Erneuerbare Energien

Begriff

Als erneuerbare Energien werden Energiequellen bezeichnet, die nach menschlichem Ermessen unendlich lange zur Verfügung stehen und in absehbarer Zukunft nicht zur Neige gehen werden. Erneuerbare Energien werden auch als regenerative Energien bezeichnet und stammen aus nachhaltigen Quellen wie der Sonne oder der Erde (Geothermie).

EnEV-Bezug

Ab dem 01.01.2009 muss bei allen Neubauten ein bestimmter Prozentsatz der Wärme (Raumwärme und Warmwasser) aus erneuerbaren Energien gedeckt werden. Diese Forderung regelt das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), das zusammen mit der Energieeinsparverordnung (EnEV) einen wichtigen Baustein zur Umsetzung des integrierten Energie- und Klimaprogramms der Bundesregierung bildet (-> Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) ).

Welche erneuerbaren Energien gibt es?

Erneuerbare Energien lassen sich in die folgenden Arten einteilen:

• Solarenergie (Fotovoltaik, Solarthermie)
• Biomasse (z.B. Holz, Pflanzenöl, Biogas)
• Geothermie (Erdwärme)
• Wasserkraft (z.B. Wasserkraftwerke)
• Windenergie (z.B. Windenergieanlagen)
• Meeresenergie (z.B. Gezeitenkraftwerke)
• Erdrotation

Erneuerbare Energien; hier: Solarthermieanlage zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärme (Quelle: Viessmann-Werke)

Die wichtigste Energiequelle für erneuerbare Energien ist die Sonne. Die Sonnen- oder Solarenergie kann entweder direkt genutzt werden und lässt sich in Wärme (Solarthermie) oder Strom (Fotovoltaik) umwandeln oder ist indirekte Ursache für andere erneuerbare Energiequellen wie Biomasse, Wasserkraft und Windenergie.

Auch die Geothermie, bei der die Erdwärme genutzt wird, sowie die Nutzung der Meeresenergie durch Gezeitenkraftwerke zählen zu den erneuerbaren Energiequellen, da sie für unsere Zeitvorstellungen unendlich lange zur Verfügung stehen.

Biomasse, Wasserkraft und Windenergie

In Biomasse wie Holz oder Pflanzenöl ist Sonnenenergie in Form von Kohlenstoffverbindungen gespeichert. Beim Wachstum haben die Pflanzen der Atmosphäre Kohlendioxid entzogen und mithilfe von Sonnenlicht, Wasser und Nährstoffen organische Substanz aufgebaut (Photosynthese). Durch Verbrennen kann die in der Biomasse enthaltene Energie genutzt werden. Das bei der Verbrennung frei werdende Kohlendioxid führt anders als bei den fossilen Brennstoffen nicht zu einem Anstieg des CO2-Gehalts in der Erdatmosphäre. Die Pflanzen, z.B. Bäume, haben bei ihrem Wachstum die gleiche Menge CO2 aus der Atmosphäre entnommen, die bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird. Das CO2 würde übrigens auch entstehen, wenn die Pflanzen nur verrotten, d.h. als Brennstoff nicht genutzt würden. Der CO2-Kreislauf ist in sich geschlossen, d.h., es entsteht nur so viel CO2, wie vorher auch aufgenommen wurde. Biomasse, insbesondere Holzpellets eignen sich sehr gut als Brennstoff für die Beheizung von Gebäuden. Der Primärenergiebedarf von Häusern, die mit Holzpellets beheizt werden, ist im Gegensatz zu Gebäuden mit einer konventionellen Heizungsanlage (Gas oder Öl) deutlich geringer. Der Grund hierfür liegt in der günstigen CO2-Bilanz des Energieträgers Holz. Ausführliche Erläuterungen zum Heizen mit Holz befinden sich weiter hinten in diesem Kapitel.

CO2-Kreislauf beim Holz (Prinzipskizze)

Die Wasserkraft beruht ebenfalls auf der Energie der Sonne, die den Wasserkreislauf auf der Erde antreibt. Die Sonneneinstrahlung führt zur Verdunstung des Oberflächenwassers, die Luft reichert sich mit Feuchtigkeit (Wasserdampf) an, bis sie gesättigt ist. Es kommt zu Niederschlägen, die als Regen oder Schnee wieder auf die Erdoberfläche gelangen. Das Oberflächenwasser versickert zum Teil und speist die Grundwasservorräte. Ein weiterer Teil sammelt sich in Bächen und Flüssen und fließt zum Meer. Auf dem Weg dorthin kann die im Wasser enthaltene Bewegungsenergie durch Wasserkraftwerke genutzt werden. Die Nutzung der Wasserkraft hat für Gebäude, d.h. für die Beheizung und Bereitstellung von Warmwasser keine Bedeutung. Aus diesem Grund wird hier nicht näher darauf eingegangen.

Auch die Nutzung der Windkraft ist nur möglich, da die Sonne Ursache für die Entstehung von Wind ist, indem sie die Luftmassen in der Atmosphäre unterschiedlich erwärmt. Die dadurch entstehenden Luftdruckunterschiede führen in Verbindung mit der Erdrotation zur Ausbildung von globalen Windzonen (Passatwinde, Westwindzone) und regionalen Windereignissen (Stürme, Winde im Bereich von Tiefdruckgebieten). Die im Wind enthaltene Energie kann durch Windenergieanlagen genutzt werden, indem sie beispielsweise in Strom umgewandelt wird. Ohne die Sonne würde es auf der Erde keinen Wind geben. Die Windenergie spielt eine zunehmende Rolle bei der Stromerzeugung. Im Zusammenhang mit dem EEWärmeG und der EnEV hat sie aber keine Bedeutung. Aus diesem Grund wird hier nicht näher auf die Windenergie eingegangen.

Windenergieanlage (Quelle: mit freundlicher Genehmigung von Vestas Wind Systems A/S)

Geothermie

Die geothermische Energie hat ihren Ursprung zum Teil in der Restwärme, die noch aus der Zeit der Erdentstehung im Erdinneren vorhanden ist, sowie aus radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste kontinuierlich Wärme erzeugen. Nur in oberflächennahen Schichten spielt auch die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche eine gewisse Rolle. Die Erdwärme kann für die Beheizung von Gebäuden genutzt werden, wobei in der Regel eine Wärmepumpe zur Unterstützung erforderlich ist. Ausführliche Erläuterungen zur Nutzung der Geothermie als erneuerbare Energiequelle befinden sich weiter hinten in diesem Kapitel.

Prinzip der Nutzung von Erdwärme (Quelle: Energieagentur NRW)

Meeresenergie und Erdrotation

Die Meeresenergie sowie die Erdrotation bilden neben der Sonne und der Geothermie die dritte Säule der erneuerbaren Energien. Sie sollen an dieser Stelle nur der Vollständigkeit halber genannt werden.

Bei der Meeresenergie können beispielsweise die Gezeiten, d.h. die täglich wechselnden Wasserstände an der Küste (Tidenhub), durch sog. Gezeitenkraftwerke genutzt werden. Diese nutzen die entstehende Gezeitenströmung, indem die darin enthaltene Bewegungsenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird. Ursachen für die Gezeiten auf der Erde sind die Massenanziehungskraft des Mondes und die Erdrotation. Gezeitenkraftwerke sind ökologisch umstritten, da sie nachhaltig in die Fauna und Flora der Küstengebiete eingreifen.

Vorteile erneuerbarer Energien

Die Vorteile erneuerbarer Energien im Vergleich zu fossilen Brennstoffen oder Kernbrennstoffen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Erneuerbare Energien schonen die natürlichen Ressourcen, insbesondere die Rohstoff- und Brennstoffvorkommen der Erde. Energie aus erneuerbaren Energieträgern braucht nicht durch Öl oder Gas „erzeugt“ zu werden.
• Erneuerbare Energien stehen quasi unendlich lange zur Verfügung.
• Erneuerbare Energien dienen dem Klimaschutz, weil sie als CO2-neutral gelten.
• Erneuerbare Energien machen Deutschland unabhängig von teuren Öl- und Gasimporten.
• Erneuerbare Energien führen aus der Abhängigkeit von den öl- und gasfördernden Ländern, die zudem meist auch als politisch instabil gelten und zu den Krisenregionen auf der Erde zählen.
• Erneuerbare Energien fördern die Entstehung von neuen Arbeitsplätzen in Deutschland und gelten als Zukunftstechnologie.

Nachteile erneuerbarer Energien

Selbstverständlich gibt es auch einige Nachteile, die erneuerbare Energien besitzen:

• Erneuerbare Energien weisen im Vergleich zu fossilen Energieträgern eine geringere Energiedichte auf. Das bedeutet, dass man eine deutlich größere Anzahl an Anlagen und damit auch größere Flächen benötigt, um die gleiche Energie bereitzustellen.
• Erneuerbare Energien sind nicht überall und nicht gleichmäßig verfügbar. Beispielsweise ist die Stromerzeugung durch Windkraft von der jeweiligen Wetterlage abhängig. Bei Windstille oder zu wenig Wind kann kein Strom erzeugt werden. Die Grundlastversorgung muss daher von anderen Kraftwerken (Kernkraft, Kohle) sichergestellt werden.
• Die Nutzung der Solarenergie ist abhängig von tages- und jahreszeitlichen Schwankungen. Beispielsweise kann Solarstrom nur tagsüber erzeugt werden; gerade dann wird er aber nur zu einem geringen Teil benötigt.
• Die Investitionskosten für Anlagen, die erneuerbare Energien nutzen, sind zurzeit zum Teil noch deutlich höher als bei konventionellen Anlagen. Beispielsweise kostet eine Gasbrennwertheizung ca. 3.000 bis 4.000 €, während für eine Erdwärmepumpe mindestens das Doppelte zu zahlen ist. Hierbei sind noch nicht einmal die Kosten für die erforderliche Bohrung bei der Nutzung von Erdwärme enthalten.

Fossile Brennstoffe

Im Vergleich zu den erneuerbaren Energien verringern sich bei konventionellen Energieträgern wie fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas und Kohle) sowie Kernbrennstoffen die weltweiten Vorkommen kontinuierlich. Konventionelle Energiequellen sind daher im Gegensatz zu den erneuerbaren Energien endlich.

Als fossile Brennstoffe werden Erdöl, Erdgas, Steinkohle, Braunkohle und Torf bezeichnet. Sie sind in geologischer Vorzeit vor mehreren hundert Millionen Jahren aus abgestorbenem organischem Material wie Pflanzenresten, toten Tieren und Kleinstlebewesen entstanden, die in einer Sedimentschicht zunächst luftdicht eingeschlossen und später von anderen Gesteinsschichten überlagert wurden. Durch sehr hohen Druck und hohe Temperaturen sowie unter Luftabschluss konnten sich Öl, Gas, Kohle oder Torf bilden. Wesentliche Bestandteile fossiler Brennstoffe sind Kohlenstoffe und Gemische von Kohlenwasserstoffen, die bei der Verbrennung als Kohlendioxid freigesetzt werden. Im Prinzip enthalten die fossilen Brennstoffe gespeicherte Sonnenenergie aus erdgeschichtlicher Vorzeit und sind Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs. Fossile Brennstoffe gelten aber dennoch als nicht erneuerbar, da sie in den für Menschen relevanten Zeiträumen nicht mehr neu entstehen können. Prognosen gehen davon aus, dass die fossilen Brennstoffe maximal noch ca. 200 Jahre reichen werden (Erdöl ca. 50 Jahre, Erdgas ca. 70 Jahre und Kohle ca. 200 Jahre).

Erneuerbare Energien in Deutschland

In Deutschland haben die erneuerbaren Energien im Jahr 2007 mit einem Anteil von ungefähr 6,7 % am gesamten Primärenergieverbrauch beigetragen. Bei der Stromerzeugung betrug der Anteil erneuerbarer Energien ca. 14,2 %, bei der Wärmeerzeugung ca. 6,6 %, bei Kraftstoffen 7,6 %. Durch die Nutzung erneuerbarer Energien wurden allein 2007 ca. 115 Millionen Tonnen CO2 eingespart (Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit).

In Zukunft soll die Nutzung erneuerbarer Energien weiter vorangetrieben und ausgebaut werden. Dazu hat die Bundesregierung ein umfassendes Maßnahmenpaket – das integrierte Energie- und Klimaprogramm (IEKP) – verabschiedet, zu dem auch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) sowie die Energieeinsparverordnung (EnEV) zählen.

Im Strombereich soll der Anteil erneuerbarer Energien bis zum Jahr 2020 auf mindestens 30 % erhöht werden. Im Wärmebereich ist vorgesehen, den Anteil erneuerbarer Energien von derzeit ca. 6,6 % auf 14 % bis 2020 zu steigern. Weitere Maßnahmen bestehen in der Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung, in der leichteren Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz sowie in der Neuregelung der Beimischung von Biokraftstoffen (siehe folgende Grafik).

Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland (Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit)

Welche Möglichkeiten bietet das neue EEWärmeG?

Die Nutzung erneuerbarer Energien ist besonders für die Wärmeversorgung von Gebäuden gut geeignet, da hier Wärme auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau (deutlich unter 100 °C) benötigt wird. Aus diesem Grund wurde von der Bundesregierung beschlossen, dass in Zukunft bei allen Neubauten ein bestimmter Anteil der zur Erzeugung von Wärme erforderlichen Energie aus erneuerbaren Energien stammen wird. Dazu wurde im Juni 2008 das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) verabschiedet, das am 1.01.2009 in Kraft tritt. Nach dem EEWärmeG können als erneuerbare Energien die Solarenergie (Solarthermie), Biomasse, Geothermie und Umweltwärme genutzt werden.

Nachfolgend sollen ausgewählte Möglichkeiten der Nutzung erneuerbarer Energien im Sinne des EEWärmeG beschrieben und erläutert werden.

Solarenergie

Bei der Solarenergie wird die Sonnenstrahlung entweder in Wärme (Solarthermie) oder in Strom (Fotovoltaik) umgewandelt und so nutzbar gemacht.

Die Sonne sendet ständig Energie aus, wobei auf die äußere Schicht der Erdatmosphäre eine Strahlungsleistung von 1367 W/m² gelangt. Dieser Wert wird als Solarkonstante E0 bezeichnet und gilt für einen mittleren Abstand zwischen Sonne und Erde. Die Solarkonstante unterliegt geringen Schwankungen, die einerseits von der Jahreszeit abhängen und andererseits von der Sonnenfleckenaktivität beeinflusst werden. Beim Durchdringen der Erdatmosphäre wird ein Teil der Strahlung reflektiert, d.h. in den Weltraum zurückgeworfen, ein weiterer Teil wird absorbiert, d.h. von Staubpartikeln, Wasserdampf- und Gasmolekülen aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Diejenige Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht, wird dabei als Globalstrahlung bezeichnet. Die Globalstrahlung setzt sich zusammen aus der direkten Strahlung, die bei klarem Himmel die Erdoberfläche erreicht, und der diffusen Strahlung, die über Reflexion an Wolken, Wasser- und Staubteilchen auf die Erdoberfläche gelangt.

In Deutschland erreicht die Globalstrahlung im Sommer bei klarem Himmel mittags ca. 700 W/m², im Winter werden mittags aufgrund der tief stehenden Sonne maximal nur 250 W/m² erreicht. Der durchschnittliche Wert der Globalstrahlung in Deutschland, der sich als Mittelwert für Tag und Nacht, für die mittlere geografische Breite und die mittlere Verteilung von Sonnenschein und Bewölkung ergibt, beträgt ungefähr 110 W/m².

Für die Dauer eines Jahres ergibt sich damit als durchschnittliche Globalstrahlung in Deutschland je nach Standort ein Wert zwischen 900 und 1.300 kWh/(m²a), im Mittel werden ca. 1.000 kWh/(m²a) erreicht (siehe folgende Karte). Dies entspricht dem Energieinhalt von etwa 100 l Heizöl oder 100 m³ Erdgas.

Globalstrahlung in Deutschland

Nachfolgend sollen beide Möglichkeiten, die Energie der Sonne zu nutzen, d.h. Solarthermie und Fotovoltaik, näher beschrieben werden.

Solarthermie – Forderung des EEWärmeG

Nach dem neuen EEWärmeG müssen mindestens 15 % des Wärmeenergiebedarfs aus solarer Strahlungsenergie (Solarthermie) gedeckt werden, wenn diese Form der erneuerbaren Energien eingesetzt werden soll. Die Forderung ist erfüllt, wenn die Solarkollektorfläche bei Wohngebäuden mit bis zu zwei Wohnungen 4 % der Nutzfläche des Gebäudes beträgt. Bei Wohngebäuden mit mehr als zwei Wohnungen reichen 3 % der Nutzfläche als Kollektorfläche aus (? Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG)).

Funktionsweise der Solarthermie

Bei der Solarthermie wird die Sonnenstrahlung genutzt, indem sie in einem thermischen Sonnenkollektor in Wärme umgewandelt wird (? Solaranlage).

Dies funktioniert nach folgendem Prinzip: Sonnenlicht, das auf Oberflächen trifft, wird in Wärme umgewandelt. Je dunkler die Oberfläche ist, desto wirksamer ist dieser Effekt, d.h. desto mehr Energie wird in Wärme umgewandelt.

Wichtigster Bestandteil einer thermischen Solaranlage ist der Solarkollektor, der die Sonnenenergie einfängt und in Wärme umwandelt. Im Solarkollektor trifft die Sonnenstrahlung auf eine dunkle Oberfläche, die als Absorber bezeichnet wird und den größten Teil der auftreffenden Strahlung in Wärme umwandelt. Der Absorber selbst ist mit einer Scheibe aus Spezialglas abgedeckt und wird somit vor Witterungseinflüssen und Beschädigungen geschützt. Weiterhin sorgt die Glasabdeckung dafür, dass Wärme, die von der Absorberoberfläche abgegeben wird, größtenteils im Kollektorgehäuse verbleibt und somit genutzt werden kann. Zur Vermeidung unnötiger Wärmeverluste ist der Kollektor zusätzlich mit einer Wärmedämmung versehen. Auf der Unterseite des Absorbers befinden sich Leitungen aus Kupfer oder Aluminium, in denen Wasser oder eine frostsichere Flüssigkeit zirkuliert, die als Wärmetransportmedium (Solarmedium) dient.

Im Absorber wird die zunächst kalte Flüssigkeit erwärmt und von dort zu einem Speicher gepumpt. Hier wird die Wärme über einen Wärmetauscher an den Wasserinhalt des Speichers abgegeben, der sich dann allmählich erwärmt. Die im Speicher abgekühlte Flüssigkeit des Primärkreislaufs wird dann wieder zum Kollektor gefördert, wo sie erneut Wärme vom Absorber aufnehmen kann. In einem zweiten Kreislauf, dem Sekundärkreislauf, wird Warmwasser oder Wasser für Heizzwecke erzeugt. Dazu wird das zunächst kühle Wasser im Speicher erwärmt und von dort zu den Zapfstellen oder zur Heizungsanlage gefördert.

Prinzip einer thermischen Solaranlage zur Unterstützung der Warmwasserbereitung

Solarthermie – Effizienz und Deckungsgrad

Je nach Art des Kollektors und nach Anlagendimensionierung können bis zu 75 % der Globalstrahlung genutzt werden. Mit einer thermischen Solaranlage lassen sich in Deutschland ungefähr 50 bis 60 % des jährlichen Bedarfs an Warmwasser erzeugen, wobei der Deckungsgrad in den Sommermonaten bei über 80 bis 90 % liegt. Das bedeutet, dass im Sommer die eigentliche Heizung für die Warmwasserbereitung nicht benötigt wird und abgestellt werden kann. Selbst für die Unterstützung der Gebäudeheizung eignet sich eine thermische Solaranlage. Gerade in der Übergangszeit, d.h. im Frühjahr und Herbst, ist die Sonneneinstrahlung noch groß genug und kann für Heizzwecke genutzt werden. Untersuchungen haben ergeben, dass sich in einem energetisch guten Wohngebäude mit einer thermischen Solaranlage bis zu 35 % des Endenergiebedarfs für Warmwasserbereitung und Heizung allein durch Solarenergie erzeugen lassen.

Solarthermie – Einfluss von Ausrichtung und Neigungswinkel

Die größten Wärmeerträge werden erzielt, wenn der Kollektor nach Süden ausgerichtet ist und mit der Horizontalen einen Winkel von 30 bis 45 Grad bildet. Bei Abweichungen von der Südorientierung ergeben sich selbst bei einer Ausrichtung nach Südosten oder Südwesten nur geringe Einbußen, hier werden immerhin noch 90 bis 95 % des optimalen Ertrags erzielt (siehe folgendes Diagramm).

Einfluss von Ausrichtung und Neigungswinkel auf den Wärmeertrag von thermischen Solarkollektoren (Quelle: Viessmann)

Grundsätzlich gilt, dass eine flachere Neigung günstiger ist, wenn die Kollektorfläche nicht direkt nach Süden ausgerichtet ist. Bei einer Ausrichtung des Kollektors nach Südosten oder Südwesten werden noch 90 bis 95 % des maximal möglichen Wärmeertrags erzielt, wenn der Neigungswinkel zwischen 30 und 40 Grad liegt. Bei reiner Ost- oder Westorientierung des Kollektors können noch bis zu 85 % der maximalen Leistung erreicht werden, wenn die Neigung zwischen 25 und 30 Grad liegt. Ein kleinerer Neigungswinkel als 20 Grad sollte vermieden werden, da in diesem Fall die Selbstreinigungskraft nachlässt und dadurch bedingte Verschmutzungen zu einer deutlichen Leistungsminderung führen können.

Eine steilere Neigung sollte gewählt werden, wenn die Kollektoren auch zur Heizungsunterstützung dienen sollen. Im Winter und in den Übergangszeiten steht die Sonne tiefer über dem Horizont. Bei steilerer Neigung der Kollektoren ergibt sich in diesen Zeiten, in denen die solare Unterstützung der Heizung erwünscht ist, durch den günstigen Einfallswinkel zwischen Sonnenstrahlung und Kollektoroberfläche ein optimaler Wärmeertrag. Im Sommer dagegen führt der steilere Neigungswinkel zu einer geringeren Wärmeausbeute. Dies ist erwünscht, da im Sommer die Heizung in der Regel nicht benötigt wird.

Ergeben sich aufgrund ungünstiger Ausrichtung sowie zu flacher oder zu steiler Neigung der Kollektoren größere Abweichungen von der optimalen Leistung, kann dies leicht durch eine größere Kollektorfläche ausgeglichen werden.

Der theoretisch größte Wärmeertrag ergibt sich, wenn der Winkel zwischen auftreffender Strahlung und Kollektoroberfläche 90 Grad beträgt. In der Praxis ergeben sich bei Ausrichtungen des Kollektors zwischen Südosten und Südwesten und bei Neigungen zwischen 30 bis 40 Grad bis zu 95 % Wärmeertrag im Vergleich zur optimalen Leistung.

Solarthermie – Kollektortypen

Zurzeit werden auf dem Markt im Wesentlichen zwei Kollektortypen angeboten. Es handelt sich dabei um

• Flachkollektoren und
• Vakuumröhrenkollektoren.

Auf dem deutschen Markt dominieren derzeit eindeutig Flachkollektoren, wobei sich ein Verhältnis von ungefähr 9 : 1 ergibt.

Hauptmerkmal der Flachkollektoren ist eine ebene Absorberfläche, die die Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt und diese an eine Wärmeträgerflüssigkeit weiterleitet. Die Absorberfläche ist mit einer Glasscheibe abgedeckt, die verhindern soll, dass Wärme aus dem Kollektor wieder entweicht. Weiterhin sind die Flachkollektoren gegen Wärmeabgabe gedämmt. Flachkollektoren sind im Vergleich zu den Vakuumröhrenkollektoren im Preis günstiger.

Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren (Quelle: Viessmann-Werke)

Vakuumröhrenkollektoren unterscheiden sich von den Flachkollektoren durch den Aufbau und die Art der Wärmedämmung. Die Absorber sind röhrenförmig ausgebildet und befinden sich in einer Vakuumglasröhre, wodurch Wärmeverluste vermieden werden. Mehrere solcher Vakuumglasröhren bilden den Vakuumröhrenkollektor. Hinter jeder einzelnen Glasröhre ist zusätzlich ein gebogenes Blech aus Edelstahl angeordnet, das die Sonnenstrahlung reflektiert und in die Mitte der Vakuumröhre zum Absorber leitet. Einige Vakuumröhrenkollektoren arbeiten auch nach dem Heat-Pipe-Prinzip. Beim Heat-Pipe-Prinzip durchströmt das Solarmedium die Röhren nicht direkt. Stattdessen zirkuliert ein Trägermedium in dem Kupferrohr unter dem Absorber, verdampft bei Sonneneinstrahlung und gibt die Wärme über einen Wärmetauscher an das Solarmedium ab. Die Vorteile der Vakuumröhrenkollektoren gegenüber Flachkollektoren sind:

• größere Wärmeausbeute
• höhere Betriebssicherheit in Phasen längerer Sonneneinstrahlung und geringe Wärmeabnahme
• geringerer Einfluss von Neigung und Ausrichtung auf den Wärmeertrag

Solarthermie – Kollektorwirkungsgrad

Der Kollektorwirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Globalstrahlung, die auf die Absorberfläche des Kollektors trifft, in nutzbare Wärme umgewandelt werden kann. Der Kollektorwirkungsgrad hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab. Eine Rolle spielen der optische Wirkungsgrad, der Wärmeverluste beschreibt, die durch Reflexion der auf die Scheibe treffenden Sonnenstrahlung verursacht wird sowie beim Übergang der Wärme ins Solarmedium entstehen. Weiterhin ist der Kollektorwirkungsgrad abhängig von der Qualität der Wärmedämmung des Kollektors. Einen wesentlichen Einfluss spielt auch die Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad des Kollektors. Der Wirkungsgrad liegt je nach Kollektortyp und Temperaturdifferenz zwischen 35 und 80 %, im Mittel bei ca. 50 %.

Solarthermie – Kollektorflächen

In den technischen Angaben von Solarkollektoren werden drei unterschiedliche Flächen angegeben (siehe folgende Abbildung):

• Kollektorfläche
• Absorberfläche
• Aperturfläche

Als Kollektorfläche wird die Bruttofläche, die sich aus den Außenabmessungen des Kollektors ergibt, bezeichnet. Diese Fläche ist bei den meisten Förderprogrammen Grundlage für die Berechnung und für die Beantragung von Fördermitteln.

Die Absorberfläche ist die tatsächliche Fläche des Absorbers, die für die Umwandlung der Solarstrahlung in Wärme zur Verfügung steht und strahlungswirksam sein kann.

Die Aperturfläche, die auch als sonnenwirksame Fläche bezeichnet wird, entspricht der projizierten Fläche, durch die die Sonneneinstrahlung in den Kollektor gelangen kann. Sie ergibt sich aus den lichten Maßen der Lichteintrittsöffnung. Die Aperturfläche wird beim Nachweis der erforderlichen Kollektorfläche nach den Vorgaben des EEWärmeG benötigt, wenn solare Strahlungsenergie als erneuerbare Energiequelle eingesetzt werden soll.

Flächenangaben bei Solarkollektoren

Solarkollektoren werden in verschiedenen Größen angeboten. Die Hersteller bieten üblicherweise nur ein oder zwei Größen je Kollektortyp an. Größere Solaranlagen können dann aus einzelnen Kollektoren modulartig zusammengestellt werden, vorhandene Anlagen lassen sich in der Regel erweitern. Übliche Größen für einen Solarkollektor liegen zwischen 2 und 5 m².

Dimensionierung einer thermischen Solaranlage zur Warmwasserbereitung

Die Dimensionierung einer thermischen Solaranlage für die Warmwasserbereitung ist im Wesentlichen abhängig von dem zu erwartenden Warmwasserbedarf. Eine Übersicht über den Bedarf an Warmwasser bei Wohnungen ist in der folgenden Tabelle enthalten.

Warmwasserbedarf nach VDI 2067

Für die Dimensionierung der Kollektorfläche von Solaranlagen zur Warmwasserbereitung gilt folgende Faustformel: Bei Flachkollektoren kann man pro Person mit 1,5 bis 2 m², bei Vakuumröhrenkollektoren mit 1 bis 1,2 m² Kollektorfläche rechnen. Der Warmwasserspeicher sollte ein Volumen zwischen 300 l (bis vier Personen) und 500 l aufweisen. Für ein Einfamilienhaus mit vier Personen wären demnach zwischen 6 und 8 m² Fläche bei Ausführung von Flachkollektoren bzw. 4 und 4,8 m² Kollektorfläche bei Vakuumröhrenkollektoren erforderlich.

Neben dem Bedarf an Warmwasser hängt die Auslegung der Solaranlage auch von der Deckungsrate ab. Die Anlage sollte so geplant werden, dass eine Deckungsrate von 50 bis 60 % erreicht wird. Für eine Deckungsrate von 60 % muss das Volumen des Speichers etwa 1,5- bis zweimal so groß sein wie der tägliche Bedarf an Warmwasser.

Solare Deckungsrate: Die solare Deckungsrate bei einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung gibt an, welcher Anteil des Warmwassers im Jahresmittel solar erzeugt wird. Eine Deckungsrate von 60 % bedeutet, dass 60 % des Warmwasserbedarfs in einem Jahr durch Sonnenenergie gedeckt werden (siehe folgende Abbildung).

Solare Deckungsraten bei einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung eines Einfamilienhauses

Beispiel

Einfamilienhaus mit vier Personen, hohe Ansprüche. Gemäß oben stehender Tabelle ergibt sich ein Warmwasserbedarf von 50 bis 80 l je Person und Tag bei einer Warmwassertemperatur von 45 °C. Für die Berechnung wird von einem Warmwasserbedarf von 65 l je Person und Tag ausgegangen. Erforderliches Speichervolumen:

V = 1,5 × 4 × 65 = 390 l bzw. V = 2,0 × 4 × 65 = 520 l

Fazit: Es sollte ein Speicher mit einem Volumen von mindestens 400 l eingebaut werden, zu empfehlen ist aber ein größerer Speicher mit 500 l.

Bilvalenter Speicherwassererwärmer

Als Speicher für eine thermische Solaranlage wird ein sog. bivalenter Speicherwassererwärmer verwendet. Ein bivalenter Wasserspeicher besitzt zwei (= „bi“) Wärmetauscher. Der untere Wärmetauscher wird mit der Wärme aus den Solarkollektoren gespeist, während der obere über das Heizsystem vom Heizkessel mit Wärme versorgt wird. Erst wenn nicht mehr genügend Solarwärme zur Verfügung steht, wird der Heizkessel zugeschaltet.

Dimensionierung einer thermischen Solaranlage zur Heizungsunterstützung

Eine thermische Solaranlage eignet sich auch zur Heizungsunterstützung. Allerdings ist der Nutzen im Vergleich zu Solaranlagen, die der Warmwasserbereitung dienen, längst nicht so groß. Dies liegt daran, dass während der Heizperiode, d.h. hauptsächlich in den Wintermonaten, das solare Strahlungsangebot gering bis sehr gering ist. Solaranlagen zur Heizungsunterstützung können aber dennoch in den Übergangszeiten nennenswerte Wärmeerträge liefern und den konventionellen Wärmeerzeuger entlasten. Die Dimensionierung ist wesentlich komplizierter als bei Anlagen, die nur der Warmwasserbereitung dienen, und erfordert eine individuelle fach- und ingenieurmäßige Bearbeitung.

Montage der Solarkollektoren

Solarkollektoren lassen sich sowohl in das Dach integrieren (Indachmontage) als auch auf die vorhandene Dachhaut oder Dachdeckung setzen (Aufdachmontage).

Bei Neubauten oder wenn Modernisierungsarbeiten durchgeführt werden, z.B. bei Erneuerung der Dachdeckung, eignet sich die Indachmontage. Diese Methode ist auch aus optischen Gründen ansprechender als die Aufdachmontage. Bei der Aufdachlösung werden die Solarkollektoren auf die vorhandene Dachhaut oder -deckung montiert. Der Aufwand ist geringer als bei der Indachmontage, außerdem sind die Kosten geringer.

Kosten einer thermischen Solaranlage

Eine Standardsolaranlage für die Warmwasserbereitung bei einem Einfamilienhaus mit vier Personen kostet ca. 4.000 bis 6.000 € (einschließlich Montage). Für eine Solaranlage mit zusätzlicher Heizungsunterstützung sind bei gleicher Gebäudegröße und Anzahl der Personen ca. 8.000 bis 12.000 € als Investition erforderlich.

Fotovoltaik

Unter Fotovoltaik ist die Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht zu verstehen. Sonnenlicht wird in Form von elektromagnetischen Wellen abgegeben (? Fotovoltaik). Treffen diese elektromagnetischen Wellen auf ein sog. Halbleitermaterial, das meist auf Silizium basiert, setzen sie dort Elektronen in Bewegung und erzeugen elektrischen Strom (fotoelektrischer Effekt).

Aufbau einer Fotovoltaikanlage

Eine Fotovoltaikanlage besteht im Wesentlichen aus den Solarmodulen, dem Wechselrichter und dem Einspeisezähler.

Das Solarmodul ist aus vielen einzelnen Solarzellen aufgebaut, die hintereinander geschaltet sind. Die Solarzelle, die die kleinste Einheit innerhalb einer Fotovoltaikanlage bildet, besteht meist aus Silizium. In ihr wird beim Auftreffen von Sonnenlicht Strom erzeugt. Meist werden mehrere Solarmodule angeordnet, die dann als Solargenerator bezeichnet werden. Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom, wie er auch von handelsüblichen Batterien her bekannt ist.

Bevor der solar erzeugte Gleichstrom genutzt werden kann, muss er noch in Wechselstrom mit 230 V Spannung umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Wechselrichter.

Bei den meisten Fotovoltaikanlagen wird der gewonnene Solarstrom ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Die eingespeiste Energie wird von einem separaten Stromzähler gemessen, der auch als Einspeisezähler bezeichnet wird. In den meisten Fällen sind Wechselrichter und Einspeisezähler in einem Gerät zusammengefasst. Der ins Netz eingespeiste Solarstrom muss vom Netzbetreiber abgenommen und nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet werden.

Fotovoltaikanlage (Prinzipskizze)

Netzgekoppelte Fotovoltaikanlagen

Bei netzgekoppelten Fotovoltaikanlagen wird der Solarstrom ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Dies hat gegenüber sog. Inselanlagen den Vorteil, dass keine Akkus als Stromspeicher erforderlich sind. Der Nachteil der Speicherung von Strom in Akkus liegt im hohen technischen und finanziellen Aufwand. Außerdem sind Stromspeicher (Akkus) technisch noch nicht ausgereift, ihre Lebensdauer ist auf wenige Jahre begrenzt (wie das Beispiel Autobatterie zeigt) und die Kapazität ist gering. Inselanlagen werden daher nur in Sonderfällen eingesetzt, beispielsweise wenn der Anschluss ans öffentliche Stromnetz nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist.

Standardmäßig werden daher Fotovoltaikanlagen ans öffentliche Stromnetz angeschlossen. Das öffentliche Netz dient dabei als riesiger Speicher und garantiert einerseits die Abnahme sowie Nutzung von erzeugtem Solarstrom und sorgt andererseits für die Bereitstellung von Strom auch in Zeiten, in denen kein Solarstrom erzeugt werden kann. Ein intelligentes Netzmanagement sorgt dafür, dass konventionelle Kraftwerke ihre Leistung entsprechend dem Angebot von Solarstrom anpassen. Ihre Leistung wird heruntergefahren, wenn viel Solarstrom ins Netz eingespeist wird. Das bedeutet, dass jede solar erzeugte Kilowattstunde Strom auch tatsächlich genutzt wird. Nachts oder in sonnenschwachen Zeiten, wenn kein oder nur geringer Solarstrom erzeugt wird, wird die Leistung der konventionellen Kraftwerke entsprechend erhöht.

Neigung, Himmelsrichtung und Verschattung

Die Anforderungen hinsichtlich Neigung und Himmelsrichtung sind ähnlich wie bei Solarkollektoren, die der Wärmerzeugung dienen (siehe oben). Die höchsten Erträge werden bei ca. 30 bis 35 Grad Neigung und Ausrichtung nach Süden erzielt. Auch bei Orientierungen bis Südosten oder Südwesten werden noch bis zu 95 % der optimalen Leistung erreicht.

Im Gegensatz zu Solarkollektoren, die auch diffuses Licht noch in Wärme umwandeln können, benötigen Solarmodule Sonnenlicht mit einer ganz bestimmten Wellenlänge, um Strom zu erzeugen. Solarmodule erzeugen jedoch sofort Strom, sobald ausreichendes Sonnenlicht zur Verfügung steht. Die bei wärmeerzeugenden Solarkollektoren übliche Anlaufzeit entfällt bei Solarmodulen.

Weiterhin reagieren Solarmodule äußerst empfindlich auf Verschattungen und Teilverschattungen. Kommt es auf einem Solarmodul zu einer Verschattung einer oder mehrerer Solarzellen, werden diese zu ohmschen Widerständen, d.h., sie benötigen Strom und sind quasi Stromverbraucher. Das gesamte Solarmodul kann in diesem Fall nur noch so viel Strom erzeugen, wie durch die verschattete Zelle fließt. Weiterhin erwärmt sich die verschattete Solarzelle und kann beschädigt werden („Hot-Spot-Effekt“). Heutige Solarmodule sind mit Vorrichtungen versehen, die eine Überhitzung und Beschädigung der Solarzellen im Fall der Teilverschattung ausschließen. Parallel zu jeder Solarzelle sind sog. Bypass-Dioden eingebaut, die im Fall der Verschattung den Strom an der Solarzelle vorbeileiten (siehe folgende Abbildung).

Vermeidung des Hot-Spot-Effekts bei Verschattung

In jedem Fall führt eine Verschattung oder Teilverschattung zu teilweise großen Einbußen, der Stromertrag kann deutlich geringer sein als bei Idealbedingungen. Aus diesem Grund sollte bereits bei der Planung einer Fotovoltaikanlage genau untersucht werden, ob Dachaufbauten, Antennen, Bäume oder ähnliche Hindernisse die Solarmodule verschatten können. Gegebenenfalls sollten schattenverursachende Bauteile versetzt oder es sollte die Lage der Solarmodule geändert werden.

Sollen Solarmodule auf Dachflächen mit unterschiedlicher Neigung oder Himmelsrichtung installiert werden, ist darauf zu achten, dass für jede Neigung und Ausrichtung ein separater Wechselrichter sowie ein eigenes Netzeinspeisegerät vorgesehen werden. Außerdem dürfen die Solarmodule mit unterschiedlicher Neigung und Orientierung elektrisch nicht miteinander gekoppelt werden, da dies wie bei der oben beschriebenen Teilverschattung zu großen Leistungseinbußen führt.

Bei geneigt aufgestellten Solarmodulen spielen Verschmutzungen keine Rolle, da die Anlage durch Regen und Niederschläge selbst ausreichend gereinigt wird.

Leistung einer Fotovoltaikanlage

Die Nennleistung von Fotovoltaikanlagen wird in kWp (Kilowatt peak) angegeben und bezieht sich auf die Leistung unter Testbedingungen („peak“; engl. Höchstwert, Spitze). Die Testbedingungen entsprechen nicht der Leistung bei größter Sonneneinstrahlung, sondern wurden zur Normierung und Vergleichbarkeit unterschiedlicher Solarmodule geschaffen.

Beispiel: Ein Solarmodul mit einer Größe von ungefähr 1 × 1,3 m hat eine Nennleistung von ca. 175 Wp. Werden für ein Einfamilienhaus zwölf solcher Solarmodule miteinander gekoppelt (Fläche 15,6 m²), ergibt sich eine Nennleistung von insgesamt 2.100 Wp, entsprechend 2,1 kWp. Diese Anlage kann je nach Standort in Deutschland und Ausrichtung sowie Orientierung der Solarmodule ungefähr 1.500 bis 1.800 kWh Strom pro Jahr erzeugen. Dies entspricht ungefähr 30 % des Stromverbrauchs eines Vier-Personen-Haushalts.

Fotovoltaikanlagen werden nicht nach dem Stromverbrauch der Hausbewohner ausgelegt. Vielmehr kann die Größe der Anlage ganz nach den individuellen Bedürfnissen bestimmt werden. Einflussparameter können beispielsweise die zur Verfügung stehende Dachfläche oder die Investitionsbereitschaft sein.

Der Betrieb einer Fotovoltaikanlage ist eine unternehmerische Tätigkeit. Bei einer Nennleistung der Fotovoltaikanlage von mehr als 3 kWp ist eine Gewerbeanmeldung erforderlich. In diesem Fall ist die Anlagenbetreiberin oder der Anlagenbetreiber umsatz- und gewerbesteuerpflichtig.

Hinweis:

Als Faustformel gilt, dass je 1 kWp installierter Nennleistung ungefähr 10 m² Kollektorfläche erforderlich sind. Dieser Wert liegt auf der sicheren Seite und kann bei leistungsfähigen Solarmodulen auch unterschritten werden. Je 1 kWp Nennleistung werden ca. 800 bis 900 kWh Solarstrom pro Jahr erzeugt.

Montage einer Fotovoltaikanlage

Bei geneigten Dächern werden die Solarmodule einfach auf die nach Süden orientierten Dachflächen montiert. Wie bereits erwähnt wurde, sollte überprüft werden, ob der Einbauort durch Aufbauten, Bäume, Hindernisse o.Ä. verschattet oder teilverschattet werden kann. Bei Flachdächern werden die Solarmodule auf geneigten Halterungen montiert. Weiterhin können Solarmodule auch an der Fassade angebracht oder auf Freiflächen aufgestellt werden. In vielen Fällen werden Solarmodule heute als architektonisches Gestaltungselement eingesetzt.

Die Hersteller von Fotovoltaikanlagen bieten für fast alle Dacharten und Dachdeckungen sowie Dachabdichtungen geeignete Montagesysteme an, die die verschiedenen Anforderungen an Statik, Witterungsbeständigkeit, baurechtliche Vorschriften („harte Bedachung“, Brandschutz und Lebensdauer) erfüllen.

Die Inbetriebnahme einer Fotovoltaikanlage, d.h. die Verbindung des Wechselrichters mit dem öffentlichen Stromnetz, darf nur von einem zugelassenen Elektrofachmann vorgenommen werden.

Die Errichtung einer Fotovoltaikanlage ist im privaten Bereich, z.B. bei Einfamilienhäusern, normalerweise nicht genehmigungspflichtig. In Einzelfällen kann aber eine Baugenehmigung erforderlich sein. Aus diesem Grund sollte zur Sicherheit beim zuständigen Bauordnungsamt nachgefragt werden, wenn die Errichtung einer Fotovoltaikanlage geplant ist.

Betrieb, Wartung und Lebensdauer einer Fotovoltaikanlage

Der Betreiber einer Fotovoltaikanlage sollte regelmäßig die Zählerstände kontrollieren und dokumentieren, damit Störungen an der Anlage rechtzeitig erkannt werden können. Die Betriebsdaten wie Leistung, Betriebsstunden, Spannung usw. werden vom Wechselrichter gespeichert und können dort entweder abgelesen werden oder lassen sich auf einen PC übertragen. Mit einer entsprechenden Software können dann sämtliche Daten ausgewertet werden.

Eine weitere Wartung der Anlage ist nicht erforderlich. Auch eine Reinigung der Solarmodule ist nicht nötig, da Regen und Niederschläge bei geneigten Modulen die Oberflächen selbst reinigen.

Die Lebensdauer der Solarmodule wird mit 30 bis 40 Jahren angegeben. Die meisten Hersteller geben eine Garantie von 20 bis 25 Jahren.

Kosten einer Fotovoltaikanlage

Die Kosten für eine Fotovoltaikanlage hängen von der Anlagengröße, Technik und Ausstattung ab und liegen zwischen 4.000 und 5.500 € je kWp installierter Nennleistung. Der ins Netz eingespeiste Solarstrom wird nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet (siehe weiter unten). Je nach Größe der Anlage und nach dem Zeitpunkt der Inbetriebnahme hat sich eine Fotovoltaikanlage nach etwa zehn bis zwölf Jahren amortisiert.

Einspeisevergütung nach dem EEG

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) regelt u.a. die Einspeisevergütung für solar erzeugten Strom. Der Netzbetreiber ist danach verpflichtet, Solarstrom vom Anlagenbetreiber abzunehmen und entsprechend dem EEG zu vergüten (siehe folgende Tabelle).

Das neue EEG wurde novelliert und tritt am 01.01.2009 in Kraft, es löst die Fassung aus dem Jahr 2004 ab (? Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetzes – EEG).

Einspeisevergütung für Strom aus Solaranlagen an oder auf Gebäuden nach dem neuen EEG (ab 01.01.2009)

Biomasse – Forderungen des EEWärmeG

Nach dem EEWärmeG kann bei Neubauten auch Biomasse zur Erfüllung der Nutzungspflicht erneuerbarer Energien im Wärmebereich verwendet werden. Es werden dabei feste Biomasse (z.B. Holz), gasförmige Biomasse (z.B. Biogas) und flüssige Biomasse (z.B. Pflanzenöl) unterschieden.

Nachfolgend soll die Verwendung von Holz als erneuerbare Energie bei der Wärmeerzeugung unter Berücksichtigung der Forderungen des EEWärmeG näher beschrieben werden. Aus Platzgründen wird auf die anderen aus Biomasse erzeugten erneuerbaren Energien wie Biogas und Pflanzenöle nicht eingegangen.

Soll Holz, das nach der Definition des EEWärmeG als feste Biomasse gilt, zur Beheizung eines Gebäudes und zur Warmwasserbereitung verwendet werden, müssen gemäß den Regelungen des EEWärmeG mindestens 50 % des Wärmeenergiebedarfs hieraus gedeckt werden. Weiterhin muss die Heizungsanlage bestimmte Anforderungen erfüllen (? Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG)).

Holz als Brennstoff

Einige Vorteile von Holz als Brennstoff wurden weiter oben schon genannt. Bei der Verbrennung wird nur genau so viel CO2 freigesetzt, wie vorher vom Baum aus der Atmosphäre aufgenommen wurde. Holz ist daher ein CO2-neutraler Brennstoff, seine Nutzung als Brennmaterial führt bei nachhaltiger Waldwirtschaft nicht zu einem CO2-Anstieg in der Erdatmosphäre. Nachhaltige Waldwirtschaft bedeutet, dass aus dem Wald nur so viel Holz entnommen wird, wie auch wieder nachwächst. Diese Bedingungen sind in Deutschland gegeben. Zurzeit werden nur etwa zwei Drittel des jährlichen Zuwachses von der holzverarbeitenden Industrie sowie für Brennholz verwendet. Das restliche Drittel des jährlichen Zuwachses könnte in Zukunft als Energieträger genutzt werden. Weitere Vorteile, die Holz gegenüber anderen Stoffen aufweist, liegen in seiner regionalen Verfügbarkeit. Das bedeutet, dass Transportwege kurz bleiben und Transportkosten überschaubar sind. Weiterhin verbleibt das für Holz ausgegebene Geld in der Region und fließt nicht ins Ausland. Ein wesentlicher Vorteil ist jedoch, dass Holz ein nachwachsender Rohstoff ist, der bei nachhaltiger Wald- und Forstwirtschaft unendlich lange zur Verfügung steht.

Moderne, effiziente Holzheizungen

Heute gibt es moderne, energieeffiziente Heizkessel, die mit Holz als Brennstoff beschickt werden. Sie arbeiten in der Regel vollautomatisch, besitzen den Komfort einer konventionellen Gas- oder Ölheizung und gelten als technisch ausgereift. Für die Beheizung üblicher Wohngebäude einschließlich der Bereitstellung von Warmwasser gibt es folgende Heizkessel:

• Holzpelletsheizkessel
• Scheitholzheizkessel

Heizkessel für Holzhackschnitzel werden meist nur bei großen Heizungsanlagen eingesetzt, da der Lagerbedarf für die Holzhackschnitzel für Ein- und Mehrfamilienhäuser zu groß ist.

Nachfolgend soll der Holzpelletsheizkessel näher beschrieben werden.

Holzpellets

Holzpellets bestehen aus trockenen Holzresten (z.B. Späne, Sägemehl, Waldresthoz), die rein mechanisch ohne Zusatz von Bindemitteln unter hohem Druck zu zylindrischen Presslingen geformt wurden. Die Länge der Pellets beträgt 20 bis 50 mm, der Durchmeser 4 bis 10 mm. Holzpellets haben einen standardisierten Heizwert. Die Qualität der Pellets wird in Normen geregelt. In Deutschland gilt die DIN 51731, in Österreich ist die ÖNorm M 7135 zu beachten (siehe folgende Abbildung).

Holzpellets

Der Heizwert von 2 kg Pellets entspricht ungefähr 1 l Heizöl oder 1 m³ Erdgas. Der Preis für Holzpellets beträgt zurzeit (November 2008) ca. 235 € je Tonne einschließlich 7 % MwSt., bei Abnahme von 3.000 kg. Für Heizöl werden zurzeit 0,72 € je Liter inklusive 19 % MwSt. verlangt (bei Abnahme von 1.500 l). Holzpellets sind damit im Vergleich zu Heizöl deutlich kostengünstiger. 2 kg Pellets, die vom Heizwert 1 l Heizöl entsprechen, kosten ca. 47 Cent, 1 l Heizöl kostet dagegen 72 Cent.

Funktionsweise eines Holzpelletsheizkessels

Bei einem Holzpelletsheizkessel, der als zentraler Wärmerzeuger dient, werden die Holzpellets automatisch aus einem Vorratsraum oder einem Vorratsbehälter in die Brennkammer transportiert (?Pelletsheizung ). Je nach Art der Beschickung der Pellets in die Brennkammer werden folgende Systeme unterschieden (siehe folgende Abbildung):

• Fallschachtfeuerung: Hierbei rutschen die Pellets über eine Fallrinne in einen Brennertopf. Bei diesem System fällt am wenigsten Asche an.
• Unterschubfeuerung: Die Pellets werden mit einer Förderschnecke von unten in einen Brennteller transportiert. Die verbleibende Asche fällt über den Rand des Brenntellers in einen Aschenbehälter.
• Quereinschubfeuerung: Die Funktionsweise ist ähnlich wie bei der Unterschubfeuerung. Die Pellets werden mit einer Förderschnecke von der Seite auf den Brennteller geschoben.
• Walzenrostsystem: Hierbei fallen die Pellets von oben auf mehrere sich drehende Stahlscheiben, die mit geringem Zwischenraum angeordnet sind.

Schnitt durch einen modernen Holzpelletsheizkessel (Quelle: Viessmann-Werke)

Die Holzpellets verbrennen in der Brennschale fast vollständig, sodass nur sehr wenig Asche übrig bleibt. Aus 1 t Holzpellets, die verbrannt werden, entstehen nur maximal 10 kg Asche, die manuell entsorgt werden müssen. Einige Heizkessel verfügen zusätzlich über Vorrichtungen, mit denen die Asche verdichtet wird, was zu einer deutlichen Verlängerung der Entleerungsintervalle führt.

Sämtliche Funktionen eines modernen Holzpelletsheizkessels sind vollständig automatisiert, sodass sich der gleiche Bedienkomfort wie bei einer Gas- oder Ölheizung ergibt.

Der Wirkungsgrad von Holzpelletsheizkesseln ist sehr hoch und beträgt über 90 bis 95 %.

Lagerung der Holzpellets

Die Holzpellets können auf verschiedene Weise gelagert werden. Die meisten Heizkessel besitzen einen Vorratsbehälter, der meist seitlich direkt neben dem Heizkessel aufgestellt wird. Das Fassungsvermögen beträgt je nach Größe zwischen 250 und 500 l. Je nach Wärmebedarf reicht diese Menge für einen Betrieb von zwei bis vier Wochen aus.

Größere Mengen an Holzpellets können in einem separaten Vorratsraum gelagert werden. Eine Förderschnecke transportiert in diesem Fall die Pellets aus dem Lagerraum zum Heizkessel. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Pellets in einem Sacksilo zu lagern. Das Sacksilo kann beispielsweise neben dem Heizkessel oder in einem anderen geeigneten Raum aufgestellt werden. Der Transport der Pellets erfolgt in diesen Fällen durch ein Saugzuggebläse.

Bei der Lagerung ist darauf zu achten, dass die Pellets trocken bleiben. Die Restfeuchte in den Pellets sollte unter 7 bis 12 % liegen.

Die Pellets werden in einem Silopumpfahrzeug angeliefert und in den Vorratsraum oder -behälter geblasen. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, Pellets in Säcken von 15 bis 30 kg zu kaufen.

Hinweis:

Für ein Einfamilienhaus üblicher Größe werden ungefähr 3 bis 6 t Holzpellets pro Jahr benötigt. Dafür wird ein Lagerraum von ca. 7 bis 15 m³ benötigt. Der Lagerraum sollte über einen abgeschrägten (45°) Boden verfügen, damit eine vollständige Entleerung über eine Förderschnecke möglich ist. Zu beachten ist, dass das tatsächliche Raumvolumen aufgrund des abgeschrägten Bodens nur zu ca. zwei Dritteln ausgenutzt werden kann.

Kosten eines Holzpelletsheizkessels

Ein vollautomatischer Holzpelletsheizkessel kostet je nach Leistung zwischen ca. 10.000 und 12.000 €. Empfehlenswert ist die Kombination mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung. In den Sommermonaten braucht dann der Heizkessel nicht betrieben zu werden.

Geothermie

Unter Geothermie ist die Nutzung der dem Erdboden entnommenen Wärme (Erdwärme) zu verstehen.

Bis etwa 100 m Tiefe hat das Erdreich sowohl im Sommer als auch im Winter eine Temperatur von konstant 10 °C. Ab 100 m Tiefe nimmt die Temperatur dann um ca. 3 °C pro 100 m Tiefenzunahme zu. Für den privaten Bereich kann nur die oberflächennahe Geothermie genutzt werden, da ab einer Tiefe von mehr als 100 m in der Regel bergrechtliche Genehmigungen erforderlich sind.

Geothermie – Forderung des EEWärmeG

Entscheidet sich die Bauherrin oder der Bauherr für den Einsatz von Erdwärme, um der Verpflichtung des EEWärmeG zur Nutzung erneuerbarer Energien nachzukommen, müssen mindestens 50 % des Wärmeenergiebedarfs aus dieser Quelle gedeckt werden. Weiterhin werden technische Anforderungen an die Anlage gestellt, damit der ökologische und effiziente Einsatz dieser Technologie sichergestellt ist. Für Wärmepumpen werden beispielsweise Mindestwerte für die Jahresarbeitszahl gefordert, die einzuhalten sind.

Die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe gibt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung und der aufgenommenen Leistung gemittelt über das Jahr an. Je höher die Jahresarbeitszahl ist, desto größer ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Das EEWärmeG fordert für Erdreichwärmepumpen eine Jahresarbeitszahl von mindestens 4, für Luft-Wasser- und Luft-Luft-Wärmepumpen einen Wert von mindestens 3,5.

Prinzip einer Wärmepumpe

Für die Nutzung der Erdwärme aus oberflächennahen Schichten ist in der Regel eine Wärmepumpe erforderlich. Die Wärmepumpe nutzt die im Erdreich vorhandene Wärme mit niedriger Temperatur (ca. 10 °C) aus und bringt sie unter Einsatz zusätzlicher Energie auf ein höheres Temperaturniveau (z.B. 35 bis 40 °C). Die so erzeugte Wärme wird in einem Pufferspeicher zwischengespeichert und für die Beheizung und Warmwassererzeugung verwendet (?Wärmepumpe ).

Moderne Wärmepumpen, die mit Strom betrieben werden, entnehmen etwa drei Viertel der Wärmeleistung aus der Umwelt (bei einer Erdwärmepumpe beispielsweise aus dem Boden), das restliche Viertel wird für den Antrieb der Wärmepumpe als elektrische Leistung aus dem Stromnetz bezogen. Die eingesetzte elektrische Leistung wird bis auf geringe Verluste ebenfalls in Wärme umgewandelt und steht zusammen mit der aus der Umwelt entnommenen Wärme für die Beheizung und Warmwasserbereitung zur Verfügung. Das Verhältnis zwischen abgegebener Wärme insgesamt (d.h. Umweltwärme und Wärme aus elektrischer Energie) und eingesetzter elektrischer Energie (Strombedarf) ergibt die Leistungszahl einer Wärmepumpe. Bei effizienten, modernen Geräten liegt diese etwa bei (3 + 1) / 1 = 4. Die Leistungszahl wird unter Laborbedingungen nach DIN EN 14511 bestimmt und entspricht nicht exakt der Jahresarbeitszahl, bei der das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung und der eingesetzten elektrischen Leistung über ein Jahr gemittelt angegeben wird.

Anlagenkomponenten für die Nutzung von Erdwärme

Soll Erdwärme als erneuerbare Energiequelle für die Beheizung eines Gebäudes und die Warmwasserbereitung genutzt werden, sind folgende Anlagenkomponenten erforderlich:

• Wärmetauscher im Erdreich (Erdsonden oder Erdkollektoren)
• Wärmepumpe
• Pufferspeicher
• Regelung
• Wärmeverteilung und -abgabe (z.B. Fußbodenheizung)

Alle Komponenten der Anlage müssen aufeinander abgestimmt sein, damit gewährleistet ist, dass die Anlage energieeffizient arbeitet. Die energetische Qualität der Wärmepumpe allein reicht nicht aus. Aus diesem Grund sollten die Planung einer Anlage mit Wärmepumpe sowie auch die Installation der Geräte von einem geeigneten Fachbetrieb vorgenommen werden.

Erdsonden oder Erdkollektoren?

Die Entnahme der Wärme aus dem Boden erfolgt durch einen Wärmetauscher. Zu unterscheiden sind vertikal im Boden angeordnete Erdsonden oder horizontal verlegte Erdkollektoren (?Erdreichwärmetauscher ). In ihnen zirkuliert ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole), das dem Boden die Wärme entnimmt und diese dann zur Wärmepumpe fördert. In der Wärmepumpe wird der Sole die Wärme entzogen und für Heizzwecke und Warmwasserbereitung genutzt.

Bei Anlagen mit Erdsonden werden mehrere vertikal angeordnete Sonden in zuvor hergestellte Bohrlöcher eingebracht. Erdsonden haben gegenüber Erdkollektoren, die horizontal verlegt werden, den Vorteil, dass keine großen Erdbewegungen erforderlich sind. Mit modernen Bohrgeräten können die erforderlichen Bohrungen innerhalb weniger Stunden durchgeführt werden. In das Bohrloch wird eine Sonde eingelassen, anschließend wird der Hohlraum zwischen der Bohrlochwand und der Sonde verpresst. Meist werden Doppel-U-Rohr-Sonden eingesetzt, bei denen vier Rohre parallel verlaufen. Besonders wichtig ist die genaue Bestimmung der Anzahl und der Tiefe der Erdsonden, die von Spezialisten wie Geologen oder Bohrfirmen mit entsprechendem Fachwissen vorgenommen werden sollte. Für die Deckung des Wärmebedarfs eines Ein- oder Zweifamilienhauses werden je nach Bodenart und -beschaffenheit etwa zwei bis drei Bohrungen mit jeweils 70 m Tiefe benötigt. Der horizontale Abstand der Erdsonden sollte voneinander mindestens 5 m betragen, damit eine Beeinträchtigung ausgeschlossen ist.

Anlage mit Erdsonden (Quelle: Buderus)

Bei einer Anlage mit Erdsonden kann je nach Bodenart und geologischen Bedingungen von einer mittleren Erdsondenleistung von 50 W/m Sondenlänge ausgegangen werden. Für ein typisches Einfamilienhaus (Neubau) mit einem Wärmebedarf von 6 kW werden demnach insgesamt 120 Meter (= 6.000 / 50) Sondenlänge benötigt. Erforderlich wären demnach zwei Erdsonden mit jeweils 60 m Tiefe.

Für Anlagen mit Erdsonden bis 100 m Tiefe ist eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich, die das Wasserwirtschaftsamt erteilt. Bei Bohrungen über 100 m Tiefe muss zusätzlich das zuständige Bergamt eine bergbaurechtliche Genehmigung erteilen, die Privatleute in der Regel nicht erhalten (Bergrecht).

Die Kosten für die Bohrung einschließlich Erdsonde betragen ungefähr 60 bis 70 € je Meter Sondenlänge. Für die Deckung des Wärmebedarfs eines Einfamilienhauses sind in der Regel 100 bis 140 m Sondenlänge erforderlich. Damit würden sich Kosten von ungefähr 6.000 bis 10.000 € ergeben. Hinzu kommen noch die Kosten für die Wärmepumpe (ca. 10.000 €).

Eine weitere Möglichkeit, dem Boden Wärme zu entnehmen, besteht durch die Anordnung von horizontal verlegten, großflächig angeordneten Kunststoffrohrsystemen im Boden (Erdkollektoren). Die Kunststoffrohre (in der Regel aus PE) werden in einer Tiefe von ca. 1,2 bis 1,5 m verlegt und sollten eine Länge von 100 m nicht überschreiten, da sonst zu große Pumpenleistungen erforderlich wären. Weiterhin ist darauf zu achten, dass im Bereich der verlegten Rohre keine tief wurzelnden Pflanzen stehen sollten. Außerdem dürfen die Flächen über den Erdkollektoren nicht bebaut oder versiegelt werden. Die einzelnen Kunststoffrohrstränge, die möglichst gleich lang sein sollten, um Druckverluste zu vermindern, werden an den etwas höhergelegenen Vor- und Rücklaufsammlern angeschlossen. Weiterhin ist darauf zu achten, dass jeder Rohrstrang getrennt absperrbar sein sollte. Eine Umwälzpumpe fördert die Sole durch das Rohrleitungssystem, wobei dem Erdreich Wärme entzogen wird. In der Wärmepumpe wird die so gewonnene Wärme auf das benötigte Temperaturniveau gebracht und für die Beheizung und Warmwasserbereitung genutzt.

Die Dimensionierung einer Anlage mit Erdkollektoren hängt vom Wärmebedarf sowie von der anstehenden Bodenart ab. Die Wärmeentzugsleistung, d.h. die Wärmemenge, die dem Boden entnommen werden kann, beträgt je nach Bodenart zwischen 10 und 35 W/m². Genauere Angaben enthält die folgende Tabelle.

Wärmeentzugsleistung bei Erdkollektoren

Zur Deckung des Wärmebedarfs eines energetisch sehr guten Einfamilienhauses (Wohnfläche = 200 m², Wärmebedarf = 6 kW) werden bei einem feuchten, sandigen Boden ungefähr (6.000 / 15 =) 400 m² an Erdkollektorfläche benötigt. Aus dieser Rechnung lässt sich ablesen, dass Anlagen mit Erdkollektoren relativ große Flächen benötigen. In der Praxis sind große Grundstücksflächen meist nicht vorhanden, sodass in diesen Fällen Erdsonden verwendet werden müssen.

Anlage mit Erdkollektoren (Quelle: Buderus)

Die Fläche für Erdkollektoren muss etwa doppelt so groß sein wie die zu beheizende Fläche. Beispiel: Um den Wärmebedarf für ein Wohnhaus mit 160 m² Wohnfläche zu decken, ist eine Fläche von 320 m² für horizontal verlegte Erdkollektoren erforderlich.

Von den Kosten her sind Erdkollektoren günstiger als Erdsonden, da die teure Bohrung entfällt. Bei Neubauten können die für die Verlegung der Kunststoffrohre erforderlichen Erdbewegungen problemlos durchgeführt werden und verursachen nur geringe Mehrkosten.

Fazit

Bei Neubauten und ausreichender Grundstücksfläche sind Erdkollektoren die günstigere Lösung. In allen anderen Fällen sollten Erdsonden verwendet werden.

Umweltwärme aus der Luft und dem Wasser

Auch die Luft und das Wasser (z.B. Grundwasser) enthalten noch genügend Wärme, die zum Heizen und für Warmwasser verwendet werden kann (Umweltwärme). Da die Temperatur sowohl der Luft als auch des Grundwassers nicht hoch genug ist, muss wie bei der Nutzung der Erdwärme eine Wärmepumpe eingesetzt werden. Die Wärmepumpe entzieht der Luft oder dem Wasser Wärme und bringt sie durch Einsatz elektrischer Energie auf eine ausreichende Temperatur.

Luft-Luft-Wärmepumpen werden auch in Lüftungsanlagen eingesetzt, um der Abluft Wärme zu entziehen und diese wieder zu nutzen (Abwärme). Gerade bei Häusern mit sehr geringem Energiebedarf eignen sich solche Anlagen besonders und führen dazu, dass ein Großteil der Abwärme wieder genutzt werden kann.

Literatur, Normen und Vorschriften

• Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) vom 07.08.2008, BGBl. 2008 I Nr. 36 vom 18.08.2008, Bonn
• Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG) vom 25.10.2008, BGBl. 2008 I Nr. 49 vom 31.10.2008, Bonn
• Viessmann (Hrsg.): Fachreihen Solartechnik und Photovoltaik, Viessmann Werke GmbH, 2008
• Pistohl: Handbuch der Gebäudetechnik, Band 2: Heizung/Lüftung/Energiesparen, Werner-Verlag
• Lückmann: Aktuelles Handbuch der Haustechnik, Grundwerk einschließlich 3. Aktualisierungs- und Ergänzungslieferung, WEKA MEDIA GmbH & Co. KG, Kissing, 2008
• VDI 2067 – Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen; Blatt 12: Nutzenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung, Ausgabe 2000-06
• VDI 2067 – Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen; Blatt 22: Energieaufwand der Nutzenübergabe bei Anlagen zur Trinkwassererwärmung, Ausgabe 2005-02
• DIN 51731:1996-10: Prüfung fester Brennstoffe – Preßlinge aus naturbelassenem Holz – Anforderungen und Prüfung, Beuth-Verlag, Berlin
  

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