Wärmepumpen

Große Energieversorgungsunternehmen propagieren gerne elektrische Wärmepumpen. Hier liegt der Verdacht nahe, dass das Stromverkaufsinteresse dabei im Vordergrund steht. Elektrische Wärmepumpen, die Wärme aus der Luft aufnehmen, sind elektrische Heizungen, die aus einer Kilowattstunde Strom (in der 3 kWh Primärenergie stecken) 3,5 kWh Wärme produzieren. Keine sehr beeindruckende Bilanz. Bei Erdreich-Wärmepumpen sieht die Bilanz etwas besser aus. Dennoch: Der im Braunkohle- oder Atomkraftwerk (mit hohem Aufwand) erzeugte Strom, der für den Betrieb der Wärmepumpe notwendig ist, kann nicht gerade als umweltfreundlich bezeichnet werden!

Für den Nachträglichen Einbau bieten sich diese Geräte aus Effizienzgründen nicht an. Im Neubau muss sehr klug gerechnet und das Gebäude überdurchschnittlich gedämmt werden, um die Pumpe möglichst klein zu dimensionieren und optimale Voraussetzungen für den Betrieb zu schaffen.

ð Die Wärmepumpe, eine gute Heizungs-Alternative im Neubau? (PDF)

Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe ist gleich dem von Kühlschränken, nur in umgekehrter Richtung. Anders als Kühlschränke jedoch, müssen Wärmepumpen regelmäßig gewartet werden!

Luft-Wärmepumpen sind in der Anschaffung eher kostengünstig, dafür ökologisch und ökonomisch meist wenig sinnvoll. Je kälter die Außenluft ist, desto weniger Wärme gibt das Gerät ab.
Erdreich- oder Grundwasser-Wärmepumpen sind dagegen sehr teuer und (lt. Verbraucherzentrale) nur ab einer Jahresarbeitszahl von 4 als "gut" zu bezeichnen. Die Jahresarbeitszahl ist das Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und verbrauchten Strom.
Luft/Luft-Wärmepumpen in Wohnungslüftungsanlagen dienen der Wärmerückgewinnung aus der Abluft.

Die Verbraucherzentrale (Bundesverband) rechnet im
Flyer "Energieberatung / Wärmepumpe" (12/07) vor:

Wärmepumpen mit einer Jahresarbeitszahl unter 3 sind schon aus ökologischer Sicht abzulehnen: Hier wird für die Wärmeerzeugung mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre ausgestoßen, als mit einer Öl- oder Gasheizung.

Erdwärmepumpen entziehen dem Erdreich entweder durch Sonden oder über Flächenkollektoren die darin enthaltene Wärme. Erdwärmepumpen arbeiten bei feuchten Boden effektiver, da die Wärmeübertragung dann besser funktioniert. Erdkollektoren verbrauchen verhältnismäßig viel Platz und empfehlen sich daher nur, wenn ein ausreichend großer, sonniger! Garten vorhanden ist. Die Kollektorfläche sollte etwa doppelt so groß sein wie die zu beheizende Wohnfläche. Ist der Garten verschattet, muss die Kollektorfläche größer sein! Die Alternative: Erdsonden holen die Wärme z.T. aus 150 m Tiefe, sind aber wegen der Bohrarbeiten entsprechend teurer. Grundwasser-Wärmepumpen arbeiten mit einem Förder- und einem Schluckbrunnen. Sie verwenden Grundwasser aus ca. 10 m Tiefe und müssen behördlich genehmigt werden. Auch die Eignung des Grundwassers muss vorher analysiert werden (Gefahr der "Verockerung" / Eisen- und Manganoxidbildung, diese setzen der Wärmepumpe und dem Brunnen zu).

Je niedriger die Temperaturdifferenz zwischen der genutzten Umweltwärme und der benötigten Heizwärme ist, umso effizienter arbeiten Wärmepumpen. Daher sollten Wärmepumpen eine möglichst warme Quelle nutzen und unbedingt mit einer Flächenheizung (am besten mit einer Wandflächenheizung mit möglichst niedriger Vorlauftemperatur) kombiniert werden.

ð Geothermie.de

Zukünftig sind Gebäudetechniker als Allrounder gefragt, mit speziellen Know-how in Sachen Strom, Wasser, Gas, Heizung, Klima und Lüftung. Der Abschluss als staatlich geprüfter Techniker (Fachrichtung Elektrotechnik mit Gebäudetechnik als Schwerpunkt) wird gefordert. Fachhandwerker sind aufgerufen sich dieser Weiterbildung zu stellen. Per elektronischer Datenübermittlung der „intelligenten Geräte“ soll zukünftig der Installateur klingeln, bevor der Kunde gemerkt hat, dass seine Anlage defekt ist.

Exot: SteamCell-Geräte ...

sind eine neue Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung. In einem „geschlossenem System“ wird in einem wandhängenden Gerät Dampf erzeugt, der zweifach genutzt wird: Heizwärme (2-25 kW) und Stromversorgung (0,5-6 kW) für den häuslichen Verbrauch. Das Mini-Dampfheizkraftwerk mit Stromgenerator arbeitet sehr leise und ohne Ölschmierung. Mit der jährlichen Wartung muss lediglich eine Betriebswasserpatrone ausgewechselt werden. Das Gerät soll einen Wirkungsgrad von 92% erreichen. Die Kosten des Gerätes, deren Serienproduktion bereits 2005 beginnen sollte, nannte bisher weder die Fa. Hoval noch Enginion.

Gleichzeitige Erzeugung
 von Wärme und Strom

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom in einem Heizkraftwerk nennt man Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Für die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom ist in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, oder auch Blockheizkraftwerk (BHKW) genannt, deutlich weniger Brennstoff erforderlich, als bei der getrennten Erzeugung in einem Heizwerk oder Kraftwerk.        Die Emissionen sind entsprechend geringer und die Energiebereitstellung deutlich billiger. Daher  ist die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom die effizienteste Art der Energiebereitstellung.   Die Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Bereitstellung von Energie wird allerdings wesentlich durch die Jahresbenutzungsdauer bestimmt. Während Wärme meist saisonal unterschiedlich benötigt wird, ist Strom ein Produkt, das ganzjährig zum Einsatz kommt. Damit bestehen für die Wirtschaftlichkeit eines Heizkraftwerkes bestimmte Grundanforderungen bezüglich der Energieabnahme / Verwendung. Besonders geeignet sind diese Geräte z.B. für öffentliche Schwimmbäder (ständiger Strom und Wärmeverbrauch über das ganze Jahr hinweg).

Die Firma Honda hat ein BHKW entwickelt mit einer Leistung von drei Kilowattstunden thermisch und einer Kilowattstunde elektrisch. Es wurde für den Einsatz in einem Einfamilienhaus entwickelt und sollte dort zehn Stunden täglich laufen. Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 85 Prozent,           die Emissionsminderung bei 20 Prozent im Vergleich zu getrennter Strom- und Wärmeerzeugung.     Die Maschine hat Wartungsintervalle von 6.000 Stunden und eine Lebensdauer von 20.000 Stunden (zehn Jahre). Der 160 ccm-Motor (GE160V) wurde speziell für diese Anwendung entwickelt und verfügt über einen Drei-Wege-Katalysator. Er hat geringere Emissionen als ein Gasheizkessel. Der Generator dient gleichzeitig als Anlasser. Der Geräuschpegel entspricht dem einer Klimaanlage. Der elektronisch gesteuerte Generator erzeugt sehr saubere Sinuswellen.

Es wird vermutet, dass der Preis deutlich unter dem Niveau der heute am Markt befindlichen Geräte liegen könnte. Ein Betrieb des BHKW mit Diesel ist nicht möglich und daran wird auch nicht gearbeitet.  Honda forscht auch an der Entwicklung von Brennstoffzellen für den Einsatz in Fahrzeugen und dem stationären Einsatz.

Brennstoffzellen

Die Brennstoffzelle ist eine elektrische Stromquelle, bei der chemische Energie durch so genannte »kalte Verbrennung«  direkt  in elektrische Energie umgewandelt wird. Sie ist, salopp bezeichnet, eine Batterie mit Brennstoffzuleitung und Auspuff. Wie eine gewöhnliche Batterie produziert die Brennstoffzelle durch chemische Reaktion elektrischen Strom – beides sind „elektochemische Zellen“. Während jedoch die gewöhnliche Batterie ihre in den Chemikalien im Inneren gespeicherte Energie bis auf null abgibt, wird die Brennstoffzelle kontinuierlich mit Brennstoff und Luft versorgt. Im Gegensatz zu einer Batterie braucht eine Brennstoffzelle also eine Brennstoffzuleitung und eine Abgasableitung. Als Brennstoffe dienen in erster Linie Wasserstoff und wasserstoffreiche Gase wie z. B. Methan, Biogas, Klärgas und Erdgas. In einer Brennstoffzelle wird durch die „kalte“ Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser (2H₂ + O₂ = 2H₂O) elektrische Energie auf elektrochemischen Wege erzeugt – ohne Turbine und Generator. Dabei fällt gleichzeitig Wärme an. Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle basiert im Prinzip auf der Umkehrung der Elektrolyse. Solange von außen Reaktionsgase zugeführt werden, arbeitet die Brennstoffzelle kontinuierlich.   Bei einer normalen Verbrennung verläuft die Oxidation so, dass ein Brennstoff Elektronen an den Sauerstoff abgibt. Die dabei frei werdende chemische Energie wird praktisch vollständig in Wärme überführt.  In einer Brennstoffzelle sind die Oxidation des Brennstoffs (also die Abgabe von Elektronen) und die Reduktion des Sauerstoffs (die Aufnahme von Elektronen) räumlich voneinander getrennt. Der Austausch der Elektronen erfolgt über eine externe Stromleitung; der parallel auftretende Ionenaustausch vollzieht sich im Innern der Brennstoffzelle über eine elektrolytische Flüssigkeit durch eine Membrane hindurch. Eine typische Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus zwei porösen Elektroden, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet. Je nach Arbeitstemperatur unterscheidet man Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen              (0 bis 150ºC, 150 bis 250ºC, 500 bis 1000ºC), die mit verschiedenen Elektrolyten arbeiten.            Mit reinem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen erreichen einen theoretischen, idealen elektrischen Wirkungsgrad von 83%, sie arbeiten geräuschlos und schadstoffarm (als Abgas entsteht nur Wasserdampf). Wird der erdgasbetriebenen Brennstoffzelle ein Reformer vorgeschaltet (eine kleine Chemieanlage, die Erdgas in wasserstoffreiches „Reformat-Gas“ umwandelt) „knabbert“ dieser natürlich erheblich am guten Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und es entsteht zusätzlich wieder Kohlendioxid. Viele weitere betriebsbedingte Verluste lassen die Effizienz der Zelle schwinden. Am Ende landet die Niedertenperatur-Brennstoffzelle bei Wirkungsgraden von 35 bis 40%, die Hochtemperatur-Brennstoffzelle bei 48 bis 60%. Damit liegen sie in der Größenordnung von Gas- und Dieselkraftwerken, die einen Wirkungsgrad von 60 bis 65% erreichen. Ein Kniff ist es, die Abwärme der Prozesse in die allgemeine Wirkungsgradberechnung einzubeziehen. Landet die Abfallwärme im Heizkörper, steigt der winterliche Gesamt-Wirkungsgrad bis auf 90% an. Aber was soll mit der ganzen Abwärme im Sommerhalbjahr geschehen?                Der Wärme- und Strombedarf in einem Haushalt ist für den optimalen Betrieb der Brennstoffzellen zu unausgeglichen, die höchstmögliche Wirtschaftlichkeit wird hier nicht erreicht. Einer weiten Verbreitung der Brennstoffzelle in Haushalten steht (noch) der hohe Preis entgegen.

 Brennstoffzellen haben gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschinen aber auch wesentliche Vorteile. Diese liegen im sehr geringen Schadstoffausstoß, in der minimalen Geräuschentwicklung, im gleich bleibenden Wirkungsgrad über den gesamten Leistungsbereich sowie im guten Regelverhalten. Weltweit sind bereits viele Anlagen im Betrieb, die jedoch bis auf wenige Ausnahmen alle mit Erdgas gespeist werden. Brennstoffzellen stellen auch im Fahrzeugbereich in Verbindung mit einem Elektroantrieb eine ökologisch sinnvolle Variante zum Verbrennungsmotor dar. Kleine Brennstoffzellen würden sich aber auch zur Versorgung von tragbaren Computern (z.B. Laptops) oder Mobiltelefonen eignen. Diese könnten bereits ab 2006 erhältlich sein. Zur Verbesserung bestehender Anlagen und zur Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnik unternehmen Industrie und Forschung große Anstrengungen. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert die Entwicklung der Brennstoffzellen, im Rahmen ihres Zukunftsinvestitionsprogramms, mit insgesamt 60 Millionen Euro und setzt dabei vor allem auf die Anwendung zur Hausenergieversorgung. Testgeräte mit 1,5 kW elektrischer Leistung sind so ausgelegt, dass sie ein Einfamilienhaus mit 75 % des benötigten Stroms und 60 % der benötigten Heizenergie versorgen können. Den Rest besorgt eine integrierte Heizung. Frühestens 2006 könnte eine Vorserie zur Marktreife gelangen. 2004 kostete der Strom aus einer Brennstoffzelle weit mehr als 10.000,- € pro installierten kW Leistung. Hausanlagen die Erdgas verbrennen und dabei Strom und Wärme produzieren müssen die Kosten unter 1.500,- € pro installierten kW Leistung drücken, um wirtschaftlich interessant zu werden.

> Handwerksmeister Rolf Renken sieht in der Brennstoffzellentechnik eine große Marktchance für sich. „Ich schrecke vor nichts zurück.“ Dank seines Knowhows sowohl in Hydraulik als auch in Elektrik (er ist Kombi-Meister im Elektro- sowie Sanitär-, Heizungs- und Klimahandwerk) schüttelt er über seine Kollegen den Kopf: „Die haben schon Probleme einen Brennwertkessel zu installieren.“ <

> Einer Studie zufolge kann mit der Markteinführung von Brennstoffzellen zur häuslichen Energieversorgung im Jahre 2011 und einer Marktdurchdringung im Jahre 2016 gerechnet werden. Allerdings nicht im Einfamilienhausbereich, hier gibt es kaum eine wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeit! < 

ð diebrenstoffzelle.de

   Die praktische Erprobung von Wasserstoff zum Antrieb für Kraftfahrzeuge (mittels Brennstoffzelle und Elektromotor) wird seit 2003 in Berlin von großen Mineralölkonzernen durchgeführt. Die Klärung von technischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Fragen zum Einsatz der Technologie soll dadurch vorangetrieben werden. Der voraussichtliche Investitionsbedarf von 2007 bis 2020 für den Aufbau der entsprechenden Infrastruktur (Herstellung, Transport und Tankstellennetz) beträgt ca. 43 – 100 Milliarden Euro; je nachdem, ob 50% oder 100% des Wasserstoffs aus erneuerbaren Primärenergiequellen produziert würden. Die Umstellung heutiger Versorgungsstrukturen wird,    aus technischen- und Kostengründen, noch mehrere Jahrzehnte dauern. Die Brennstoffzelle gilt als Schlüsseltechnologie für eine zukünftige Energiewirtschaft auf Wasserstoffbasis.

Talente und ewige Exoten

Originaltext aus Energieberatungs-Flyer / Modernisierungsstrategien
der Verbraucherzentrale Hamburg 2008:

"Seit Jahren ist zu hören, dass die Brennstoffzelle zur gleichzeitigen verbrennungsfreien Erzeugung von Wärme und Strom im Einfamilienhaus unmittelbar vor der Serienreife stünde. Prototypen und erste Kleinserien haben das bisher jedoch nicht bestätigen können. Während Großanlagen seit etlichen Jahren funktionieren, gelingt es bislang nicht, diese Technik auch im kleinen Maßstab wirtschaftlich darzustellen. Daher sollten Sie auf das viel versprechende Einfamilienhaus-Gerät nicht warten. Vielleicht wird das Ihre übernächste Heizung?"

"Gleiches gilt für Blockheizkraftwerke, die ebenfalls gleichzeitig Wärme und Strom erzeugen. Sie sind in größeren Leistungsklassen bewährt und dort ökologisch wie ökonomisch empfehlenswert. In zahlreichen Mehrfamilienhäusern und in den Versorgungsnetzen von Stadtwerken  werden diese Geräte daher schon seit vielen Jahren eingesetzt. Ein Gerät mit genügend kleiner Leistung und niedrigen Investitionskosten für das Einfamilienhaus gibt es jedoch derzeit noch nicht in Serienreife, wenngleich einige Firmen an der Entwicklung arbeiten."