Erneuerbare Energien in der Gebäudetechnik

Während die Nachfrage nach Energie weltweit immer weiter zunimmt, gehen die Ressourcen an den fossilen Energieträgern Erdgas, Erdöl und Kohle absehbar dem Ende zu. Bei der Verbrennung dieser Rohstoffe entstehen zudem schädliche Emissionen wie das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂), einem Hauptverursacher der globalen Erwärmung und somit des Klimawandels. Um die anhaltende Umweltbelastung durch die klimaschädlichen Emissionen sowie die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern einzudämmen, bedarf es einer nachhaltigen Energieversorgung durch erneuerbare Energien. Im Gegensatz zur Endlichkeit der fossilen Brennstoffe stehen sie in unerschöpflicher Menge zur Verfügung und sind außerdem weitestgehend frei von schädlichen Emissionen. Zu den erneuerbaren bzw. regenerativen Energien zählen Solarenergie, Geothermie, Bioenergie, Windenergie und Wasserkraft.

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Im sogenannten Klimaschutzgesetz hat die deutsche Bundesregierung das Ziel der Treibhausgasneutralität bis 2045 verankert. Die Europäische Union will laut des 2019 vorgestellten Konzepts des European Green Deal bis 2050 als erster Kontinent klimaneutral sein. Dem Bausektor und dem Gebäudebestand kommt bei der Energiewende eine zentrale Rolle zu. Die Verteilung des Endenergieverbrauchs wird vom Umweltbundesamt auf die Sektoren Industrie, Haushalte, Gewerbe/Handel/Dienstleistungen (GHD) und Verkehr ermittelt (siehe Bild 7). Mit 670 Terrawattstunden pro Jahr verbrauchen die privaten Haushalte am meisten Energie. Dabei entfallen rund siebzig Prozent des Endenergieverbrauchs auf die Raumwärme. Es gibt jedoch inzwischen eine Reihe von Technologien, die erneuerbare Energieträger in Gebäuden zur Stromerzeugung, Heizung, Trinkwassererwärmung und Kühlung einsetzen.

Nutzung von Solarenergie

• Photovoltaikanlagen (Solarzellen): Mit Solarzellen lässt sich aus der Sonnenenergie Strom erzeugen, der im Gebäude vielfältig genutzt werden kann, etwa zur Warmwasserbereitung oder für verschiedene Geräte. Auch eine Wärmepumpe kann damit betrieben werden. Die Speicherung von Strom kann in Akkus bzw. Batterien erfolgen. Auch die Einspeisung überschüssigen Stroms ins öffentliche Stromnetz ist möglich.
• Solarthermieanlagen (Solarkollektoren): Solarthermieanlagen nutzen die Wärmeenergie der Sonneneinstrahlung direkt. Diese kann im Gebäude für die Heizung und Warmwasserbereitung verwendet werden. Die Speicherung erfolgt in sogenannten Pufferspeichern, die meist Wasser als Speichermedium haben.

• Luft/Wasser-Wärmepumpen: Diese Anlagen bestehen aus mindestens zwei Geräten. In der Inneneinheit befindet sich in der Regel die eigentliche Wärmepumpe. Die Außeneinheit entzieht durch einen ventilatorbetriebenen Wärmetauscher der Außenluft Wärmeenergie und übergibt diese an eine Transportflüssigkeit, die sie zur Inneneinheit transportiert. Die Nutzung erfolgt für Heizung, Warmwasserbereitung sowie (je nach Gerät) Kühlung.
• Luft/Luft-Wärmepumpen: Nach demselben Prinzip entzieht diese Wärmepumpenart der Außenluft die Wärmeenergie, entnimmt diese jedoch auch der Abluft aus den Räumen (im Winterbetrieb). Insofern ist die Luft/Luft-Wärmepumpe keine „echte“ Wärmepumpe, da sie nicht über einen Kältemittelkreislauf verfügt, sondern immer Teil einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung ist. Die Nutzung erfolgt hauptsächlich für die Raumklimatisierung.

• Sole/Wasser-Wärmepumpen: Diese Wärmepumpenart gewinnt die Umweltenergie aus dem Boden, entweder über Erdwärmesonden (Tiefenbohrung) oder über Erdwärmekollektoren (Flächenkollektoren). Der Vorteil etwa gegenüber der Nutzung der Außenluft ist, dass die Wärme aus dem Erdreich wesentlich konstanter in der Temperatur ist und immer über dem Gefrierpunkt liegt. Damit kann eine Wärmepumpe effizienter betrieben werden. Wie alle Wärmpumpen können Sole/Wasser-Wärmepumpen für Heizung, Warmwasser und Kühlung genutzt werden.
• Wasser/Wasser-Wärmepumpen (Grundwasserbrunnen): Ähnlich wie die Sole/Wasser-Wärmepumpen nutzen die Wasser/Wasser-Wärmepumpen die Umweltenergie, die in der Erde steckt, jedoch hier die Energie aus dem Grundwasser. Dessen Temperatur ist ganzjährig konstant, weswegen diese Wärmepumpenart die effizienteste ist. Auch sie kann für Heizung, Warmwasser und Kühlung genutzt werden.

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Nutzung von Bioenergie

Aus biologischen Abfällen und Rohstoffen können Grundstoffe hergestellt werden, die transportfähig sind und im Gebäude wieder zur Heizung, Warmwasserbereitung oder auch Stromerzeugung eingesetzt werden können. Hergestellt werden:

• Biogene Feststoffe: Holzpellets, Hackschnitzel, Scheitholz
• Regenerative Brennstoffe: Biogas, Pflanzenöl, Hackschnitzel, Holzpellets
• Biogas

• Pelletheizungen, Pelletöfen, Hackschnitzelkessel, Scheitholzkessel, Kaminöfen
• Blockheizkraftwerken (etwa Mini- und Mikro-BHKWs)
• Brennstoffzellengeräte
• Gas-Wärmepumpen (findet heute nur noch selten Anwendung)

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Nutzung von Windenergie

• Windkraftanlagen (Windturbinen): Heute kennt man vorwiegend die großen Windräder, die in Einzelaufstellung oder als Windparks aufgestellt werden. Aber auch kleine, lokale Lösungen sind möglich, wenn auch in der Regel nur effizient, wenn das Windaufkommen hoch ist. Mit Windkraftanlagen lässt sich Strom erzeugen, der im Gebäude vielfältig genutzt werden kann.

• Wasserkraftwerke (Wasserturbinen): Mit der Kraft des Wassers lässt sich sehr zuverlässig Strom herstellen, da die Flüsse in der Regel konstant fließen. Es gibt große Anlagen (etwa in Verbindung mit Stauseen), aber auch kleine Lösungen für den Eigengebrauch sind machbar.

Ideale Rahmenbedingungen für die Nutzung regenerativer bzw. erneuerbarer Energien im Gebäude lassen sich durch bauliche Maßnahmen treffen. Diese auch als „passiv“ bezeichnete Maßnahmen sorgen dafür, dass der Energieverlust im Gebäude etwa durch Wärmeverluste oder Undichtigkeiten in der Außenhülle minimiert werden. Somit kann auch der Bedarf an erneuerbaren Energien reduziert werden. Auch eine intelligente, smarte Gebäudeautomation kann helfen, die (regenerativen) Energieströme im Gebäude bedarfsgenau bereitzustellen. So lassen sich schon heute Gebäude errichten, die (über das Jahr gerechnet) mehr Energie erzeugen, als sie zum Betrieb benötigen (Plusenergiehaus).

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