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Energie-Effizienz im Wohn- und Zweckbau Nutzung gegebener Einsparpotenziale Veranstaltung am 9.11.2011 Energiewende im Kreis Heinsberg FH Aachen University.

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1 Energie-Effizienz im Wohn- und Zweckbau Nutzung gegebener Einsparpotenziale Veranstaltung am Energiewende im Kreis Heinsberg FH Aachen University of Applied Sciences Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Eupener Straße Aachen P rof. Dr.-Ing. Franz Wosnitza Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt Energiemanagement

2 2 Neuorientierung der Energietechnik Traditionelle Ausrichtung Technik, Wirtschaft Komponenten Wirkungsgrad, Grenzleistung hydro-thermisch, zentral statisch und passiv Mehrerzeugung regionaler Umweltschutz Neue Ausrichtung Technik, Wirtschaft, Umwelt Systeme, Gesamteffizienz Kleinleistung regenerativ dezentral, intelligent Minderbedarf globaler Klimaschutz

3 3 Energieeffizienz im Wohn- und Zweckbau Voraussetzungen für Energieeffizienz Energieeffizienz durch moderne Heizungs- und dezentrale Stromerzeugungs-Systeme Energieeffizienz durch Wärmeschutz Energieeffizienz durch Gebäude- Systemtechnik, Energie-Monitoring Energiespeicherung Ziele der Energietechnik Erneuerbare Energien Ökologische und ökonomische Aspekte Preisentwicklung fossiler Brennstoffe Einsatz moderner, zukunftsweisender Heizsysteme Wärmedämm-Verbundsysteme

4 4 Woher kommt morgen der Strom? Wasserkraft alle Potenziale werden genutzt 19,5 Mrd. kWh Windkraft Onshore-Anlagen, Repowering Offshore-Anlagen, höhere Kosten 37,5 Mrd. kWh, Vergütung: 4,67 Mrd. Biomasse, Biogas 33,5 Mrd. kWh, Vergütung: 4,25 Mrd. Photovoltaik/Wasserstofftechnik 12 Mrd. kWh, Vergütung: 8,02 Mrd. Geothermie zzt. zu hohe Anlagekosten Kernkraft 17 KKW´s, 132 Mrd.kWh keine gesellschaftliche Akzeptanz Kernfusion einer der Hoffnungsträger für nachhaltige Erzeugung elektrischer Energie In ca. 4 h liefert die Sonne den Jahresenergiebedarf der Menschheit

5 Road Map der Bundesregierung – können wir das schaffen? Sicherstellung der Energieversorgung - Operative Ziele bis 2022 Senkung der Energiekosten Schaffung von neuen Arbeitsplätzen im Energiesektor 30% Strom aus erneuerbaren Energien Atomausstieg bis % des Stromes aus hoch- effizienten Kohlekraftwerken Ausbau des Stromnetzes, umweltverträglich und effizient Drosselung des Strom- verbrauchs um 11% Senkung des fossilen Wärme- bedarfs um mindestens 25% Verdoppelung der Kraft- Wärme-Kopplung auf 25% Emissionsreduktion im Verkehr um mindestens 20% 5

6 Kosten der Erneuerbaren Energie-Einspeisung nach EEG Entwicklung des Aufkommens durch die Belastung der Strompreise aus gesetzlichen Abgaben und Steuern in Mrd. Euro rote Balken: Stromsteuergrüner Balken: Konzessionsabgabe blaue Balken: Kraft-Wärme-Kopplunggrauer Balken: EEG-Vergütungen Quelle: Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. 6

7 7 1. Pfeiler der Energieeffizienz - Moderne Heizungssysteme Einsparpotenzial 20% Neueste Generation von Brennwertkesseln de facto Standard, Nutzung des oberen Heizwertes Familie, vier Personen, Reihenhaus: kWh/a Gaskosten ca. 0,05/kWh Brennwerttherme: Einsparung ca. 11%, also kWh Kosteneinsparung : ca. 110 /a mit Öl-Brennwerttherme und Heizöl Extra Leicht: Energieeinsparung ca. 6%

8 8 Solarthermische Heizanlagen - Sonne als unerschöpfliche Energiequelle CO 2 -Bilanz: Solaranlagen mit Heizung 20 bis 30 % Einsparpotenzial ca. 350 bis 500 Liter Öleinsparung pro Jahr kg CO 2 -Einsparung Ökonomie: Heizen relativ teuer bei Raumheizungs-Unterstützung bessere Fenster erhöhte Wärmedämmung Wasserspar-Armaturen Lange Amortisationszeiten Warmwasserbereitung wirtschaftlich

9 9 Holzpellet-Heizung - Natur belassenes Restholz Sägemehl oder Hobelspäne ohne Bindemittel mit Druckverdichtung Brennerschale, Heizstab, Heißluftgebläse Holzgasgemisch-Zündung CO 2 -Bilanz: CO 2 -neutral 5 t/a Einsparung gegenüber konventioneller Heizung Ökonomie: Höhere Anschaffungskosten Pellet-Preise unabhängig vom Gas/Ölpreis Geringere Betriebskosten Lagerraum notwendig Einsparpotenzial: 600/a bei kWh Heizenergiebedarf

10 10 Mikro-Blockheizkraftwerk - Strom und Wärme in Einem Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Verbrennungsmotor = Generator + Abwärmenutzung Diesel, Heizöl, Gas, Biogas, Biodiesel, Rapsöl, Holz-Pellets CO 2 -Bilanz: 40% Primärenergie- Einsparung Wirkungsgrad ca. 90 % CO 2 -Reduzierung größer als bei Solaranlagen Temperaturen bis 60 0 C, besser als Wärmepumpe keine Fußbodenheizung notwendig Ökonomie: Höhere Anschaffungskosten, geringere Betriebskosten BHKW günstiger als Solaranlage Schallproblematik Investition eines Mikro-BHKW´s rechnet sich, wenn die Laufzeiten stimmen und wenn Investor und Nutzer des erzeugten Stromes identisch sind

11 Technische Daten ecopower – Mikro-BHKW Preis: ,- zuzüglich Installationskosten 11 ecopower e3.0ecopower e4.7 AnwendungsbereichEin-/Mehrfamilienhaus, Kleingewerbe bis kWh Wärmebedarf/Jahr Gewerbebetrieb, Behörden ab kWh Wärmebedarf/Jahr BrennstoffErdgas, Flüssiggas Geräuschniveau<50 dbA in 2m Abstand<56 dbA in 2m Abstand MotorGas-Otto-Motor 4-Takt- Hubkolbenmotor Hubraum272 cm³ Drehzahlbereich U/min U/min Emissionswerte NOx50 (mg/m3) Emissionswerte CO115 (mg/m3 elektrische Leistung (Strom)modulierend von 1,3-3,0 kW (Erdgas); 1,4-3,0 kW (Flüssiggas) modulierend von 1,3-4,7 kW (Erdgas); 1,4-4,7 kW (Flüssiggas) thermische Leistung (Wärme)modulierend von 4,0-8,0 kW (Erdgas); 4,5-9,0 kW (Flüssiggas) modulierend von 4,5-12,5 kW (Erdgas); 4,5-13,8 kW (Flüssiggas) Gesamtwirkungsgradca. 90% Abmessungen (BxHxT)76,0 x 108,0 x 137,0 cm Gewicht395 kg Stromanschluss3×400V, 50 Hz ZulassungenCE-Zertifizierung (PIN 0063AU3290) BAFA-Förderung (derzeit auf Eis gelegt) max , Umweltbonus 300 max ,50, Umweltbonus 470

12 12 Stirling-Motor - Wiederentdeckung eines alten Onkels Ältestes Wärmekraftmaschinen-Prinzip, besonders geeignet für Blockheizkraftwerke periodisch wirkender geschlossener Kreisprozess Umwandlung von indirekter Wärme in mechanische Energie Solarantrieb möglich, extrem geräuscharm Förderung aller KWK-Maschinen durch das EEG Einsatz verschiedener Brennstoffe EEX-Börse Leipzig: zzt. 5,11 ct/kWh Stirling-Motor: 1 kW el, 6 kW th, Gesamtwirkungsgrad: 96 %, (H s ) / 107 % (H i ) Spitzenlastkessel: (6-20) kW Nutzungsgrad 98 % (H s ) / 109 % (H i ) (1)Mikro-KWK Vitotwin 300-W (2)Spitzenlastkessel (3)Wärmetauscherflächen aus Edelstahl (4)Luftverteilerventil (5)Ringbrenner (6)Stirling-Motor (7)Regelung

13 13 Wärmepumpe - Heizwärme aus der Erde Transformation von Wärme niedriger Temperatur in Wärme hoher Temperatur Wärmepumpen entziehen gespeicherte Erdwärme und geben diese unter Verwendung mechanischer Antriebsenergie an den Heizkreislauf ab Geschlossener Kreisprozess (Verdampfen, Komprimieren, Verflüssigen, Expandieren) A:Luftwärme-Kollektoren (ohne Bedeutung) B:Grundwasser-Wärmepumpe (offenes System) C 1 :Erdwärme-Sonde (>100m Tiefenbohrung) C 2 :Erdwärme-Kollektor (geringer Wirkungsgrad) CO 2 -Bilanz: bei kWh Jahresenergieverbrauch Einsparung von ca. 300 kg CO 2 Wirkungsgrad deutscher Kraftwerke von 36 % Jahresarbeitszahlen zwischen 3,5 und 4 Wirkungsgrad von Wärmepumpen bezogen auf die Primärenergie: ( ) %. Ökonomie: Einsparung gegenüber Gasheizung bis zu 450 /a ca. 50 % der Betriebskosten einer Gastherme im Vergleich deutlich höhere Investitionskosten hohe Baukosten

14 Physikalisches Prinzip der Wärmepumpe 14

15 15 Photovoltaik- und Klein-Windkraftanlagen – Energieversorgung ohne Sorgen? Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Wind und Sonne so genannte dargebotsabhängige Energien Keine Grundlastdeckung, sondern ausschließlich Spitzenlastdeckung Windlast: ca h/a = 22% Jahresverfügbarkeit Sonnenenergie: ca. 800 h/a = 9% Jahresverfügbarkeit EnergieträgerAnteil an der Brutto- stromerzeugung 2010 Braunkohle23,7% Steinkohle18,7% Kernenergie22,4% Erdgas13,9% Mineralöl1,2% Windkraft6,0% Wasserkraft4,2% Biomasse4,6% Photovoltaik1,9% Geothermie0,0031% Übrige Energieträger2,4%

16 Kleinwindkraftanlagen – Windenergie für jeden nutzbar Kosten: >3000 /kW peak ohne Fundament und Montagekosten Anlagenleistung: (0,4-30)kW Wirtschaftlichkeit: ( )kWh/m 2 Netzvergütung: 9,2ct/kWh (5a) Rotorfläche: 10kW=(30-55)m 2 Mindest-Windgeschwindigkeit: 7m/s Nenn-Auslegung: (15-20)m/s doppelte Windgeschwindigkeit = achtfache Leistung Höhe der Anlage: 20m geringe Bodenrauhigkeit = hoher Ertrag Blitzschutz extrem wichtig Schallemissionen 45dB (WHO) (5-10)dB über Ruhelärmpegel Ausführungen: horizontale Achse (Wirkungsgrad) vertikale Achse (Darrieus, Savonius) Anlagen zur Netzeinspeisung Anlagen für den Inselbetrieb (Batterie) 16

17 Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung Drei Beweggründe für den Einstieg in die PV-Installation mit Anschluss an das öffentliche Stromnetz, wenn: 1)eine Dachsanierung ansteht 2)eine Heizungssanierung geplant ist 3)CO 2 eingespart werden soll Dachfläche : ausreichende Statik Standort Richtung Süden (südost/südwest) schattenfrei Dachneigung (10-40) Grad gute Hinterlüftung erhöht Energieertrag Solargenerator: 5 kWp Privathaushalt-PV-Anlage: Produktion von ca. 4000kWh/a Halterungen, Kabel mit Steckern, Wechselrichter, geeichter Stromzähler Lebensdauer : >20 Jahre bei einer Leistungseinbuße von etwa 20% Einspeisevergütung nach EEG: 17

18 18 PV-Modul-Techniken - Kein Glaubenskrieg Amorphe Si-PV-Module zukunftsfähig Wirkungsgrad ca. 10% hoher Ertrag bei diffusem Licht geringe Herstellungskosten Dünnschicht-Module CdTe-Dünnschicht umstritten Polykristalline PV-Module wenig Si - umweltfreundlich Wirkungsgrad ca. 13% guter Wattpreis Monokristalline PV-Module teure Herstellung hoher Wirkungsgrad, ca. 15% lange Betriebszeiten

19 19 Brennstoffzelle - Weg aus der Energiekrise? Energie-Umwandlungsprinzip elektrochemische Umsetzung der Brennstoffe (H 2 ; CO) und Sauerstoff (O 2 ) direkt zu Strom und Wasser Gasmotor, ohne Umweg über Wärme und mechanische Energie zwei Elektroden, Anode und Kathode Trennung durch gasundurchlässigen, jedoch Ionen leitenden Elektrolyten Wasserstoff-Moleküle spalten sich in Elektronen und Ionen (H + ) auf positiv geladen H + -Ionen wandern von der Anode zur Kathode und negativ geladene OH - - Ionen wandern von der Kathode zur Anode Reaktion der H + -Ionen mit den OH - - Ionen an den Elektroden Ausbildung von Plus- und Minuspol (Kathode/Anode) Bildung von Wasser bzw. Wasserdampf an der Kathode.

20 20 2. Pfeiler der Energieeffizienz - Wärmedämm-Verbundsysteme Einsparpotenzial 65% Nachträglicher Wärmeschutz in der Altbausanierung Alte Häuser sind Energieverschwender Energieeinsparverordnung (EnEV) für Neubauten: jährlicher Heizwärmebedarf (40-80)kWh/m 2 a entspricht Ölverbrauch von (4-8) l/m 2 (1 Liter Heizöl entspricht Energie von 10 kWh) Energiebedarf bei Altbauten: ca. 200 kWh/m 2 a 3 Wärmedämm-Maßnahmen: 1. Dach 2. Außenwände 3. Keller Kosten der Außenwanddämmung mit einem Wärmedämm-Verbundsystem: Gesamtkosten von ca. 130 bis 160 /m 2 Fassadenfläche Verringerung des Energieverbrauchs: ca. 12 l/m 2 Amortisationszeiten liegen bei ca. 10 – 15 Jahre! Einsparpotenzial liegt bei 70 % der Heizenergie

21 21 Wärmeschutz-Berechnung und U-Wert – für den Bauherrn verständlich gemacht Flut von Begriffen und Formeln Reduktion auf das Wesentliche für Laien Wärmeleitfähigkeit ; Wärmedurchlasswiderstand R; Wärmeübergangskoeffizient ; Wärmedurchgangswiderstand R T ; Wärmedurchgangskoeffizient U-Wert Wichtigste Wärmeschutz-Kennzahl eines Bauteils ist der U-Wert: Wärmedurchgangskoeffizient, (früher: Wärmedurchlässigkeit oder k-Wert) Diejenige Wärmemenge in kWh, die pro Stunde durch eine Bauteilfläche von 100m² transportiert wird, wenn zwischen Innen- und Außenwand ein Temperaturunterschied von 10 0 C besteht! Je kleiner der U-Wert, desto besser die Dämmung! Bauteilsehr schlechtschlechtmittelgutsehr gut Dach 1,000,600,300,22 0,15 BeispielKeine oder maximal 4 cm Zwischensparren- dämmung 6 bis 10 cm Zwischensparren- dämmung 12 bis 16 cm Zwischensparren- dämmung oder 9 cm PUR- Aufsparren- dämmumg 18 bis 20 cm Zwischensparren- dämmung oder 12 cm PUR- Aufsparren- dämmung 27 bis 30 cm Zwischensparren- dämmung oder 18 cm PUR- Aufsparren- dämmung Massivwand1,500,800,400,30 0,20 Beispiel24 cm Vollziegel- mauerwerk mit Putz 36,5 cm Leichthochloch- ziegelmauerwerk mit Putz 36,5 cm Porenbeton 600 [kg/m³] mit Putz, innen Gipsputz 36,5 cm Porenbeton 400 [kg/m³] mit Putz, innen Gipsputz 36,5 cm Ziegelmauer- werk mit 13 cm PUR- Dämmung Fenster5,203,501,801,40 1,20 BeispielEinscheiben- glas Doppel- verglasung Wärmeschutz- verglasung mod. Wärme- schutzverglasung Niedrigenergie- hausfenster

22 22 Gute Raumluft - Das A & O des Wohlbefindens Einfache mechanische Lüftungstechnik Abluftventilator zieht Außenluft unkontrolliert und ungeheizt durch das Haus Höhere mechanische Lüftungstechnik Kreuz-Wärmetauscher mit 80% Wärmerückgewinnung Rotationswärmetauscher Inversions-Wärmetauscher für kleine Leistungen Erd-Wärmetauscher zur Vorwärmung der oberirdischen Ansaugluft Systeme mit unterirdischer Ansaugung Energieeffizienz von Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung optimierte luftstrombezogene Leistungsaufnahme hoher Nutzungsgrad der Wärmerückgewinnung geringe Fugen- und Fensterluftwechselraten reduzierte Luftwechselraten von 0,3 spez. Lüftungswärmebedarf: (6...9) kWh/(m²a) entspricht 1 l/m 2 a Heizöl

23 Solare Adsorptionskühlung – mit Sonnen-Energie kühlen Zuluft warme Außenluft durchströmt Rotationsluftentfeuchter langsam rotierendes Rad mit hygroskopischer Substanz (z.B. Silicagel) Adsorption der Feuchtigkeit mit Adsorptionswärme warme, trockene Luft durchströmt Rotationswärmetauscher Abluft kühlt etwas trockene Frischluft Luft wird befeuchtet Entstehung von Verdunstungskälte Zuluft für Gebäude kühlt ab Abluft Abluft durchströmt den Wärmetauscher Verbesserung der Kühlwirkung Befeuchtung der Abluft Solarwärme erwärmt Abluft auf (50-85)°C Fortluft nimmt im Rotationswärmetauscher Feuchtigkeit auf Fortluft trocknet im Rotationsluftentfeuchter Silikagel C40 0 C 35 0 C 20 0 C 25 0 C22 0 C80 0 C45 0 C30 0 C

24 24 3. Pfeiler der Energieeffizienz - Gebäude-Automation Einsparpotenzial 15% KNX/EIB-Gebäudeautomationsbus (EUROPEAN INSTALLATION BUS) LON-Gebäudeautomationsbus (LOCAL OPERATING NETWORK) BACnet (BUILDING AUTOMATION AND CONTROL NETWORK) Gebäude intelligenter machen Hersteller unabhängige, dezentrale, offene Gebäudebus-Systeme für: Wohnungsbau, Verwaltungsgebäude, Schulen, Museen, Denkmal geschützte Häuser bei Nutzungsänderung umprogrammieren, nicht umverdrahten Gebäude "kommunizieren" mit den Gewerken: Beleuchtung, Jalousie, Heizung, Klima, Alarmsystem verschiedenste Hersteller und Geräte Einsatzgebiet in Niedrigenergie-Häusern Steuerung aller technischen Abläufe im Gebäude Abschaltung aller Beleuchtungen und Verbraucher Heizungsvorlauftemperatur auf Standby Alarmanlage schaltet sich ein Steuerung über Festnetztelefon/Handy/Internet Übertragungsmedien: Twisted Pair (verdrillte 2-Draht-Schwachstromleitung) Powerline (Übertragung der Daten über die 230V-Leitung) Funk und Ethernet

25 Beleuchtungstechnik – auch Kleinvieh macht Mist Lampentyp Lichtausbeute lm/W Lebensdauer 1000 h Farb- qualität Bemerkungen Glühlampe ,1 - 1,5sehr gutgünstig Halogenlampe ,1 - 2,5sehr gutPunktstrahler Halogenlampe IR- beschichtet ,5 - 2,5sehr gutPunktstrahler Kompakt- Leuchtstofflampe gut Leuchtstofflampe gut am besten mit Ø 16 mm und EVG Leuchtstofflampe Induktion gut Induktionsgerät erforderlich Xenonlampe sehr gutteuer Kaltkathoden- lampe (Neon) gut Halogen Metalldampflampe gut Punktstrahler, Hallenbeleuchtung Quecksilberdampf- lampe mittel für Außenbeleuchtung Natrium Hochdrucklampe schlecht für Außenbeleuchtung Natrium Niederdrucklampe keine für Außenbeleuchtung Leuchtdiode (LED) gut kleiner schwacher Punktstrahler 25 Kennzeichen moderner Beleuchtungstechnik Raumplanung und Nutzung Einbeziehung von Tageslicht Lichtverteilung/Leuchtendesign Lichtkomfort Dimmen/Leuchtmittelauswahl Integration ins Gebäudemanagement standardisierte Ansteuerung mittels DALI Einhaltung einschlägiger Normen und Verordnungen Energie- und Ressourceneinsparung effiziente Leuchtmittel Qualitäts-EVG-Vorschaltgeräte effiziente Leuchten, angepasst auf Beleuchtungsaufgabe Lichtmanagementsysteme

26 26 Energiemanagement und Energie-Monitoring – Energiesparen ohne Komforteinbuße? Smart Metering - Hintergründe und Rahmenbedingungen für Neubauten und renovierte Altbauten kommunikationsfähige elektronische Messeinrichtung zeitnahe Informationen zum Energieverbrauch Strom, Erdgas, Fernwärme und Wasser Energieverbrauch analysieren und auf Zeiträume verlagern, in denen Energie günstiger ist Entwicklung intelligenter Versorgungsnetze monatliche, vierteljährliche oder halbjährliche Abrechnungen bidirektionale, selbständige Kommunikation zwischen Zähler - Energieverteilnetz und zwischen Zähler - Hausgeräte Es gelten die Bestimmungen des Eichrechts

27 27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


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