht. Werden Wohnraumgeräte mit Wassertasche zur Warmwassergewinnung genutzt, müssen sie auch im Sommer in Betrieb sein – also auch dann, wenn keine Heizungswärme für die Raumluft benötigt wird. Deshalb eignet sich dieses Heizsystem optimal für eine Kombination mit einer Abb. 58: Pelletofen mit Pelletvorratsbehälter Technologien/Produkte solarthermischen Anlage: Auf diese Weise kann jedes der beiden Heizsysteme seine individuellen Stärken zur geeigneten Jahreszeit ausspielen. Emissionswerte. Die Bewohner können aus einer großen Auswahl an Modellen von schlicht bis zum Designobjekt auswählen, um ihren Wohnraum optisch aufzuwerten. Auch eine raumluftunabhängige Betriebsweise ist möglich. Beispiel: Pelletöfen für den Wohnraum Pelletöfen für den Wohnraum vereinen zahlreiche Vorteile in sich: Eine elektronische Überwachung steuert die automatische Zuführung der Pellets aus dem Vorratsbehälter direkt in den Ofen – und zwar abhängig von der gewünschten Raumtemperatur und genauer als eine manuelle Befeuerung. Die Heizgeräte der neuesten Generation weisen hohe Wirkungsgrade von mehr als 90 % auf, strahlen eine behagliche Wärme ab und haben niedrige C F E A D B A Sonnenkollektor D Kombispeicher B Komplettstation E Zentraler Wärmeerzeuger C Kaminofen F Fußbodenheizung Abb. 59: Einbindung eines Kaminofens mit Wassertasche in das Heizungssystem 61 Wärme aus Holz Holz-Zentralheizungen Holz-Zentralheizungskessel können ein Haus ganzjährig zu 100 % mit Heizwärme versorgen. Sie können als erneuerbare Energie in Ein- und Mehrfamilienhäusern oder als Lösung in Verbindung mit Nahwärmesystemen eingesetzt werden. Holz-Zentralheizungen sind gut kombinierbar mit solarthermischen Anlagen. Mit Pellet- und Scheitholzkesseln sowie Holzhackschnitzelfeuerungen stehen drei Systeme für Holz-Zentralheizungen zur Verfügung. Die verschiedenen Holzheizungssysteme zeichnen sich durch einen bequemen Betrieb aus und erfordern ein Minimum an Bedienungsaufwand. Die meisten von ihnen verfügen über einen Pufferspeicher, sodass die Wärme stufenweise abgerufen werden kann. Zu beachten ist, dass für jede dieser Heizungsarten ein Holzlagerplatz erforderlich ist. Pelletkessel Zentralheizungen mit Holzpellets weisen einen hohen Komfort auf: In Betrieb und Wartung sind sie mit Öl- und Gasheizungen vergleichbar. Hybrid- und Kombianlagen können auch mit anderem Brennholz wie Holzhackschnitzeln oder Scheitholz beschickt werden. Die Pellets werden in einem Tank oder Schüttraum gelagert und mittels eines Fördersystems – Riesel-, Sauggebläse- oder Abb. 60: Schnitt durch einen Holzvergaserkessel 62 Schneckensystem – dem Brenner zugeführt. Pelletkessel weisen hohe Wirkungsgrade von über 90 % bei niedrigen Emissionswerten auf. Sie arbeiten vollautomatisch und sind in einem Leistungsbereich von 30 bis 100 % modulierbar. Ein von der Raumluft unabhängiger Betrieb ist oftmals möglich. Holzvergaserkessel Für Scheitholz kommen Holzvergaserkessel zum Einsatz. Die Flammenführung und Heizgasumlenkung garantieren hohe Wirkungsgrade bei niedrigen Emissionswerten. Hier sorgt ein Gebläse für die richtige Luftzufuhr bei der Verbrennung. Über die Primärluftführung wird eine ausgezeichnete Holzvergasung gesichert. Die Sekundärlufteinspeisung sorgt dann für den vollständigen Ausbrand. Der Kessel wird gefüllt und brennt dann mehrere Stunden aus. Die Kombination mit einem Pufferspeicher ist erforderlich. Hackschnitzelkessel Hackschnitzkessel funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Pelletkessel: Die Holzhackschnitzel werden aus einem Lagerraum mit Förderschnecke oder Spiralförderer automatisiert in den Kessel transportiert und dort unter elektronischer Regelung Abb. 61: Schnitt durch einen Hackschnitzelkessel mit Vorschubrostfeuerung Technologien/Produkte Abb. 62: Zentralheizung mit Holzpellets verbrannt. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt und eine komfortable Bedienung gewährt. Bei Hackschnitzelkesseln ist eine Leistungsanpassung bis auf 30 % Nennwärmeleistung möglich. Ebenso wie bei anderen Holz-Zentralheizungen können auch bei diesem System Pufferspeicher integriert werden. Die Leistungsspanne von Hackschnitzel-Zentralheizungen reicht von 30 Kilowatt bis zu mehreren Megawatt, sodass Mehrfamilienhäuser oder auch ganze Gewerbebetriebe beheizt werden können. Die Wirtschaftlichkeit einer Anlage steigt mit ihrer Größe. Deshalb sind Hackschnitzelheizungen am häufigsten bei größeren Wohn- oder Betriebskomplexen zu finden. Aufgrund der Verwendung von Rest- und Gebrauchtholz aus der Holzwirtschaft bietet sich die Errichtung einer Hackschnitzelheizung insbesondere an Standorten in der Nähe von holzverarbeitenden Betrieben an. Schließlich tragen kurze Transportwege des Brennstoffs zum ökonomischen und ökologischen Nutzen einer Anlage bei. 63 Die Strom erzeugende Heizung Mehr als nur reine Wärmeerzeugung In herkömmlichen Heizungsanlagen wird der eingesetzte Energieträger in Wärme umgewandelt. Demgegenüber wird bei der Strom erzeugenden Heizung in einem Gerät eigenständig Strom und Wärme bereitgestellt. Hierbei spricht man auch von dezentraler Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Durch die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme wird die eingesetzte Energie besonders effizient genutzt. Verluste durch Abwärme, die bei der getrennten Stromerzeugung im Kraftwerk entstehen, werden hierbei vermieden. Eine Strom erzeugende Heizung trägt somit zur Senkung von Energieverbrauch und -kosten bei und leistet gleichzeitig einen direkten Beitrag zum Umweltschutz. Die dezentrale KWK lässt sich besonders effizient einsetzen, wenn Wärme und Strom da erzeugt werden, wo sie auch benötigt werden und keine Wärmenetze erforderlich sind. In vielen Ländern wird die dezentrale KWK-Nutzung gefördert. Dies erfolgt meist über die Bezuschussung des erzeugten Stroms sowie Vergünstigungen bei der Zahlung von Energiesteuern. KWK-Technologien Bei den Basistechnologien der dezentralen KWK wird zwischen internen und externen Verbrennungsmotoren, Dampfexpansionsmaschinen und Brennstoffzellen unterschieden. Interne Verbrennungsmotoren, wie Gas- oder Dieselmotoren, sind heute der Stand der Technik und auf dem Markt verfügbar. Stirlingmotoren mit externer Verbrennung sowie Dampfexpansionsmaschinen sind derzeit im Praxistest bzw. vereinzelt in der 100 Einheiten Primärenergie 1 62 % Primärenergetischer Wirkungsgrad 3 Markteinführung. Brennstoffzellen befinden sich noch in der Entwicklungs- und Erprobungsphase. Dezentrale KWK-Anlagen werden überwiegend mit Erdgas oder Heizöl betrieben. Aber auch der Einsatz von erneuerbaren Energieträgern wie Biogas und Bioöl wird bereits praktiziert. Bei Verbrennungsmotoren wird die durch den Motor freigesetzte Abwärme direkt zur Beheizung und Warmwasserbereitung genutzt. Der produzierte Strom wird selbst verwendet, überschüssiger Strom in das öffentliche Netz eingespeist. Für jeden Bedarf die richtige Lösung Betreibern stehen ganz unterschiedliche dezentrale KWKLösungen zur Verfügung – je nach Bedarf und je nach Anforderung von wenigen kW bis zu größeren Leistungsbereichen. Während für Ein- und Zweifamilienhäuser „Mikro-KWK-Anlagen“ mit einem Leistungsbereich bis ca. 2 kWel eingesetzt werden, kommen in Mehrfamilienhäusern und Gewerbebetrieben „Mini-KWK-Anlagen“ bis 50 kWel zur Anwendung. Für diese kleinen KWK-Anlagen ist gewöhnlich kein Wärmenetz erforderlich. KWK-Anlagen ab rund 50 kWel kommen z. B. im industriellen Bereich und bei größeren Wohngebäudekomplexen zum Einsatz. In Zukunft könnten viele dezentralen KWK-Anlagen gemeinsam als „virtuelles Kraftwerk“ dazu beitragen, dass Spannungsschwankungen im öffentlichen Netz ausgeglichen werden – etwa, um Spitzenlasten aufzufangen. Dies ist besonders bei wetterbedingten Netzschwankungen der Fall, die beispielsweise der Einsatz von PVoder Windkraft-Anlagen mit sich bringt. KWK-Anlagen können unterschiedlich ausgelegt werden – entweder nach dem Strom- 62 Einheiten Nutzenergie 2 85 % Primärenergetischer 3 Wirkungsgrad 73 Einheiten Primärenergie 1 13.500 kWh 1 fP = 2,7 27.110 kWh Primärenergie 1 13.610 kWh 1 19.800 kWh Primärenergie 1 12.000 kWh Wärme fP = 1,1 η = 97 % 1 Primärenergie 2 Nutzenergie 3 Primärenergetischer Wirkungsgrad 4 Brennwertgerät 5 BHKW Abb. 63: Energiebilanz bei der Kraft-Wärme-Kopplung 64 5.000 kWh Strom 4 fP = 1,1 η = 94,5 % ηel = 28 % 5 Technologien/Produkte bedarf eines Objektes (stromgeführt) oder nach dem Wärmebedarf (wärmegeführt). Meistens sind sie auf den Wärmebedarf von Gebäuden ausgerichtet. Die Wärme aus dezentralen KWK-Anlagen kann nicht nur zur Gebäudeversorgung mit Heizwärme und Warmwasser dienen, sondern auch als Prozesswärme, zur technischen Kälteerzeugung, zur Druckluftversorgung und für weitere technische Anwendungen eingesetzt werden. Abb. 64: Dezentrale KWK im Mehrfamilienhaus 65 Wärmeverteilung Hydraulischer Abgleich spart Kosten und reduziert Emissionen Ein Großteil der Energie, die in Deutschland verbraucht wird, geht auf das Konto von Wohngebäuden und hier insbesondere auf das der Heizenergie. Schätzungen gehen davon aus, dass der Heizenergieverbrauch einen Anteil von rund einem Drittel am Gesamtenergieverbrauch in Deutschland hat. Eine effektive Maßnahme, Heizenergie einzusparen, ist der hydraulische Abgleich. Beim hydraulischen Abgleich geht es darum, die einzelnen Komponenten einer Heizungsanlage exakt aufeinander abzustimmen, sodass die Wärme dorthin gelangt, wo sie benötigt wird. Klingt logisch, wird aber selten durchgeführt: Die wenigsten Heizungsanlagen in Deutschland, nur etwa fünf bis zehn Prozent, sind derzeit hydraulisch abgeglichen. Unter Klimaschutzaspekten bedeutet dies, dass ein jährliches Minderungspotenzial von rund 10 bis 15 Millionen Tonnen CO2 ungenutzt bleibt. Der Weg des geringsten Widerstands Mit dem hydraulischen Abgleich lässt sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung in einem Gebäude erreichen. Dabei wird die Heizungsanlage so eingestellt, dass das System aus Rohren, Pumpen und Ventilen dem zirkulierenden Wasser einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt. Denn das Wasser im Heizsystem nimmt am liebsten den Weg des geringsten Widerstandes, was zur Folge hat, dass Heizflächen in entfernten Räumen mitunter nicht richtig warm werden. Stärkere Umwälzpumpen müssen dies ausgleichen und das Heizungswasser in die abgelegenen Heizflächen transportieren. Der Preis dafür ist hoch: Energieverbrauch und Stromkosten schnellen in die Höhe, weil Heizungspumpen erheblich mehr Strom verbrauchen. Heizkörper Volumenströme schlecht abgeglichen – warmer Rücklauf Abb. 66: Hydraulischer Abgleich 66 Abb. 65: Armaturen Außerdem kann eine nicht abgeglichene Anlage die Effektivität von Brennwertgeräten deutlich reduzieren: Wenn einige Heizflächen überversorgt sind, führt dies zu höheren Rücklauftemperaturen in der Anlage. Das Wasser aus den Abgasen der Heizungsanlage kann nur noch eingeschränkt oder gar nicht mehr kondensieren. Dadurch wird weniger Wärme genutzt und die Einsparungen, die ein Brennwertgerät üblicherweise bewirkt, zunichte gemacht. Geräusche als Indikatoren Typische Anzeichen für einen fehlenden hydraulischen Abgleich sind beispielsweise Heizkörper, die nicht warm werden, während andere überversorgt sind. Auch Geräusche in Ventilen und Rohren zeigen, dass der Differenzdruck im Ventil oder aber die Strömungsgeschwindigkeit zu groß ist. Zudem kann es vorkommen, dass die Heizkörperventile aufgrund eines zu hohen Differenzdruckes nicht bei der gewünschten Innentemperatur öffnen und schließen. Durch den hydraulischen Abgleich ergeben Heizkörper Volumenströme gut abgeglichen – kalter Rücklauf Technologien/Produkte Die Heizungspumpe: vom Stromfresser zum Stromsparer Heizungspumpe, neu Fernseher Waschmaschine 60-150 kWh typischer Stromverbrauch für ein Einfamilienhaus (3 Personen) – Daten von Stiftung Warentest 09/2007 11-29 Euro 190 kWh 36 Euro 200 kWh 38 Euro Geschirrspüler 245 kWh 47 Euro Beleuchtung 330 kWh 63 Euro Kühlschrank 330 kWh 63 Euro Elektroherd Heizungspumpe, alt 445 kWh 350-800 kWh 85 Euro 67-150 Euro Abb. 67: Einsparpotenzial bei Pumpen sche Abgleich also durchgeführt wurde, wenn er in das Nachweisverfahren einbezogen wurde. Auch nach der Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen (VOB) Teil C bzw. DIN 18380 sind Handwerker verpflichtet, Heizungsrohrnetze hydraulisch abzugleichen. Außerdem wird er von allen einschlägigen Förderprogrammen der KfW oder des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) verlangt. Abb. 68: Hocheffizienzpumpe der Energieeffizienzklasse A Heizlast berechnen, Heizleistung einstellen Abb. 69: Ventil mit voreinstellbarem Ventileinsatz zur Anpassung der Volumenströme an den geforderten Wärmebedarf sich für die Bewohner mehrere Vorteile: Die Anlage kann mit optimalem Anlagendruck und einer niedrigen Volumenmenge betrieben werden. Dadurch reduzieren sich die Energie- und Betriebskosten: Eine Einsparung von bis zu 15 Prozent der Heizenergiekosten ist möglich. EnEV, VOB & Co. Die Energieeinsparverordnung (EnEV) verlangt, dass Handwerker im Rahmen der Unternehmererklärung schriftlich bestätigen, dass ihre Leistungen der Verordnung entsprechen, der hydrauli- Für die Durchführung eines hydraulischen Abgleichs wird zunächst die Heizlast für jeden Raum des Gebäudes berechnet und dabei Außenflächen, Wände, Decken, Fenster und Türen mit einbezogen. Entsprechend der errechneten Heizlast wird dann die Heizfläche mit der notwendigen Heizleistung ausgewählt. Zusätzlich wird die Entfernung zur Heizungspumpe berücksichtigt. Aus all diesen Größen ergeben sich die Einstellwerte für die einzelnen Heizflächen. Ein hydraulischer Abgleich ist dann erreicht, wenn alle parallelen Systeme jeweils den gleichen hydraulischen Widerstand besitzen. Hilfreich für einen hydraulischen Abgleich sind voreinstellbare Thermostatventile oder Rücklaufverschraubungen an den Heizkörpern. Wichtig ist auch, dass es sich um ein 2-Rohr-System handelt, weil ein 1-Rohr-System nur eingeschränkt abgeglichen werden kann. Die Aufnahme der Daten dauert für ein Einfamilienhaus etwa eineinhalb, die Berechnung etwa vier Stunden. Das Einstellen der Heizflächen braucht dann nur etwa fünf Minuten pro Heizfläche. Die Kosten für einen hydraulischen Abgleich hängen von der Gebäudegröße ab, bei einem Einfamilienhaus geht man von 500 Euro aus, die sich jedoch sehr schnell amortisieren. 67 Flächenheizung/-kühlung Heizen und Kühlen mit einem System Fast jeder zweite Bauherr entscheidet sich heute beim Neubau eines Einfamilienhauses für eine Flächenheizung. Flächenheizungs- oder -kühlsysteme werden bereits während der Bauphase eines Gebäudes dauerhaft in Fußböden, Wänden oder Decken installiert. Damit bilden sie einen integralen Bestandteil des Gebäudes. Da Flächenheizungs- und -kühlsysteme gleich zwei Funktionen zugleich erfüllen können, sind sie für Eigentümer eine Investition in die Zukunft: Dank eines ganzjährigen Einsatzes können sie im Winter Räume heizen und im Sommer die Temperatur der Raumluft spürbar um 4 bis 6 K reduzieren. Durch ihre großflächige Verlegung bewirken sie eine gleichmäßige Verteilung der Wärme im Raum und tragen so zu einem angenehmen Raumklima bei. Vielfältige Lösungen auch für den Altbau Konventionelle Fußbodenheizungskonstruktionen lassen sich im Altbau oft nicht einsetzen, weil die erforderliche Konstruktionshöhe Abb. 70: Behaglichkeit und Komfort durch Flächensysteme 68 nicht gegeben ist oder aber Belastungsprobleme der Decken entstehen können. Aus diesem Grund wurden spezielle Flächenheizungssysteme für einen nachträglichen Einbau entwickelt, die es erlauben, auch ohne massive Eingriffe in das Gebäude eine Flächenheizung/-kühlung in Bestandsgebäuden einzusetzen. Letztendlich bietet die am Markt verfügbare Systemvielfalt wie Nasssysteme (Estrich oder Putz), Trockensysteme oder aber spezielle Dünnschichtsysteme dem Bauherren optimale Lösungen für den Einsatz sowohl im Neubau als auch bei der Modernisierung. Mehr Komfort, weniger Kosten Bei Flächenheizsystemen sind in der Regel nur niedrige Systemtemperaturen notwendig (35/28 °C), sodass sie eine ideale Ergänzung für den Einsatz von Brennwertkesseln, Wärmepumpen und solarthermischen Anlagen sind. Durch ihre vergleichsweise niedrigen Systemtemperaturen profitieren die Bewohner gleich doppelt: durch das große Energieeinsparpotenzial und durch einen enormen Zugewinn an Behaglichkeit und Komfort. Technologien/Produkte Abb. 71: Flächensysteme zum Heizen und Kühlen – vielfältig einsetzbar Dies kann zusätzlich durch den Einsatz intelligenter Einzelraumregelungen unterstützt werden. Nicht zuletzt haben die unsichtbar in Wände, Böden und Decken installierten Flächenheizungen den Vorteil, dass sie den Bewohnern bei der Gestaltung der Inneneinrichtung viel Freiraum lassen. Effektive Abkühlung im Sommer Eine Flächenheizung kann im Sommer durch die Zusatzausstattung „Kühlen“ auf einfache Weise auch zur Raumkühlung genutzt werden. Dabei zirkuliert lediglich kaltes Wasser durch die Leitungsrohre, das die Temperatur der Böden, Decken oder Wände und damit der Räume um bis zu 6 °C senkt – und das ganz ohne Durchzug. Die Leistung einer Flächenkühlung ist jedoch nicht mit der einer Klimaanlage vergleichbar und hängt von der Temperaturspreizung ab. Während der Temperaturunterschied im Heizvorgang in der Regel rund 8 K beträgt, sollte eine Flächenkühlung nicht mit einer Spreizung von mehr als 3 K betrieben werden. Wegen der geringen Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser- und Raumlufttemperatur sind Flächenkühlungen jedoch prädestiniert, einen wirkungsvollen Beitrag zur Raumkühlung zu leisten. Durch Kühlwassertemperaturen von beispielsweise 18 °C können auch natürliche Wärmesenken wie Grundwasser oder Erdreich genutzt werden, die einen energiesparenden Kühlbetrieb erlauben. den Rohrleitungen zu vermeiden, müssen freiliegende Kühlwasserleitungen darüber hinaus auch isoliert werden. Würde die Luft nach Erreichen des Taupunktes weiter abgekühlt, könnte sie keine zusätzliche Feuchtigkeit aufnehmen, sodass sich diese als Wasser auf Oberflächen niederschlägt. Die verschiedenen typischen Varianten der Flächenkühlung in den Aufenthaltsbereichen eines Wohnhauses oder Bürogebäudes erreichen durchschnittlich eine Kühlleistung von ca. 35 W/m2 im Fußboden, ca. 35–50 W/m2 in der Wand (je nach Ausführung) und ca. 50–110 W/m2 in den Decken (je nach Ausführung und ohne Konvektionsanteile). Fazit Durch den Einsatz von Flächenheiz-/-kühlsystemen kann die Grundlast für die Heiz- bzw. Kühllast gedeckt werden. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Raumtemperaturen nur geringen jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen. Kondensatbildung vermeiden Um die Systemtemperatur im Kühlbetrieb zu steuern, muss ein Regler, der die Funktionen Heizen und Kühlen gemeinsam abdeckt, installiert sein. Durch diese Regelung wird bei Flächenkühlsystemen die Systemtemperatur oberhalb des Taupunkts geregelt, sodass es nicht zur Kondensatbildung an Verteilleitungen und Übergabeflächen kommen kann. Um eine Kondensatbildung an 69 Heizkörper Effizient, behaglich und nachhaltig Dank neuester Technologien werden Heizungsanlagen in ihrem Energieverbrauch immer wirtschaftlicher und effizienter. Ganz gleich, ob Erdgas, Öl, Holz, Strom oder Solarenergie: Heizkörper können unabhängig vom jeweiligen Energieträger in jede Heizungsanlage integriert werden und sind zuverlässig, nachhaltig und zukunftssicher. Um auch nachhaltig zu profitieren, bedarf es Heizflächen, die schnell auf Änderungen des Wärmebedarfs reagieren können. Dafür stehen moderne Heizkörper mit geringen Bautiefen, kleinem Wasserinhalt und großen Übertragungsflächen. Mit dem gewünschten Design, dem notwendigen Aufbau und der optimalen Technik lässt sich die Raumtemperatur durch ein Maximum an behaglichkeitsfördernder Strahlungswärme im Handumdrehen an die Wünsche der Bewohner anpassen und so Energie einsparen. Doch über die Qualität der Wärmeübergabe entscheidet nicht allein die Leistung eines Heizkörpers. Die Wärme kann nur dann optimal abgegeben werden, wenn der Heizkörper am richtigen Platz angebracht ist. Der klassische Platz unter dem Fenster ist dafür nach wie vor empfehlenswert. Die Positionierung kann aber nicht nur aus energiesparender Sicht, sondern auch nach Gestaltungswünschen gewählt werden. Wohlfühltemperatur aufs Grad genau Ein Heizungssystem funktioniert durch das Zusammenspiel vieler Komponenten – vom Wärmeerzeuger über Thermostatventile bis hin zu den einzelnen Heizkörpern. Eine maximale Effizienz der Anlage kann dann erreicht werden, wenn alle Einzelteile energetisch und hydraulisch exakt aufeinander abgestimmt sind. Eine wichtige Rolle spielen dabei Thermostatventile, die die Wärme im Raum konstant auf Wunschtemperatur halten. Dazu sind sie auf den richtigen Wasserdruck im Heizkörper angewiesen, der durch einen hydraulischen Abgleich erreicht werden kann: Er sorgt für eine gleichmäßige Durchströmung der Heizungsanlage und verbessert die Regelbarkeit. Er beseitigt Störgeräusche und hilft, den Verbrauch an Energie und Betriebsstrom zu senken. Um auch bei einem reduzierten Wasserdurchfluss eine maximale Abb. 72: Zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten und intelligente Accessoires 70 Technologien/Produkte Abb. 73: Moderne Heizkörper für individuellen Wohnkomfort Wärmegewinnung zu erlangen, unterstützen moderne Thermostatventile sowie Armaturen für den hydraulischen Abgleich eine Heizungsanlage dabei, die individuelle Wohlfühltemperatur auch zu unterschiedlichen Heizzeiten exakt einzustellen. Einstellbare Thermostatventile geben den Heizkörpern dabei vor, um welche Uhrzeit sie mit dem Aufheizen beginnen sollen – aufs Grad genau, eine automatische Abschaltung inbegriffen. Schönes Design und intelligente Funktionen Vielfältige Varianten in Form, Farbe und Design ermöglichen allen Bauherren und Planern ein attraktives, individuelles Raumdesign und schaffen neue Gestaltungsspielräume für die Bewohner, wenn sich die Heizkörper nahtlos ins architektonische Umfeld einfügen. Die neuen Heizkörper sind in fast allen RAL-Farben verfügbar – auch eine Verchromung ist möglich. Wer es außergewöhnlich mag, kann eine matt gepulverte oder eine EdelstahlOptik wählen. Durch Zusatzfunktionen und intelligente Accessoires wie Handtuchstangen oder Ablagen, Haken oder sogar Beleuchtung werden bewusst Wohlfühlakzente gesetzt. Häufig fungieren Heizkörper auch als Designobjekte oder dienen als Spiegel, die sich dem Ambiente, der Farbe und der Gestaltung des Raumes anpassen. ist das Ziel einer Bestandsmodernisierung eine Effizienzsteigerung durch einen energiesparenden Betrieb und eine optimale Wärmeübergabe mit modernen Heizkörpern. Bei den Planungen zur Heizungsmodernisierung stellen Eigentümer vor allem Aufwand und Nutzen einander gegenüber. Denn eventuelle Umbaumaßnahmen, mögliche Beeinträchtigungen, anfallender Schmutz und Lärm während der Modernisierung sind nicht von der Hand zu weisen. Inzwischen berücksichtigt die Planung und Konstruktion von neuen Heizkörpern die Passgenauigkeit zu den bestehenden Anschlüssen, sodass der Austausch alter Heizkörper durch neue, leistungsstarke Heizkörper in der Praxis kein Problem mehr darstellt: Üblich ist eine einfache und schnelle Montage der Heizkörper: entleeren, abschrauben, anschrauben, befüllen – fertig. Zwischen Modernisierung und Komfort Die meisten Gegenstände unterliegen einem Alterungsprozess – davon sind auch Heizungsanlagen betroffen. Das wirkt sich vor allem auf ihre Qualität und Funktionsfähigkeit aus. Häufig gehen deshalb mit zunehmender technischer Lebensdauer ein Mehrverbrauch an Energie und ein erhöhter Verschleiß von Heizungskomponenten sowie Komfortverlust einher. Aus diesem Grund 71 Lüftungssysteme Komfort ohne Einschränkungen Lüftungssysteme sind Anlagen zur kontrollierten Wohnungslüftung, die mit einer mehrstufigen Steuerung ausgestattet sind und Wohnräume mit frischer Außenluft versorgen. Lüftungssysteme erfüllen mehrere Funktionen in einem: Sie stellen einen hygienisch notwendigen Luftwechsel sicher, indem sie Frischluft gegen Abluft mit störenden Gerüchen und Ausdünstungen tauschen. Damit werden in der Sanierung und im Neubau die Lüftungswärmeverluste reduziert. Lüftungssysteme reduzieren den Feuchtigkeitsanteil sowie den CO2- und den VOC-Gehalt in der Luft. Flüchtige organische Verbindungen, abgekürzt VOC, sind chemische Stoffe, die beispielsweise von Baustoffen, Klebern und Lacken freigesetzt werden, aber auch in Tabakrauch und Autoabgasen vorkommen und die Innenraumluft belasten. Durch den Einsatz von Lüftungssystemen wird die Luftqualität erhöht und die Raumluftfeuchte reduziert. Hierdurch wird Schimmelpilz vermieden und die Bausubstanz des Gebäudes geschützt. Darüber hinaus bieten sie einen effektiven Schutz gegen störende Geräusche und Lärm von außen. Dabei ist es zusätzlich möglich, A Luftwechsel = 0 0,3 B Hygienischer Grenzwert A Weitere Einflussparameter: Personenzahl und Raumgröße = 0,4 pro C Luftwechsel Stunde empfohlen Quelle: Ehrenfried, Heinz: Kontrollierte Wohnungslüftung, Verlag Bauwesen, Berlin, 2000 Source: Ehrenfried, Heinz: Kontrollierte Wohnungslüftung, Verlag Bauwesen, Berlin, 2000 0,2 D CO2-Gehalt der Frischluft Weitere Einflussparameter: Personenzahl und Raumgröße 0,1 B C 0,08 Abb. 74: Zunahme der CO2-Konzentration durch eine ruhende Person D 0 2 4 6 Aufenthaltsdauer in h (EIZWiRMEBEDARFINK7HMA Relativer Anteil der Lüftung am Wärmebedarf Lüftungswärmebedarf Transmissionswärmeverluste Beispiel: Mehrfamilienhaus Anteil der Lüftungswärmeverluste ohne Wärmerückgewinnung heute bis zu 50 % des Heizwärmebedarfes, Reduktion bis zu 50 % möglich !LTBAU 736 736 %N%6 %N%6 Abb. 75: Energetischer Anteil der Lüftung am Wärmebedarf 72 Quelle: Ehrenfried, Heinz: Kontrollierte Wohnungslüftung, Verlag Bauwesen, Berlin, 2000 CO2 Vol.-% Technologien/Produkte die Frischluft zuvor durch einen Pollenfilter zu reinigen, sodass die Belastung durch Pollen und Allergene begrenzt wird. Eine Lüftungsanlage trägt auch zur Eindämmung der Vermehrung von Hausstaubmilben bei, denn immerhin gehören Milben zu den häufigsten Allergieauslösern im Innenraum. Durch die vielfältigen Möglichkeiten kann für jeden individuellen Bedarf eine maßgeschneiderte Lüftungslösung gefunden werden. Flüssigkeitskreisläufe, Rotations- und Gegenstromwärmeübertrager sowie Abluftwärmepumpen. Anforderungen an moderne Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung sind die Sicherstellung des notwendigen Mindestluftwechsels, die effiziente Wärmeübertragung von mindestens 75 %, eine Elektroeffizienz von weniger als 0,45 Wh/m3, ein Abluft- und Frischluftfilter zur Sicherstellung der Hygiene, die Kondensatableitung sowie Überströmöffnungen zwischen Zu- und Ablufträumen. Anlagen mit Wärmerückgewinnung Besondere Anforderungen Lüftung ist notwendig, aber stets mit einem Wärmeverlust verbunden, denn die Außenluft muss ins Gebäude nachströmen. Nur automatisch arbeitende Lüftungssysteme erzielen ein Optimum zwischen erforderlicher Frischluft und Minimierung des Wärmeverlustes. Wird die Energie der warmen Abluft genutzt, um die kühlere Frischluft vorzuwärmen (Wärmerückgewinnung), erreicht der Nutzer ein Maximum an Energieeinsparung, Lufthygiene und Komfort. Ein entscheidender Vorteil derartiger Anlagen ist die Nutzung der Abwärme im Abluftstrom, d. h., bis zu 90 % der Lüftungswärmeverluste können zurückgewonnen werden. Zur effektiven Wärmerückgewinnung dienen Plattenwärmetauscher, Bei Lüftungssystemen mit Wärmerückgewinnung kondensiert die Feuchte in der Abluft und schlägt sich als Kondenswasser nieder. Das Kondensat muss entsprechend abgeführt werden. Auch gilt es, die Wärmeübertrager vor Frost zu schützen. Der Wärmeübertrager kann durch unterschiedliche Vorerwärmer frostfrei gehalten werden, z. B. Sole- oder Lufterdwärmetauscher. Dadurch sinkt der Heizwärmebedarf und somit auch der Verbrauch an wertvollem Brennstoff. Erdreichwärmetauscher können die Luft im Sommer und Winter temperieren. A C B D A B A Fortluft B Außenluft C C Abluft A Abgekühlte Fortluft B B Kalte Außenluft C Warme Abluft D Vorgewärmte Zuluft Abb. 76: Abluftanlage mit Wärmepumpe Abb. 77: Zentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung A B C A Fortluft B Kalte Außenluft C Warme Abluft A Abgekühlte Fortluft B Kalte Außenluft C A D Abb. 78: Zentrale Abluftanlage C Warme Abluft D Vorgewärmte Zuluft B B Abb. 79: Dezentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung (raumweise) 73 Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung/Feuchterückgewinnung Bei den mechanischen Lüftungssystemen unterscheidet man zwischen dezentraler und zentraler Lüftung. Dezentrales Lüften einzelner Räume Dezentrale Lüftungsgeräte ermöglichen eine besonders flexible Handhabung der Belüftung. Hierzu sind pro Wohneinheit mehrere Geräte erforderlich, auf ein Luftverteilungssystem kann verzichtet werden. Abluftanlage mit Brauchwasser-Wärmepumpe Die Grundlage einer Abluftanlage mit Brauchwasser-Wärmepumpe bildet eine Lüftungsanlage, die mit einer Wärmepumpe für die Heizungs- und Warmwasserbereitung kombiniert ist. Bei einer zentralen Abluftanlage mit Brauchwasser-Wärmepumpe wird die Luft durch eine Wärmepumpe geleitet. Ein Kältemittel entzieht dem Abluftstrom Wärmeenergie und verdampft dabei. Danach wird das Kältemittel in einem Verdichter komprimiert und die gespeicherte Wärmeenergie an das Brauchwasser abgegeben. Zentrale Abluftanlage Im Niedrigenergiehaus Die Abluft wird über einen zentralen Ventilator abgesaugt. Die kalte Zuluft strömt über Frischluftventile in der Außenwand nach. Dabei ist die Strömungsrichtung aus den Wohn-, Schlafund Kinderzimmern in die Feuchträume wie Küche, Bad und WC gerichtet. Die zugeführte Frischluft wird über vorhandene Heizsysteme erwärmt. Zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung Zentrale Be- und Entlüftungsgeräte funktionieren mit einem Luftverteilsystem. Während ein Ventilator die Außenluft in das Gebäude einführt, saugt ein weiterer Ventilator die Abluft aus den Räumen ab. Über einen Wärmetauscher wird ein Großteil des Wärmeinhaltes der Abluft an die Zuluft übertragen. Bis zu 90 % der Wärme aus der Abluft können zurückgewonnen und zur Aufheizung der Zuluft genutzt werden. Dabei kann bis zu 50 % der Heizenergie eingespart werden. Gegenstromplatten-Wärmeübertrager In einem Niedrigenergiehaus ist der Wärmebedarf insgesamt geringer als bei einen Standardhaus. Im Herbst wird die Heizung später gestartet und im Frühjahr früher ausgeschaltet. Der Lüftung kommt bei Sanierung und Neubau eine große Bedeutung zu. Da die Gebäudehülle immer dichter wird, kann Feuchtigkeit nicht mehr natürlich entweichen. Entlüftungsanlagen sorgen hier nicht nur für einen ausreichenden Luftwechsel, sondern senken zudem den Energieverbrauch. Eine zentrale Lüftungsanlage, gekoppelt mit einer Wärmepumpe, ist in der Lage, den gesamten Wärmebedarf des Hauses zu decken. Frühe Planung schont den Geldbeutel Bauherren und Hauseigentümer sollten sich bei der Planung oder Modernisierung eines Gebäudes frühzeitig über moderne und zuverlässige Lüftungssysteme informieren, um Energiesparpotenziale optimal zu nutzen und die Kosten auf der Ausgabenseite zu minimieren. Rotations-Wärmeübertrager Abb. 80: Komfortsteigerung im Winter durch Feuchterückgewinnung aus der Abluft möglich. 74 Technologien/Produkte Vorteile auf einen Blick Neben hohen Energie- und Kosteneinsparungen können sich die Nutzer von Lüftungssystemen auch über mehr Komfort freuen: Die Anlagen bieten optimale Luftqualität und ein behagliches Raumklima bei gleichzeitig ausgezeichnetem Schallschutz. Ein weiterer Pluspunkt sind die umfassende Hygiene, Reduzierung von Schadstoffen und Schutz vor Pollen, Milben und Schimmelpilzbildung. Zudem wird durch fachgerechte Lüftung die Bausubstanz geschützt. F E A I E B C E A Erdreichwärmeübertrager F B Luft-Luft-Wärmeübertrager G Zuluft C Ventilator H Abluft D Schalldämpfer E C I D D G H Außenluft Fortluft Filter Abb. 81: Prinzipschema Lüftung 75 Speichertechnik Warmwasser für alle Gelegenheiten Warmwasserspeicher sind zentraler Bestandteil einer modernen Heizungs- und Warmwasserversorgung in Wohn- und Bürogebäuden. Aufgrund der großen Typenvielfalt können sie unterschiedliche Funktionen erfüllen. So speichern Trinkwarmwasserspeicher beispielsweise das erwärmte Trinkwasser im Haushalt, das zum Duschen, Baden oder Kochen benötigt wird. Pufferspeicher stellen eine Versorgung mit Warmwasser für die Heizungsanlage über einen langen Zeitraum sicher und ermöglichen somit die Einkopplung von Wärme aus erneuerbaren Energien und KWK-Anlagen. Darüber hinaus gibt es Speicher, die beide Funktionen verknüpfen, sogenannte Kombispeicher. Moderne Warmwasserspeicher sorgen für eine hohe Energieeffizienz durch minimale Wärmeverluste sowie eine optimierte Wärmeübertragung und Temperaturschichtung. All diese Geräte erfüllen die höchsten Anforderungen an Trinkwasserqualität und Hygiene. Trinkwasser erwärmen Warmwasserspeicher zur Trinkwassererwärmung bereiten das im Haushalt oder in einem Gebäude benötigte Trinkwarmwasser auf, sodass es jederzeit verfügbar ist. Hier unterscheidet man zwischen einer monovalenten und einer bivalenten Speicherart. Bei der monovalenten Trinkwassererwärmung wird das Trinkwasser im Speicher durch einen Wärmetauscher beheizt, der z. B. über einen Gas- oder Ölkessel mit Wärme versorgt wird. 4RINKWASSERERWiRMUNG47% L L L L L L L L Im bivalenten Speicher wird Trinkwasser durch zwei Wärmetauscher erwärmt. Bei Häusern mit einem Solarsystem kann also das Trinkwarmwasser abwechselnd oder gemeinsam durch Sonnenenergie oder durch Energie aus einem zentralen Wärmeerzeuger erwärmt werden. Solar gewonnene Wärme wird hierbei über einen Wärmetauscher in den unteren Teil des Warmwasserspeichers eingebracht. Das gesamte Speichervolumen kann bei entsprechender Einstrahlung vollständig durch Sonnenenergie aufgeheizt werden. Im oberen Speicherteil befindet sich ein zweiter Wärmetauscher, über den der Bereitschaftsteil durch Nachheizung auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann. Dies garantiert eine Versorgungssicherheit mit warmem Wasser auch bei einem nicht ausreichenden Sonnenenergieangebot. Für einwandfreie hygienische Bedingungen kommen für Trinkwarmwasserspeicher entweder Edelstahl- oder Stahltanks, die mit Emaille oder Kunststoff beschichtet sind, zum Einsatz. Eingebaute Opferanoden oder Fremdstromanoden schützen den emaillierten Speicher zusätzlich vor Korrosion bei Fehlstellen in der Beschichtung. Thermische Energie speichern Ein Pufferspeicher in einer Heizungsanlage ist ein Wärmespeicher, der mit Wasser gefüllt ist. Anders als ein Trinkwarmwasserspeicher enthält er kein Trinkwarmwasser, sondern warmes Wasser zum Heizen. Er kann Wärme aus verschiedenen Quellen zusammenführen und zeitversetzt wieder abgeben. L L L L %NERGIEPUFFERUNG L L L 47%-IKRO+7+ 0UFFERUNG-IKRO+7+ 47%-INI+7+ 0UFFERUNG-INI+7+ 3OLARE(EIZUNGSUNTERST~TZUNG 47%0ELLETKESSEL 0UFFERUNG0ELLETKESSEL !NLAGENKOMPLEXITiT 47%(OLZKESSEL 0UFFERUNG(OLZKESSEL 3OLARE47%7iRMEPUMPEN 47%7iRMEPUMPEN 3OLARE47%"RENNWERT 7ANDUND +OMPAKTGERiTE KLU TWIC N E T K NG -AR 47%"RENNWERT 7ANDUND +OMPAKTGERiTE 47%dL 'ASKESSEL 47%3OLARdL 'ASKESSEL Abb. 82: Marktentwicklung von Speichersystemen und -größen (Anwendungen: Wohnungen bis zu drei Einheiten) 76 Technologien/Produkte Ein Pufferspeicher dient dazu, Differenzen zwischen der erzeugten und der verbrauchten Wärmemenge auszugleichen und Leistungsschwankungen im Heizungssystem zu glätten. Auf diese Weise kann die Wärmeerzeugung weitgehend unabhängig vom Verbrauch betrieben werden, wodurch sich für viele Energiequellen ein besseres Betriebsverhalten und eine höhere Energieeffizienz ergibt. Durch eine gute Wärmedämmung und Vermeidung von Wärmebrücken lassen sich die kontinuierlichen Wärmeverluste über die Speicheraußenfläche minimieren. Bereich des Speichers. Sofern im Speicher ausreichend Energie zur Verfügung steht, erfolgt die Versorgung des Heizkreises ebenfalls über den Speicher. Der zentrale Wärmeerzeuger wird erst eingeschaltet, wenn die Solltemperatur für den Heizkreis im Speicher unterschritten wird. Multitalent: Der Kombispeicher Mithilfe von Kombispeichern kann sowohl die Trinkwassererwärmung als auch die Energiespeicherung mit nur einem einzigen Gerät realisiert werden. Bei Einbindung von solarthermischer Energie dienen Kombispeicher also sowohl als Wärmespeicher zur Heizungsunterstützung als auch zur Bevorratung des Trinkwarmwassers. Hier gibt es verschiedene Typen der Trinkwassererwärmung: Tank-in-Tank-System Eine verbreitete Bauart von Kombispeichern sind die Tank-in-TankSpeicher. Bei diesen befindet sich im Inneren des Pufferspeichers, der das Heizungswasser aufnimmt, ein zweiter, kleinerer Innentank für das Trinkwarmwasser. So kann die Solaranlage Heizungs- und Trinkwarmwasser in einem Durchgang erwärmen. Das Heizungswasser im äußeren Mantel des Speichers wird durch einen Wärmetauscher solar erwärmt; dieses überträgt die Wärme wiederum über die Oberfläche des Innenspeichers an das Trinkwarmwasser. monovalent (ein Wärmetauscher) bivalent (zweiter Wärmetauscher für Solareintrag) Abb. 83: Trinkwassererwärmung Kombispeicher mit Frischwasserstation Pufferspeicher Hierbei erfolgt die Trinkwassererwärmung über einen externen Wärmetauscher. Wird Trinkwarmwasser in Küche oder Badezimmer benötigt, fließt kaltes Wasser über einen HochleistungsPlattenwärmetauscher, der außerhalb des Speichers angeordnet ist, und wird dort über das Heizungswasser, das in einem Pufferspeicher bereitgestellt wird, „just in time“ auf die gewünschte Warmwassertemperatur erwärmt. Abb. 84: Energiespeicherung Kombispeicher mit eingebautem internem Wärmetauscher Bei dieser Variante wird das Trinkwasser über einen innenliegenden Wärmetauscher erwärmt. Über die thermische Solaranlage wird der Kombispeicher über einen weiteren Wärmetauscher im unteren Bereich des Kombispeichers beladen. Ist die solare Einstrahlung für die Trinkwassererwärmung nicht ausreichend, so erfolgt eine Nacherwärmung durch den zentralen Wärmeerzeuger im oberen innenliegender Trinkwasserspeicher (Tank-in-Tank-System) externer Wärmetauscher interner Trinkwasser(Frischwasserstation) wärmetauscher Abb. 85: Kombispeicher (Trinkwassererwärmung + Energiespeicherung) 77 Abgasanlagen – flexibel einsetzbare Systeme für viele Anwendungsbereiche Schornsteine mit Edelstahl sanieren Geeignet für jedes Heizungssystem Der Schornstein erlebt derzeit eine Renaissance: Seitdem verstärkt Heizungsanlagen mit Festbrennstoffen nachgefragt werden, rücken die Schornsteine wieder in den Fokus von Bauherren und Planern. Denn Schornsteine bilden das Zentrum des Abgassystems von Heizungsanlagen und müssen optimal an die Art der Befeuerung angepasst werden. Wenn es um Abgasanlagen geht, dann spricht vieles für Edelstahl: Das Material ist langlebig, benötigt nur wenig Platz und kann für alle baulichen Begebenheiten verwendet werden. Abgasanlagen aus Edelstahl eignen sich sowohl für Neubauten als auch für den nachträglichen Einbau bei Sanierungen – für innen ebenso wie für außen. Alternative Materialien wie Keramik oder Kunststoff sind im Vergleich dazu aufwändiger im Einbau bzw. nur für geringe Abgastemperaturen geeignet. Abgasanlagen aus Edelstahl lassen sich für alle zugelassenen Brennstoffe nutzen. Verschiedene Hersteller bieten Systeme an, die sich im Druck- und Temperaturbereich unterscheiden. Für ölund gasbetriebene Feuerstätten eignen sich Ausführungen, die maximale Abgastemperaturen von 200 °C verkraften. Soll jedoch eine Festbrennstoffanlage – beispielsweise ein Kaminofen oder ein Scheitholzkessel – angeschlossen werden, ist die Abgasstrecke auf eine Temperatur von 400 °C im Unterdruck auszulegen. Bei einer Pelletheizung ist aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen die Bildung von Kondenswasser innerhalb des Schornsteins einzukalkulieren. Das dazu passende Abgassystem muss deshalb feuchteunempfindlich sein. Werden – bedingt durch den Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage oder den Anschluss eines Notstromaggregates bzw. Verbrennungsmotors – besonders hohe Forderungen an die Druckbeständigkeit gestellt, gibt es spezielle Systeme für einen Überdruck von 5.000 Pa und Abgastemperaturen von bis zu 600 °C. Allen Anforderungen gerecht Neben hohen Temperaturen sind Abgasführungen auch chemischen Belastungen, insbesondere Säuren, ausgesetzt, die in den Rauchgasen enthalten sind. Diese wirken bei Taupunktunterschreitung durch Kondensation aggressiv auf die Abgasführungen ein. Zeitgemäße Abgassysteme aus Edelstahl verkraften die kondensierende Betriebsweise der heute eingesetzten Heizungsanlagen problemlos. Bei Abgastemperaturen von etwa 40 °C und darunter kommt es im Falle einer Unterschreitung der Taupunkt temperatur zur beabsichtigten Bildung von Kondensat in der Abgasstrecke. Diese Feuchtigkeit sammelt sich an der Schornsteinsohle in einer Kondensatschale und wird von dort abgeführt. Abb. 86: Bestandsschächte 78 Schallschutz mit System Geräusche innerhalb der Heizzentrale werden häufig als Körperund als Luftschall weitergeleitet. Zur Verringerung dieser Schallwerte können Schalldämpfer eingesetzt werden. Um Lärmbelästigungen von Heizungsanlagen, Kraft-Wärme-KopplungsAnlagen oder Notstromaggregaten entgegenzuwirken, kann der Luftschall im Abgasweg wirkungsvoll mit Abgassschalldämpfern eingedämmt werden. Mit einem Körperschall-Absorber am Anschlussstutzen der Feuerstätte und einem Abgas-Schalldämpfer Abb. 87: Luft-Abgas-Systeme Technologien/Produkte Bei verbrennungsmotorisch betriebenen Feuerungsanlagen Bei Öl- und Gas-Feuerstätten Passiv-Schalldämpfer Aktiv-Schalldämpfer Schalldämpfer von BHKWs Abb. 88: Schallschutz mit Edelstahlabgasschalldämpfern allgemein im Verbindungsstück wird die Übertragung dieser Geräusche in die Abgasanlage und damit auf das Bauwerk und ins Freie wirkungsvoll vermindert. Einwandig, doppelwandig und flexibel Abgasanlagen aus Edelstahl stehen in einwandigen oder doppelwandigen Ausführungen zur Verfügung. Sie eignen sich sowohl für die Innen- als auch für die Außenmontage und werden inzwischen bewusst als architektonisches Gestaltungsmerkmal an Gebäuden eingesetzt. Einwandige Edelstahl-Abgassysteme sind eine kostengünstige Schornsteinlösung und einfach zu verarbeiten. Je nach Ausführung finden sie vom Unter- bis zum Überdruckbetrieb in Verbindung mit gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen Verwendung. Die größte Einschränkung ergibt sich aus dem relativ hohen Mindestabstand, der zu anderen brennbaren Bauteilen einzuhalten ist. Deshalb werden sie meist in Schornsteinen eingebaut, die eine Brandschutzfunktion haben und auch eine ggf. erforderliche Hinterlüftung ermöglichen. Doppelwandige Systeme für die Zu- und Abluft Doppelwandige Schornsteine aus Edelstahl können sowohl im Gebäude als auch an der Außenwand montiert werden. Die Flexibilität in Bezug auf Änderung, Erweiterung oder auch Demontage stellt einen weiteren Vorteil dieser leichten Abgasanlagen dar. Sie spielen besonders in der Nachrüstung ihre Stärke aus, wenn kein geeigneter Schornstein in der Nähe ist. Doppelwandige Schornsteine können auch für den raumluftunabhängigen Betrieb genutzt werden. Bei solchen Luft-AbgasSystemen werden die warmen Abgase und die kühle Zuluft für die Heizungsanlage über zwei getrennte Leitungen geführt. Auf diese Abb. 89: Doppelwandige Systeme Weise kann den Abgasen zugleich die Restwärme entzogen werden. Luft-Abgas-Systeme können im Rahmen von Modernisierungen in Schächten, Kaminen oder Schornsteinen installiert werden. Bei Neubauten werden sie als Systemschornstein neu erstellt. Flexibilität im Fokus Flexible Rohrsysteme aus Edelstahl kommen hauptsächlich dann zum Einsatz, wenn bei der Schornsteinsanierung Schrägführungen notwendig sind oder ungünstige, beispielsweise rechteckige Abmessungen im Bestand vorliegen. Flexible Rohrsysteme werden in ein- oder doppellagiger Ausführung hergestellt und besitzen deshalb eine gewellte oder glatte Innenfläche. Spezielle Falz- und Fügetechniken erlauben eine sichere und dennoch bewegliche Rohrführung. 79 Tanksysteme Heizöl sicher lagern Die Industrie bietet für die Heizöllagerung heute für jeden Gebäudetyp und jede Anforderung das passende Tanksystem an. Entscheidend für die Wahl sind die persönlichen Präferenzen für den Aufstellungsort, die individuellen baulichen Gegebenheiten sowie wirtschaftliche Gesichtspunkte der Kunden. Moderne Tanksysteme für Heizöl stehen für eine maximale Versorgungssicherheit und eine wirtschaftliche Unabhängigkeit. Sie bilden die Basis für eine ökonomische Wärmeversorgung. Die Energiebevorratung im eigenen Tank bietet Betreibern von Ölheizungen die freie Wahl des Lieferanten und die Möglichkeit zum „günstigen“ Einkauf, da der Verbraucher selbst über den Zeitpunkt der Lieferung entscheiden kann. Heizöltanks werden in verschiedenen Varianten ausgeführt: als Erdtanks und heute überwiegend als doppelwandige Sicherheitstanks. Anforderungen Bei der Lagerung von Heizöl unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer unterirdischen und einer oberirdischen Lagerung. Ein Öllagerbehälter gilt als unterirdisch, wenn er ganz oder teilweise im Erdreich eingebettet ist. Bei der vorherrschenden oberirdischen Öllagerung stehen die Tanks ganz selten im Freien, sondern sind meist im Gebäude – vorwiegend im Untergeschoss oder im Heizraum selbst – aufgestellt. Grundsätzlich gilt die Forderung des Sekundärschutzes, die durch die Doppelwandigkeit mit Leckanzeigegerät bzw. Leckage-Erkennungssystem erfüllt wird. Oberirdisch – meist im Keller – sind auch einwandige Behälter mit entsprechendem Auffangraum, dessen Dichtfläche aus zugelassenen Materialien hergestellt wird, möglich. Seit über 40 Jahren werden Kunststofflagertanks für Heizöl genutzt. Sie sind vornehmlich im Keller oder Heizraum aufgestellt. Bis vor 20 Jahren war die Nutzung einwandiger Tanks üblich, die in bauseits gemauerten Auffangwannen stehen. Erst danach etablierten sich werksgefertigte doppelwandige und geruchsdichte Tanks auf dem Markt. Der Austausch einwandiger Behälter wird von Experten und fachkundigen Stellen nach 30 Jahren empfohlen, da vor allem die bauseitigen Auffangwannen den sicherheitstechnischen Anforderungen hinsichtlich Dichtheit und oft auch Statik nicht entsprechen. Inzwischen lässt sich ein Modernisierungsstau bei Heizöltanks festmachen: Rund 45 % aller Kunststofflagertanks sind 25 Jahre oder sogar noch älter. Die Verbraucher investieren mit einem modernen doppelwandigen Heizöltank in 26 Jahre und älter 45 % 21 - 25 Jahre Renovierungsbereich 10 % 16 - 20 Jahre 24 % 11 - 15 Jahre 13 % 6 - 11 Jahre 5% 1 - 5 Jahre 3% 0% 10 % 20 % Abb. 90: Altersstruktur der Kunststofflagertanks im Markt seit 1970 80 30 % 40 % 50 % Technologien/Produkte Abb. 91: Moderne ein- und doppelwandige Sicherheitstanks ein hochwertiges Produkt, das ihnen eine unkomplizierte und sichere Versorgung auch in der Zukunft garantiert. Meist ist mit modernen Heizöltanks auch ein beträchtlicher Raumgewinn verbunden. auch für Öl mit Biozusätzen bau- und wasserrechtlich zugelassen. Die Tanksysteme sind zum Schutz einer Überfüllung beim Betanken mit Grenzwertgebern und teilweise mit weiteren Sicherheitseinrichtungen ausgestattet. Auf doppelwandige Sicherheitstanks setzen Verschiedene automatische Überwachungseinrichtungen sorgen für eine einfache und sichere Kontrolle. Mit dem Füllstandanzeiger lässt sich jederzeit der Heizölvorrat kontrollieren. Bei der Heizöllagerung gilt immer das Prinzip der doppelten Sicherheit. So ist bei einwandigen Tanks eine Auffangwanne gesetzlich vorgeschrieben, die bei einem eventuellen Leck das Auslaufen des Öles in Gewässer verhindert. Diese Auffangwanne muss öldicht sein, eine zugelassene Beschichtung haben und zur Kontrolle einsehbar sein. Das heißt, die Behälter müssen einen ausreichend großen Abstand zu den Wänden haben. Doppelwandige Heizöltanks können platzsparender aufgestellt werden. Diese Kunststoffbehälter bieten vielfältige Vorteile: Sie stehen für eine lange Nutzungsdauer und eine maximale Sicherheit, sodass sogar auf einen gemauerten Auffangraum – etwa wie er für einwandige Systeme vorgeschrieben ist – verzichtet werden kann. Mittlerweile übernehmen auch die Tankhersteller eine Systemgarantie, was den Nutzern ein Plus an Sicherheit verschafft. Kleine Dimensionen, große Flexibilität Gut gedämmte Gebäude und eine immer effizientere Heizungstechnik sorgen dafür, dass der Brennstoffbedarf vieler Gebäude sinkt. Damit verringern sich auch die Lagermengen an Heizöl. Dazu reduzieren neue Tanksysteme den Platzbedarf, sodass Hauseigentümer wertvollen Raum gewinnen. Durch ihre kompakten Abmessungen ist auch ein nachträglicher Einbau möglich. Außerdem sind heutige Tanks für schwefelarmes Heizöl und 81 Intelligente Regelungs- und Kommunikationstechnik Technik, die mitdenkt Hinter heutigen Heizungen stecken intelligente Systeme, die das Leben sehr angenehm machen. So ist es in vielen Haushalten schon lange eine Selbstverständlichkeit, dass sich morgens die Badezimmerheizung automatisch vor dem Wecker einschaltet und man so bei angenehmer Raumtemperatur duschen kann. Die Temperatur im Wohnbereich kann so eingestellt werden, dass die persönliche Wohlfühltemperatur zum Feierabend schon erreicht ist. Und es versteht sich fast von selbst, dass die Heizung nachts auf dem Tiefpunkt steht – von allein. Moderne Heizungen sind ohne eine intelligente Regelungstechnik nicht mehr denkbar: Diese basiert auf innovativer Mikroelektronik und sorgt für ein optimales Zusammenspiel aller Heizungskomponenten – Heizkessel, Brenner, Heizungspumpen und Heizkörper inbegriffen. Sie sichert, dass die gewünschte Temperatur durch die Heizungsanlage erzielt wird. Auch wenn zwischendurch das Fenster kurz geöffnet wird oder eisige Außentemperaturen eine höhere Gradzahl erfordern. Die Technik ist so einfach zu bedienen und so energieeffizient wie nie zuvor. Dadurch, dass Verbraucher sehr zielgenau und bedarfsorientiert in bestimmten Bereichen heizen können, hilft die Regelungstechnik nachhaltig dabei, Betriebskosten zu senken. Ein Display macht die Verbrauchswerte transparent, erfasst Betriebszustände und zeigt an, wenn eine Wartung nötig wird. Bewohner können Korrekturen der eingestellten Programme unkompliziert ausführen – falls man es plötzlich wärmer wünscht oder weil sich draußen ein plötzlicher Kälteeinbruch abzeichnet. Sollte es einmal zu einer Störung kommen, so wird diese sofort über das Display angezeigt. Die Angaben helfen dem Heizungstechniker, die Ursachen ohne Umwege zu erkennen und schnellstmöglich zu beheben. Wärme auf Knopfdruck Heutige Heizsysteme bieten deutlich mehr als frühere Generationen: Mit ihnen kann die Warmwassererzeugung, die Heizleistung sowie die Lüftung zentral gesteuert werden. Diese modernen Systeme erzeugen bei Bedarf nicht nur heißes Wasser zum Heizen, sondern erwärmen ebenfalls das Wasser für Küche und Bad. Außerdem lassen sich diese Systeme bivalent, also mit zwei Energieträgern gleichzeitig betreiben. Vielfach kommen dabei erneuerbare Energien zum Einsatz – zum Beispiel die Solarthermie. Die Regelungstechnik koppelt die Energie der Solaranlage ins System ein. Wenn die Anlage durch schlechte Wetterverhältnisse nicht genügend Wärmeleistung erbringt, springt die Heizung ein – gesteuert von der Regelungstechnik im Hintergrund. Die Regelungstechnik übernimmt die Steuerung ganz unterschiedlicher Heizungssysteme – etwa auch von Mikro- oder Mini-Blockheizkraftwerken, die mit dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung 82 gleichzeitig Strom und Wärme produzieren. Die Regelungstechnik speist u. a. den überschüssigen Strom in das lokale Netz ein – was für Hausbesitzer insofern interessant sein dürfte, da sie ihren Stromüberschuss vergütet bekommen. Ferngesteuerte Heizungsanlagen Die heutige Regelungstechnik für Heizungssysteme bietet vielfältige Möglichkeiten, Wärme effizient zu erzeugen und einzusetzen. In Kombination mit moderner Kommunikationstechnik lassen sich ihre Potenziale jedoch erst vollständig ausschöpfen: So ist es bereits heute möglich, per Funk die Heizungsanlage im Keller vom Wohnzimmer aus zu steuern – mit einer Fernbedienung, wie man es seit Langem von Fernseher, DVD-Player oder der Stereoanlage gewohnt ist. Zur Anlagendiagnose benötigt der Techniker nur noch einen Laptop. Und weil die Kommunikationstechnik Störungen, Ausfall oder andere Vorkommnisse automatisch an den Installateur übermittelt, können Hausherren respektive -frauen dem Winter gelassen entgegensehen: Der Techniker erhält umgehend die nötigen Informationen, um von seinem Schreibtisch aus die Lage in den Griff zu bekommen. Durch einen Online-Zugriff kann er alle nötigen Schritte veranlassen. Auf diese Weise lassen sich unnötige Serviceeinsätze umgehen und die Verfügbarkeit der Anlage erhöhen – ohne Mehraufwand und Mehrkosten für den Betreiber. Den Energieverbrauch effizient managen Eine moderne Heizungsanlage kann heutzutage von einem zentralen Computer aus gesteuert werden, der alle Daten, Programme und Informationen verwaltet. Grundsätzlich ist ein solcher „Bordcomputer“ intuitiv über einen Touchscreen zu bedienen. Hier können Bewohner Heizprofile für die einzelnen Räume erstellen, eine Grundtemperatur festlegen oder die Ventile der Heizkörper regeln. Sensoren erfassen die Umgebungsbedingungen, die das System auswertet und entsprechend umsetzt. Somit ermöglicht die Regelungs- und Kommunikationstechnik ein Energiemanagement, das exakt auf die Bedürfnisse der Bewohner ausgerichtet ist. Technologien/Produkte Unabhängigkeit Effizienz Komfort !)2&,/7 5.)4 Zuverlässigkeit #%.42!,#42, -/$% &,!0 3%44%-0 4)-%23%4 &!.30%%$ 3%4 #, /. /&& Wärmeerzeugung Erneuerbare Energien Bedarfsgerechte Temperaturregelung Diagnose Abb. 92: Intelligente Regelungs- und Kommunikationstechnik 83 84 Neue Technologien Neue Technologien Neue Technologien: Gas-/Öl-Wärmepumpe Mikro-KWK (Gas-/Öl-betrieben) Smart Grid/Smart Home Mit Gas in eine erneuerbare Zukunft 85 Neue Technologien: Gas-/Öl-Wärmepumpe Ressourcenschutz und erneuerbare Energien Treibstoff Gas oder Öl Durch den Einsatz von neuen Technologien wie Gas- oder ÖlWärmepumpen kann durch Effizienzsteigerung und Nutzung erneuerbarer Energien der Primärenergiebedarf weiter reduziert werden. Das mit Umweltwärme betriebene Wärmepumpenmodul deckt dabei die Grundheizlast des Gebäudes. Auftretende Leistungsspitzen werden durch ein integriertes Brennwertgerät kompensiert. Durch die Verknüpfung zweier Technologien in einem Gerät ergibt sich eine kompakte Bauweise mit geringem Platzbedarf und hoher Effizienz. Es wird zwischen Kompressionswärmepumpen (Verbrennungsmotorwärmepumpen) und Sorptionswärmepumpen (Absorptions- oder Adsorptionswärmepumpen) unterschieden. Während der Nutzungsgrad eines kondensierenden Gaskessels auf den Brennwert bezogen ca. 98 % beträgt, erreicht eine Gaswärmepumpe durch die zusätzliche Nutzung der Umgebungswärme bis zu 135 %. Damit liegt ihr Wirkungsgrad etwa 35 % über dem eines Brennwertkessels. Derzeit sind Gaswärmepumpen in der Markteinführung. Die erfolgreich entwickelte Gaswärmepumpe wird derzeit im Labor für den Betrieb mit flüssigen Brennstoffen wie Heizöl adaptiert. Kompressionswärmepumpen mit Verbrennungsmotor Diese Wärmepumpen nutzen einen Verbrennungsmotor für den Antrieb. Der Kältekreis funktioniert ähnlich wie eine Elektrowärmepumpe, lediglich der Verdichter wird durch den Motor angetrieben. Analog zur Elektrowärmepumpe wird die Umgebungswärme mithilfe eines Arbeitsmediums, also eines Kältemittels, von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt. Zusätzlich gibt der Motor Wärme ab, die ebenfalls zum Heizen verwendet wird. Sorptionswärmepumpen Bei diesen Wärmepumpen wird ein Brenner als Antriebsaggregat eingesetzt. Adsorptionswärmepumpen Eine Adsorptionswärmepumpe mit Zeolith als Sorptionsmittel funktioniert wie eine Spülmaschine. Als Kältemittel wird üblicherweise Wasser genutzt. Ein Hybridgerät aus einem Zeolith-Modul und einem Brennwertgerät ist eine effiziente Kombination zur Nutzung von Umweltwärme und fossilen Energieträgern (inklusive Biokomponenten). Aufgrund des hohen primärenergetischen Nutzungsgrades ist es ein ideales System für niedrige Systemtemperaturen. Absorptionswärmepumpen Anstelle der mechanischen Kompression des Kältemittels wird im thermischen Verdichter zunächst ein gasförmiges Kältemittel (Ammoniak) von einem Lösungsmittel (Wasser) absorbiert. Eine Lösungspumpe fördert anschließend das flüssige Gemisch in den Austreiber. Dort wird mittels Wärmezufuhr durch einen Erdgasbrenner der Druck und die Temperatur erhöht. Das Ammoniak verdampft und kondensiert anschließend im Verflüssiger unter Wärmeabgabe an das Wärmenetz. 86 Ölbetriebene Wärmepumpen Mit der Öl-Brennwerttechnik lassen sich schon heute beträchtliche Primärenergieeinsparungen erzielen. Eine weitere Verbesserung ist durch die Nutzung von Umweltwärme möglich – eben durch eine ölbetriebene Wärmepumpe. Diese Zukunftstechnologie für flüssige Brennstoffe soll einen primärenergetischen Nutzungsgrad von 120 bis 130 % ermöglichen. Um diese Technologie in die Tat umzusetzen, kooperieren derzeit mehrere Partner der Mineralölwirtschaft unter Federführung des Instituts für Wärme und Oeltechnik (IWO) im Rahmen einer Technologie-Initiative. Voraussetzung dafür war die Konzeption eines modulierenden Ölbrenners kleiner Leistung, der es ermöglicht, die Wärmepumpe mit schwefelarmem Heizöl oder auch mit einem Heizöl, das Biokomponenten enthält, zu betreiben. Die Schlüsseltechnologien für einen solchen Brenner sind die Brennstoffdosierung sowie die Mischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff. Auf Basis eines innovativen Verbrennungskonzeptes wird ein modulierender Ölbrenner kleiner Leistung entwickelt. Neue Technologien Sorber Sorber Wasserdampf Kondensator Zeolith Zeolith Rücklauf Verdampfer Verdampfer Kondensat Wasserdampf Verrieselung von Kältemittel Umweltwärme Umweltwärme Verdampferpumpe: aus Verdampferpumpe: an Abb. 93: Technische Darstellung Zeolith-Kompaktgerät Kältemitteldampf Austreiber Absorptionsmittel wird vorgewärmt Kühlwasser Energieeinsatz: Wärme aus Heizöl-BHKW Wärmeübertrager Absorptionsmittel kühlt ab Verflüssiger Regelventil Kältemitteldampf Absorber Verdampfer Regelventil Kälte für Klimaanlage Kühlwasser Förderpumpe Abb. 94: Funktionsprinzip Absorptionskälteanlage Heizwärme Kältemittel flüssig Treibstoff Heizwärme Druckreduzierventil Kondensator Verdichter Antriebsleistung P Motor Verdampfer Kältemittel gasförmig Abb. 95: Funktionsprinzip Kompressionswärmepumpe Umweltwärme 87 Mikro-KWK (Gas-/Öl-betrieben) Was ist Mikro-KWK? Viele Gründe sprechen dafür, Energie so effizient wie möglich einzusetzen. Die kombinierte Produktion von elektrischem Strom und Nutzwärme mit Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) gilt als eine der wirksamsten Maßnahmen, Ressourcen nachhaltig und sparsam einzusetzen. Hocheffiziente KWK-Anlagen auf Erdgas- und Heizölbasis haben sich im großen und mittleren Leistungsbereich in der Industrie oder im Gewerbe, in Schwimmbädern oder Hotels sowie größeren Mehrfamilienhäusern bereits seit vielen Jahren als Energiespartechniken bewährt. Kleinere Geräte für Ein- und Zweifamilienhäuser – sog. Mikro-KWK-Anlagen – sind in der Felderprobung beziehungsweise in der Phase der Markteinführung. Einsatzbereiche und Vorteile Mikro-KWK-Anlagen decken mit vorgesehenen Leistungen von 0,3 bis 2 kW (elektrisch) und von 2,8 bis 35 kW (thermisch) das unterste Leistungssegment der KWK-Technik ab. Sie weisen Gesamtwirkungsgrade bis zu 90 % auf. Hinsichtlich der Abmessungen und ihres Gewichtes haben Mikro-KWK-Anlagen ein vergleichbares Handling wie konventionelle Heiztechniken. KWK-Anlagen werden meist in Verbindung mit einem Brennwertgerät genutzt und sind für die Keller- und Dachaufstellung oder auch für den Einbau im Wohnbereich geeignet. Die Anlagen lassen sich einfach in bestehende Heizungssysteme einbinden und helfen Verbrauchern, ihren Strombezug aus dem öffentlichen Netz zu senken. Ein produzierter Stromüberschuss kann in das öffentliche Netz eingespeist werden, den der lokale Stromanbieter abnimmt und vergütet. Mikro-KWK-Technologien Viele Hersteller haben Mikro-KWK-Anlagen entwickelt. Die Entwicklungen befinden sich derzeit größtenteils in der Felderprobung. Einige Geräte werden bereits auf dem Markt angeboten. Wichtigste Unterscheidungsmerkmale sind die eingesetzte Technologie, die elektrische und thermische Leistung sowie deren Verhältnis (Stromkennzahl), die Möglichkeit der Modulation und der verwendete Brennstoff. Als Technologien kommen Verbrennungsmotoren (interne Verbrennung), Stirling-Motoren (externe Verbrennung), Dampfexpansionsmaschinen, Mikrogasturbinen und Brennstoffzellen zum Einsatz. Die am weitesten entwickelten und bereits auf dem Markt verfügbaren Mikro-KWK-Anlagen basieren auf Verbrennungs- und Stirling-Motoren. Speicher Mikro-KWK-Anlage Abb. 96: Einbindung einer Mikro-KWK-Anlage in die Gebäudetechnik 88 Neue Technologien 4.500 kWh Strom 22.500 kWh Wärme Netz Pth = 5 kW Pel = 1 kW K7H3TROM 3.000 l = 30.000 kWh Mikro-KWK η = 90 % Bereitgestellte Endenergie: 27.000 kWh 30.000 x 1,1*=33.000 kWh K7H 7iRME Primärenergieeinsatz: 33.000 kWh ηges = 82% * Primärenergiefaktor .ETZ 0THK7 0ELK7 LK7H -IKRO+7+η "EREITGESTELLTE%NDENERGIE Abb. 97: Primärenergetischer Vergleich K7H X K7H 0RIMiRENERGIEEINSATZ K7H ηGES Brennstoffzelle Remeha/Baxi Vaillant ecoPOWER 1.0 WhisperGen Viessmann Otag Bosch Thermotechnik Prototyp Marktreife Entwicklungsfortschritt Abb. 98: Beispiele aktueller Entwicklungen 89 Smart Grid/Smart Home Netze werden flexibler und effizienter Seit den Anfängen der Elektrizität fließt der Strom in eine Richtung: vom Kraftwerk hin zu den Verbrauchern in Privathaushalten, Industrie, Handwerk und im Dienstleistungssektor. Doch seit einigen Jahren ändert sich die Branche, denn immer mehr Strom wird von kleinen, dezentralen Erzeugern ins öffentliche Stromnetz gespeist – zum Beispiel aus privaten Photovoltaik-Anlagen, Windkraftanlagen, Blockheizkraftwerken oder regionalen Biomassekraftwerken. Während die PV-Anlagen bei Sonnenschein viel Strom produzieren, steigt bei Wind die Ausbeute der Windkraftwerke an. Anders sieht es jedoch bei Flaute oder schlechtem Wetter aus; massive Einspeisungsschwankungen sind die Folge. Diese sind nicht kalkulierbar und müssen vom Stromnetz aufgefangen werden – besonders dann, wenn viele Verbraucher gleichzeitig viel Strom benötigen. Das führt mitunter zu regionalen Überlastungen der Stromnetze, sodass die Netzstabilität nicht immer gewährleistet ist. In der Konsequenz bedeutet dies, dass das gesamte Energiesystem an aktuelle und künftige Bedingungen angepasst werden muss. Die Netze müssen deutlich flexibler werden als je zuvor. Energiemanagement mit System Sogenannte intelligente Stromnetze („Smart Grids“) tragen zur Netzstabilisierung bei. Mit ihnen können, um die Stromeinspeisungen von dezentralen Erzeugern besser zu koordinieren, PVAnlagen, Wasserkraftwerke und andere Kleinerzeuger zu virtuellen Kraftwerken zusammengeschlossen werden, die dann als Energiezentralen im Gesamtnetz agieren. Für ein solches Energie- Stromnetz Erneuerbare Stromerzeugung Steuerung Konventionelle Stromerzeugung Verbraucher und Erzeuger Elektrizitätsfluss Kommunikation Wärmepumpe und Speicher MUC (Multi-UtilityController) Licht Abb. 99: Schema Smart Grid 90 Lüftung Elektroauto Elektrogeräte Wärmepumpe Photovoltaik Mikro-KWKs andere erneuerbare Energien Neue Technologien management sind leistungsstarke und umfassende Lösungen der modernen Informations- und Kommunikationstechnik erforderlich. Eine wichtige Voraussetzung für die intelligenten Netze der Zukunft sind bessere Speichermöglichkeiten, um Zeiten ohne Wind und Sonne besser zu überbrücken. Speicher mit MegawattKapazitäten sind derzeit in der Entwicklung. Zur Stabilisierung des Gesamtsystems können aber auch Anlagen eingesetzt werden, die elektrische Energie in Wärme und Kälte umwandeln und speichern wie etwa Wärmepumpenanlagen, Gefriergeräte oder Kühlhäuser. Wärmepumpen bieten viel Potenzial für den Einsatz in intelligenten Netzen: Als schalt- und steuerbares System können sie regionale Leistungsspitzen in der Stromerzeugung, die durch hohe Erzeugungsleistungen bei Wind und Photovoltaik auftreten, glätten und Umweltenergie in Form von Wärme speichern. Somit kann mehr Strom aus erneuerbaren Energien effektiv genutzt und so der regenerative Wert der Wärmepumpe weiter gesteigert werden. Aber auch dezentrale Mini-KWK-Anlagen können durch ihre schnelle Einsatzbereitschaft zur Netzstabilität beitragen. 2-WegeKommunikation Monitoring Intelligente Hausgeräte Smart Homes Smart Metering Internet 123456 Elektrischer Haushaltszähler Intelligentes Energiemanagement Smart Grids Einspeisung des Versorgers Abb. 100: Schema Smart Home Stromverbrauch wird transparent Zu einem intelligenten Stromnetz gehören auch elektronische Stromzähler, die „Smart Meter“, die Verbrauchern zeigen, wie viel Strom in ihrem Haushalt zu welcher Tageszeit verbraucht wurde – auf Wunsch sogar im Sekundentakt. Die Smart Meter erfassen den Verbrauch jedes einzelnen Stromabnehmers und übermitteln diese Daten elektronisch an den Messdienstleister oder das Versorgungsunternehmen. Für die Energieversorger ergibt sich dank der Smart Meter eine deutlich höhere Transparenz, was die Verbraucher betrifft: Mit den Daten kann die Stromerzeugung besser auf die Bedürfnisse der Abnehmer abgestimmt werden. Zudem können die Energieversorger ihren Kunden maßgeschneiderte Tarife anbieten. Die Verbraucher profitieren in Zukunft von Preisen, die abhängig von Tageszeit und Netzauslastung entstehen, und können den jeweils günstigsten Anbieter wählen. Und sie können stromintensive Haushaltsgeräte wie Waschmaschine oder Trockner dann anschalten, wenn der Strom besonders günstig zu haben ist. Außerdem soll es in der Zukunft möglich sein, dass Smart-MeterSysteme auch die Haustechnik steuern, indem der Zähler das aktuelle Stromangebot im Netz überwacht und bei einem Überangebot an Strom automatisch die Wärmepumpe anstellt, um den Warmwasserspeicher aufzuheizen. Auf diese Weise beziehen die Verbraucher jederzeit den günstigsten Strom und schonen ihren Geldbeutel. Bei einem Unterangebot an Strom sorgt der intelligente Zähler hingegen dafür, dass sich die Geräte von selbst abschalten. Smart Home: Das Zuhause, das mitdenkt In Zeiten, in denen Stromversorgung und Stromzähler intelligent werden, entwickelt sich auch die Technik in Wohngebäuden beständig weiter. Künftig soll es möglich sein, von unterwegs aus die Heizung im Wohnzimmer einzuschalten, vom Büro aus das Garagentor zu schließen oder im Urlaub die Alarmanlage daheim zu aktivieren – per Smart Phone oder per Internet. Diese Technik nennt sich „Home Automation“ und vernetzt alle elektronischen Systeme und Sensoren eines Hauses miteinander – von der Steuerung der Küchenjalousie bis zur Thermostatregelung in einzelnen Räumen. Dazu gehört auch, dass der Fernseher ausbleibt, während die Kinder Hausaufgaben machen, oder dass das Licht gedimmt wird, wenn abends der DVD-Player läuft. Die Kommunikation erfolgt drahtlos über Funk. 91 Mit Gas in eine erneuerbare Zukunft Langfristige Reserven Erdgas ist mit einem Anteil von knapp 24 % am Welt-Primärenergieverbrauch hinter Erdöl und Kohle der drittwichtigste Energieträger und weist hohe Wachstumsraten auf. Dieser Trend dürfte sich auch in Zukunft fortsetzen, denn die globalen Reserven lassen auch langfristig eine ausreichende Deckung des Energiebedarfs erwarten. Doch mit Erdgas und seinen Infrastrukturen lässt sich noch mehr für die Energieversorgung der Zukunft erreichen: Gastechnologien sind hervorragend geeignet, um erneuerbare Energien effizient in die Energiesysteme zu integrieren. Ein Beispiel ist die Aufnahme von überschüssigem erneuerbarem Strom als Wasserstoff oder Methan in das bestehende Erdgasnetz. Dem Stromnetz den Rücken stärken Was vor rund zehn Jahren auf EU-Ebene beschlossen wurde, ist inzwischen Wirklichkeit geworden: Immer mehr Strom stammt aus erneuerbaren Quellen wie Windkraft und Photovoltaik. Derzeit liegt der Anteil schon bei rund 20 %; 2020 können es über 30 % sein. Doch die deutsche Energiewirtschaft kämpft mit dem Problem großer Überschussmengen aus Windkraft und Photovoltaik, denn dieser Strom ist stark von den Wetterbedingungen abhängig. An starken Windtagen können die Stromnetze schon heute den erneuerbaren Strom nicht mehr vollständig aufnehmen – er geht dann zum Teil verloren. In den nächsten Jahren wird das Problem noch deutlicher zutage treten. Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien werden zunehmend Speichertechnologien benötigt, damit das immer stärker variierende Stromangebot künftig besser an die Nachfrage angepasst werden kann. Dafür sind Energiespeicher notwendig, die große Energiemengen aufnehmen und abgeben können. Elektrische Speicher wie Batterien, Kondensatoren oder Pumpspeicherkraftwerke sind bislang nur bedingt geeignet, die Kriterien zu erfüllen. Eine neue Technik macht es jetzt möglich, diese Stromschwankungen auszugleichen: Sie konvertiert überwiegend erneuerbaren Strom in erneuerbares Gas, das in Gaskraftwerken, Gebäuden, Autos und der Industrie genutzt werden kann. Dieses erneuerbare Gas lässt sich einfach in die bestehende Gasinfrastruktur einbinden, Heizungen und effiziente Gaskraftwerke können das Gas künftig nutzen. Power to Gas: Aus Strom wird Gas Die Technologie spaltet aus überschüssigem erneuerbarem Strom Wasser per Elektrolyse. Dabei entsteht Wasserstoff, der direkt in das Gasnetz eingespeist und mit Erdgas gemischt werden kann. Übrigens: Das bis in die 1990er-Jahre eingesetzte Stadtgas enthielt bis zu 50 % Wasserstoff. Insofern ist dies keine grundsätzlich neue Technologie. Alternativ kann das Verfahren der 92 Methanisierung genutzt werden. In dieser chemischen Reaktion des Wasserstoffs mit Kohlendioxid entsteht dann Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Strom zu Wasserstoff beträgt rund 80 % , bei Strom zu Methan über die Methanisierung ca. 60 %. Die Qualität des erzeugten erneuerbaren Gases ist hoch. Es ist nicht verunreinigt und kann ohne zusätzliche Bearbeitung in das Erdgasnetz eingespeist werden. Diese neue Methode macht also aus dem Gasnetz ein Speichermedium für Strom. Eine andere Variante der Herstellung und Einspeisung erneuerbaren Gases wird übrigens seit etwa 5 Jahren praktiziert: Biogas. Weil Erdgas und Biogas Methan enthalten, lässt sich Biogas per Aufbereitung auf das Qualitätsniveau von Erdgas bringen und entsprechend ins vorhandene Erdgasnetz einspeisen. Ein weiterer Vorteil sind die vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten. Mittlerweile sind 44 Einspeiseanlagen im Betrieb, bis Ende 2011 sollen es 60 sein. Schlüsseltechnologie Kraft-Wärme-Kopplung Die so gespeicherte Energie kann zeitversetzt und an jedem beliebigen Ort wieder in Strom und Wärme umgewandelt werden. Besonders effizient ist dafür die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), da gleichzeitig elektrischer Strom und nutzbare Wärme erzeugt werden. Sie kann flexibel eingesetzt werden. In der stromgeführten Fahrweise etwa wirkt die KWK-Technologie ausgleichend auf das Stromnetz und kann unter anderem im regionalen Netz Spitzen aus der Windenergie und Photovoltaik wirkungsvoll abfedern. Durch eine intelligente Abwärmenutzung, etwa für die Gebäudeklimatisierung im Sommer, kann der Wirkungsgrad ganzjährig hoch gehalten werden. Die KWK-Technologie ist damit die komplementäre Technologie zu den erneuerbaren Energien. Neue Technologien Kernenergie Stromnetz Erdgas Biogas Kohle Erneuerbare Energien, Wind Gasnetz Wasserstoff Synthetisches Gas GuDKraftwerke Kraft-WärmeKopplung Nutzung von elektrischer Energie und Wärme Abb. 101: Rolle des Gases in einem zukünftigen Energieversorgungssystem 93 Mitglieder ACC Germany GmbH AEROLINE Tube Systems Baumann GmbH AFG Arbonia-Forster-Riesa GmbH Alpha-InnoTec GmbH altmayerBTD GmbH & Co. KG ATAG Heizungstechnik GmbH Austria Email AG Bertrams AG BorgWarner BERU Systems GmbH Bosch Thermotechnik GmbH August Brötje GmbH Caradon Heating Europe B. V. Carl Capito Heiztechnik GmbH Danfoss GmbH De Dietrich Remeha GmbH DEHOUST GmbH Dia-therm Heizkörper-Werk GmbH & Co. KG Dinak S. A. Deutschland DL Radiators S. p. A Walter Dreizler GmbH Wärmetechnik Karl Dungs GmbH & Co. KG ebm-papst Landshut GmbH eka – edelstahlkamine gmbh ELCO GmbH Elster GmbH Enertech GmbH Division Giersch ERC GmbH 94 Georg Fischer GmbH & Co. KG Flamco Wemefa GmbH Fröling Heizkessel- und Behälterbau Ges. mbH General Solar Systems GmbH GF Wärmetechnik GmbH Glen Dimplex Deutschland GmbH Greiner PURtec GmbH GRUNDFOS GmbH HAFLEX Maschinenbau GmbH Hautec GmbH HDG Bavaria GmbH Herrmann GmbH & Co. KG Honeywell GmbH Hoval (Deutschland) GmbH Huch GmbH Behälterbau IWO – Institut für Wärme und Oeltechnik e. V. Jeremias GmbH Kermi GmbH Körting Hannover AG KOF-Abgastechnik GmbH KORADO A. S. Kutzner & Weber GmbH & Co. KG LIVE Gesellschaft für Abgastechnologie mbH Loos Deutschland GmbH MEKU Metallverarbeitungs-GmbH & Co. KG MHG Heiztechnik GmbH Müller + Schwarz GmbH BDH NAU GmbH Umwelt- und Energietechnik NIBE Systemtechnik GmbH Oertli Rohleder Wärmetechnik GmbH OILON GmbH Ontop Abgastechnik GmbH Oventrop GmbH & Co. KG Paradigma Deutschland GmbH Joseph Raab GmbH & Cie. KG Rettig Austria GmbH Rettig Germany GmbH Riello S. p. A. ROTEX Heating Systems GmbH Roth Werke GmbH SAACKE GmbH Schiedel GmbH & Co. KG K. Schräder Nachf. Schüco International KG SCHÜTZ GmbH & Co. KGaA Seibel + Reitz GmbH & Co. KG SEM Schneider Elementebau GmbH & Co. KG Siemens AG SOTRALENTZ HABITAT Stiebel Eltron GmbH & Co. KG SUNTEC INDUSTRIES (Deutschland) GmbH TEM AG Testo AG The Heating Company Germany GmbH TYFOROP CHEMIE GmbH Uponor GmbH Vaillant GmbH VHB – Verband der Hersteller von Bauelementen für wärmetechnische Anlagen e. V. Viessmann Werke GmbH & Co. KG VOGEL & NOOT Wärmetechnik GmbH WATERKOTTE GmbH Watts Industries Deutschland GmbH Max Weishaupt GmbH WERIT Sanitär-Kunststofftechnik GmbH & Co. KG Westaflexwerk GmbH WILO SE Windhager Zentralheizung GmbH SBT Winkelmann Handelsgesellschaft mbH wodtke GmbH Wolf GmbH Zehnder GmbH 95 Herausgeber: Interessengemeinschaft Energie Umwelt Feuerungen GmbH, Frankfurter Straße 720–726, 51145 Köln
