Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

1 Energiewirtschaft Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "1 Energiewirtschaft Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung."—  Präsentation transkript:

1 1 Energiewirtschaft Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung

2 2 Agenda 1.Einführung 2.Energiesparendes Bauen (Grundlagen) 3.Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

3 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 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 5 Agenda 1.Einführung 2.Energiesparendes Bauen (Grundlagen) 3.Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

6 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 7 2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen) Analysen zeigen, dass der Endenergiever- brauch für Raumwärme und die CO 2 - Emissionen im Privatkundenmarkt und bei Kleinverbrauchern hohe Werte hat. Quelle: Kleemann et al., S. 2 Schiffer, S. 348 EndenergieverbrauchRaumwärmeanteilCO 2 -Emissionen 1) PJ% % 2) Mio. t% Privathaushalte , ,311423,0 Kleinverbraucher ,195110,15711,5 Industrie ,41481,613928,1 Verkehr , ,4 Summe , , ,0 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

8 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 CO 2 -Einsparpotenzial des Gebäudebereichs. Bezogen auf den Bestand von 2001 wird das realistische, langfristige CO 2 - Einsparpotenzial im Altbaubereich durch Heizungserneuerung und verbesserte Wärmedämmung auf 50 bis 70 Mio. Tonnen CO 2 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 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 CO 2 -Emission. Neubauaktivitäten wirken sich kontraproduktiv auf die CO 2 -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 10 Anteil der Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung am privaten Endenergieverbrauch der Haushalte Quelle: RWE, S. 1/2

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

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

13 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 14 Wärmedurchgangskoeffizient U einer einschaligen Wand mit Wärmedämm-Verbundsystem Quelle: RWE, S. 1/6

15 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 V e eine kleine wärmeübertragende Umfassungsfläche A aufweist, hat geringe Transmissionswärme- verluste und ist somit energetisch besonders effizient. Deshalb ist das die Kompaktheit beschreibende A/V e -Verhältnis eine wichtige Kenngröße für die energetische Bewertung von Gebäuden. Quelle: RWE, S. 1/6, S. 2/8

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

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

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

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

20 20 Primärenergiefaktoren f p Quelle: RWE, S. 2/25

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

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

23 23 Energiesparende Haushaltsgeräte Allgemein siehe Euro-Label für „Weiße Ware“ siehe Zusammenstellung Energieagentur NRW (www.ea-nrw.de) Primärenergie Beispiel Wäschetrockner5 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 24 Stromverbräuche durch Stand-By- Betrieb Achtung: teils Stromverbräuche auch bei „ausgeschalteten“ Geräten !! Quelle: a d a m

25 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 GEEA-Label Blauer Engel Quelle: a d a m

26 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 !! Zertifizierung = Überwachung der „Produktqualität“  Ökopower-Siegel (Ökoinstitut Freiburg, WWF, Greenpeace)  Grüner Strom Label e.V. (Eurosolar, BUND, NABU)  (TÜV: geringere Qualitätsansprüche) Negativbeispiel: AquaPower, E.ON = Strom aus alten Wasserkraftanlagen Strommix nur aus regenerativen Energien oder auch mit Anteilen aus Kraft-Wärme- Kopplung Quelle: a d a m

27 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 28 Agenda 1.Einführung 2.Energiesparendes Bauen (Grundlagen) 3.Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

29 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 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 31 Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997

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

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

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

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

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

37 37 Jahresgang der Gobalstrahlung (Monatmittelwerte eines Jahres, süddeutscher Standort) Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997; Ġ G,M [W/m 2 ]. 30 d/M. 24 h/d = G G,M [Wh/m 2 M] Ġ G,M : a d a m

38 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 39 Solarabsorber zur Schwimmbaderwärmung Quelle: IZE; a d a m

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

41 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 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 43 Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung Beispiel: System mit Kombispeicher Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997; a d a m

44 44 Optimierte Anordnung einer Solaranlage Quelle: Brennwert-Gas-Wandheizgerät als Dachheizzentrale  Geringe Kosten  hoher Nutzungsgrad Solar-Speicher 1.zapfstellennah 2.kollektornah 3.heizgerätenah installiert  geringe Kosten  hoher Nutzungsgrad  hoher Komfort Flachkollektoren  gutes Preis-/Leistungs- verhältnis a d a m

45 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 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 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 48 Netzgekoppelte Photovoltaikanlage ( Standard BRD) Quelle: a d a m

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

50 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 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 52 Bundespräsidialamt in Berlin (Flachdach-Aufständerung) Quelle: a d a m

53 53 Einfamilienhaus (Dachintegration) Quelle: a d a m

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

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

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

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

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

59 59 Wärmepumpen – Das Prinzip Quelle: Wärmereservoir mit hoher Temperatur T = Nutzmedium Wärmereservoir mit niedriger Temperatur T 0 = Wärmequelle Antriebsarbeit "Wärme pumpen" Q Q0Q0 W Heizungswasser Brauchwasser Prozesswärme Strom Diesel Erdgas Erdreich Außenluft (Grund) Wasser Abluft, Abwasser Sonnenenergie z.B. a d a m

60 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 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 Quelle: RWE, 1998; oder Niedertemperatur- Heizkörper + Rücklaufspeicher a d a m

62 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 Quelle: RWE, 1998; oder Niedertemperatur- Heizkörper + Rücklaufspeicher a d a m

63 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 Quelle: RWE, 1998; oder Niedertemperatur- Heizkörper + Rücklaufspeicher a d a m

64 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 Quelle: RWE, 1998; oder Niedertemperatur- Heizkörper + Rücklaufspeicher a d a m

65 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 66 Elektro-Heizwärmepumpe Chance – mit vertikalen Erdsonden als Wärmequelle  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,... Quelle: Wärmepumpe Heizanlage Erdsonden Konkurrenz zu Ölheizungen in Neubauten ohne Gasversorgung  geringe Nachteile bei den Investitionskosten  deutliche Vorteile bei den laufenden Kosten a d a m

67 67 Kraft-Wärme-Kopplung Was ist das? Quelle: nach ASUE; 38 % 143 % 100 % 90 % 53 % 56 % Verluste 0 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 a d a m

68 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 69 Fernwärme, Nahwärme: Differenzierung Fernwärme:  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 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 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 72 Annahmen  Spezifischer Wärmebedarf (Ø) (nach Niedrigenergie-Standard)  Warmwasserversorgung25 kWh/m²a  Heizung40 kWh/m²a  abzüglich Solarwärme13 kWh/m²a  Summe52 kWh/m²a  Wärmeleistung: 5 MW th *  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 73 Jährlicher Wärmebedarf und Jahresdauerlinie Jährlicher WärmebedarfJahresdauerlinie Januar Juni Dezember t MWh Std. MW 5 3,5 Spitzenlast Warmwasserbedarf Heizenergie- bedarf

74 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 kWh el /MWh th für Öl und Gas  25 kWh el /MWh th für Biomasse  Strompreis: 8 ct/kWh

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

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

77 77 Beispiel: Betriebskosten System 1: ErdgasSystem 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl- Spitzenkessel Heizwert0,90310,081 Jahresbrenn- stoffbedarf MWh Ho7.164 HEL hl Hu2.149 HEL hl Hu Brennstoffkosten31,38 €/MWh ho37,00 €/hl Jahresbrenn- stoffkosten € € € Heizwert Holz3,0 MWh/t Jahresbrenn- stoffbedarf Holz t Brennstoff- kosten Holz 35,00 € Jahresbrenn- stoffkosten Holz € Hilfsenergiekosten6.760 € € Betriebskosten € € € Instandhaltung € € Summe € € €

78 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 Kosten14,74 ct/kWh15,01 ct/kWh12,86 ct/kWh

79 79 Beispiel: Gesamtkosten 484

80 80 Beispiel: Emissionen (Primärenergie- faktor: 1,30) (Primärenergie- faktor: 0,46)

81 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 Q p ‘‘,max des Gebäudes legt die Mindest- anforderung an die Anlagentechnik unter Berücksichtigung der vorhandenen Bautechnik fest. Wird der in Abhängigkeit vom Verhältnis A/V e 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 Q p ‘‘ ≤ Q p ‘‘,max ist die Hauptanforderung der EnEV erfüllt.

82 82 Ermittlung des maximal erlaubten Primärenergiebedarfs (Q p ‘‘,max ) Quelle: Hegner  Mehrfamilienhäuser: A/V e = 0,6  Q p ‘‘,max = 100 kWh/m²a  Einfamilienhäuser: A/V e = 0,9  Q p ‘‘,max = 135 kWh/m²a

83 83 Ermittlung des tatsächlichen Primärenergiebedarfs (Q p ‘‘) Der Jahres-Primärenergiebedarf eines Gebäudes ergibt sich im vereinfachten Verfahren aus Q p = (Q h + Q W ) x e p Dabei bedeuten Q h : Jahres-Heizwärmebedarf Q W : Jahres-Warmwasserbedarf e p : Anlagenaufwandszahl  Damit sind die Anforderungen der Energieeinsparverordnung erfüllt. EinfamilienhausMehrfamilienhaus Wärme- bedarf Q Anlagen- aufwands- zahl e p ErgebnisWärme- bedarf Q Anlagen- aufwands- zahl e p Ergebnis Warmwasser25 kWh/m²a1,2*30 kWh/m²a25 kWh/m²a1,24*31 kWh/m²a Heizung40 kWh/m²a1,82**73 kWh/m²a40 kWh/m²a1,63**65 kWh/m²a Q p ‘‘93 kWh/m²a96 kWh/m²a Q p ‘‘, max 135 kWh/m²a100 kWh/m²a * Unter Berücksichtigung der Solaranlagen ** ohne KWK


Herunterladen ppt "1 Energiewirtschaft Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen