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Letzte Änderung: 02.03.2011
Die Energiepreise und damit die Betriebskosten für die Trinkwassererwärmung und Raumheizung steigen kontinuierlich. Durch die Investition in Systeme auf Basis regenerativer Energien ist eine zumindest teilweise Abkopplung der Wärmeerzeugungskosten von den steigenden Öl- oder Gaspreisen möglich. Dezentrale Wärmeerzeugungsanlagen eignen sich gut zur Einbindung regenerativer Energien. Diese können entweder mit konventionellen Heizanlagen gekoppelt oder zur alleinigen Wärmeerzeugung genutzt werden. Für die Investition in regenerative Energien stehen verschiedene Förderprogramme bereit, die auch öffentliche Einrichtungen in Anspruch nehmen können. Einen umfassenden Überblick über Förderprogramme erhalten Sie auf der Website der Förderdatenbank.
Für Neubauten gilt seit Inkrafttreten des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) am 1. Januar 2009: Ein Teil des Wärmebedarfs muss aus erneuerbaren Energien stammen. Das gilt für Wohn- und Nichtwohngebäude, deren Bauantrag beziehungsweise -anzeige nach dem 1. Januar 2009 eingereicht wurde. Der Eigentümer entscheidet, welche erneuerbaren Energieträger er einsetzt. Wie hoch der Anteil dieser Energieform am Wärmebedarf ist, hängt vom Energieträger ab. Bei Solarwärme müssen mindestens 15 % des Wärmebedarfs gedeckt werden, bei fester oder flüssiger Biomasse mindestens die Hälfte des Wärmebedarfs, bei gasförmiger Biomasse 30 %, bei der Nutzung von Umweltwärme (Wärmepumpen) oder Geothermie mindestens 50 %. Jedoch sind auch Ersatzmaßnahmen möglich, wie beispielsweise die Versorgung zu mindestens 50 % mit Wärme aus Kraft-Wärme-Koppelung oder Abwärme. Ebenso ist es möglich, durch eine gegenüber dem gesetzlichen Niveau verbesserte Dämmung den gesetzlich vorgegebenen Primärenergieverbrauch um 15 % zu unterschreiten.
Gefördert werden Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Rahmen des Marktanreizprogramms des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA).
Förderfähig ist die Errichtung und Erweiterung von
Neben diesen Fördertatbeständen gibt es ein Bonussystem für die Kombination erneuerbarer Energien miteinander, das zu höheren Förderbeträgen führen kann.
Antragsberechtigt sind folgende Eigentümer, Pächter oder Mieter des Grundstückes, auf dem die Anlage errichtet wurde oder errichtet werden soll:
Weitere Informationsquellen zum Marktanreizprogramm (für das Jahr 2010 gestoppt):
http://www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/index.html
Für die Wärmeversorgung mit Biomasse kommen vorwiegend Holzpellets, Holzhackschnitzel und Scheitholz in Frage. Die Anschaffungskosten einer Holzheizanlage sind etwas höher als von vergleichbaren Gas- und Ölheizungen, die Betriebskosten sind in der Regel etwas niedriger. Rund 20 Mio. Festmeter Holz werden in Deutschland jährlich zum Heizen genutzt. Mit über 14 Mio. Festmetern ist Scheitholz aus dem Wald der bedeutendste Holzbrennstoff. Nur große Heizwerke und Heizkraftwerke verbrennen schadstoffbelastetes Altholz, beispielsweise aus dem Abriss von Häusern. Für kleine Anlagen wären die Maßnahmen zur Luftreinhaltung wirtschaftlich nicht tragbar.
Holzheizungen, auch Kleinfeuerungsanlagen für Biomasse genannt, gibt es als Einzelraumfeuerungsanlagen, die zusätzlich zur herkömmlichen Heizung in einzelnen Räumen stehen können. Zentralheizungskessel heizen hingegen das ganze Gebäude und erwärmen das Trinkwasser. Wie Öl- und Gasheizungskessel befinden sie sich in einem eigenen Heizraum. Für die öffentliche Hand sind lediglich Zentralheizungskessel relevant. Im Rahmen der Ökodesignrichtlinie (2005/32/EG) ist eine Verordnung zu Kleinfeuerungsanlagen in Vorbereitung. Informationen hierzu sowie die Vorstudie erhalten Sie unter: www.ecosolidfuel.org.
Um eine Holzfeuerung möglichst umweltfreundlich zu betreiben, sollten emissionsarme und effiziente Feuerstätten mit trockenem Brennstoff zum Einsatz kommen. Des Weiteren ist eine regelmäßige Wartung und Überwachung der Anlage durch Fachleute notwendig. Moderne Anlagen arbeiten mit elektronischen Regeleinrichtungen, die den Verbrennungsablauf, die Leistung und die Wärmeverteilung überwachen.
Es sollten möglichst Anlagen beschafft werden, die die Anforderungen der Stufe 2 der 1. Verordnung zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (1. BImSchV) über kleine und mittlere Feuerungsanlagen einhalten. Die 1. BImSchV enthält Anforderungen an die Brennstoffe für kleine Anlagen, Grenzwerte für den Schadstoffausstoß, Vorgaben für die Überwachung und eine Sanierungsregelung für bestehende Anlagen. Eine Neufassung dieser Verordnung ist am 22.03.2010 in Kraft getreten. Die zweite Grenzwertstufe ist deutlich strenger als die bereits heute gültige Stufe 1 und wird für neue Anlagen ab 2015 Pflicht. In folgender Tabelle sind die Schadstoffgrenzwerte für kleine Holzheizkessel aufgeführt:
|
Brennstoff |
Nennwärmeleistung [kW] |
Staub [g/m3] |
CO [g/m3] |
Stufe 1: |
Stückiges u. nicht stückiges Holz (Scheitholz, Sägespäne), |
≥ 4 – 500 |
0,1 |
1,0 |
Holzpellets |
≥ 4 - 500 |
0,06 |
0,8 |
|
Stufe 2: |
Stückiges u. nicht stückiges Holz (Scheitholz, Sägespäne), Holzpellets |
≥ 4 |
0,02 |
0,4 |
Wichtig ist die richtige Dimensionierung der Anlage, also das richtige Leistungsvermögen in Kilowatt [kW]. Ein Teillastbetrieb der Feuerungsanlage führt zu deutlich höheren Emissionen. Besonders problematisch ist der so genannte Gluthaltebetrieb, bei dem die Anlage kaum Wärme erzeugt, sondern lediglich ein Glutbett erhält. Ausreichend große Pufferspeicher ermöglichen den Betrieb der Anlage in der weniger emissionsintensiven Volllast und die Speicherung der nicht sofort benötigten Wärme. Für Holzkessel über 15 kW Leistung ist in Deutschland nach der Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) ein Pufferspeicher vorgeschrieben, der die aus dem Holz frei werdende Wärme, die das Heizystem nicht direkt aufnehmen kann, zwischenspeichert. Die Puffergröße nach BImSchV muss mindestens 25 l je kW Kesselleistung betragen. In der Praxis sollte sie aber oberhalb 50 l je kW Kesselleistung liegen, die Förderrichtlinien der BAFA verlangen mindestens 55 l/kW. [CARMEN 2005]
Nach § 3 Abs. 1 1. BImSchV sind als Holzbrennstoffe zugelassen: Grill-Holzkohle, naturbelassenes stückiges Holz und Presslinge aus naturbelassenem Holz, nicht jedoch Spanplatten und lackiertes Holz.
Holzheizungen benötigen einen Lagerraum für den Brennstoff, der für Hackschnitzel etwas größer ist als für Pellets. Der Raum sollte möglichst trocken sein, um Schimmel und Zersetzung vorzubeugen. Der Wassergehalt des Brennstoffs hat einen großen Einfluss auf das Brennverhalten. Frisch geschlagenes Holz enthält zwischen 45 und 60 % Wasser. Dieser Wasseranteil sinkt bei optimaler Trocknung nach ein bis zwei Jahren auf 15 bis 20 %. Die Lagerung von Pellets ist aufgrund der geringen Restfeuchte unproblematischer als die von Stückholz. Brennscheitholz sollte an sonnigen und windigen Orten (zum Beispiel vor der Süd- und Westfassade) mit trockenem Untergrund lagern. Dabei ist ein ausreichender Durchlüftungsabstand zur Hauswand von mindestens 10 Zentimetern zu beachten. Zudem sollte das Brennholz keinen Kontakt zum Erdreich haben, da es aus dem Boden immer Feuchtigkeit ziehen kann. Schichtet man das Holz im Kreuzstapel oder in Gitterboxen, begünstigt dies zusätzlich den Trocknungsprozess. Nach der sommerlichen Trocknungsphase muss das Brennholz gegen Regen geschützt sein, zum Beispiel mit Plastikplanen. Gespaltenes Holz trocknet besser und zeigt auch ein besseres Brennverhalten. Wird das Feuerholz beim Händler gekauft, sollte man sich den Wassergehalt bestätigen lassen. [Holz&Pellets]
Pellets sind gepresste, naturbelassene Säge- und Hobelspäne aus Produktionsabfällen und Resthölzern in genormter Qualität. Sie sind seit dem Jahr 2000 in Deutschland auf dem Markt. Über 105.000 Privathaushalte heizten bundesweit bis Ende 2008 mit Holzpellets. Zur Herstellung einer Tonne Holzpellets sind sechs bis acht Kubikmeter Holzspäne nötig. Circa 2,7 % des Energiegehaltes der produzierten Holzpellets werden für die Pelletherstellung bei Verwendung von trockenem Restholz benötigt, bei feuchtem Industrie- oder Waldrestholz sind es zwischen 3 und 17 %. Der Bereitstellungsaufwand von Heizöl hingegen beträgt 12 %. [NRW 2009]
Pellet-Zentralheizungen sind mit einer Leistung ab 7 kW verfügbar. Eine programmierte Steuerungsanlage regelt, wie viele Pellets über eine Förderschnecke in die Brennkammer gelangen. Der Lagerraum für die Pellets kann bei einer Saugförderung in bis zu 20 Metern Entfernung liegen, so dass eine Lagerung beispielsweise auch in Erdtanks außerhalb des Gebäudes möglich ist. Der Lagerraum sollte sich maximal 30 Meter (geradlinig) von einem Zufahrtsweg für Silofahrzeuge befinden. Ein Schrägboden im Lager gewährleistet, dass die Förderschnecke alle Pellets erfasst. Die optimale Größe des Lagerraumes richtet sich nach dem Pelletverbrauch pro Jahr, der sich aus der Heizlast errechnet. Die Heizlast ist jene Leistung, die der Heizkessel bei der tiefsten für eine Gegend typischen Wintertemperatur aufbringen muss, um das Gebäude zu heizen. Das für die Lagerung nutzbare Volumen liegt bei ca. zwei Drittel des Raumvolumens. Vor dem Bau des Heiz- und Lagerraumes sollte man beim Bezirksschornsteinfeger oder bei der zuständigen Bauaufsichtsbehörde nach den geltenden Vorschriften zur Lagerung, Verbrennungsluftzuführung und Abgasabführung fragen.
Die kontinuierliche Zuführung des Brennstoffs und die gebläsegestützte, geregelte Luftzuführung gewährleisten eine optimale Verbrennung und einen gleichbleibend guten Wirkungsgrad. Moderne Holzheizkessel verfügen mittlerweile oft über eine eigene, eingebaute Abgassensorik (zum Beispiel eine Lambda-Sonde), die permanent die Verbrennung überwacht und in einem gewissen Rahmen optimiert und regelt.
Bei effizienten Anlagen liegt der feuerungstechnische Wirkungsgrad bei über 90 %, das heißt 90 % der zugeführten Energie werden für die Wärmeversorgung verwendet. Praxisrelevant ist dieser Wert nur bedingt, weil er meist für den Nennlastbetrieb (= Betrieb unter Prüfstandbedingungen), nicht aber für den praxisnahen Teillastbetrieb angegeben ist. Die Wirkungsgrade unter Teillast sind geringer. Die Angabe des "Normnutzungsgrades", der auch Teillast berücksichtigt, ist bei Holzkesseln noch nicht üblich. Ist der Wirkungsgrad bei Volllast größer als 90 % und bei 30-%iger Teillast größer als 88 %, ist die Anlage besonders effizient.
Durch die Kombination mit einer thermischen Solaranlage ist es möglich, je nach Heizwärmebedarf bis zu einem Drittel des jährlichen Brennstoffbedarfs einzusparen. [NRW 2009]
Einen Überblick über die Preisentwicklung von Holzpellets wird unter http://www.carmen-ev.de/dt/energie/pellets/pelletpreise.html#2 zur Verfügung gestellt.
Für Holzpelletheizkessel gibt es das Umweltzeichen Blauer Engel auf Basis der Vergabegrundlage RAL-UZ 112.
Für größere Anlagen zur Wärmeversorgung, zum Beispiel von Mehrfamilienhäusern, Schulen oder Schwimmbädern, eignen sich Hackschnitzelheizungen. Hackschnitzelheizungen werden ebenso wie Pelletkessel automatisch beschickt. Sie können durch den geringeren Brennstoffpreis wirtschaftlicher sein als Pelletheizungen. Unter Holzhackschnitzeln versteht man mechanisch zerkleinertes Waldrestholz, Schwachholz und anderes minderwertiges Holz bei einer Stückgröße von 3 cm. Es hat einen Brennwert von etwa 4,0 kWh (= 14,4 MJ) je kg (je nach Holzart, bei ca. 20 % Wassergehalt). Der Wassergehalt, der den Heizwert beeinflusst, variiert je nach Holzart und Lageralter. Das hat Auswirkungen auf die Heizung, deren Einstellungen je nach Beschaffenheit des Brennstoffs verändert werden müssen. Das macht den Betrieb einer Hackschnitzelheizung aufwändiger als den einer Pelletheizung. [CARMEN 2005]
Scheitholzkessel werden von Hand mit Scheitholz (Längen von 30 bis 100 Zentimetern) beschickt. Der Füllraum eines modernen Scheitholzgebläsekessels reicht für vier bis acht Stunden Brenndauer. Dann muss wieder Holz nachgelegt werden. Bei modernen Scheitholzvergaserkesseln finden die einzelnen Stufen der Holzverbrennung, also die Holzvergasung und Holzgasverbrennung, räumlich und zeitlich voneinander getrennt statt. Das Holz vergast im Glutbett und die seitlich oder nach unten geführten Holzgase verbrennen in einer separaten Brennkammer. Die Verbrennung ist sauber und gleichmäßig. Dadurch werden niedrige Schadstoffemissionen und ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Kessel mit elektronischer Regelung haben ein drehzahlgeregeltes Gebläse. Es misst den Restsauerstoffgehalt der Abgase permanent mit einer Lambdasonde und regelt ihn. Durch Veränderung der Menge der zugeführten Verbrennungsluft ist eine begrenzte Leistungsregulierung möglich. Das heiße Abgas führt am Wärmetauscher vorbei und gibt dabei seine Wärme an das Heizungssystem ab. Danach erst entweicht es über den Schornstein. Moderne Kessel erreichen feuerungstechnische Wirkungsgrade um die 90 %. [CARMEN 2005]
Bei der Solarthermie wird die Strahlungsenergie der Sonne direkt in Wärmeenergie umgesetzt. Heute erzeugen 80 % der solarthermischen Anlagen Brauchwasser, der Rest unterstützt die Warmwasser- und Heizungsanlage. Am effektivsten arbeiten thermische Solaranlagen in Gebäuden, bei denen auch im Sommer Wärme nötig ist. Weniger geeignet sind Objekte, die in Ferienzeiten oder an Wochenenden wenig oder gar nicht genutzt werden, wie zum Beispiel Schulen.
Solaranlagen mit einer Kollektorfläche von über 100 m3 erfordern eine sorgfältige Anpassung an das Verbrauchsprofil und daher eine individuelle Planung und Dimensionierung. Den erhöhten Planungsaufwand kompensieren jedoch die erreichbare Kostendegression und Preisnachlässe bei den großen Kollektorflächen. Die solaren Wärmegestehungskosten liegen bei großen Anlagen bei 8–10 Cent/kWh und sind damit um den Faktor 2 günstiger als bei Kleinanlagen. [BINE Themeninfo 2008]
Bei großen thermischen Solaranlagen rechnet man mit jährlich ca. 1 bis 1,5 % der Investitionskosten als Instandhaltungsaufwand, was dem von konventionellen Kesselanlagen entspricht. Die Lebensdauer ist mit 20 bis 25 Jahren höher als die 15 Jahre, die bei Anlagen auf Basis fossiler Rohstoffe angesetzt werden. Die Betriebskosten von Solaranlagen umfassen lediglich Strom für Pumpen und Steuerung und sind deshalb gering. So dient ca. 1 kWh elektrische Energie zum Erzeugen von etwa 40 bis 50 kWh Wärme. Die Pumpen laufen nur bei Sonneneinstrahlung (maximal 2.000 Stunden im Jahr). [BINE Themeninfo 2008]
Ein Kollektor erhitzt ein Medium (zum Beispiel Wasser-Glykol-Gemisch), das die Wärme zu einem Speicher leitet. Unterstützt die Solarwärme auch die Raumheizung, wird bei großen Anlagen meist ein Zweispeichersystem mit einem Brauchwasserspeicher und einem großen Speicher als Wärmepuffer für die Heizung verwendet. Brauchwasser- und Pufferspeicher werden mit Solarwärme beladen, vorrangig jedoch der Brauchwasserspeicher. Der Pufferspeicher soll die Wärme sonnenreicher Stunden für die Zeit gesteigerter Nachfrage bereithalten. Bei hohen, schlanken Wärmespeichern kommt es zu einer Temperaturschichtung des Wassers, da warmes Wasser aufgrund seiner geringeren Dichte in den oberen Teil des Speichers steigt, während das kalte Wasser im unteren Bereich bleibt. Das warme Wasser wird ganz oben am Speicher, wo das Wasser am wärmsten ist, abgezapft und das Wasser aus dem Rücklauf unten in den Solarpuffer eingespeist. Steht im Winter nicht genügend Sonnenstrahlung zur Verfügung, springt eine konventionelle Heizung an, sobald die Temperatur im oberen Teil des Speichers zu gering ist. Für die Dimensionierung der Speicher sollten bei Anlagen zur Trinkwassererwärmung 50 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche angesetzt werden. [BINE basisEnergie 4]
Der Quotient aus nutzbarer thermischer Energie und auftreffender Sonnenenergie ist der Konversionsfaktor oder optische Wirkungsgrad eines Sonnenkollektors. Der Wert gibt an, wie viel % der Sonnenstrahlung durch die transparente Abdeckung des Kollektors gelangt und vom Absorber aufgenommen wird.
Der thermischen Verlustfaktor oder k-Wert bewertet die Wärmeverluste. Der k-Wert ist der Energieverlust zwischen Absorber und Umgebung in W pro m2 Kollektorfläche und der Differenz zwischen Umgebungs- und mittlerer Absorbertemperatur. Je höher diese Temperaturdifferenz ist und je höher der k-Wert ist, desto größer sind die Wärmeverluste.
Derzeit kommen in der Solarthermie drei Techniken zum Einsatz:
Für Anlagen zur Trinkwassererwärmung gibt es standardisierte Richtlinien zur Planung. Bei Kombianlagen zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung sowie Anlagen, die in Wärmenetze integriert werden, ist jedoch eine detaillierte Planung und Dimensionierung notwendig. Die Auslegung von großen Anlagen erfordert eine individuelle Dimensionierung. Eine hohe Betriebszuverlässigkeit lässt sich am besten mit einem einfachen Systemaufbau erreichen.
Folgende Punkte sind vor der Planung eines Solarsystems zu klären:
Für Sonnenkollektoren gibt es das Umweltzeichen Blauer Engel auf Basis der Vergabegrundlage RAL-UZ 73. Die Kriterien dieser Vergabegrundlage muss eine Anlage erfüllen, um die Förderung durch das Marktanreizprogramm zu erhalten. Für den Erhalt der Förderung müssen Solarkollektoren des Weiteren das europäische Prüfzeichen Solar Keymark tragen.
Thermische Solaranlagen eignen sich auch zur Klimatisierung von Gebäuden. Mit Hilfe von Solarenergie kann die sogenannte solare Klimatisierung die Luft kühlen und die Luftfeuchte regulieren. Derartige Anlagen befinden sich meist in Nicht-Wohngebäuden, in denen sich viele Menschen versammeln (zum Beispiel Bürogebäude, Theater, Sporthallen). Bei diesem Verfahren wird die Antriebsenergiequelle einer Kältemaschine durch solare Wärme, statt elektrischer Energie aus dem Stromnetz, betrieben. Die CO2-Emission ist vergleichsweise zu anderen Kühlsystemen gering. Ein weiterer Vorteil bei der Kühlung mit solarer Wärme: Die Sonneneinstrahlung ist in den meisten Fällen am stärksten, wenn auch der höchste Klimatisierungsbedarf besteht.
Es kommen zwei verschiedene Techniken zum Einsatz. Beim geschlossenen Verfahren wird kaltes Wasser als Betriebsmedium zur Verfügung gestellt. Offene Sorptionsverfahren stellen kühle Luft mit entsprechender Feuchte bereit. Sorption ist die Anlagerung eines Kältemittels, zum Beispiel Wasser, an ein anderes Material. Ist dieses andere Material flüssig, spricht man von Absorption und bei festen Materialien von Adsorption. Die Verbindung kann unter Zufuhr von Wärme wieder gelöst werden. [FVEE 2008]
Wärmepumpen nutzen das gleiche Grundprinzip wie Kühlschränke. Kühlschränke entziehen dem Kühlgut über den Verdampfer Wärme und geben sie über den Verflüssiger an der Rückseite des Gerätes in den Raum ab. Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung (Erdreich, Wasser, Luft) Wärme, hebt diese dann auf das Temperaturniveau einer Hausheizung an und gibt sie an ein Wärmeverteilsystem (beispielsweise Fußbodenheizung) in Gebäuden wieder ab. Für den Temperaturhub benötigt die Wärmepumpe eine Antriebsenergie, meistens Strom. Der Antrieb mit Erdgas ist (noch) eher selten.
Wärmepumpen zur Raumheizung werden, je nach den Randbedingungen des Einsatzortes, als alleiniger Wärmeerzeuger oder in Kombination mit einem zweiten Wärmeerzeuger mit Gas, Strom oder Öl als Energieträger eingesetzt. Dieser geht in Betrieb, wenn die Wärmepumpe die Heizlast nicht mehr alleine decken kann. Eine alleinige Versorgung durch die Wärmepumpe nennt man monovalent. In gut gedämmten Häusern mit einer Niedertemperatur-Heizung sind heute monovalente Anlagen üblich. Diese erfordern einerseits geringere Investitionskosten und andererseits eine exakte Berechnung der Komponenten und Gesamtanlage. Die Integration eines Pufferspeichers in das Heizungssystem kann Schwankungen der Wärmenachfrage und die Abschaltzeiten der ermäßigten Wärmepumpen-Stromtarife ausgleichen. Ist bei tiefen Außentemperaturen noch ein zusätzliches Heizungssystem notwendig, spricht von einem „bivalenten Betrieb“.
Wärmepumpen können überall dort zum Einsatz kommen, wo Niedertemperatur-Heizsysteme als Wärmeabnehmer zur Verfügung stehen. Die Effizienz der Wärmepumpe steigt, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Heizsystem ist. Grundwasser und Erdreich (ca. 80 % Marktanteil) verfügen während des Winters, wenn der Heizwärmebedarf groß ist, über eine relativ hohe, stabile Durchschnittstemperatur. Dies begrenzt den notwendigen Temperaturhub und ist für die Leistung einer Wärmepumpe von Vorteil. Der Anschluss an eine Flächenheizung (zum Beispiel Fußbodenheizungen) ist für die Wärmepumpe günstig. Diese arbeiten mit niedrigen Vorlauftemperaturen, meist 35 °C. Auch dies reduziert die zu überwindende Temperaturdifferenz. [BINE basisEnergie 10]
Wärmepumpen nutzen verschiedene technische Prinzipien. Man unterscheidet nach dem Funktionsprinzip zwischen Kompressionswärmepumpen und Sorptionswärmepumpen.
Bei der Kompressionswärmepumpe wird durch Zufuhr von Niedertemperaturwärme (aus Umgebungsluft, Grundwasser, Oberflächenwasser) ein Medium mit niederem Siedepunkt (Kältemittel, HFKW wie R407C oder natürliche Stoffe wie R290/Propan) in einem Verdampfer verdampft und dann in einem Kompressor verdichtet (bis 20 bar). Das Gas erwärmt sich dabei und gibt seine Wärme anschließend an das Heizungswasser ab. Dabei kondensiert es. Das Arbeitsmedium wird durch ein Drosselorgan (Kapillarrohr, Expansionsventil) entspannt und wieder dem Verdampfer zugeführt. Den Antrieb des Kompressors übernehmen Elektro-, Erdgas- oder Dieselmotoren. Bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Kompressionswärmepumpen lassen sich auch die Abwärme der Motorkühlung und ggf. der Abgase als Heizenergie nutzen.
Bei Sorptionswärmepumpen kommen reversible physikalisch-chemische Prozesse zur Anwendung, bei denen zwei Stoffe durch Wärmezufuhr getrennt werden und bei der erneuten Zusammenführung Wärme wieder abgeben. Oft wird das Lösungsmittel Wasser und das Arbeitsmittel Ammoniak verwendet. Bei einer Absorptionswärmepumpe wird die Antriebsenergie für den Verdichter nicht mechanisch (mechanischer Kompressorantrieb), sondern thermisch zugeführt. Diese Energie kann daher durch die Verbrennung von Gas oder Öl oder durch die Nutzung von Abwärme bereitgestellt werden. [BMU 2009]
Eine Wärmepumpe ist effizient, wenn die so aus der Umwelt entnommene Wärme deutlich größer ist als die zum Antrieb der Wärmepumpe erforderliche Primärenergie.
Die Energieeffizienz einer elektrischen Wärmepumpe spiegelt sich in der Jahresarbeitszahl (JAZ) wider. Sie stellt das für ein Jahr ermittelte Verhältnis von abgegebener Nutzwärme (Heizarbeit) für die Raumheizung zu dem dazu erforderlichen Aufwand (Antriebsarbeit einschließlich Hilfsenergie) dar. Bei elektrischen Wärmepumpen ist dies der erforderliche elektrische Strom. Beispielsweise bedeutet eine JAZ von 3,0 für eine elektrische Wärmepumpe, dass für die Bereitstellung von 3 kWh Nutzwärme 1 kWh elektrischer Strom erforderlich ist.
Die Jahresarbeitszahl ist folgendermaßen zu berechnen:
Jahresarbeitszahl JAZ = Summe der Nutzwärme in kWh / Summe der zugeführten Antriebsenergie in kWh
Der Coefficient of Performance (COP) hingegen gibt nur Auskunft über bestimmte Betriebszustände, die insbesondere beim Betrieb von Luft/Wasser-Wärmepumpen stark schwanken (unterschiedliche Temperaturen der Wärmequelle Außenluft). Er stellt das Verhältnis der Leistungsaufnahme zur abgegebenen nutzbaren Leistung dar. Angegeben werden nur momentane Bestwerte bestimmter Betriebszustände. Dadurch wird eine höhere Effizienz suggeriert.
Der COP ist folgendermaßen zu berechnen:
COP = abgegebene Wärmeleistung in kW / zugeführte elektrische Leistung in kW [UBA 2008 Wärmepumpen]
Um eine Förderung nach dem Marktanreizprogramm zu erhalten, müssen elektrisch angetriebene Wärmepumpen eine Jahresarbeitszahl von mindestens 4,0 bei Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen im Neubau bzw. mindestens 3,7 im Gebäudebestand, bei Luft/Wasser-Wärmepumpen von mindestens 3,5 im Neubau bzw. 3,3 im Gebäudebestand vorweisen. Bei gasmotorisch angetriebenen Wärmepumpen ist der Nachweis einer Jahresarbeitszahl von mindestens 1,2 erforderlich (http://www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/waermepumpen/index.html).
Für Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern gibt es einen Blauen Engel auf Basis der Vergabegrundlage RAL-UZ 121 und für Wärmepumpen nach dem Absorptionsprinzip, dem Adsorptionsprinzip oder mit verbrennungsmotorisch angetriebenen Verdichtern existiert der Blaue Engel auf Basis der Vergabegrundlage RAL-UZ 118.
Für die ökologische Bewertung von Wärmepumpen ist auch der TEWI-Wert (Total equivalent warming impact) maßgeblich. Dieser Bilanzwert beschreibt die Klimawirkung einer Anlage über einen CO2-Äquivalentwert. Er berücksichtigt sowohl die direkten Anteile des verwendeten Kältemittels als auch die indirekten Anteile der von der Antriebsenergie ausgehenden Klimaschädigungspotentiale. Durch die Festlegung von TEWI-Grenzwerten ist es möglich, Emissionen von Kältemitteln mit einem hohen Treibhauspotential durch sehr geringe energiebedingte Emissionen (Anlagen mit hoher Effizienz) auszugleichen und umgekehrt. In die Bestimmung des TEWI-Wertes gehen die JAZ sowie der GWP und die Füllmenge des Kältemittels als anlagenspezifische Größen ein.
Der TEWI- Wert berechnet sich aus folgender Formel:
TEWI = GWP * (ER * n * m + αV * m) + n * β * Q/JAZ
Mit folgenden Rechengrößen:
GWP: Treibhauspotenzial [-]
ER: Emissionsrate [%/a]
n: Lebensdauer der Anlage [a]
m: Kältemittelfüllmenge [kg]
αv: Entsorgungsverlust [%]
β: Konversionsfaktor [kg CO2/kWh]
Qh: Wärmebedarf [kWh/a]
JAZ: Jahresarbeitszahl [-]
Für die Berechnung sind die folgenden Parameter zu verwenden:
Wärmepumpen lassen sich auch als Abwasserwärmepumpen einsetzen. Abwasserwärme ist eine weitestgehend ungenutzte Energiequelle mit einem großen Entwicklungspotenzial. Ungenutzt geht Energie beispielsweise durch den häuslichen Abfluss verloren. Durch den Einsatz von Wärmepumpen und Wärmetauschern kann die Wärme aus häuslichem Abwasser genutzt werden, um Gebäude oder Trinkwasser auf das gewünschte Temperaturniveau zu heizen. In Verbindung mit Wärmepumpen kann Abwasser zum Beispiel als Wärmequelle dienen, um Nahwärmesysteme oder Heizsysteme in Einzelgebäuden zu versorgen. Für die differenzierte Nutzung von behandeltem und unbehandeltem Abwasser sind auf dem Markt unterschiedliche Systeme erhältlich. Allerdings sind Abwasserleitungen mit großen und gleichmäßigen Durchsatz vonnöten.
Ein Endprodukt der Holzverbrennung ist Kohlendioxid (CO2). CO2 ist nicht giftig, trägt jedoch zum Treibhauseffekt bei. Die Verbrennung von Holz ist CO2-neutral, wenn nur so viel Holz verbrannt wird, wie nachwächst. Bei einem geschlossenen Kohlenstoffkreislauf wird durch die Verbrennung die Menge an Kohlendioxid (CO2) freigesetzt, die der Baum beim Wachstum aufgenommen hat. Die nachwachsenden Pflanzen binden das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid. Durch die Gewinnung, Aufbereitung und den Transport wird jedoch auch CO2 freigesetzt.
Ein weiteres Endprodukt ist Staub. Der Staub besteht zu über 90 % aus Feinstaub, also Partikeln mit einer Größe kleiner als 10 µm (PM10). Diese sehr feinen Partikel dringen beim Einatmen tief in die Lunge ein und belasten den Organismus. In Folge dessen kann es zu Bronchitis, asthmatischen Anfällen oder Belastungen des Herz-Kreislauf-Systems kommen. Feinstaub steht im Verdacht, Krebs zu erzeugen. Der Feinstaubausstoß von Holzheizkesseln ist um ein Vielfaches höher als der von Ölfeuerungsanlagen. Neue Grenzwerte für Holzheizkessel gibt es seit dem 22.03.2010. Überschreiten nach Ablauf der Übergangsfrist alte Holzheizungen die Grenzwerte, sind sie entweder mit einem Staubfilter nachzurüsten oder eine moderne Anlage ist erforderlich.
Holz enthält immer geringe Mengen Stickstoff-, Schwefel- und Chlorverbindungen. So entstehen bei der Oxidation schädliche Stickstoff- und Schwefeloxide sowie Salzsäure. Verläuft die Verbrennung von Holz unvollständig, kann giftiges Kohlenmonoxid und Methangas entstehen. Methangas trägt 21-mal stärker zur Erderwärmung bei als die gleiche Menge Kohlendioxid. Daneben entstehen bedeutende Mengen an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) (unter anderem das Krebs erzeugende Benz(a)pyren). Wird mit Holzschutzmitteln oder Lack behandeltes Holz verbrannt, können hochgiftige Dioxine und Furane entstehen. Besonders in Ballungsräumen und in Tälern können Holzheizungen wegen ihrer niedrigen Schornsteine die Luftqualität verschlechtern und Nachbarn belästigen. [UBA 2010 Holz]
Bei Plantagen zur Produktion großer Holzmengen ist zu bedenken, dass es sich dabei um Monokulturen handelt und die Fläche in Nutzungskonkurrenz zum Anbau von Nahrungsmitteln steht.
Die Strahlungsintensität in Deutschland ist in allen Regionen groß genug, um Solarthermie wirkungsvoll betreiben zu können. Eine Solaranlage verursacht im Vergleich zu konventionellen Warmwasserbereitungssystemen kaum CO2-Emissionen – nur die Solarpumpe braucht Strom, dessen Produktion CO2 verursacht. Große thermische Solaranlagen (für Mehrfamilienhäuser, Hotels, Pflegeheime, Krankenhäuser usw.) können einen Deckungsanteil von 70 % des jährlichen Energiebedarfes zur Warmwasserbereitung erreichen. Bei Einbindung in das Heizungssystem sind etwa 20 bis 30 % des gesamten jährlichen Wärmebedarfes durch solare Wärme zu decken. Entsprechend viele fossile Brennstoffe und CO2-Emissionen werden durch die Nutzung von Solarthermie eingespart. Erhebliche Einsparungen bei den Schadstoffemissionen sowie die Dokumentation der ökologischen Ausrichtung des Gebäudes sind weitere Vorteile des Einsatzes einer Solaranlage. [BINE basisEnergie 4]
Wirtschaftlich und ökologisch optimal ist der Einsatz von Solarthermieanlagen in Kombination mit energieeffizienter Heiztechnik, also mit einem modernen Brennwertkessel, einer Holzpelletheizung oder einer Wärmepumpenheizung. Die energetische Amortisationszeit einer thermischen Solaranlage – also die Zeitspanne, bis die Solaranlage soviel Energie erzeugt hat, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde – beträgt zwischen zwei und vier Jahren. Anders ausgedrückt: Im Laufe einer 20-jährigen Lebensdauer liefert eine Anlage rund 13-mal mehr Energie als zu ihrer Herstellung nötig war. Im Gegensatz dazu verbrauchen Heizsysteme auf Basis fossiler Rohstoffe für die Bereitstellung einer bestimmten Menge nutzbarer Energie (Wärme, Strom) immer eine größere Menge an Primärenergie (Kohle, Erdgas, Erdöl) und amortisieren sich daher energetisch nie.
Welche Umweltrelevanz elektrische Wärmepumpen haben, hängt zunächst davon ab, wie viel Strom eine Wärmepumpe benötigt. Die eigentliche Umweltbelastung verursachen dann Erzeugung und Bereitstellung dieses Stroms. Einen Umweltvorteil erreichen Wärmepumpen, wenn sie bei einer hohen Jahresarbeitszahl mehr Umweltwärme (zum Beispiel Wasser, Erdwärme, Luft/Abluft) nutzbar machen, als fossile Brennstoffe (Primärenergie) für ihren Betrieb notwendig sind.
Elektrische Wärmepumpen sind je nach Arbeitszahl hinsichtlich der Klimarelevanz (Emission von Treibhausgasen) sowie der Inanspruchnahme nichterneuerbarer Energieressourcen geringfügig günstiger als eine Erdgas-Brennwertheizung, die unter den fossil befeuerten herkömmlichen Heizungen (Heizöl, Kohlen) die günstigste Umweltbilanz hat. Verglichen mit Heizungssystemen, die erneuerbare Energieträger und Nahwärmesysteme verwenden, sind elektrische Wärmepumpen jedoch ungünstiger. Kommt „Ökostrom“ mit tatsächlichem Umweltnutzen zum Betrieb elektrischer Wärmepumpen zum Einsatz, verbessert sich die Umweltbilanz entscheidend.
Gut ausgelegte elektrische Wärmepumpensysteme können im Jahresverlauf mit einer zugeführten Menge Energie die dreifache Menge Umweltwärme erschließen und so eine Jahresarbeitszahl 4 erreichen. Um beispielsweise 100 kWh Heizwärme bereitzustellen, nutzt eine elektrische Wärmepumpe in diesem Fall 75 kWh erneuerbare Umweltwärme und 25 kWh Strom, für den ca. 66 kWh nicht-erneuerbare Primärenergie notwendig sind. Der verbleibende Anteil erneuerbarer Energie beträgt damit 34 kWh oder 34 %.
Gasmotorisch betriebene Wärmepumpen haben im Vergleich zu Elektro-Wärmepumpen ökologische Vorteile. Wie sich die Vorteile entwickeln werden, hängt von der Entwicklung des Strom- und Gas-Mixes in der Zukunft ab. [IFEU, WI 2008]
Lange waren (H)FCKW-haltige Kältemittel ein zentrales Problem in der Ökobilanz von Wärmepumpen. Diese sind inzwischen in Deutschland weitgehend verboten. Stattdessen sind überwiegend die HFKW-Kältemittelgemische R404A, R407C und R410A im Einsatz. Diese haben zwar ein Ozonzerstörungspotenzial (ODP) von 0, sind aber starke Treibhausgase. Als umweltfreundliche Alternative bietet sich das Kältemittel Propan (R290) an, welches kein ODP und ein vernachlässigbares Treibhauspotenzial besitzt.
Das EU-Umweltzeichen kennzeichnet Produkte, die im Vergleich zu herkömmlichen Produkten mit dem gleichen Gebrauchswert über allen Lebenszyklusphasen in der Summe geringere Umweltauswirkungen haben.
Das Umweltzeichen der Europäischen Union zeichnet besonders energieeffiziente, elektrische oder gasmotorische Heizungswärmepumpen bis zu 100 kW Wärmeleistung aus, die optional auch zur Warmwasserbereitung oder zum Kühlen dienen können. Zur Verleihung des EU-Umweltzeichens werden Wärmepumpen auf Umweltverträglichkeit, technische Leistung und Lebensdauer getestet. Folgende Kriterien sind relevant: Heiz- und Kühleffizienz, Kältemittel, Schallpegel, Nichtvorhandensein von gefährlichen Stoffen nach RoHS, Schulung, Dokumentation, Verfügbarkeit von Ersatzteilen sowie detaillierten Informationen.
Das EU-Umweltzeichen verleihen zuständige nationale Einrichtungen, in Deutschland die RAL gGmbH.
Der Blaue Engel ist das älteste offizielle Umweltzeichen in Deutschland. Zeicheninhaber ist das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Von dem Label geht ein Anreiz aus, umwelt- und gesundheitsverträglichere Produkte zu entwickeln.
Das Umweltzeichen RAL-UZ 73 kennzeichnet energieeffiziente Röhren- und Flachkollektoren. Folgende Kriterien werden bei der Vergabe geprüft: jährlicher Kollektorertrag, Inhaltsstoffe des Wärmeträgermediums und der Dämmung der Kollektoren.
Das Umweltzeichen RAL-UZ 111/112 bewertet energiesparende Holzpelletöfen/ Holzpelletkessel, die auch beim Betrieb am Einsatzort effizient und emissionsarm arbeiten. Weitere Kriterien sind rationelle Energienutzung, Bedarf an Hilfsstrom, Grenzwerte für NOx-, CO-Emissionen, organische Stoffe und Staub.
Das Umweltzeichen RAL-UZ 118 kennzeichnet Wärmepumpenanlagen, die deutlich weniger Primärenergie zur Erzeugung von Heizenergie einsetzen, als dies nach geltenden Normen oder üblichen Heiztechniken erforderlich ist. Weitere Kriterien bei der Vergabe des Blauen Engels sind: Art des verwendeten Kältemittels, Grenzwerte für NOx- und CO-Emissionen, Anforderungen an Normnutzungsgrad, Hilfsstrombedarf und Jahresarbeitszahl.
Das Umweltzeichen RAL-UZ 121 beurteilt energiesparende Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern. Kriterien bei der Vergabe des Blauen Engel sind: TEWI-Grenzwerte, Treibhauspotenzial des verwendeten Kältemittels, Leistungszahl.
Das Umweltzeichen RAL-UZ 124 gilt für energiesparende Warmwasserspeicher, die eine niedrige Wärmeverlustrate aufweisen, damit besonders effizient mit den Energieressourcen umgehen und sich daher für die Kombination mit Solaranlagen besonders eignen. Weitere Kriterien bei der Vergabe des Blauen Engels sind: Recyclinggerechte Konstruktion und Rücknahmekonditionen.
Die Kriterien erarbeitet das Umweltbundesamt in Kooperation mit Herstellern, Prüfinstituten, weiteren Fachleuten und Verbrauchervertretern. Eine unabhängige Jury prüft und beschließt die Vergabegrundlagen. Die Zertifizierung erfolgt durch die RAL gGmbH im Auftrag des Umweltbundesamtes.
Vor der Entscheidung für eine Wärmeerzeugungsanlage sollte der Bedarf ermittelt und die Alternativen geprüft werden. Entscheidend sind der Wärmestandard und die Anschlussversorgung (Gasversorgung, Fernwärmeanschluss) des Gebäudes sowie Größe des Grundstückes (zum Beispiel für Erdwärmenutzung).
Die tabellarisch zusammengestellten Ausschreibungsempfehlungen orientieren sich an den Vorgaben des Umweltzeichens Blauer Engel für Röhren- und Flachkollektoren (RAL-UZ 73), Holzpelletheizkessel (RAL-UZ 112) sowie elektrische Wärmepumpen (RAL-UZ 121) und Warmwasserspeicher (RAL-UZ 124). Die Ausschreibungsempfehlungen für energiesparende Wärmepumpen nach dem Absorptionsprinzip, dem Adsorptionsprinzip oder mit verbrennungsmotorisch angetriebenen Verdichtern gehen über die Anforderungen des Umweltzeichens Blauer Engel (RAL-UZ 118) hinaus.
Der Bieter erklärt die Einhaltung der Anforderungen und legt zum Nachweis Prüfprotokolle und Zertifikate vor. Näheres zu den Prüfmethoden ist den Vergabegrundlagen zu entnehmen. Wenn für das angebotene Produkt ein Zeichennutzungsvertrag für das Umweltzeichen Blauer Engel besteht, wird damit die Einhaltung aller Anforderungen durch das RAL dokumentiert. Eine Auflistung aller mit dem Blauen Engel gekennzeichneter Produkte und deren Hersteller findet sich unter www.blauer-engel.de.
Die 250 Schüler der städtischen Gemeinschaftsgrundschule Siepen haben in einem über 100 Jahre alten Gebäude Unterricht. Im Rahmen der Sanierung prüfte das Gebäudemanagement der Stadt Remscheid verschiedene Heizungskonzepte und entschied sich nach einer Vollkostenanalyse für eine Holzpelletanlage. Die 70 KW Pelletanlage ist mit einem Gaskessel gekoppelt, der bei besonders hohem Wärmebedarf die Spitzenlast abdeckt. Der Pelletkessel stellt 70 % der Heizleistung und der Gaskessel 30 %. Die Lagerfläche für knapp 22 Tonnen Pellets befindet sich unter zwei neu gebauten Räumen in Hanglage. Im Jahr 2008 wurden zur Beheizung der 2.900 m2 der Schule 32,5 Tonnen Pellets und 8.437 m3 Gas verbraucht. Die Kesselerneuerung hat 57,7 Tonnen CO2 jährlich eingespart. [NRW 2009 Siepen]
Der Beamten-Wohnungs-Verein zu Berlin eG (BWV) hat sich bei der Sanierung von Gebäuden für die Kombination von Erdgas-Brennwert-Technik mit Solarthermie entschieden.
Beispielhaft wird hier die Solaranlage des Wohnhauses Didostraße in Berlin-Mariendorf mit dem Baujahr 1956 vorgestellt. Die 125 Wohnungen verfügen nach der Sanierung im Jahr 2005 über eine effiziente Kombination aus Gas-Brennwert-Technik und einer Solaranlage, die die veraltete Ölzentralheizung mit Einzelgasgeräten zur Warmwasserversorgung ablöst. Es sind 118 m2 Kollektorfläche zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung installiert worden. Das Solarsystem ist in die Zirkulation und Legionellenschaltung eingebunden. Die Mieter sparen nach den ersten Abrechnungen deutlich Heizkosten. Das bestätigt den BWV in seinem solaren Einsatz für Mieter und Klimaschutz. Der Solarertrag beträgt 53.000 kWh/a. Das bedeutet eine Endenergieeinsparung von ca. 6 % und eine CO2-Minderung von 12,4 t/a. [BEA 2008]
Kontakt:
Beamten-Wohnungs-Verein zu Berlin
www.bwv-berlin.de
Ansprechpartner: Martin Engling,
Technischer Vorstand
Die Sporthalle in der Baerwaldstraße in Friedrichshain-Kreuzberg ist das erste öffentliche Gebäude in Deutschland, das Abwasser als Wärmequelle nutzt. Die Heizung und die Warmwasseraufbereitung erfolgt mit einer Elektro-Wärmepumpe (Grundlast) und einem Gaskessel (Spitzenlast). Es wurden 33 Meter Wärmetauscher aus Edelstahl in die Kanalsohle verlegt. Das warme Schmutzwasser strömt durch die V-förmigen Rinnen und gibt einen Teil seiner Wärme an kühles Wasser ab, das die doppelwandigen Rinnen durchströmt. Dabei kühlt sich das Abwasser um rund ein Grad Celsius ab, das Wasser in den Rinnen erwärmt sich entsprechend. Eine Pumpe transportiert das Wasser aus den Wärmetauschern in die Heizzentrale der Sporthalle. Mit Temperaturen zwischen 8 und 16 Grad Celsius ist es bei weitem nicht warm genug, um damit die Halle zu heizen oder die Duschen zu versorgen. Abwasserheizungen brauchen stets eine Wärmepumpe. Diese Maschinen enthalten einen geschlossenen Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Das Kältemittel entzieht dem Wasser Wärme und wird in einem Kompressor verdichtet. Auf diese Weise erhitzt das Kältemittel sich auf bis zu 65 Grad Celsius und erwärmt das Wasser in einem Warmwasserspeicher, der die Heizkörper und die Duschen der Sporthalle versorgt. An den meisten Tagen kommen die Sportler mit der Abwasserwärme aus. Wenn an besonders kalten Wintertagen mehr Wärme als normal gebraucht wird, schaltet sich automatisch eine Gasheizung dazu. [BEA 2009]
Kontakt:
Volker Gustedt
Berliner Energieagentur GmbH
Tel.: 0 30 / 29 33 30 - 19
Fax. 0 30 / 29 33 30 - 97
E-Mail:
www.berliner-e-agentur.de
Quelle: Berliner Energieagentur und Umweltbundesamt, 21.06.2010