Energie-Effizienz im Wohn- und Zweckbau Nutzung gegebener Einsparpotenziale Veranstaltung am 9.11.2011 „Energiewende im Kreis Heinsberg“ FH Aachen University of Applied Sciences Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Eupener Straße 70 52066 Aachen Prof. Dr.-Ing. Franz Wosnitza Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt Energiemanagement

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

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

Woher kommt morgen der Strom? Wasserkraft alle Potenziale werden genutzt 19,5 Mrd. kWh Windkraft 22.000 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

Road Map der Bundesregierung – können wir das schaffen? Sicherstellung der Energieversorgung - Operative Ziele bis 2022 Senkung der Energiekosten Schaffung von 500.000 neuen Arbeitsplätzen im Energiesektor 30% Strom aus erneuerbaren Energien Atomausstieg bis 2022 40% 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%

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: Stromsteuer grüner Balken: Konzessionsabgabe blaue Balken: Kraft-Wärme-Kopplung grauer Balken: EEG-Vergütungen Quelle: Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.

1. Pfeiler der Energieeffizienz - Moderne Heizungssysteme Einsparpotenzial  20% Neueste Generation von Brennwertkesseln de facto Standard, Nutzung des oberen Heizwertes Familie, vier Personen, Reihenhaus: 20.000 kWh/a Gaskosten ca. 0,05€/kWh Brennwerttherme: Einsparung ca. 11%, also 2.200 kWh Kosteneinsparung : ca. 110 €/a mit Öl-Brennwerttherme und Heizöl Extra Leicht: Energieeinsparung ca. 6%

Solarthermische Heizanlagen - Sonne als unerschöpfliche Energiequelle CO2-Bilanz: Solaranlagen mit Heizung 20 bis 30 % Einsparpotenzial ca. 350 bis 500 Liter Öleinsparung pro Jahr 1.000 kg CO2-Einsparung Ökonomie: Heizen relativ teuer bei Raumheizungs-Unterstützung bessere Fenster erhöhte Wärmedämmung Wasserspar-Armaturen Lange Amortisationszeiten Warmwasserbereitung wirtschaftlich

Holzpellet-Heizung - Natur belassenes Restholz Sägemehl oder Hobelspäne ohne Bindemittel mit Druckverdichtung Brennerschale, Heizstab, Heißluftgebläse Holzgasgemisch-Zündung CO2-Bilanz: CO2-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 30.000 kWh Heizenergiebedarf

Mikro-Blockheizkraftwerk - Strom und Wärme in Einem Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Verbrennungsmotor = Generator + Abwärmenutzung Diesel, Heizöl, Gas, Biogas, Biodiesel, Rapsöl, Holz-Pellets CO2-Bilanz: 40% Primärenergie- Einsparung Wirkungsgrad ca. 90 % CO2-Reduzierung größer als bei Solaranlagen Temperaturen bis 600C, 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

Technische Daten ecopower – Mikro-BHKW ecopower e3.0 ecopower e4.7 Anwendungsbereich Ein-/Mehrfamilienhaus, Kleingewerbe bis 45.000 kWh Wärmebedarf/Jahr Gewerbebetrieb, Behörden ab 45.000 kWh Wärmebedarf/Jahr Brennstoff Erdgas, Flüssiggas Geräuschniveau <50 dbA in 2m Abstand <56 dbA in 2m Abstand Motor Gas-Otto-Motor 4-Takt- Hubkolbenmotor Hubraum 272 cm³ Drehzahlbereich 1.200-2.400 U/min 1.200-3.600 U/min Emissionswerte NOx 50 (mg/m3) Emissionswerte CO 115 (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) Gesamtwirkungsgrad ca. 90% Abmessungen (BxHxT) 76,0 x 108,0 x 137,0 cm Gewicht 395 kg Stromanschluss 3×400V, 50 Hz Zulassungen CE-Zertifizierung (PIN 0063AU3290) BAFA-Förderung (derzeit auf Eis gelegt) max. 4.650 €, Umweltbonus 300 € max. 6.742,50 €, Umweltbonus 470 €

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 kWel, 6 kWth, Gesamtwirkungsgrad: 96 %, (Hs) / 107 % (Hi) Spitzenlastkessel: (6-20) kW Nutzungsgrad 98 % (Hs) / 109 % (Hi) Mikro-KWK Vitotwin 300-W Spitzenlastkessel Wärmetauscherflächen aus Edelstahl Luftverteilerventil Ringbrenner Stirling-Motor Regelung

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) C1: Erdwärme-Sonde (>100m Tiefenbohrung) C2: Erdwärme-Kollektor (geringer Wirkungsgrad) CO2-Bilanz: bei 20.000 kWh Jahresenergieverbrauch Einsparung von ca. 300 kg CO2 Wirkungsgrad deutscher Kraftwerke von 36 % Jahresarbeitszahlen zwischen 3,5 und 4 Wirkungsgrad von Wärmepumpen bezogen auf die Primärenergie: (120-140) %. Ökonomie: Einsparung gegenüber Gasheizung bis zu 450 €/a ca. 50 % der Betriebskosten einer Gastherme im Vergleich deutlich höhere Investitionskosten hohe Baukosten

Physikalisches Prinzip der Wärmepumpe

Photovoltaik- und Klein-Windkraftanlagen – Energieversorgung ohne Sorgen? Energieträger Anteil an der Brutto- stromerzeugung 2010 Braunkohle 23,7% Steinkohle 18,7% Kernenergie 22,4% Erdgas 13,9% Mineralöl 1,2% Windkraft 6,0% Wasserkraft 4,2% Biomasse 4,6% Photovoltaik 1,9% Geothermie 0,0031% Übrige Energieträger 2,4% Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Wind und Sonne so genannte dargebotsabhängige Energien Keine Grundlastdeckung, sondern ausschließlich Spitzenlastdeckung Windlast: ca. 2000 h/a = 22% Jahresverfügbarkeit Sonnenenergie: ca. 800 h/a = 9% Jahresverfügbarkeit

Kleinwindkraftanlagen – Windenergie für jeden nutzbar Kosten: >3000 €/kWpeak ohne Fundament und Montagekosten Anlagenleistung: (0,4-30)kW Wirtschaftlichkeit: (200-400)kWh/m2 Netzvergütung: 9,2ct/kWh (5a) Rotorfläche: 10kW=(30-55)m2 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)

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) CO2 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:

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

Brennstoffzelle - Weg aus der Energiekrise? Energie-Umwandlungsprinzip elektrochemische Umsetzung der Brennstoffe (H2; CO) und Sauerstoff (O2) 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.

Einsparpotenzial liegt bei 70 % der Heizenergie 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/m2a entspricht Ölverbrauch von (4-8) l/m2 (1 Liter Heizöl entspricht Energie von 10 kWh) Energiebedarf bei Altbauten: ca. 200 kWh/m2a 3 Wärmedämm-Maßnahmen: 1. Dach 2. Außenwände 3. Keller Kosten der Außenwanddämmung mit einem Wärmedämm-Verbundsystem: Gesamtkosten von ca. 130 bis 160 €/m2 Fassadenfläche Verringerung des Energieverbrauchs: ca. 12 l/m2 Amortisationszeiten liegen bei ca. 10 – 15 Jahre! Einsparpotenzial liegt bei 70 % der Heizenergie

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 RT ; 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 100C besteht! Je kleiner der U-Wert, desto besser die Dämmung! Bauteil sehr schlecht schlecht mittel gut sehr gut Dach ≥ 1,00 0,60 0,30 0,22 ≤ 0,15 Beispiel Keine 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 Massivwand ≥1,50 0,80 0,40 ≤ 0,20 24 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 Fenster 5,20 3,50 1,80 1,40 ≤ 1,20 Einscheiben- glas Doppel- verglasung Wärmeschutz- verglasung mod. Wärme- schutzverglasung Niedrigenergie- hausfenster

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/m2a Heizöl

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 450C 800C 300C 220C 250C 350C 400C 200C 350C

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

Beleuchtungstechnik – auch Kleinvieh macht Mist 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 Lampentyp Lichtausbeute lm/W Lebensdauer 1000 h Farb- qualität Bemerkungen Glühlampe 5 - 15 0,1 - 1,5 sehr gut günstig Halogenlampe 15 - 20 0,1 - 2,5 Punktstrahler Halogenlampe IR-beschichtet 20 - 25 1,5 - 2,5 Kompakt-Leuchtstofflampe 40 - 75 8 - 12 gut Leuchtstofflampe 50 - 100 10 - 40 am besten mit Ø 16 mm und EVG Leuchtstofflampe Induktion 80 - 90 50 - 60 Induktionsgerät erforderlich Xenonlampe 80 - 100 1 - 4 teuer Kaltkathoden-lampe (Neon) 10 - 30 20 - 50 Halogen Metalldampflampe 60 - 100 8 - 16 Punktstrahler, Hallenbeleuchtung Quecksilberdampf-lampe 30 - 60 mittel für Außenbeleuchtung Natrium Hochdrucklampe 70 - 150 20 - 30 schlecht Natrium Niederdrucklampe 100 - 200 10 - 20 keine Leuchtdiode (LED) 10 - 50 35 - 100 kleiner schwacher Punktstrahler

Energiemanagement und Energie-Monitoring – Energiesparen ohne Komforteinbuße? Smart Metering - Hintergründe und Rahmenbedingungen 1.1.2010 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

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