Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung

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1 Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung
Energiewirtschaft Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung

2 Agenda Einführung Energiesparendes Bauen (Grundlagen)
Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

3 1. Einführung Bisher haben wir uns mit dem grundlegenden Zusammenhängen der Energie-wirtschaft befasst. Hierauf aufbauend wollen wir uns nun mit dem Thema Energie- und Stadtentwicklung befassen. Eine Energieversorgung muss sich daran messen lassen, ob sie nicht nur heute die Menschen mit Energie versorgt, sondern auch ein ausreichendes Potenzial besitzt, sehr langfristig die Energieversorgung zu gewährleisten (Nachhaltigkeit). Wir wissen, dass die derzeitige Energieversorgung, die im wesentlichen auf der Basis fossiler Energien beruht, grundsätzlichen Restriktionen unterliegt (Ressourcenbegrenzung, Klimawandel), auch wenn diese erst langfristig wirken werden. Die Umstellung einer Energieversorgungsstruktur dauert viele Jahrzehnte: Neue Energietechniken müssen erforscht und entwickelt werden; es müssen Ingenieure und Handwerker ausgebildet werden, die die neuen Techniken in die Praxis umsetzen, die neuen Techniken müssen wirtschaftlich sein und/oder vom Staat anfänglich unterstützt werden. Für eine solche Umstellung sind viele Mrd. Euro notwendig, die von einer Volkswirtschaft aufzubringen sind.

4 Einführung Diese Überlegungen zeigen, dass die Umstellung einer Energieversorgung nicht abrupt von heute auf morgen vollzogen werden kann, sondern langfristig „evolutionär“. In der Praxis wird das dazu führen, dass „alte“ und „neue“ Techniken nebeneinander betrieben werden bzw. integrativ die Energieversorgung der nächsten Jahrzehnte prägen werden. In den letzten Jahren ist ein Trend von den großen „zentralen Energieversorgungs-systemen“ zu den kleineren dezentralen Energieversorgungssystemen zu beobachten. Deshalb wird es die Kunst der Städteplaner, Architekten und Ingenieure sein müssen, wegweisende Energiekonzepte zu entwickeln, die verbrauchernah ressourcenschonend und emissionsarm sind, gleichzeitig die Lebensräume verbessern und bezahlbar bleiben. Wir nennen diese Vision S o l a r - C i t y

5 Agenda Einführung Energiesparendes Bauen (Grundlagen)
Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

6 S o l a r - C i t y Handlungsfelder
Substanzsanierung (z.B. Wärmedämmung) Neue Wohnsiedlungen (z.B. Niedrigenergie-standard Solare Energienutzung (z.B. Solarthermie) Regionale Energiekonzepte (Integration von dezentralen und zentralen Systemen) Forschung und Entwicklung (insbesondere Materialforschung für die Photovoltaik)

7 2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen)
Analysen zeigen, dass der Endenergiever-brauch für Raumwärme und die CO2-Emissionen im Privatkundenmarkt und bei Kleinverbrauchern hohe Werte hat. Endenergieverbrauch Raumwärmeanteil CO2-Emissionen1) PJ % %2) Mio. t Privathaushalte 2.689 28,7 2.375 25,3 114 23,0 Kleinverbraucher 1.603 17,1 951 10,1 57 11,5 Industrie 2.474 26,4 148 1,6 139 28,1 Verkehr 2.614 27,9 185 37,4 Summe 9.380 100,0 3.326 37,0 495 1) Nur bezogen auf den Endenergiesektor ohne den Umwandlungsbereich mit ≈ 338 Mio. t 2) zeigt den Raumwärmeanteil der einzelnen Sektoren bezogen auf den gesamten Endenergieverbrauch Quelle: Kleemann et al., S Schiffer, S. 348

8 Sanierungspotenzial im Altbaubereich
Es ist aber nicht nur der große Energieverbrauch, der diesen Sektor für den Klimaschutz so wichtig und interessant macht. Gleichzeitig bestehen sehr hohe Einsparpotenziale. Insbesondere der energetischen Sanierung der älteren Gebäude kommt eine Schlüsselrolle zu. Deutschland verfügte im Jahr 2001 über rund 4 Mrd. m² an Gebäudeflächen. Davon entfallen rund 3 Mrd. m² auf Wohngebäude mit insgesamt 37 Mio. Wohnungen. Der Rest von knapp 1 Mrd. m² sind gewerblich genutzte Nichtwohngebäude. Alle Gebäude, die vor Einführung der zweiten Wärmeschutzverordnung 1984 gebaut wurden, entsprechen bei weitem nicht mehr den heutigen Anforderungen und sind energetisch sanierungsbedürftig, sofern sie nicht schon modernisiert wurden. Tatsächlich sind rund 75 % der heute vorhandenen Gebäude vor 1985 gebaut worden Dies zeigt das große Energie- und CO2-Einsparpotenzial des Gebäudebereichs. Bezogen auf den Bestand von 2001 wird das realistische, langfristige CO2-Einsparpotenzial im Altbaubereich durch Heizungserneuerung und verbesserte Wärmedämmung auf 50 bis 70 Mio. Tonnen CO2 geschätzt. Im Vergleich zum Gesamtausstoß des Haushaltssektors im Jahr 1990 entspricht das einem Minderungspotenzial von 40 bis 55 %. Quelle: Kleemann et al., S. 2

9 Mehremission durch Neubauten
Durch Neubauten kommt eine zusätzlich zu beheizende Gebäude-fläche zum Bestand dazu, die vorher nicht vorhanden war. Dies bedeutet einen Mehrverbrauch an Energieträgern und eine erhöhte CO2-Emission. Neubauaktivitäten wirken sich kontraproduktiv auf die CO2-Minderungsbemühungen aus, sofern es sich nicht um Nullenergiehäuser handelt oder sofern nicht entsprechende Altbauten mit höherem Verbrauch abgerissen werden. Beides ist aber in der Praxis nicht der Fall. Quelle: Kleemann et al., S. 2 f.

10 Anteil der Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung am privaten Endenergieverbrauch der Haushalte
Quelle: RWE, S. 1/2

11 Jahres-Heizwärmeverbrauch von Wohnhäusern
Quelle: RWE, S. 1/3

12 Jahres-Heizwärmebilanzen eines Einfamilien- und eines Niedrigenergie-Einfamilienhauses
Quelle: RWE, S. 1/5

13 Baulicher Wärmeschutz
Der Transmissionswärmeverlust eines Bauteils wird durch den U-Wert, ein Kürzel für „Wärmedurchgangskoeffizient U“ beschrieben. Der Wärmdurchgangskoeffizient U beschreibt den Wärmestrom in Watt, der bei einer Temperaturdifferenz von einem Grad (1 Kelvin) zwischen Innen- und Außenseite je m² Bauteilfläche hindurchgeht. Seine Einheit ist W/(m²K). Je kleiner der U-Wert, umso geringer sind die Wärmeverluste des Bauteils. Quelle: RWE, S. 1/5

14 Wärmedurchgangskoeffizient U einer einschaligen Wand mit Wärmedämm-Verbundsystem
Quelle: RWE, S. 1/6

15 Kompaktheit des Gebäudes
Neben dem Wärmeschutz der einzelnen Bauteile hat die Größe der wärmeabgebenden Oberfläche eines Gebäudes einen sehr großen Einfluss auf den Heizwärmebedarf. Dies liegt daran, dass der Transmissionswärmeverlust proportional mit den Oberflächen der wärmeübertragenden Umfassungsbauteile zunimmt. Ein Gebäude kompakter Gestalt, das im Verhältnis zu seinem beheizten Bauwerksvolumen Ve eine kleine wärmeübertragende Umfassungsfläche A aufweist, hat geringe Transmissionswärme-verluste und ist somit energetisch besonders effizient. Deshalb ist das die Kompaktheit beschreibende A/Ve-Verhältnis eine wichtige Kenngröße für die energetische Bewertung von Gebäuden. Quelle: RWE, S. 1/6, S. 2/8

16 Bereiche des Verhältnisses A/Ve von Wohngebäuden
Quelle: RWE, S. 1/7

17 Systematik und Begriffe der Energiebilanzierung
Grundlage der Energieeinspar- verordnung (EnEV) Quelle: RWE, S. 2/4

18 Nationale und internationale Normen als Berechnungsgrundlage der EnEV
Quelle: RWE, S. 2/7

19 Energieflussbild zur Berechnung des End- und Primärenergiebedarfs der Wärmebereitstellung
Quelle: RWE, S. 2/24

20 Primärenergiefaktoren fp
Quelle: RWE, S. 2/25

21 Aufwandszahlen eg der Wärme-erzeugung
Quelle: RWE, S. 2/30

22 Ausstattungsgrad mit Elektrogeräten
von je 100 deutschen Haushalten nutzen in Quelle: a d a m

23 Energiesparende Haushaltsgeräte
Allgemein siehe Euro-Label für „Weiße Ware“ siehe Zusammenstellung Energieagentur NRW ( Primärenergie Beispiel Wäschetrockner kg Wäsche beste konventionelle Geräte, Kondens-Trockner: ca. 10,5 kWh beste konventionelle Geräte, Abluft-Trockner: ca. 10 kWh Wärmepumpen-Trockner: Abkühlung der Fortluft und Erwärmung der ca. 5,4 kWh Trocknerluft mit Elektro-Wärmepumpe, Kondenstrockner, ca Euro Gas-Trockner: Erwärmung der Trocknerluft mit Gasbrenner, Abluft, ca. 5,0 kWh ca Euro, Gasanschluss nötig!! Trockenschrank: Trocknen mit kalter Luft, Abluft, ca Euro ca. 2,5 kWh Nachteil: ca. 7 h Trockendauer Weitere Hinweise Kochen mit Gas statt mit Strom: ca. 60 % Einsparung an Primärenergie Anschluss geeigneter Waschmaschinen und Geschirrspüler an zentrale gas-/öl-/solarbeheizte Warmwasserversorgung; auf kurze Anschlussleitung achten Quelle: a d a m

24 Stromverbräuche durch Stand-By-Betrieb
2 ... >12 W 1 ... >15 W W < W 1, W W 20 40 60 80 100 120 140 Warmwasserspeicher Satellitenempf ä nger Videoger t Faxger HiFi - Komplettanlage Uhren an Elektroger ten Schnurloses Telefon Computer Fernseher Anrufbeantworter < W 1, W [kWh/a] Achtung: teils Stromverbräuche auch bei „ausgeschalteten“ Geräten !! Quelle: a d a m

25 Stromverbräuche durch Stand-By-Betrieb
Ursachen Ein-/Ausschalter fehlt oder hinter dem Netzteil installiert Empfangs- bzw. Aktionsbereitschaft (Fernseher, PC, Fax, Warmwasser-speicher, ...) Speicherung von Daten (Videogerät, Tuner, ...) Ständiger Betrieb bzw. Anzeigen (Uhren, Funk-Raumthermostate,...) Selbstentladung von Akkus Maßnahmen Netztrennung z.B. mit Fernseh-Netzschalter, schaltbaren Steckerleisten bei PC-Anlage, Stecker ziehen, ...) Vorschaltgeräte z.B. für Fernbedienungen, Faxgeräte, Monitore und Drucker Zeitschaltuhren z.B. bei Warmwasserspeicher Akkugeräte über Steckdose betreiben Geräte mit niedrigem Stand-By-Verbrauch wählen Blauer Engel GEEA-Label Quelle: a d a m

26 Grüner Strom Sinnvolle Produkte
Erlöse werden nennenswert in neue Anlagen zur regenerativen Stromerzeugung investiert !! Die Gemeinschaft aller Stromkunden wird nicht finanziell entlastet durch den Bezug von Grünem Strom !! Negativbeispiel: AquaPower, E.ON = Strom aus alten Wasserkraftanlagen Strommix nur aus regenerativen Energien oder auch mit Anteilen aus Kraft-Wärme-Kopplung Sinnvolle Produkte Zertifizierung = Überwachung der „Produktqualität“ Ökopower-Siegel (Ökoinstitut Freiburg, WWF, Greenpeace) Grüner Strom Label e.V. (Eurosolar, BUND, NABU) (TÜV: geringere Qualitätsansprüche) Quelle: a d a m

27 Einfluss des Architekten auf den Stromverbrauch
Schwerpunkte in Wohngebäuden Grundriss mit räumlich zusammen liegenden Nassräumen  kurze Lüftungskanäle und damit kleine Leistung der Lüftungsventilatoren Aufstellort für Warmwasserspeicher in bzw. in unmittelbarer Nähe der Nassräume  Warmwasser-Zirkulationsleitung mit Pumpe kann entfallen  Anschluss von Waschmaschine, Geschirrspüler an den Warmwasserspeicher Gasanschluss in Küche und Hauswirtschaftsraum  zum Anschluss von Gas-Herd, Gas-Wäschetrockner Zentrale Warmwasserversorgung statt dezentrale Elektro-Durchlauferhitzer  in der Regel Schwerpunkte in Zweckbauten Tageslichtnutzung  geringerer Strombedarf für Beleuchtung Thermisch wirksame Gebäudemassen  Voraussetzung für Strom sparende Nachtlüftung zur Gebäudekühlung (= „passive Kühlung“; statt aktive Kühlung mittels Strom betriebener Kühlgeräte) Quelle: a d a m

28 Agenda Einführung Energiesparendes Bauen (Grundlagen)
Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

29 Energiegerechte Stadtplanung
Energiegerechte Stadtplanung muss als integrierender Optimierungsprozess verstanden werden, welcher folgende Zielstellungen vereint: Reduzierung der Gebäudewärmeverluste durch Vorgabe günstiger Oberflächen/Nutzvolumen-Verhältnisse Schaffung und Sicherung günstiger Voraussetzungen zur passiven Sonnenenergienutzung über Fenster sowie solarer Fassadensysteme (z.B. transparente Wärmedämmverbund-systeme) Schaffung und Sicherung günstiger Rahmenbedingungen zur aktiven Nutzung der Sonnenenergie durch Kollektoranlagen Konzepte zur Minderung des Individualverkehrs Schaffung günstiger Voraussetzungen für eine rationelle Wärmeversorgung Quelle: Fisch et al., S. 38

30 Techniken zur Nahwärmeversorgung
Für eine Nahwärmeversorgung bieten sich folgende Heizungstechniken an: Erdgas-Brennwerttechnik Wärmepumpen Solarkollektoren Biomasse Blockheizkraftwerke Brennstoffzellen Diese Techniken zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine erschöpfbaren Ressourcen nutzen und emissionsfrei sind (z.B. Solarkollektoren) oder hohe Nutzungsgrade bzw. Leistungs-kennziffern besitzen (Erdgas-Brennwerttechnik, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke). Anhand von Fallbeispielen und konkreten Projekten soll die Anwendung erläutert werden.

31 Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung
Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997

32 Nahwärmeversorgung mit Gaskessel, Solaran-lagen und Strom aus dem regionalen Netz
Quelle: Fisch et al., S. 51

33 Nahwärmeversorgung mit Blockheizkraftwerk und Gasspitzenkessel
Quelle: Fisch et al., S. 52

34 Energiekonzept für eine Wohnsiedlung (Holzkessel, Gasspitzenkessel, zentrale Stromerzeugung)
Quelle: Fisch et al., S. 52

35 Jährliche Globalstrahlung, weltweite Verteilung
kWh/m²a auf horizontale Flächen unterschiedliche Bedeckungshäufigkeit  unterschiedliche Direktstrahlungsanteile Quelle: Roth, 1999; a d a m

36 Jährliche Globalstrahlung in NRW (auf horizontalen Flächen)
D : Düsseldorf D Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW; a d a m

37 Jahresgang der Gobalstrahlung (Monatmittelwerte eines Jahres, süddeutscher Standort)
ĠG,M [W/m2] . 30 d/M . 24 h/d = GG,M [Wh/m2M] ĠG,M : Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997; a d a m

38 Wärmeerzeugung mit Solarenergie Übersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten
Aktive Systeme mit Kollektoren und bewegten Medien Freibadbeheizung mit Solarabsorbern Brauchwassererwärmung, Raumheizung für Einfamilien-häuser, größere Gebäude oder Siedlungen (solare Nahwärme) mit Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren Trocknung, Meerwasserentsalzung, Sorptions-Kühlung Kocher (teils mit fokussierenden Spiegeln) Passive Systeme siehe dort Thermische Solarkraftwerke mit fokussierenden Spiegeln Quelle: a d a m

39 Solarabsorber zur Schwimmbaderwärmung
Quelle: IZE; a d a m

40 Solarkollektoren - Bauarten
Vakuum-Röhrenkollektoren Flachkollektoren Vorteile höherer Wirkungsgrad  geringerer Platzbedarf, höhere Nutztemperatur drehbar  Ausrichtung zur Sonne Nachteile hoher Preis Gefahr von Vakuumverlusten Vorteile geringerer Preis Nachteile geringerer Wirkungsgrad  höherer Platzbedarf, geringere Nutztemperatur Flachkollektoren mit besserem Preis-/Leistungsverhältnis Quelle: Becker, 2000; a d a m

41 Solare Brauchwassererwärmung (Standard BRD)
Getrennter Kollektorkreis und Brauchwasserkreis Pumpe im Kollektorkreis Wasserspeicher Platz an beliebiger Stelle mit inneren Wärmeaus-tauschern unter (Wassernetz-) Druck, geschlossen gegen Umgebung Quelle: Energietechnik Müller; a d a m

42 Thermosyphon-Anlage (Standard Südeuropa)
Warmes Wasser steigt selbständig – warm ist leichter als kalt – aus dem Kollektor in den Speicher Wasserspeicher Über den Kollektoren platziert Drucklos, mit Öffnung zur Umgebung Teils ohne inneren Wärmeaustauscher, d.h. durch die Kollektoren strömt Brauchwasser Quelle: IZE; a d a m

43 Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung
Beispiel: System mit Kombispeicher Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997; a d a m

44 Optimierte Anordnung einer Solaranlage
Brennwert-Gas-Wandheizgerät als Dachheizzentrale Geringe Kosten hoher Nutzungsgrad Solar-Speicher zapfstellennah kollektornah heizgerätenah installiert geringe Kosten hoher Nutzungsgrad hoher Komfort Flachkollektoren gutes Preis-/Leistungs-verhältnis Quelle: a d a m

45 Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung
Kollektorfläche: ca. 1 m²/Person Speichervolumen: ca. 50 l/m² Kollektorfl. Wärmegestehungs-kosten: ca. 10 – 20 ct/kWh Solarer Deckungsgrad: ca. 25 % (bezogen auf Energiebedarf zur Warmwasserer-wärmung) Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997; a d a m

46 Solare Nahwärme: Brauchwasser + Heizung
Kollektorfläche: ca. 0,1 – 0,2 m²/ m² Nutzfläche Speichervolumen: ca. 1 – 10 m³/m² Kollektorfläche Wärmegestehungs-kosten: ca. 15 – 25 ct/kWh Solarer Deckungsgrad: ca % (bezogen auf Gesamtenergie-bedarf) Analog: Mehrfamilienhaus Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997; a d a m

47 Stromerzeugung mit Solarenergie Übersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten
Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen auf Wohnhäusern, ca kW Peakleistung (ca m² Modulfläche) auf Zweckbauten und auf freiem Feld, bis ca kW Peakleistung Peakleistung = Messwert unter Standard-Test-Conditions STC d.h. unter anderem aktuelle Globalstrahlungsleistung = 1000 W/m² (entspricht etwa der maximal möglichen Solarstrahlung in der BRD), Temperatur der Solarzellen = 25 °C (je kühler desto höher die Stromproduktion) Photovoltaikanlagen ohne Netzkopplung dezentrale Inselsysteme meist kleiner Leistungen entfernt gelegene Verbraucher, Verkehrstechnik, Freizeitbereich, ... Thermische Solarkraftwerke mit fokussierenden Spiegeln und konventionellem Kraftwerksprozess nur in Ländern mit hohem Direktstrahlungsanteil (Fokussierung!) Parabolrinnen, Türme mit Spiegelfeldern, Heliostaten Quelle: a d a m

48 Netzgekoppelte Photovoltaikanlage (Standard BRD)
Quelle: a d a m

49 Aufbau einer Solarzelle
strahlungsinduzierter Strom Licht Licht Materialien: Silizium (polykristallin, monokristallin, amorph), Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, ... Form: kristalline Scheiben (ca. 400 mm), dünne Schichten (ca. 2 mm), ... Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997; a d a m

50 Stromerzeugung mit Photovoltaik
Daten der Beispielanlage: Solare Globalstrahlung in Modulebene = kWh/m²a (entsprechend z.B. Standort Essen, Module mit 30° Neigung nach Süden) Peakleistung = 1 kW entsprechend ca. 8 m² Modulfläche Jahres-Nutzungsgrad der Energie-umwandlung von Solarstrahlung in Strom = 12 % Stromerzeugung = 850 kWh/a (Bandbreite an real ausgeführten Anlagen = kWh/a pro 1 kW Peakleistung) Quelle: RWE-Bauhandbuch, 1998; a d a m

51 Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen: Kosten
Investkosten: ca € pro kW Peakleistung (d.h. pro ca. 8 m² Modulfläche) bis ca € pro kW Peakleistung bei sehr großen Anlagen (Mengenrabatt) Lebensdauer: Herstellergarantie auf PV-Module von bis zu 25 Jahren Wechselrichter ggf. kleiner als 20 Jahre (deutliche Produktunterschiede) Förderung: Dächer-Programm: zinsgünstiger Kredit zusätzliche Zuschussförderung von Bund, Land, Kommune, EVU möglich Stromeinspeisevergütung von ca. 45 ct/kWh, garantiert nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (in Kraft seit April 2000) Fazit: Photovoltaik-Anlagen sind unter den aktuellen Randbedingungen in Deutschland aus Sicht eines Investors „kostenlos“. Investiertes Geld fließt über die Stromeinspeisevergütungen während der Lebensdauer der Anlage zum Investor zurück. Quelle: a d a m

52 Bundespräsidialamt in Berlin (Flachdach-Aufständerung)
Quelle: a d a m

53 Einfamilienhaus (Dachintegration)
Quelle: a d a m

54 Stadtwerke Göttingen (Dachintegration)
Quelle: a d a m

55 Belichtung- und Gestaltungselement (Dachintegration)
Solar-Café in Kirchzarten/Freiburg Shell-Solarfabrik in Gelsenkirchen Quelle: a d a m

56 BP Solar, Hamburg (Module in einer Seilnetzkonstruktion)
Quelle: a d a m

57 Fassadenintegration Rembrandt Collage Meyer Meyer, Osnabrück Quelle:
a d a m

58 Verschattungselement
Schallschutzwand einer Autobahn Haus des Architekten Bretzger in Leonberg Quelle: a d a m

59 Wärmepumpen – Das Prinzip
Wärmereservoir mit hoher Temperatur T = Nutzmedium z.B. Heizungswasser Brauchwasser Prozesswärme Q Antriebsarbeit z.B. Strom Diesel Erdgas "Wärme pumpen" W Q0 z.B. Erdreich Außenluft (Grund) Wasser Abluft, Abwasser Sonnenenergie Wärmereservoir mit niedriger Temperatur T0 = Wärmequelle Quelle: a d a m

60 Kreisprozess Kompressions-Wärmepumpe
Kreisprozess mit einem Kältemittel bzw. Kältmittelgemisch (z.B. R134a, R407c, Propan, Propen) mechanischer Verdichter (z.B. Scroll-, Rollkolben-, Kolben-verdichter): Druck- und damit Temperatur-erhöhung Kondensator: Verflüssigung bei hoher Temperatur, Nutzung der Kondensationswärme Drossel: Entspannung des Kältemittels, Druck- und Temperaturabsenkung Verdampfer: Verdampfung mit Umweltwärme bei niedriger Temperatur, niedrigem Druck Quelle: a d a m

61 Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Erdsonde
Bohrloch-Ø ca. 120 mm Bohrloch-Tiefe bis 100 m PE-Rohr-Ø ca. 25 mm Temperaturen im Erdreich zwischen m: konstant etwa 10 °C Wärmeentzugsleistung: 20 W/m Bohrlänge (san-diger Boden) bis 100 W/m (wasserführender Boden) Regeneration durch Wärmetransport im ober-flächennahen Erdreich geringer Platzbedarf, hohe Arbeitszahlen! in BRD bei Neuanlagen mittlerweile häufigste Wärmequelle oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher Quelle: RWE, 1998; a d a m

62 Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Erdreich
Kunststoffrohre in ca. 1,50 m Tiefe mit 0,5 - 0,7 m Abstand Temperaturen im Erdreich in 1,50 m Tiefe: ca °C antizyklisch zu Heizlast und Heiznetztemperatur Wärmeentzugsleistung: 20 W/m² Erdreichfläche (sandiger Boden) bis 40 W/m² (wasserhaltiger Lehmboden) Regeneration durch Sonneneinstrahlung und versickernde Nieder-schläge großer Platzbedarf! geringe Verbreitung oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher Quelle: RWE, 1998; a d a m

63 Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Außenluft
Außenluft wird mittels Ventilator zur Wärme-pumpe geführt Lufttemperaturen während Heizperiode: -15 bis +15 °C antizyklisch zu Heizlast und Heiznetztemperatur Splitgeräte: Verdampfer außen, Rest der WP innen Kompaktgerät: für Innen- oder Außenaufstellung (siehe Bild); bei Keller-aufstellung Luftkanäle zum und vom Verdampfer in den 70er und 80er Jahren häufig eingesetzt im Vergleich zu Erdsonden: geringere Arbeitszahlen, preiswerter oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher Quelle: RWE, 1998; a d a m

64 Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Grundwasser
Temperaturen während Heizperiode: ca °C vorteilhaft hoch und konstant Wärmeentzugsleistung: je nach Menge des zur Verfügung stehenden Grundwassers (Pumpversuch!) Regeneration durch neu zufließendes Grundwasser häufig Probleme im Betrieb, z.B. Verstopfung des Schluckbrunnens wasserrechtliche Genehmigung geringe Verbreitung oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher Quelle: RWE, 1998; a d a m

65 Wärmepumpe: Heizen mit Strom und Umweltwärme
Kumulierter Primärenergieaufwand im Vergleich zu Bas- und Öl-Heizungen Analog für Treibhausgase: Elektro-WP ca. 20 % schlechter als Gas, etwa so gut wie Öl Quelle: nach Wärmepumpen-Special, et, 7/97; a d a m

66 Elektro-Heizwärmepumpe Chance – mit vertikalen Erdsonden als Wärmequelle
Heizanlage hohe Jahresarbeitszahlen, geringer Flächenbedarf, Monovalenz Kostendegression bei Erdsonden zurückgehender Wärmebedarf zunehmende Auslegungssicherheit ( W/m Bohrlänge) zunehmende Anbieterkonkurrenz Förderung und Unterstützung, v.a. auch von EVU´s: Geld, Planung, Garantie, ... Erdsonden Konkurrenz zu Ölheizungen in Neubauten ohne Gasversorgung geringe Nachteile bei den Investitionskosten deutliche Vorteile bei den laufenden Kosten Quelle: a d a m

67 Kraft-Wärme-Kopplung Was ist das?
38 % 143 % 100 % 90 % 53 % 56 % Verluste 54 Energetisch sehr effiziente, gleich-zeitige Erzeugung von Strom (ca. 35 %) und Wärme (ca. 55 %) Vergleich zur ge-trennten Erzeugung siehe Bild Verteilung der Wärme über ein Rohrnetz mit Wärmeträger Wasser, Nah- oder Fernwärme Quelle: nach ASUE; a d a m

68 Fernwärme, Nachwärme: Wärmelieferanten
Verteilung von Wärme mittels erwärmtem Wasser, dampfförmig oder flüssig, mit Rohrnetzen Typische Wärmelieferanten: Heizwerke: reine Wärmebereitstellung; große, häufig mit Kohle befeuerte Kessel; sind früher gebaut worden vor dem Hintergrund einer „bequemen“ Verwendung von Kohle für Heizzwecke und verringerter Schadstoffemissionen in dicht bebauten Siedlungsgebieten (Politik der hohen Schornsteine) Heizkraftwerke: gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung, “Kraft-Wärme-Kopplung“, meist mit Kohle oder Gas befeuerte „normale Stromkraftwerke“ konventioneller Dampfkraftprozess zur Stromerzeugung mit Wärmeauskopplung kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD-Kraftwerke) Gasturbinen Blockheizkraftwerke BHKW´s: gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung Gas- oder Dieselmotoren: Antrieb eines Generators + Nutzung der Motorabwärme Brennstoffzellen: elektrochemische Oxidation wasserstoffhaltiger Gase (Erprobungsstadium; Umkehrvorgang der Elektrolyse) Abwärme aus Industrieprozessen, Solarkollektoren, etc. Quelle: a d a m

69 Fernwärme, Nahwärme: Differenzierung
typischerweise aus Heiz- bzw. Heizkraftwerken großer Leistung im Megawattbereich mit größeren Verteilnetzen, z.B. zur Versorgung innerstädtischer Bereiche mit dichter Besiedlung mit Vorlauftemperaturen bis ca. 150 °C ( hoher Druck oder Dampf) Verlegung der Rohrleitungen „im Straßengraben“ in ca. 0,6 bis 1 m Tiefe Nahwärme: typischerweise aus Blockheizkraftwerken im Kilowattbereich (ab ca. 10 kW thermisch) z.B. zur Versorgung einzelner Gebäudekomplexe (Krankenhaus, Schwimmbad, Gewerbe mit Wärmebedarf) oder Siedlungen mit Vorlauftemperaturen bis ca. 90 °C Verlegung der Rohrleitungen in Gebäuden oder im Wiesengelände Quelle: a d a m

70 Kraft-Wärme-Kopplung: Wirtschaftlichkeit
Günstige wirtschaftliche Einsatzbedingungen hohe Auslastung des Gerätes (Vergleiche: Anschaffung eines sparsamen aber in der Anschaffung teuren Diesel-PKW lohnt sich finanziell nur bei hoher Kilometerleistung) hohe Auslastung, d.h. gleichzeitiger Bedarf an Wärme + Strom, möglichst ganzjährig Stromüberschüsse ins Netz einspeisen (aber: Mindererlös im Vgl. zu Eigenverbrauch) häufiges Problem: fehlender Wärmebedarf im Sommer; Wärme schlecht speicher- bzw. über weite Strecken transportierbar niedrige Kosten für Gas bzw. Diesel, hohe Erlöse bzw. Preise für Strom Typische wirtschaftliche Einsatzbereiche für Blockheizkraftwerke (ggf. zukünftig Brennstoffzellen) Gewerbe und Industrie mit ganzjährigem Wärmebedarf, Schwimmbäder, Krankenhäuser, jeweils plus angrenzende Wohnbebauung (BHKW zur Deckung der Grundlast) reine Wohnblöcke, Siedlungen: unter bestimmten Voraussetzungen wie preis-wertes Nahwärmenetz durch Häuserkeller oder Wiesengelände, Eigenverkauf des produzierten Stroms (BHKW zur Deckung der Grundlast) sehr gut Wärme geschützte Gebäude, da der ganzjährige Warmwasserenergie-bedarf hier größer ist als der saisonale Heizwärmebedarf (BHKW für Grundlast + Spitzenlast!) Quelle: a d a m

71 Beispiel: Nahwärmeversorgung
Aufbau einer Nahwärmeversorgung für eine neue Wohnsiedlung Die Gebäude sind nach dem Niedrigenergie-Standard gebaut und verfügen über eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung Darüber hinaus gehender Wärmebedarf wird durch eine Nahwärmeversorgung gedeckt. Bei der Planung werden verschiedene Systeme mit dem Einsatz unterschiedlicher Energieträger berücksichtigt und hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit miteinander verglichen: System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel Deckung der Wärmegrundlast durch den Biomassekessel (70 % des Wärmebedarfs). Die verbleibenden 30 % werden durch den Spitzenkessel gedeckt.

72 Annahmen Spezifischer Wärmebedarf (Ø) (nach Niedrigenergie-Standard)
Warmwasserversorgung 25 kWh/m²a Heizung kWh/m²a abzüglich Solarwärme 13 kWh/m²a Summe kWh/m²a Wärmeleistung: 5 MWth* Gebäudestruktur: 50 Mehrfamilienhäuser mit je 5 Wohneinheiten 922 Einfamilienhäuser (freistehend) mit jeweils 120 m² Wohnfläche pro Wohneinheit  m² Wohnfläche gesamt * Wärmeleistung: MWh Jahres-Wärmebedarf : 1300 Vollbenutzungsstunden/a = 5 MW Wärmeleistung Spitze

73 Jährlicher Wärmebedarf und Jahresdauerlinie
MWh MW 5 Spitzenlast 3,5 Heizenergie- bedarf Warmwasserbedarf t Std. Januar Juni Dezember

74 Kalkulationsansätze Gleichzeitigkeitsfaktor Wärme: 90 %
Vollbenutzungsstunden: 1.300/a Jahres-Wärmebedarf: 52 kWh/m²a x m² Wohnfläche x 90 % Gleichzeitigkeitsfaktor : ≈ MWh/a Laufzeit Kredit: 15 Jahre Zinssatz: 5,5 % Biomasse-Kessel: Altholz (unbelastetes A1 Holz) Förderung für Holzkessel: 35 % für Biomassekessel, anteilig Kamin, Holzlager, Gebäude und Netz Instandhaltung: Erdgas und Heizöl: 2 % der Gesamtinvestition Biomasse: 2,5 % der Gesamtinvestition Hilfsenergie: 13 kWhel/MWhth für Öl und Gas 25 kWhel/MWhth für Biomasse Strompreis: 8 ct/kWh

75 Flächenbedarf für Solarkollektoren
Energiebedarf pro Wohneinheit: 120 m² x 13 kWh/m²a1) = kWh/a Globalstrahlung: kWh/m²a Wirkungsgrad: 50 % Ertrag aus Kollektor: kWh/m²a x 50 % = 500 kWh/m²a Flächenbedarf für Solarkollektoren pro Wohneinheit 1.560 kWh/a : 500 kWh/m²a = 3,12 m² 1) ≈ 50 % für die Warmwasserheizung

76 Beispiel: Kapitalkosten
System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel Investition Kapitaldienst Zentrale Wärmeerzeugung € €/a € €/a Spitzenkessel Kamin € 4.981 €/a € 9.963 €/a Gebäude € €/a € €/a Erdgasanbindung Tank Holzlager € 6.974 €/a Netze und Hausanschlüsse € €/a € Übergabestationen € €/a Summe €/a € € €/a Abzügl. 35 % Förderung € €/a € €/a

77 Beispiel: Betriebskosten
System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel Heizwert 0,903 10,081 Jahresbrenn- stoffbedarf 7.998 MWh Ho 7.164 HEL hl Hu 2.149 HEL hl Hu Brennstoffkosten 31,38 €/MWh ho 37,00 €/hl Jahresbrenn- stoffkosten € € € Heizwert Holz 3,0 MWh/t Jahresbrenn- stoffbedarf Holz 1.685 t Brennstoff- kosten Holz 35,00 € Jahresbrenn- stoffkosten Holz € Hilfsenergiekosten 6.760 € € Betriebskosten € € € Instandhaltung € € Summe € € €

78 Beispiel: Gesamtkosten
System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel Summe Kapitalkosten €/a €/a Summe Betriebskosten €/a €/a €/a Jahresgesamtkosten €/a €/a €/a Spezifische Kosten 14,74 ct/kWh 15,01 ct/kWh 12,86 ct/kWh

79 Beispiel: Gesamtkosten
484

80 Beispiel: Emissionen (Primärenergie- faktor: 1,30)

81 Primärenergieverbrauch (nach Energieeinsparverordnung)
Die Energieeinsparverordnung stellt Anforderungen sowohl an die bautechnische als auch an die anlagentechnische Ausführung eines zu errichtenden Gebäudes. Der maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf Qp‘‘,max des Gebäudes legt die Mindest-anforderung an die Anlagentechnik unter Berücksichtigung der vorhandenen Bautechnik fest. Wird der in Abhängigkeit vom Verhältnis A/Ve ermittelte maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf nicht überschritten, ist der EnEV-Nachweis erbracht. Das geplante Gebäude erfüllt in Kombination von Gestaltung, Bau- und Anlagentechnik die Anforderungen der Energieeinsparverordnung. Wenn gilt Qp‘‘ ≤ Qp‘‘,max ist die Hauptanforderung der EnEV erfüllt.

82 Ermittlung des maximal erlaubten Primärenergiebedarfs (Qp‘‘,max)
Mehrfamilienhäuser: A/Ve = 0,6  Qp‘‘,max = 100 kWh/m²a Einfamilienhäuser: A/Ve = 0,9  Qp‘‘,max = 135 kWh/m²a Quelle: Hegner

83 Ermittlung des tatsächlichen Primärenergiebedarfs (Qp‘‘)
Der Jahres-Primärenergiebedarf eines Gebäudes ergibt sich im vereinfachten Verfahren aus Qp = (Qh + QW) x ep Dabei bedeuten Qh: Jahres-Heizwärmebedarf QW : Jahres-Warmwasserbedarf ep : Anlagenaufwandszahl  Damit sind die Anforderungen der Energieeinsparverordnung erfüllt. Einfamilienhaus Mehrfamilienhaus Wärme-bedarf Q Anlagen-aufwands-zahl ep Ergebnis Warmwasser 25 kWh/m²a 1,2* 30 kWh/m²a 1,24* 31 kWh/m²a Heizung 40 kWh/m²a 1,82** 73 kWh/m²a 1,63** 65 kWh/m²a Qp‘‘ 93 kWh/m²a 96 kWh/m²a Qp‘‘,max 135 kWh/m²a 100 kWh/m²a * Unter Berücksichtigung der Solaranlagen ** ohne KWK