Heizung, Warmwasserbereitung und Kühlung mit erneuerbaren Energien

Die Gebäudetechnik dient dazu, für die BewohnerInnen kontinuierlich einen hohen Komfort sicherzustellen. Da hocheffiziente Gebäude nur noch eine sehr geringe Heiz- und gegebenenfalls Kühllast aufweisen, können Heiz- und Kühltechnik deutlich einfacher ausgeführt werden als bei bisherigen Standardgebäuden. Insofern ist im Bereich der Gebäudetechnik in den nächsten zehn Jahren mit deutlichen Paradigmenwechseln zu rechnen. Darüber hinaus werden zusätzliche Anforderungen an die Technik von morgen gestellt, weil die planerische Systemgrenze nicht mehr am Übergabepunkt für den Energieträger an der Gebäudegrenze liegt, sondern Gebäude und Versorgungsnetz in einem wechselseitigen Austausch stehen.

Je nach Lage und Einbindung des Gebäudes kann für die Wahl des Heizsystems neben den gebäudeeigenen Aspekten also auch die Einbindung in das Smart Grid einen wesentlichen Entscheidungsaspekt bieten. In der Folge wird eine Auswahl von Heizsystemen dargestellt, mit Anmerkungen zu ihren Besonderheiten bei der Anwendung in Plus-Energie-Gebäuden.

Wärmepumpen

(Lernfeld Grundlagen Wärmepumpen): Das Stromnetz wird durch die Einbindung der erneuerbaren Energien in Zukunft eine nochmals höhere Bedeutung erlangen als bisher. Wärmepumpen stellen eine Effizienztechnik dar und können mittels Strom bei einer Arbeitszahl von etwa 3 bis deutlich über 4 Wärme bereitstellen, die aus der Umgebung des Gebäudes entnommen wird. Wärmepumpen weisen bei hocheffizienten Gebäuden den Vorteil auf, dass mit kleinen Leistungen und niedrigen Temperaturniveaus hoher Komfort mit einfacher Technik ohne hohen Wartungsaufwand bereitgestellt werden kann. Wärmepumpensysteme können im Rahmen des Smart Grids dazu genutzt werden, Lastmanagement zu betreiben, weil die hohe thermische Trägheit des Gebäudes es ermöglicht, die Aggregate nach Erfordernissen des Versorgungsnetzes zu regeln. In Verbindung mit eher kleinen Speichern kann dieser Effekt noch deutlich erhöht werden.

Die Warmwasserbereitung stellt bei Wärmepumpen einen gewissen Schwachpunkt dar, da ein erhöhtes Temperaturniveau erreicht werden muss, welches zu einer ungünstigeren Arbeitszahl führt. Als Gegenaspekt ist allerdings anzuführen, dass in Verbindung mit PV‑Anlagen das System eine hervorragende indirekte Solarnutzung ermöglicht, mit Ausnahme weniger Wintermonate, und mithin zusätzliche Solarthermieanlagen erübrigt. Während Solarthermie zur Warmwasserbereitung Wärmegestehungskosten von 12 bis über 25 Cent/kWh aufweist, kann mit diesem System bei PV-Kosten von 15 bis 20 Cent/kWh Wärme für 4 bis 6 Cent/kWh bereitgestellt werden (diese Berechnung bezieht sich auf die Situation in Deutschland).

Flächenheizsysteme mit Wärmepumpen können darüber hinaus mit minimalem Zusatzaufwand zur Kühlung genutzt werden.

Von der Kostenseite her ist in den nächsten Jahren mit deutlichen Einsparungen zu rechnen, weil einfache kleine Systeme für Passivhäuser auf den Markt kommen, die in einer breitenwirksamen Fertigung deutliche Kostensprünge nach unten ermöglichen. Mittelfristig ist davon auszugehen, dass Synergien zwischen Heiz- und Haushaltstechnik genutzt werden und das Heizsystem dadurch zur kostengünstigen Weißen Ware wird.

Biomassekessel

(Lernfeld Grundlagen Biomasseheizungen): Das Heizen mit Biomasse stellt eine hervorragende Form der erneuerbaren Wärmegewinnung dar und ist für viele Gebäudeformen sinnvoll anwendbar. Es ist allerdings zu bedenken, dass die nachhaltig verfügbare Biomasse bei weitem nicht ausreicht, den heutigen Bestand zu heizen. Zudem gibt es zahlreiche konkurrierende Nutzungen für Biomasse, z. B. die Anwendung bei zentralen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zur Versorgung von Nah- und Fernwärmenetzen bis hin zum Biosprit und weiteren massenrelevanten Einsatzbereichen. Schließlich muss beachtet werden, dass insbesondere in verdichteten Gebieten die Emissionen der Heizanlagen in die Überlegungen einbezogen werden müssen.

BHKW/Kraft-Wärme-Kopplung für Nah- und Fernwärmesystem

(Lernfeld Blockheizkraftwerke): Der Vorteil von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) liegt in der hocheffizienten Brennstoffausnutzung im Vergleich zur konventionellen Energiewandlung mit Heizkesseln auf der Wärmeseite und üblichen Kraftwerken mit Primärenergiefaktoren von i. M. 1,3 für die Generierung von Strom. Die Technik ist einsetzbar in Mikro-BHKW für Mehrfamilienhäuser und Bürogebäude etc. sowie für Nah- und Fernwärmesysteme im großtechnischen Maßstab.

Bei sich deutlich verbessernden Kennwerten auf der Strom- und Wärmeseite, wie sie in den nächsten 10 bis 20 Jahren durch den hohen Einsatz erneuerbarer Energien zu erwarten sind, wird dieser Vorteil sukzessive nachlassen und sich bei den weniger effizienten Systemen aufgrund der hohen Anlagenverluste in das Gegenteil wenden. In der Konsequenz muss KWK also mittelfristig mit erneuerbaren Brennstoffen betrieben werden. Das gilt im kleintechnischen Maßstab ebenso wie bei Nah- und Fernwärmesystemen. Erneuerbare KWK kann einen konstruktiven Einfluss auf die Versorgungsstruktur ausüben. Das gilt insbesondere für Nah- und Fernwärmenetze in verdichteten Siedlungsstrukturen. Die Technik kann einerseits dazu genutzt werden, insbesondere in den zentralen Winter-Heizmonaten chemisch gebundene Energie in Wärme und Strom zu wandeln, um damit in der Gesamtbilanz den erhöhten Strombedarf für Wärmepumpen-Heizungen in der Fläche zu unterstützen. Grundsätzlich kann mit KWK darüber hinaus das Netz auch hinsichtlich des Lastmanagements stabilisiert werden und in diesem Sinn in die Smart-Grid-Regelung einbezogen werden.

Brennwertkessel

Kessel mit Brennwertnutzung bieten eine höchstmögliche Ausnutzung des jeweiligen Brennstoffs, seien es gasförmige oder flüssige Brennstoffe auf fossiler oder erneuerbarer Basis. Die fossilen Anwendungen werden in den nächsten Jahren sukzessive zurückgehen, sodass bei Entscheidungen für diese Technik überprüft werden muss, welcher Zeithorizont für die Investition sinnvoll ist. Inwieweit erneuerbare Brennstoffe wirtschaftlich zur Verfügung stehen, ist ebenfalls zu prüfen. Insbesondere im Gasbereich zeichnet sich ab, dass mittelfristig eher zentrale Gas-und-Dampf-Kraftwerke (GuD-Kraftwerke) zum Versorgungsmix beitragen werden, während die Gasversorgung in der Fläche bei kleinteiligen Gebäuden in 20 bis 30 Jahren möglicherweise zurückgebaut wird. Dort bietet sich – auch hinsichtlich der Regelungsoptionen im Smart Grid – deutlich die Wärmepumpentechnik an, sodass in diesen Gebieten nur noch eine monovalente Versorgung mit Strom aufrechterhalten werden muss.

Solarthermie

(Lernfeld Grundlagen Solarthermie und Solares Kühlen): Solarthermie ist die klassische regenerative Wärmetechnik und wird von engagierten PlanerInnen seit über 20 Jahren in ständig verfeinerter Form genutzt. Die Technik wird in vielen Anwendungsgebieten auch zukünftig breite Einsatzmöglichkeiten aufweisen. Dazu muss allerdings die Wirtschaftlichkeit der Anlagen in den nächsten Jahren deutlich erhöht werden. Anlagen zur Warmwasserbereitung weisen derzeit Kosten von 12 bis über 25 Cent pro bereitgestellter Kilowattstunde auf. Nur wenn Effizienzeffekte bei der Erneuerung von Anlagen gegengerechnet werden können, sieht die Wirtschaftlichkeit besser aus. Anlagen mit Heizungsunterstützung rechnen sich bei hocheffizienten Gebäuden zunehmend weniger, weil sich die Heizzeit bei Passivhäusern im Wesentlichen auf die Monate November bis Februar beschränkt, in denen die solare Ausbeute sehr gering ist. Daraus resultieren nochmals erhöhte spezifische Kosten für diesen Anlagentyp.

Werden in einem Gebäude Wärmepumpen eingesetzt, muss darüber hinaus beachtet werden, dass in Verbindung mit Photovoltaikanlagen die Wärme für 4 bis 6 Cent/kWh bereitgestellt werden kann, sodass durch die Kostenentwicklung bei PV-Anlagen der Solarthermie eine bedeutsame Konkurrenz erwachsen ist. Die Wärmepumpen-PV-Lösung hat darüber hinaus den Charme, Smart-Grid-Regelfunktionen übernehmen zu können.