Energiegewinnung im Vergleich: Erneuerbare Energien für nachhaltige Gebäude

Photovoltaik

Eine Photovoltaikanlage, kurz PV Anlage, wird zur Gewinnung von elektrischer Energie, sprich Strom, eingesetzt. Diese Art der Energiegewinnung gelingt mithilfe von Photovoltaikzellen. Dabei wird direktes und diffuses Sonnenlicht in elektrische Energie bzw. in „Solarstrom“ umgewandelt. Dabei kann beim Einsatz von Photovoltaik entweder auf eine sog. Inselnutzung oder auf einen Netzparallelbetrieb gesetzt werden. Bei Ersterem wird der erzeugte Solarstrom zur netzunabhängigen Versorgung eines Gebäudes gebraucht, wenn auf einen Netzanschluss verzichtet wird. Hierfür ist dann jedoch ein geeigneter Speicher erforderlich, um eventuell Defizite in der Bereitstellung erneuerbarer Energie zu überbrücken.

Weitaus üblicher ist die direkte Nutzung des Solarstroms durch Einspeisung in das Wechselspannungsnetz des Gebäudes im Netzparallelbetrieb. Hierbei entfällt die Beschaffung eines Speichers. Allerdings wird dabei ein Wechselrichter für die Umwandlung des in der PV Anlage erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom erforderlich. Der nicht direkt benötigte Strom wird über die Einbindung der PV Anlage in das örtliche Stromnetz an dieses abgegeben.

Bei der Auslegung einer PV Anlage sind die folgenden Voraussetzungen zu erbringen:

• Orientierung der installierten Photovoltaikanlage: Die größtmögliche jährliche Sonneneinstrahlung ergibt sich bei direkter Südorientierung, bei 28° Neigung und bei Gewährleistung von Schattenfreiheit der PV Anlage.
• Flächenbedarf: Je kW_p (Spitzenleistung) muss grob mit einer Photovoltaik Generatorfläche von 10 m² gerechnet werden.
• Integration in die vorhandene Elektroinstallation: Eine Reihe von zusätzlichen Komponenten bzw. Leistungen müssen vorgesehen und eingebaut werden. Beispielweise die Anbringung eines Wechselrichters und die Montage des Photovoltaik Generators auf dem Dach.

Solarthermische Anlage zur Energiegewinnung

Wärmepumpe zur Energiegewinnung

Zur Gewinnung von Thermalenergie aus Niedrigenergiequellen wie Boden, Grundwasser oder Luft wird eine sog. Wärmepumpe eingesetzt (Abbildung 2). Eine Wärmepumpe wird in der Regel mit Fluiden betrieben, die bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr im Verdampfer verdunsten. Meist sind dies gewöhnliche Kühlmittel. Diese Fluiden kondensieren nach der Verdichtung auf einen höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder. In einer Wärmepumpe wird in einem Reservoir durch Zufuhr von Wärme die Speicherflüssigkeit bzw. das Kühlmittel verdampft. Der so entstehende Dampf wird durch eine elektrisch betriebene Pumpe hoch verdichtet und damit auch stark erwärmt. Die so erzeugte Wärme, zusammen mit der freigesetzten Verdunstungs- bzw. Verdampfungsenergie wird abgeführt und kann vornehmlich für die Raumheizung genutzt werden. Das Kondensat sammelt sich in einem zweiten Reservoir (Verflüssiger) mit höheren Temperaturen. Das Kältemittel ist dann wieder flüssig, steht aber noch unter Druck. Durch das Expansions- oder Entspannungsventil gelangt es wieder auf das ursprüngliche niedrige Druckniveau. Dann geht es weiter zum Verdampfer, wo der Prozess von vorn beginnt.

Ein entscheidender Vorteil bei der Nutzung einer Wärmepumpe ergibt sich daraus, dass sich aus 1 kWh elektrischer Energie für die Betreibung der Pumpe ca. 3 bis 5 kWh Wärmeenergie erzeugen lassen. Erneuerbare Energien für die Betreibung der elektrisch betriebenen Wärmepumpe verstärkt die Nachhaltigkeitseigenschaften der Gesamtanlage.

Als Wärmequellen für das Betreiben einer Wärmepumpe kommen die folgenden Techniken infrage:

• Grundwasser stellt die zuverlässigste Wärmequelle dar, die nahezu ganzjährig eine konstante Wärmequellentemperatur liefert, allerdings recht hohe Investitionen erfordert.
• Bei Erdsondenanlagen wird Erdwärme über eine Sondenanlage erschlossen. Obgleich dies mit relativ hohen Investitionskosten verbunden ist, stellt eine solche Anlage jedoch standortabhängig eine zuverlässige Wärmequelle dar.
• Die Nutzung einer Erdkollektoranlage ist sehr flächenintensiv und nur bei Neubauprojekt mit ausreichender Grundstücksgröße möglich bzw. sinnvoll. Obwohl der Wirkungsgrad von Erdkollektoren im Winter stark eingeschränkt ist, sind diese jedoch gegenüber den bereits genannten Techniken wirtschaftlich deutlich günstiger.
• Wird als Wärmequelle Luft in einer Luft-Wärmepumpe eingesetzt, hat dies den Vorteil, dass keine aufwändige Brunnen- oder Kollektoranlage erstellt werden müssen. Allerdings ist der Wirkungsgrad gegenüber den anderen Techniken geringer.

Wärmetauscher und Wärmeübertrager

Zur Energiegewinnung mithilfe von Luft-Wärmetauschern lässt sich die thermische Energie eines Luftstroms effizient auf Luft oder Wasser übertragen. Solche Geräte kommen in Lüftungs- oder Heizungsanlagen zum Einsatz und senken den Primärenergieverbrauch eines nachhaltigen Gebäudes.
Das Prinzip eines Wärmetauschers beruht auf der Übertragung thermischer Energie von einem Luftstrom auf einen anderen. Die so erfolgende Wärmerückgewinnung ermöglicht die Nutzung von Restwärme in verbrauchter Abluft, die auf frische Zuluft übertragen und dann in das Gebäude eingeführt wird. Die Abluft wird als Fortluft aus dem Gebäude herausgeführt.

Wärmetauscher arbeiten nach einer Reihe unterschiedlicher Verfahren, auf die nur kurz eingegangen werden soll:

• die rekuperative Wärmerückgewinnung
• die regenerative Wärmerückgewinnung
• den Einsatz von Wärmepumpen (s. o.: Wärmepumpe).

Bei rekuperativen Wärmetauschern wird die warme Fortluft, nur durch eine dünne Schicht von der kalten Außenluft an dieser vorbeigeführt. Es kommt also zu keinem Austausch, keiner Vermischung und auch zu keinem Feuchteaustausch zwischen den beiden Luftvolumina. Man unterscheidet bei den rekuperativen Wärmetauschern Platten- und Rohrwärmetauscher.

Wird für die Wärmeübertragung ein festes oder flüssiges Zwischenmedium genutzt, sprechen wir von regenerativer Wärmerückgewinnung. Bei dieser wird ein Teil der thermischen Energie der Abluft in dem Medium gespeichert und von diesem zu einem späteren Zeitpunkt an die Zuluft abgegeben. Bei der regenerativen Wärmerückgewinnung werden unterschiedliche Technologien eingesetzt, auf die hier aber nicht näher eingegangen werden soll:

• Rotationswärmetauscher
• Hochleistungs-Kreislaufverbundsystem
• Wärmerohraustauscher
• Umschalt-Wärmeaustauscher

Wasserstoff-Heizgerät bzw. Brennstoffzelle

Beim Einsatz einer Wasserstoffheizung bzw. Brennstoffzellenheizung in einem nachhaltigen Gebäude ist es unter bestimmten Voraussetzungen möglich, nahezu klimaneutral zu heizen. Kernelement einer solchen Heizung ist eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffkessel, mit denen aus Wasserstoff Wärme und elektrischer Strom (nur bei der Brennstoffzelle) erzeugt werden kann. Da dieses Thema noch in einem gesonderten Beitrag ausführlich behandelt wird, soll hier nur eine kurze Einführung in die Technik und ihre Anwendung gegeben werden.
Der Wasserstoff als Primärenergiequelle kann sowohl durch Verbrennung als auch durch eine chemische Reaktion Energie freisetzen. In beiden Fällen entsteht Wärmeenergie, bei der sogenannten kalten Verbrennung auch Strom.

Verbrennung

Der Wasserstoff kann ähnlich wie Erdgas in einem Brennwertkessel eingesetzt werden und Wärme für die Raumheizung oder die Warmwassererzeugung liefern.

Brennstoffzelle (kalte Verbrennung)

Anders als bei den Brennstoffen Öl oder Gas, wird in einer Brennstoffzelle aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Energie freigesetzt. Dabei trifft Wasserstoff auf Sauerstoff und wird dadurch in negativ und positiv geladene Moleküle aufgespalten. Die negativen Wasserstoff Ionen fließen zu einer Anode. Dabei setzen sie Energie in Form von elektrischem Strom frei. Die positiv geladenen Ionen bzw. Protonen strömen durch eine Membran zur Kathode und erzeugen Wärme. Das dabei entstehende „Abfallprodukt“ ist umweltschonendes Wasser (für mehr Details, siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle#Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle). Die so verwendete Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist der heute wichtigste Brennstoffzellentyp.

Bedingungen für den Einsatz von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen und benötigen Wasserstoff als eines der Elemente für deren Betreibung. Da es in Deutschland noch kein ausgebautes Wasserstoffnetz gibt, welches auch für die Versorgung von Wohngebäuden herangezogen werden könnte, wird der Wasserstoff über eine sog. Dampfreformierung aus dem fast überall verfügbaren Erdgasnetz gewonnen.

Raumkühlung

Haben wir uns bisher vor allem mit Fragen zur Energiegewinnung der Raumheizung befasst, so gewinnt das Thema der Raumkühlung angesichts des fortschreitenden Klimawandels auch in unseren Breiten an Bedeutung.

Die für die Raumkühlung am weitesten verbreitete Technik ist die elektrisch betriebene Klimaanlage. Mit dieser kann die Außenluft sowohl gekühlt als auch erwärmt und sowohl befeuchtet, als auch entfeuchtet werden. Klimaanlagen gewährleisten also ganzjährig konstante Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Innenräumen und werden zugleich als Filter für die Reinhaltung der Luft eingesetzt. Sie können sowohl zentral für ein gesamtes Gebäude als auch dezentral für einzelne Räume genutzt werden. Bzgl. ihrer Lüftungsfunktion unterscheidet man: Nur-Luft-, Luft-Wasser-, Luft-Kältemittel- und Nur-Wasser-Anlagen
Als Alternative zu Klimaanlagen bieten sich Wärmepumpen an. Diese nutzen im Sommer die kühlere Luft des Speichermediums zur Temperaturabsenkung in Innenräumen (s. o.: Wärmepumpe).

Fazit

Mit den hier beschriebenen Techniken können Sie erneuerbare Energien für nachhaltige Gebäude gewinnen und einsetzen. Zudem lassen sich eine Reihe technischer Vorrichtungen nutzen, um den Energieverbrauch eines nachhaltigen Gebäudes wirksam zu reduzieren. Dies ist für die Schaffung angenehmer Innenraumbedingungen, also für die Raumlüftung, die Heizung und die Kühlung von Räumen von besonderer Relevanz. Dabei helfen auch bauliche Maßnahmen bzgl. Gebäudehülle, Dämmstoffen, Glas und Fenstern. Mehr dazu erfahren Sie in unserem Blogbeitrag zum Thema Energieeffizienz.