Wärmeerzeugung

Arten und Funktionsweisen

Bei der Planung einer Anlage zur Versorgung eines Gebäudes mit Heizwärme und Warmwasser ist es essenziell, sich für einen geeigneten Wärmeerzeuger zu entscheiden und dabei Aufstellflächen sowie ggf. Möglichkeiten zur Brennstofflagerung zu berücksichtigen. Planerinnen und Planer können heutzutage auf eine Vielzahl an unterschiedlichen Technologien zurückgreifen. Neue Anlagen sollten möglichst ohne den Einsatz von fossilen Brennstoffen geplant werden – diese sind nicht nur klimaschädlich, sondern werden auch stetig teurer. Gerade in Bestandsgebäude jedoch finden sich häufig noch Heizkessel, die mit fossilen Energieträgern wie Gas oder Öl betrieben werden. Sie werden hinsichtlich ihrer Energieeffizienz unterschieden in Standardkessel, Niedertemperaturkessel und Brennwertkessel, wobei Brennwertkessel die höchste Effizienz mit bis zu 98 Prozent besitzen. Verbrennungsvorgänge können auch mit Biomasse betrieben werden, etwa mit Holz (Pellets, Scheitholz, Hackschnitzel) oder mit Biogas.  

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Bei der gleichzeitigen Produktion von Wärme und Strom spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Dieses Prinzip wird in großen Kraftwerken angewandt, wobei die Wärme über Fernwärmeleitungen zu den Häusern gelangt und der Strom ins öffentliche Netz eingespeist wird. Mittels Blockheizkraftwerken (BHKW) ist KWK auch im Maßstab eines Quartiers bis zum Einfamilienhaus möglich. Die größte Bedeutung im Gebäudesektor kommt heute der Wärmepumpe zu, die die Wärmeenergie aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser nutzt. Auch aus Sonnenstrahlen kann Wärme gewonnen werden, und zwar über Solarthermie. Geräte, die die haustechnischen Aufgaben Heizen, Lüften, Kühlen und Warmwasserbereitung übernehmen, werden als Integralsystem, Kombigerät, Komplettsystem oder Zentralgerät bezeichnet.

Wärmepumpen

Wärmepumpen sind Wärmeerzeuger, die die Wärmeenergie aus der Umwelt (Luft, Erdreich, Grundwasser) bei mitunter relativ niedriger Temperatur aufnehmen und mittels Energiezufuhr und Kompression auf ein höheres, im Gebäude nutzbares Temperaturniveau anheben. Auch Prozesswärme aus Abwasser und Abluft (etwa aus Kühlanlagen oder Lüftungsanlagen) kann genutzt werden. Das Prinzip von Wärmepumpen ähnelt dem eines Kühlschranks, mit Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil, mit dem Unterschied, dass nicht die Kälte, sondern die Wärme aus dem Wärmepumpenkreislauf nutzbar gemacht wird. Manche Wärmepumpen können auch so eingestellt werden, dass sie kühlen, wobei sie dann als „reversible“ Wärmepumpe bezeichnet werden. Wärmepumpen sind heutiger Stand der Technik. Ihr Einbau wird vom Staat gefördert, um die Wärmewende voranzutreiben und die vereinbarten Klimaziele zu erreichen.

Standard- und Konstanttemperaturkessel

In konventionellen Heizkesseln wird die in den Brennstoffen Gas oder Öl gespeicherte Energie durch Verbrennung in thermische Energie umgewandelt. Damit das in den Brennstoffen gebundene Wasser im Gerät nicht kondensiert und dieses dauerhaft beschädigt, werden Standardkessel mit konstanter Kesseltemperatur von 70 bis 90 °C betrieben. Daraus ergeben sich im Vergleich zu anderen Wärmesystemen hohe Abgas- und Wärmeabstrahlverluste. Aus diesem Grund und weil es bessere Systeme gibt, sollten und dürfen Standardkessel heute nicht mehr eingesetzt werden.

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Niedertemperaturkessel

Niedertemperaturkessel (auch NT-Kessel) sind eine Weiterentwicklung der Konstanttemperaturkessel. Sie eignen sich für die Verbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen, in der Regel Heizöl oder Gas. Im Unterschied zum Konstanttemperaturkessel passen Niedertemperaturkessel ihre Leistung an die Außentemperatur und den aktuellen Temperaturbedarf des Gebäudes an. Somit liegt die Vorlauftemperatur in der Regel zwischen 35 und 75 °C. Da dabei auch Wasser aus den Abgasen kondensieren könnte, bestehen NT-Kessel aus nicht korrodierenden Materialien. Sie eignen sich für herkömmliche Heizkörper ebenso wie für Flächenheizungen. Da NT-Kessel mit niedrigeren Temperaturen arbeiten als Standardkessel sind sie effizienter und umweltfreundlicher. Ihr Wirkungsgrad liegt in der Regel zwischen 85 und 90 Prozent.

Brennwertkessel

Die Funktionsweise von Brennwertkesseln ist zunächst vergleichbar mit der von konventionellen Kesseln. Zusätzlich nutzen sie jedoch die Kondensationswärme des Wasserdampfes im Abgas und bieten damit eine höchstmögliche Brennstoffausnutzung. Brennwertkessel können temperaturveränderlich zwischen (theoretischer) Raumtemperatur und maximal bis zu 80 °C betrieben werden. Die wirtschaftlichste Ausnutzung erzielen sie bei Außentemperaturen zwischen +10 °C und -5 °C, also bei einer Anlagenauslastung zwischen dreißig und achtzig Prozent. Je nach Brennstoff wird zwischen Öl- und Gasbrennwertkesseln sowie Festbrennstoffkesseln unterschieden. Obwohl die Brennwerttechnologie die in den Energieträgern vorhandene Energie optimal umsetzt und sie damit eine effiziente Art der Wärmeerzeugung darstellt, gibt es gerade für den Wohnungsbau mittlerweile effizientere, umwelt- und klimafreundlichere und damit sinnvollere Technologien, wie etwa die Wärmepumpe.

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Festbrennstoffkessel

Das Spektrum an Wärmeerzeugern für Festbrennstoffe ist groß. Es reicht vom Kohleofen über offene Kaminöfen für Wohnräume bis zum modernen Holzkessel mit automatischer Beschickung. Festbrennstoffkessel eignen sich zur Verbrennung von Koks, Stein- und Braunkohle, Briketts, Holz, Hackschnitzeln, Pellets, Stroh und Ähnlichem. Durch ihren im Vergleich zu Öl- und Gasheizungen höheren Wartungsaufwand und geringeren Bedienkomfort trifft man sie dennoch eher selten an. Eine Ausnahme bilden moderne Holzheiz-, Holzvergaser- und Holzhackschnitzelkessel, die über eine gute Leistungsregelung verfügen und hohe Wirkungsgrade erzielen. Festbrennstoffkessel in einem zentralen Heizsystem sind meist mit einem Pufferspeicher verbunden, der überschüssige Wärme aus den Verbrennungsvorgängen zwischenspeichern kann.

Pelletkessel sind Zentralheizungskessel für das Beheizen gesamter Gebäude sowie für die Warmwasserbereitung. Durch das automatische Beschicken mit industriell gefertigten und normierten Holzpellets unterscheiden sie sich im Komfort kaum von konventionellen Öl- und Gaskesseln. Mit Pelletkesseln lassen sich alle wasserführenden Wärmeabgabesysteme wie Radiatoren, Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen betreiben. Holzpellets gelten als umweltfreundliche, weil nachwachsende Alternative zu fossilen Ressourcen wie Gas oder Öl. Die Primärenergiebilanz ist tatsächlich aber nur dann gut, wenn das Holz aus nachhaltig bewirtschafteten Wäldern stammt. Außerdem gilt es zu bedenken, dass das Pellet-Holz von Bäumen stammt, die beim Wachstum zwar Kohlendioxid gebunden haben, dieses CO₂ aus den Jahrzehnten des Wachstums jedoch binnen Minuten wieder freigesetzt wird.

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Kaminöfen werden überwiegend mit Holz betrieben. Durch den unvollständigen Verbrennungsprozess ist der Schadstoffausstoß jedoch relativ hoch. Obwohl sie hohe Wärmeleistungen erbringen können (wofür sie allerdings regelmäßig bestücket werden müssten), werden herkömmliche Kamine eher aus Gründen der Behaglichkeit und Wohnatmosphäre verwendet. Moderne, wasserführende Kamine mit Wärmetauscher hingegen können an die bestehende Heizungsanlage angeschlossen werden und so die Grundlast etwa eines Einfamilienhauses decken. Im Einzelfall kann es sogar sinnvoll sein, den Kamin als alleinige Wärmequelle zu nutzen. Er sollte jedoch immer mit einem Pufferspeicher kombiniert werden, der die Wärmeenergie des nicht permanent betriebenen Kaminofens für einen späteren Zeitpunkt verfügbar macht. Noch effizienter wird das System mit einem Abgaswärmetauscher, der die im Abgas enthaltene Wärme zurückgewinnt und ebenfalls dem Heizkreislauf zuführt.

Kraft-Wärme-Kopplung

Als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird die gleichzeitige Gewinnung von Strom und Wärme (elektrische und thermische Energie) für Heizung und Warmwasser bezeichnet. Je nach eingesetztem Rohstoff sowie der gewählten Technik zur Energieerzeugung kann die KWK zu den erneuerbaren Energien gezählt werden. Verglichen mit der getrennten Produktion von Strom und Wärme ermöglicht die Gleichzeitigkeit im KWK eine Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie. Damit ist die KWK-Technologie ein wichtiger Baustein der Energieversorgung in der Energiewende.

Es werden drei verschiedene Techniken unterschieden:

Heizkraftwerke
Im Gegensatz zu Heizwerken, die ausschließlich Wärme erzeugen, liefert ein Heizkraftwerk auch elektrische Energie in Form von Strom. Die Wärmeerzeugung erfolgt wie bei einem thermischen Kraftwerk durch Verbrennung fossiler oder biogener Brennstoffe, durch Verbrennung von Abfall, durch einen Kernreaktor oder auch durch die Sonne. Mit dieser Wärme wird heißer Dampf erzeugt, der eine Turbine antreibt, die wiederum elektrische Energie erzeugt. Dabei kühlt der Dampf ab, weist aber immer noch Temperaturen zwischen 50 und 100 °C auf. Diese Abwärmeenergie wird weiterhin genutzt und zum Beispiel in ein Fernwärmenetz eingespeist. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung liegt bei etwa 30 bis 35 Prozent, der eines reinen Kraftwerks bei etwa 40 Prozent. Der Anteil der Wärmeauskopplung beträgt rund 35 Prozent. Damit erreichen Heizkraftwerke einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 80 Prozent, moderne Anlagen erreichen sogar Nutzungsgrade von 85 Prozent und mehr.

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Blockheizkraftwerke
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind kleine, kompakte Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, die Strom und Wärme vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs erzeugen. Als Antrieb kommen Diesel- und Gas-Ottomotoren, aber auch Stirlingmotoren zum Einsatz. Umweltfreundliche BHKWs werden mit regenerativen Brennstoffen wie Biogas, Pflanzenöl, Holzhackschnitzel oder Holzpellets betrieben. Die Abwärme der Motoren entweicht nicht ungenutzt, sondern wird zu Heizzwecken und/oder für die Warmwasserbereitung verwendet. Auf diese Weise lassen sich bis zu 40 Prozent der eingesetzten Primärenergie einsparen. Blockheizkraftwerke gibt es in verschiedenen Ausführungen. Große Anlagen eignen sich für die Strom- und Wärmeversorgung z.B. einer Schule oder eines Krankenhauses, kleinere, die sogenannten Mini- oder Mikro-BHKW, für die Versorgung von Ein- und kleinen Mehrfamilienhäusern.

Brennstoffzellen
Bei einer Brennstoffzelle wird Strom auf elektrochemischem Weg aus dem Energieträger Wasserstoff gewonnen. Durch eine „kalte Verbrennung“ von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser entstehen Strom und Wärme, die ausgekoppelt und im Gebäude genutzt werden können. Moderne Anlagen können den Wasserstoff selbsttätig aus Erdgas gewinnen, wobei Methan und Wasser unter Hitze zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid reagieren. Das CO₂ wird dabei in der Regel allerdings in die Atmosphäre abgegeben, was ungünstig für Umwelt und Klima ist. Neueste Technologien hingegen wandeln Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff um. Für die Beheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern wird die Brennstoffzellentechnologie noch wenig eingesetzt, in Zukunft kann sie jedoch eine wichtige Rolle als Mini-Kraftwerk im Keller spielen, vor allem vor dem Hintergrund der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ des Bundes.

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Solarthermie

Thermische Solaranlagen verwandeln die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme, die zur Trinkwassererwärmung und/oder zur Heizungsunterstützung verwendet werden kann. Als alleinige Heizung reicht sie in mitteleuropäischen Breitengraden in der Regel nicht aus (siehe auch Beitrag Solarthermie). Solarthermieanlagen befinden sich meist auf dem Dach und sollten möglichst günstig in Richtung der Sonne ausgerichtet und nicht von Bäumen oder anderen Gebäude verschattet sein. Da die Sonne unterschiedlich stark scheint, müssen Pufferspeicher (etwa als Warmwasserspeicher) eingeplant werden.

Komplettsysteme

Bei Komplettsystemen sind Wärmeerzeugung und Lüftung gekoppelt; es können auch Kühlung und Warmwasserbereitung integriert werden. Als Wärmequelle dienen die Außenluft, Geothermie, Grundwasser, die Sonne oder andere Wärmequellen im Umfeld. In Komplettsystemen sind alle Wärmeerzeuger und -verbraucher miteinander gekoppelt, sodass die Energieflüsse effizient gesteuert werden können, um möglichst wenig Primärenergie zu verbrauchen. Die Steuerung des Gesamtsystems erfolgt über ein digitales Managementsystem. Welche Geräte eingesetzt werden können, entscheiden die individuellen Anforderungen und örtlichen Gegebenheiten. Die Planung gemeinsam mit Fachleuten der Gebäudetechnik ist daher unerlässlich.

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