Heizung und Kühlung


Die Heizung sorgt dafür, dass die Innentemperatur in Gebäuden auch bei niedrigen Außentemperaturen dem gewünschten Komfortniveau entspricht. Bei hohen Außentemperaturen dient die Klimatisierung zur entsprechenden Absenkung der Innentemperatur.

Die zentrale Heizungsanlage besteht im Wesentlichen aus dem Brennstofflager (Öltank, Gastank, Holzlager, Pelletspeicher), der Wärmeerzeugungsanlage (Heizkessel, Gastherme, Elektroheizstab), der Wärmeverteilung (Rohrnetz, Regelung), dem Wärmespeicher (Heißwassertank, Feststoffspeicher) und den eigentlichen Heizkörpern zur Wärmeabgabe an die zu beheizenden Räume (Fußbodenheizung, Radiatoren). Die Heizung dient meistens auch zur Warmwasserbereitung, die Brauchwasser in einem gut wärmegedämmten Speicher auf die gewünschte Temperatur bringt und für den Verbraucher bereithält. Neben der zentralen Heizung können alternativ oder zusätzlich auch separate Öfen oder andere Heizgeräte eingesetzt werden, um einzelne Räume oder Bereiche zeitweise oder vollständig zu beheizen. In der Übergangszeit und auch in der kalten Jahreszeit werden z.B. häufig Kachel- oder Kaminöfen genutzt, um die gewünschten Zimmertemperatur zu erreichen.

Es können auch rein elektrisch betriebene Heizanlagen zum Einsatz kommen. Dabei wird der elektrische Strom meistens über Widerstandsdrähte in Wärme umgewandelt und mit einem Gebläse in dem zu beheizenden Raum verteilt. Solche Anlagen wurden in der Zeit der ersten Energiekrise häufig als Nachtspeicherheizungen mit keramischem Wärmespeicher installiert. Es werden auch Infrarotheizkörper eingesetzt, die den elektrischen Strom in Niedertemperaturwärme umwandeln und die Wärme in Form von Infrarotstrahlung an die nähere Umgebung abgeben. Bei diesen Systemen kann auch der Solarstrom entweder direkt von den Kollektoren oder aus einem Stromspeicher zur Heizung verwendet werden.

Als weitere Heiztechniken können auch Blockheizkraftwerke eingesetzt werden, die gleichzeitig Strom und Wärme liefern.

Mit Wasserstoff oder anderen Gasen betriebene Hochtemperaturbrennstoffzellen können in ähnlicher Weise wie Blockheizkraftwerke gleichzeitig Wärme und Strom liefern. Derartige Anlagen sind noch in der Erprobungsphase.

Zur Wärmeerzeugung werden auch komplexere Verfahren eingesetzt, die unter bestimmten Voraussetzungen eine höhere Energieausbeute als die oben genannten monovalenten Verfahren aufweisen. Dazu gehören vor allem die Blockheizkraftwerke, die Strom und Wärme gleichzeitig produzieren. Diese Anlagen bestehen aus einem öl- oder gasbetriebenen Verbrennungsmotor, dessen Abwärme zur Heizung verwendet wird und der einen elektrischen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Blockheizkraftwerke sind besonders dort effizient, wo Strom im größeren Umfang benötigt wird und die dabei anfallende Wärme möglichst dauerhaft genutzt werden kann.

Brennstoffzellen sind eine moderne Form der Blockheizkraftwerke. Sie stellen aus Methan und Luft oder Wasserstoff und Sauerstoff Strom mit relativ hohem Wirkungsgrad her und geben dabei je nach Verfahren ihre Abwärme von 80 -800 °C zum Heizen frei.

Wärmepumpen nutzen die kostenlos verfügbare Energie der Luft, des Erdreichs oder des Wassers und bringen sie mithilfe von mechanischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau, mit dem die Heizung betrieben werden kann. Durch eine Umschaltung der Aggregate kann mit der gleichen Anlage die Wärme bei Zimmertemperatur aufgenommen und bei einer höheren Temperatur an die Umgebung abgegeben werden. Bei dieser Betriebsweise arbeitet die Wärmepumpe als Kühlmaschine und kann zur Klimatisierung der Wohnung eingesetzt werden.

Die speziellen Eigenschaften dieser Verfahren werden in den nachfolgenden Kapiteln ausführlicher beschrieben.

Solarwärme, die mit thermischen Kollektoren in der Regel auf dem Hausdach gewonnen wird, kann zur Unterstützung der Heizungsanlage benutzt werden und einen Teil der Energie für die Warmwasserbereitung und bei entsprechender Anlagengröße auch für die Heizung liefern. Die weitgehende Nutzung der Solarenergie für die Hausheizung wird vor allem durch die große Zeitdifferenz zwischen Sommer (mit dem hohem Energieangebot der Sonne) und Winter (mit dem großen Energiebedarf der Heizung) erschwert. Dazu sind entweder sehr große Kollektorflächen erforderlich, die auch im Winter genügend Sonnenenergie einfangen. Diese Kollektoren würden allerdings im Sommer sehr große Wärmemengen bereitstellen, für die es (in der Regel) keine Verwendung gibt. Bei einem kleinerem Kollektorfeld, das die gesamte im Jahr benötigte Wärmeenergie und keine Überschusswärme erzeugt, sind sehr große Wärmespeicher erforderlich, um die im Sommer eingefangene Sonnenwärme im Winter für die Heizung bereitzustellen. Sobald diese Speicher kostengünstig gebaut werden können, ist die Heizung mit Solarwärme oder wenigstens einem hohem Anteil davon realisierbar. Die Wärmespeicherung über einen längeren Zeitraum ist technisch zwar ohne große Schwierigkeiten realisierbar, aber die hohen Kosten des Speichers verhindern eine breite Anwendung. In der Regel wird die thermische Solaranlage auf den relativ gleichmäßigen Bedarf der Warmwasserbereitung ausgelegt, so dass die im Jahr solar erzeugte Wärme optimal genutzt werden kann und der Speicher nur kurze Zeiten überbrücken muss.

Wärmeerzeugung


Bild 1: Komponenten einer Heizung mit Heizöl (oder Gas), Kaminofen und Sonnenenergie
Quelle: Institut für Wärme und Öltechnik e.V.

Im Bild 1 sind die wesentlichen Komponenten zur Wärmeerzeugung am Beispiel einer Ölheizung dargestellt. Sie umfassen den Heizöltank, den Heizkessel und den Wärmespeicher die Solarkollektoranlage auf dem Dach und einen Kaminofen mit Wärmetauscher für die Wassererwärmung im Wärmespeicher. Bei der Gasfeuerung wird nur der Heizkessel durch eine Gastherme ersetzt und der Öltank entfällt. Bei einer Pelletheizung wird ein entsprechender Heizkessel für Pellets eingesetzt und der Öltank durch ein Pelletlager mit geeigneten Vorrichtungen für den Transport der Pellets zum Kessel ersetzt.

Wärmeverteilung
Die üblichen Heizungsanlagen verwenden Wasser als Wärmetransportmittel vom Heizkessel zu den Heizkörpern in den Wohnräumen. Die Struktur der Verrohrung wird bestimmt durch die Größe und Bauweise des Hauses, die Größe und Lage der einzelnen Räume sowie deren Wärmebedarf. Die Rohrleitungen sind meist in mehrere Stränge unterteilt, die von einer zentralen oder mehreren Umwälzpumpen beliefert werden. Zur Einstellung der für die Heizleistung benötigten Förderströme zu den einzelnen Heizkörpern bzw. Rohrbündeln der Fußbodenheizung ist ein hydraulischer Abgleich notwendig, bei dem die Strömungswiderstände an den Einlassventilen der Heizkörper so festgelegt werden, dass sich im gesamten Netz die erforderlichen Massenströme einstellen und alle Heizkörper mit der für den Auslegungsfall benötigten Wärme versorgt werden. Die Berechnung der Heizleistung und der Massenströme erfordert eine genaue Kenntnis der Bauweise des Gebäudes, der Verrohrungsanlage und der Leistungsdaten der Heizkörper. Der korrekte Abgleich kann den Energiebedarf der Heizung um 3-8 % verringern.(In Prospekten werden sogar 15 % Reduzierung genannt.) Für den hydraulischen Abgleich ist zwingend ein zertifizierter Fachmann einzuschalten, wenn KfW-Kredite oder Fördermaßnahmen genutzt werden.

Wärmespeicher
Für die Warmwasserbereitung wird ein Warmwasserspeicher eingesetzt, um ständig warmes Wasser vorrätig zu haben und die Heizanlage nicht bei jeder Entnahme von warmem Wasser einzuschalten. Durch die Aufheizung der für die Erwärmung des Wassers benötigten Anlagen würden erhebliche Anlaufverluste und evtl. auch Zeitverzögerungen entstehen, die mit einem dauerhaft erwärmten Wasserspeicher, der nur gelegentlich aufgeheizt wird, vermieden werden. Bei einer Solaranlage dient der Speicher zum Ausgleich der tageszeitlich oder längerfristig schwankenden Solarenergie und dem meist in den Abend- oder Morgenstunden auftretenden Warmwasserbedarf. Bei einem Warmwasserbedarf von 25 - 50 l pro Person und Tag hat sich für einen Zweipersonenhaushalt ein Speichervolumen von 250 -500 l und eine Kollektorfläche von 3-6 m² als günstig erwiesen. Wenn auch die Heizung solar unterstützt werden soll, sind deutlich größere Kollektorflächen und Speicher einzusetzen. Siehe Thema Solarwärme.

Wärmeabgabe in den Räumen
Die mit der Verrohrung angelieferte Wärme wird mit Heizkörpern, Radiatoren oder Fußbodenheizung an die Raumluft abgegeben. Die Heizkörper sind umso größer auszulegen je geringer der Temperaturunterschied zwischen dem Heizkörper und der Raumluft ist. Bei der Fußbodenheizung ist die Wärmeübertragungsfläche sehr groß und die erforderliche Temperaturdifferenz wird dadurch sehr klein. Sie ist daher besonders gut für die modernen Brennwertgeräte geeignet, da sie die Voraussetzungen schafft, um einen großen Teil der im Abgas enthaltenen Wasserdampfenergie zurückzugewinnen. Je niedriger die Temperatur der Arbeitsflüssigkeit in der Heizung (das ist in der Regel Wasser) ist, umso mehr kann von der im Abgas enthaltenen Kondensationswärme zurückgewonnen werden.

Auch die in den Räumen angebrachten Radiatoren können mit niedrigen Vorlauftemperaturen sinnvoll betrieben werden, wenn ihre Oberflächengröße dementsprechend für den Wärmebedarf der Räume ausgelegt wird. Zu bedenken ist, dass die Auslegung in der Regel für den kältesten Tag des Jahres erfolgt, die Heizung aber überwiegend bei geringeren Leistungen als der Auslegungsleistung für den kältesten Tag betrieben wird. Die weitaus längste Zeit kann die Heizung mit geringeren Temperaturen als den Auslegungsbedingungen betrieben werden. Dies ist bei der Einstellung der Betriebsparameter (Verbrennungstemperatur, Vorlauftemperatur, Regelcharakteristik) zu berücksichtigen. Die modernen Regeleinrichtungen sind in der Lage, eine Vielzahl von Parametern (Außentemperatur, Raumtemperatur, Tageszeit, Zeiten mit reduziertem Wärmbedarf) für die Regelung der optimalen Betriebsweise zu berücksichtigen. Die richtige Grundeinstellung ist daher sorgfältig vorzunehmen.

Öl- und Gasheizung

Die Wärmeerzeugung geschieht meist durch das Verbrennen von Kohlenwasserstoffen (Öl oder Gas) in Heizkesseln oder Gasthermen. Dabei entsteht hauptsächlich Kohlendioxid und Wasserdampf. Bei modernen Anlagen wird die Heizenergie bei niedrigen Temperaturen an die Fußbodenheizung oder z.T. auch an die Radiatoren verteilt. Dadurch kann ein Teil der Kondensationswärme des im Abgas vorhandenen Wasserdampfes zurückgewonnen werden. Für die modernen Heizkessel und Gasthermen ist somit der Brennwert (d.h. der obere Heizwert) die relevante Bezugsgröße. Bei Erdgas ist der Brennwert rund 11 %, bei trockenem Holz 8 % und bei Heizöl 6% höher als der bisher maßgebende (untere) Heizwert. Da Erdgas einen relativ hohen Wasserstoffanteil hat, ist die Brennwerttechnik bei Gasthermen besonders vorteilhaft. Das dabei anfallende Kondenswasser muss allerdings zusätzlich mit dem normalen Abwasser entsorgt werden.

Bei der Modernisierung von alten Heizkesseln ist daher zu prüfen, ob eine Umstellung von Öl- auf Gasfeuerung möglich ist. Wenn die Gasversorgung bereits in der Nähe des Haus vorhanden ist, ist die Umstellung auf Gas in der Regel wirtschaftlich sinnvoll. Die Energiekonzeptgruppe hat ein Computerprogramm entwickelt, mit dem die technischen und wirtschaftlichen Konsequenzen einer Gas- oder Ölfeuerung einschließlich der Nutzung von Solarenergie ermittelt werden können. Bild 2 zeigt den Vergleich der Betriebskosten von Öl- und Gasthermenheizung für unterschiedliche Wärmedämmung des Hauses.

Die Solarenergie wird mit Flach- oder Röhrenkollektoren auf dem Dach des Hauses gewonnen und an den Warmwasserspeicher abgegeben. Zusätzlich kann ein Kamin- oder ein Kachelofen (eventuell mit einem Wärmetauscher zur Wassererwärmung) eingesetzt werden. Weiterhin können auch elektrisch betriebene Heizgeräte und Feststoffspeicher zum Einsatz kommen. Zur Brauchwassererwärmung kann ebenfalls ein elektrischer Heizstab eingesetzt werden, der im Warmwasserspeicher untergebracht ist. Die elektrischen Heizelemente können auch von einer Solarstromanlage gespeist werden. Das ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Einspeisevergütung sehr niedrig und der Öl-oder Gaspreis sehr hoch ist und gleichzeitig Wärme benötigt wird. Ein Liter Öl hat einen Brennwert von rund 10 kWh und gibt je nach Betriebszustand, zum Beispiel bei Teillast, nur 5 kWh Wärmeenergie an das Wasser ab. Wenn der Öl-oder Gaspreis (pro Liter bzw. pro m³) mehr als 5-mal so hoch ist wie der Strompreis (pro kWh), kann es daher wirtschaftlich vorteilhaft sein, Strom zur Warmwassererwärmung einzusetzen. Diese Bedingung ist z.B. bei einer Einspeisevergütung von 16 ct/kWh und einem Ölpreis von mehr als 80 ct/l erfüllt.


Bild 2: Betriebskosten von Heizungssystemen bei unterschiedlicher Wärmedämmung

Wärmepumpen für Heizung und Warmwasserbereitung 

Der Begriff Wärmepumpe umfasst eine Vielzahl von Typen, deren Funktionsweisen auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen. In diesem Kapitel werden ausschließlich Kompressionswärmepumpen für die Gewinnung von Heizungswärme und zur Bereitstellung von Warmwasser in Wohngebäuden behandelt. Diese Wärmepumpen nutzen die in der Umwelt enthaltene Wärmeenergie als Wärmequelle und heben sie auf ein höheres Temperaturniveau. Als Umwelt gelten Außenluft, Oberflächenwasser, Grundwasser und Erdreich. Die Wärmepumpe arbeitet wie ein Kühlschrank, der mit einem Verdampfer im Kühlschrank dem Kühlgut bei niedriger Temperatur Wärme entzieht und diese bei höherer Temperatur über den Kondensator auf der Rückseite des Kühlschranks an die Umgebung, z. B. die Küche, abgibt. Wie der Kühlschrank so braucht auch die Wärmepumpe Strom zum Antrieb des Kompressors, der das Arbeitsmittel vom niedrigen Druck im Verdampfer auf den höheren Druck im Kondensator verdichtet. Die Energie der Wärmequelle und die Energie des Stroms ergeben zusammen die an die Heizung abgegebene Wärmeenergie.

Die Wärmepumpe kann man auch als Umkehrung der Arbeitsweise einer Wärmekraftmaschine, z. B. einer Dampfturbine verstehen. Im thermodynamischen Zustandsdiagramm werden die Prozessschritte einer Arbeitsmaschine im Uhrzeigersinn (rechtslaufend) durchgeführt. Bei der Wärmepumpe werden sie in umgekehrter Richtung, entgegen dem Uhrzeigersinn (linkslaufend) absolviert. Beide Prozesse unterliegen dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Danach wird der maximale thermodynamische Wirkungsgrad der Energieumwandlung von Wärme in mechanische Arbeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Energiezufuhr und Energieabfuhr und der maximalen Temperatur bei der Energiezufuhr bestimmt. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der erzeugten mechanischen Arbeit zur dafür eingesetzten Wärmemenge. Beim umgekehrten Prozess gibt die Leistungszahl das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge zu der dafür aufgewendeten mechanischen Arbeit an. Im idealen Fall entspricht die Leistungszahl der Wärmepumpe dem Kehrwert des thermodynamischen Wirkungsgrads einer Wärmekraftmaschine. Daraus folgt, dass die mechanische Energiezufuhr bzw. elektrische Arbeit für eine bestimmte Wärmemenge umso kleiner ausfällt, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmeempfänger und die maximale Temperatur im System sind. Die Leistungszahl kennzeichnet somit die Effizienz einer Wärmepumpe. In der Praxis ist sie etwa halb so groß wie die theoretische Leistungszahl, die bei idealen Bedingungen (optimalen Arbeitsmitteln, verlustfreien Maschinen und Wärmeübergängen ohne Temperaturverluste) möglich ist.

Die Wärmepumpen arbeiten daher besonders effizient, wenn die Wärmequelle bzw. die Wärmezufuhr eine möglichst hohe Temperatur hat und die Wärme bei möglichst geringer Temperatur an das Heizsystem abgegeben wird. Das heißt, die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizsystem und der Wärmequelle sollte möglichst klein sein. Das Erdreich hat im oberflächennahen Bereich von 2 bis 200 m Tiefe eine nahezu konstante Temperatur, die etwa der Jahresmitteltemperatur der Umgebungsluft entspricht. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Erdreich und dem Wärmeträger (bzw. dem Arbeitsmittel des Sole-Kreislaufs), der die Wärme vom Erdreich zur Wärmepumpe transportiert, wird sowohl durch die von den geologischen Eigenschaften abhängige Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs und die der Erdsonde als auch durch die Wärmeentzugsleistung der Wärmepumpe bestimmt. Sie beträgt bei sinnvoll ausgelegten Systemen etwa 3 bis 7 °C. Für den Wärmeentzug sind zwei verschiedene Anordnungen möglich: a) horizontal in 1 bis 3 m Tiefe eingebrachte Wärmetauscher (Erdkollektor) und b) vertikal bis in Tiefen von 50 bis über 200 m eingebrachte Wärmetauscher (Erdsonde). Im praktischen Betrieb haben sich die Erdsonden als dauerhaft günstigere Lösung gegenüber den Erdkollektoren durchgesetzt.
Bei der Fußbodenheizung wie auch bei anderen modernen Flächenheizungen ist die Wärmeübertragungsfläche relativ groß und die Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur deshalb relativ klein. Dieses Heizsystem kann daher mit einer relativ niedrigen Vorlauftemperatur (das ist die maximale Temperatur, bei der die Wärmepumpe ihre Wärme an den Heizungskreislauf abgibt) und einer entsprechend hohen Leistungszahl betrieben werden. Damit bieten Erdsonden und Fußbodenheizungen in Kombination die besten Voraussetzungen für eine effiziente Wärmepumpe zur Heizung von Wohnungen.

Funktionsweise
Bei der Wärmepumpe nimmt der Verdampfer die Wärme aus der Umwelt und gibt sie über den Verflüssiger an das Heizsystem ab. Das Arbeitsmittel durchläuft dabei einen aus Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung bestehenden Kreisprozess. In Anlehnung an den Einsatz bei Kühlaggregaten und wegen der niedrigen Prozesstemperaturen wird das Arbeitsmittel der Wärmepumpe auch Kältemittel genannt. Im Verdampfer nimmt das Arbeitsmittel die Wärme aus der Umgebung auf und ändert durch die Wärmezufuhr bei niedrigem Druck seinen Zustand von flüssig zu gasförmig. Da die Temperatur des Umweltmediums, das die Wärme an die Wärmepumpe liefert, höher ist als die (vom Druck abhängige) Siedetemperatur des Arbeitsmittels, erfolgt eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle (dem Umweltmedium) auf das Arbeitsmittel, das dadurch (im Verdampfer) ganz oder teilweise verdampft. Das nun gasförmige Arbeitsmittel wird von einem Kompressor aus dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet. Dadurch nimmt der Druck sehr stark zu und die Temperatur des Dampfes steigt über die Vorlauftemperatur der Heizung. Vom Verdichter gelangt der komprimierte Dampf des Arbeitsmittels zum Kondensator, der vom Wasserkreislauf des Heizungssystems gekühlt wird. Da die Temperatur des Wassers im Heizungssystem niedriger ist als die Temperatur des Arbeitsmittels im Kondensator, gibt das Arbeitsmittel seine Kondensationswärme bei hohem Druck an den Heizungskreislauf ab und verflüssigt sich wieder. Die im Verdampfer aus der Umgebung aufgenommene Wärmeenergie zuzüglich der elektrischen Antriebsenergie des Kompressors wird bei der Verflüssigung freigesetzt und an das warme Wasser des Heizungssystems abgegeben. An einem Expansionsventil wird das noch unter hohem Druck stehende flüssige Arbeitsmittel auf den niedrigen Anfangsdruck und die niedrigere Anfangstemperatur gebracht. Danach gelangt es wieder zurück in den Verdampfer und der Kreislauf beginnt von neuem.
Im Bild 1 sind die einzelnen Komponenten der Wärmepumpe bildlich dargestellt.


Bild 1 aus Broschüre „Energiesparen durch Wärmepumpen“
Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg


Betriebsweisen
Je nach Einsatzbedingungen können Wärmepumpen auf unterschiedliche Weise betrieben werden.
Monovalenter Betrieb: Die Wärmepumpe ist der alleinige Wärmeerzeuger. Diese Betriebsart empfiehlt sich bei relativ konstanten Bedingungen z. B. bei Wärmepumpen mit Grundwassernutzung oder Erdsonden.
Bivalenter Betrieb: Die Wärmepumpe deckt den Wärmebedarf nicht allein und es wird bedarfsweise ein zweiter Wärmeerzeuger z. B. eine Gastherme oder ein Ölheizkessel zugeschaltet. Diese Betriebsart ist bei stark schwankenden Leistungsanforderungen empfehlenswert. Die Wärmepumpe kann dann besser auf einen effizienten Betriebsbereich hin ausgelegt werden und muss nicht mit extremen und stark wechselnden Spitzenlasten fertig werden. Bei temperaturbedingten Spitzenlasten (d. h. wenn die Temperaturen der Wärmequelle und/oder des Heizungskreislaufs stark schwanken) würde die Wärmepumpe einerseits deutlich teurer und andererseits auch noch erheblich ineffizienter.
Monoenergetischer Betrieb: In diesem Fall wird der zweite Wärmeerzeuger (z.B. ein elektrisch betriebener Heizstab oder Durchlauferhitzer) mit der gleichen Energieart versorgt elektrisch angetriebene) Wärmepumpe.
Multienergetischer Betrieb: Bei dieser Betriebsweise werden die Wärmepumpe und die zusätzlichen Wärmeerzeuger durch unterschiedliche Energieträger versorgt.

Wärmepumpentypen
Je nach Wärmequelle wird zwischen Luft-, Wasser- und Erdreich-Wärmepumpe unterschieden. Letztere nutzt Sole als Wärmeträger zwischen Wärmequelle und Wärmepumpe; sie wird daher auch als Sole-Wärmepumpe bezeichnet. Einen Sonderfall der Luft-Wärmepumpe stellt die Rückgewinnung der in der Gebäudeabluft enthaltenen Wärme mittels Wärmepumpe dar.
Die Luft-Wärmepumpenanlage besteht aus einer Außeneinheit, die auch die Erschließung der Wärmequelle Luft übernimmt und einer Inneneinheit. Da die Temperatur der Außenluft als Wärmequelle während der Heizperiode zwischen -25°C und 18°C liegen kann, hat dieser Wärmepumpentyp Leistungszahlen zwischen 0,9 und 4,0. Entsprechend niedrig ist die damit erreichbare Jahresarbeitszahl für den ganzjährigen Heizbetrieb. Sie liegt zwischen 2,0 und 3,5. Bei niedrigen Außentemperaturen muss die Außeneinheit der Luft-Wärmepumpe durch Wärmezufuhr vor Eisbildung geschützt werden. Das führt zu Verlusten, die mit abnehmender Außentemperatur größer werden, da bei sehr niedrigen Temperaturen die Außeneinheit intensiv elektrisch beheizt werden muss. Diese Verluste führen zu einem höheren Stromverbrauch, was die niedrigere Jahresarbeitszahl im Vergleich zur Erdsonden-Wärmepumpe erklärt. In der Regel ist auch noch ein zusätzlicher Wärmeerzeuger, z.B. ein Holzofen oder eine Elektrozusatzheizung, nötig. Wegen der Außenaufstellung erfordert die Luft-Wärmepumpe einen höheren Wartungsaufwand, um insbesondere den Betrieb bei niedrigen Temperaturen zu gewährleisten.
Die Temperatur des Grundwassers als Wärmequelle und der Sole in Erdsonden als Wärmeträger weist im Jahresverlauf nur sehr geringe Schwankungen auf. Sie liegt bei 8 bis 12°C. Damit ergeben sich für Wasser-Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen von 5 bis über 6.Wegen der günstigen geologischen Verhältnisse in Daisendorf ist der Betrieb von Erdsonden-Wärmepumpe hier besonders wirtschaftlich. Die Bohrung für die Erdsonde beansprucht zudem weniger als 1 m² Grundstücksfläche. Ihre Anlagenkomponenten sind nicht der Witterung ausgesetzt und damit nahezu wartungsfrei.
Erdkollektor-Wärmepumpenanlagen kommen wegen ihres hohen Flächenbedarfs und der umfangreichen Erdarbeiten selten zum Einsatz. Genügend große, flächig ausgebreitete Erdkollektoren im 1 bis 2 m tiefen Erdreich liefern Sole-Temperaturen zwischen 0 und 10°C, womit Jahresarbeitszahlen von 4 bis 5 erzielt werden können. Sie werden auch wegen der möglichen Beeinträchtigung der Wachstumsbedingungen in der Gartenanlage nicht sehr geschätzt.
Die Begriffe Leistungszahl und Jahresarbeitszahl zur Kennzeichnung der Effizienz einer Wärmepumpe sind im folgenden Kapitel Wirtschaftlichkeit näher erläutert.

Wirtschaftlichkeit
Damit eine Wärmpumpe wirtschaftlich arbeiten kann, sollte der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur des Heizungssystems möglichst niedrig sein, was bei Fußbodenheizungen in der Regel der Fall ist. Ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Leistungszahl (in der Fachliteratur auch COP genannt). Sie gibt das Verhältnis der von der Wärmepumpe abgegebnen Leistung zur aufgenommenen (meist) elektrischen Leistung in einem bestimmten Betriebspunkt dar. Da sowohl Wärmequellentemperatur als auch Heizungsvorlauftemperatur sich im Jahresverlauf ständig ändern, wird zur Bestimmung der Effizienz für das gesamte Jahr der Begriff Jahresarbeitszahl verwendet. Er ist definiert als das Verhältnis der in einem Jahr von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmemenge zur aufgenommenen elektrischen Arbeit. . Die Jahresarbeitszahl sollte möglichst über 5 liegen, das heißt, mit einer kWh Strom sollten mehr als 5 kWh Wärme erzeugt werden. Die Strommenge von 5 kWh entspricht etwa dem Energieinhalt von 0,5 Liter Heizöl oder 0,5 m³ Erdgas.
Bei einer korrekt ausgelegten Erdsonden-Wärmepumpenanlage liegt die Jahresarbeitszahl in Daisendorf sogar zwischen 5,5 und 6,2.Bei einem Strompreis von 22,5 Ct/kWh (Wärmepumpen-Stromtarif) kann mit der Erdsonden-Wärmpumpe bei einer Jahresarbeitszahl von 6,0 Wärme zum Preis von 3,8 Ct/kWh erzeugt werden. Wenn dieselbe Wärmemenge mit einer modernen Gastherme erzeugt wird, kostet sie bei einem Gaspreis von 61 Ct/m³ etwa 6,1 Ct/kWh. Bei einer ölbefeuerten Heizungsanlage können die Kosten je nach Wirkungsgrad der Ölfeuerung (der in der Regel deutlich kleiner ist als bei einer Gastherme) und Ölpreis noch deutlich höher sein.

Besonders wirtschaftlich kann der Betrieb einer Wärmepumpe in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage sein, da die Gestehungskosten für den selbst erzeugten Strom bei ca. 9 Ct/kWh liegen und die damit erzeugte Wärme (bei einer Jahresarbeitszahl von 6) nur 1,5 Ct/kWh kostet. Durch den höheren Eigenverbrauch des selbst erzeugten Stroms, der sich beim Betrieb der Wärmepumpe einstellt, reduzieren sich die Kosten für den wesentlich teureren Strom aus dem Netz. Bei der Nutzung von selbst erzeugten Solarstrom kann in den meisten Fällen auf den Wärmepumpen-Stromtarif und damit auch auf die Installation eines separaten, vom Netzbetreiber installierten kostenpflichtigen Zählers verzichtet werden, da der selbst erzeugte Strom deutlich günstiger als der aus dem Netz bezogene Strom ist. Es entfällt dann auch die jährliche Zählergebühr für diesen Zähler. Die Grundgebühr für den Stromzähler der Wärmepumpe ist oft höher als die Einsparungen durch den Wärmepumpen-Tarif.

CO2-Bilanz
Auch die CO2-Bilanz wird durch die Wärmepumpe günstig beeinflusst. Bei der Erzeugung von 1 kWh Strom werden in Deutschland im Mittel 2,6 kWh fossile Energie benötigt. Das führt zu einer spezifischen CO2-Emission von 535 g pro kWh Strom (Stand 2015). Eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 5 macht aus 1 kWh Strom 5 kWh Heizwärme. Für die Erzeugung der gleichen Menge Wärme werden in einer modernen Brennwert-Gastherme rund 0,5 m³ Gas benötigt, die bei ihrer Verbrennung 1 250 g CO2 freisetzen. Die Wärmepumpe hat damit trotz des Bezugs von Netzstrom, der zum Teil aus fossilen Energieträgern erzeugt wurde, deutlich geringere (bei der Erdsonden-Wärmepumpe fast ein Drittel) CO2-Emissionen als die direkte Wärmeerzeugung durch Verbrennung mit Gas oder Heizöl. Bei Verwendung von selbst erzeugtem Solarstrom kann die Reduzierung der CO2-Emissionen je nach Anteil des PV-Stroms bzw. Größe der Photovoltaikanlage sogar 70 bis 80 % betragen.

Förderung
Die Installation von Wärmepumpen wird vom Staat über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) nach den Richtlinien vom Januar 2017 bezuschusst, aber nur dann, wenn bestimmte Effizienzanforderungen erfüllt werden. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen muss für die Basisförderung von 1 500 € die Jahresarbeitszahl (JAZ) mindestens 3,5 betragen, was nur durch Zusatzheizung mit erneuerbaren Energien oder in einem recht gut gedämmten Niedrigenergiehaus erreichbar ist. Bei Sole/Wasser-Wärmepumpen, zu denen die Erdsonden-Wärmepumpen gehören, muss die JAZ für die Basisförderung mindestens 3,8 betragen. Dieser Wert wird bei gut geplanten Anlagen auch ohne Zusatzheizung leicht erreicht. Bei Sole/Wasser-Wärmepumpen beträgt die Basisförderung pauschal 4 500 €.
Bei einer Jahresarbeitszahl von mindestens 4,5 wird im Gebäudebestand eine zusätzliche Innovationsförderung von 2 250 € gewährt. Darüber hinaus wird für die Neuanschaffung eines mit der Wärmepumpe verbundenen Warmwasserspeichers ein Zuschuss von 500 € gewährt, wenn der Speicherinhalt mindestens 30 Liter pro kW Wärmeleistung der Wärmepumpe beträgt. Der insgesamt mögliche Förderbetrag bei der Installation einer Erd-Wärmepumpe steigt damit von 6 750 € auf 7 250 €. Detaillierte Informationen zur den Förderbedingungen sind unter www.bafa.de erhältlich.
Detaillierte Informationen sind unter www.bafa.de erhältlich.

Vergleich von Luft- und Erdsonden-Wärmepumpe mit Brennwert-Gastherme
In der folgenden Tabelle sind zum Vergleich die Investitions- und Betriebskosten sowie die CO2-Emissionen von Luft- und Erdsonden-Wärmepumpen-Heizanlagen mit einer Leistung von ca. 8 kW für ein Wohngebäude mit einem Wärmebedarf von 24 000 kWh/a einander gegenübergestellt. In einer weiteren Spalte sind die entsprechenden Werte einer Brennwert-Gastherme aufgeführt. Die Energiekosten berücksichtigen die Preise von 2017.

Luft-
Wärmepumpe
JAZ=3,5

Erdsonden-
Wärmepumpe
JAZ=6,0

Brennwert-
Gastherme
Eta=100%

Investitionskosten

13 000 – 15 000 €

19 000 – 22 000 €

9 000 – 10 000 €

BAFA-Förderung (Neubau / Bestand)

1 500 / 2 250 €

4 500 / 6 750 €

BAFA-Zusatzförderung

500 €

500 €

Effektive Investitionskosten (Neubau)
(Bestand)

11 000 – 13 000 €
10 250 – 12 250 €

14 000 – 17 000 €
11 750 – 14 750 €

9 000 – 10 000 €
 

Strom- / Gasbedarf

6 171 kWh

4 000 kWh

360 / 24 000 kWh

Strombedarf Zusatzheizung

540 €

0

0

Grundgebühren

95 €

95 €

150 €

Gaskosten

1464 €

Wartungskosten

300 €

100 €

350 €

Summe Betriebskosten

2 324 €

1 095 €

2 064 €

CO2-Emission

4 586 kg

2 140 kg

6090 kg

Amortisation der Mehrkosten der Erdsonden-Wärmepumpe im Vergleich zur Brennwert-Gastherme nach Jahren

5,2 – 7,2 (Neubau)
2,8 – 4,9 (Bestand)

Amortisation der Mehrkosten der Erdsonden-Wärmepumpe im Vergleich zur Luft-Wärmepumpe nach Jahren

2,4 – 3,4 (Neubau)
1,2 – 2,0 (Bestand)


Wärmepumpenbetrieb mit PV- Strom
Wenn die im obigen Beispiel genannte Wärmepumpenheizung mit Solarstrom, z.B. aus der eigenen PV-Dachanlage betrieben wird, ist der Einspareffekt bei den Energiekosten noch größer und der CO2-Ausstoß wesentlich geringer. Erfahrungsgemäß kann man davon ausgehen, dass trotz der geringeren Sonneneinstrahlung in der Heizperiode bei einer PV-Anlage mit einer Leistung von 5 kWp ca. 25 % des jährlichen Strombedarfs der Wärmepumpe durch den selbsterzeugten PV-Strom gedeckt werden. Im obigen Beispiel würden von den insgesamt 4 000 kWh für die Wärmepumpe 1 000 kWh/a von der eigenen PV-Anlage geliefert werden. Damit reduzieren sich die Kosten für den (zum Preis von 22,5 Ct/kWh aus dem Netz bezogenen Strom der Wärmepumpe um 225 €/a auf 675 €/a. Zusätzlich sind jedoch die Stromgestehungskosten für die 1 000 kWh des selbst erzeugten PV-Stroms zu berücksichtigen. Diese betragen bei einem Stromgestehungspreis von 9 Cent/kWh 90 €/a. Die gesamte Heizwärme wird damit von der Wärmepumpe für 765 €/a bereitgestellt. Da der von der PV-Anlage erzeugte Solarstrom einen Teil des teuren Netzstroms für den Haushalt ersetzt und der verbleibende Überschuss gegen eine feste Vergütung, die über den Produktionskosten liegt, ins Netz eingespeist wird, sind mit der Kombination von PV-Anlage und Wärmepumpe deutliche Energiekosteneinsparungen gegenüber dem vollständigen Strombezug aus dem Netz möglich.

Im o.g. Beispielhaus ist eine PV-Dachanlage mit einer Leistung von 5 kWp eine sinnvolle Größe. Sie benötigt eine Dachfläche von ca. 35 m². Bei einem mittleren jährlichen Stromertrag von 1 050 kWh/kWp, den die Daisendorfer PV-Anlagen aufweisen, produziert diese Anlage pro Jahr 5 250 kWh Strom. Damit ergeben sich bei den aktuellen Kosten der PV-Anlage Stromgestehungskosten von etwa 9 Ct/kWh.
Davon werden etwa 1 000 kWh für die Wärmepumpe genutzt und ersparen 270 €/a für den sonst benötigten Netzstrom. Weitere 1 000 kWh, die im Haushalt genutzt werden, ersparen nochmals 270 €/a. Der Rest von 3 250 kWh wird für 0,123 €/kWh ins Netz eingespeist und erbringt Einnahmen von 400 €/a. Die gesamten Einsparungen beim Netzstrom und die Einspeisevergütung für den restlichen PV-Strom betragen damit 940 €/a.
Nach Abzug der Gestehungskosten für den PV-Strom in Höhe von 473 € ergibt sich ein Überschuss von 467 €/a, der sich in 25 Jahren auf 11 675 € anhäuft. Dieser Überschuss vergrößert sich bei jeder Strompreiserhöhung entsprechend. Bei einem (eher niedrig angenommenen) Anstieg des Strompreises von 2% pro Jahr ergibt sich nach 25 Jahren Betriebsdauer der PV-Anlage ein kumulierter Überschuss von insgesamt 14 958 €. Die Anschaffungskosten für die 5 kWp-Anlage betragen dagegen nur rund 7 500 €.

Weitere Informationen zum Betrieb von Photovoltaikanlagen und deren Wirtschaftlichkeit sind im Themenbereich Solarstrom zu finden.





Blockheizkraftwerk

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugt mit einem thermodynamischen Prozess elektrische Energie und nutzt auch die dabei prozessbedingt anfallende Abwärme. Dieses Prinzip wird Kraft-Wärme-Kopplung genannt. Die Leistung eines BHKW ist deutlich kleiner als die eines Heizkraftwerks (HKW), das nach dem gleichen Prinzip arbeitet und einen größeren Bereich versorgt. Beim BHKW werden meistens Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen verwendet, während beim HKW in der Regel Dampf- und/oder Gasturbinen eingesetzt werden.

Mit dem Verbrennungsmotor wird die chemische Energie des Kraftstoffs in Wärme und mechanische Energie umgewandelt. Die mechanische Energie wird in einem Generator in elektrischen Strom umgewandelt. Wärme und Strom werden an entsprechende Verbraucher weitergegeben. Zum Antrieb des Generators können Diesel-, Pflanzenöl-und Gasmotoren üblicher Bauart aber auch Stirlingmotoren verwendet werden. Anstatt der Motor-Generator Einheit können auch Brennstoffzellen verwendet werden, die ebenfalls Strom und Wärme gleichzeitig produzieren. Die Auswahl der Anlagentechnik wird durch die Verfügbarkeit der Kraftstoffe, die technischen und ökologischen Eigenschaften der Maschinen und die wirtschaftlichen Randbedingungen bestimmt.

Der höhere Gesamtnutzungsgrad des BHKW in Bezug auf die Primärenergie gegenüber der herkömmlichen Kombination von lokaler Heizung und zentralem Kraftwerk ergibt sich daraus, dass die bei der Stromerzeugung anfallende Abwärme beim BHKW nicht an die Umgebung abgegeben sondern für Heizzwecke ebenfalls genutzt wird. Der Wirkungsgrad für die Stromerzeugung allein liegt dabei je nach Technik und Anlagengröße zwischen 25 und 40 %. Die dabei anfallende Verlustwärme in Höhe von 60 - 75 % der eingesetzten Energie kann nicht vollständig aber zu 70 - 85 % für Niedertemperatur-Anwendungen (Heizung, Warmwasserbereitung) genutzt werden. Bei guter Auskopplung der Abwärme kann ein Gesamtnutzungsgrad in Bezug auf den Brennwert der eingesetzten Energie von 80 % bis 90 % erreicht werden. Ein BHKW liefert somit neben der elektrischen Energie noch einmal die gleiche oder gar die doppelte Energiemenge als Niedertemperaturwärme. Gegenüber der reinen Stromerzeugung werden die Energieverluste und damit auch die CO2-Emissionen deutlich verringert. Wenn der elektrische Strom jedoch nicht als hochwertige Energie sondern auch zu Heizzwecken verwendet wird, liefert ein BHKW nicht mehr sondern weniger Heizenergie als ein guter Brennwertkessel.


Bild 1: Schema eines Blockheizkraftwerks
Quelle: Viessmann

BHKW-Module für Ein- und Mehrfamilienhäuser haben elektrische Leistungen von 1 - 50 kW. Unter 50 kW spricht man auch von Mini-Kraft-Wärme-Kopplung (Mini-KWK), unter 15 kW von Mikro-KWK und bei weniger als 2,5  kW von Nano-BHKW. Heizkraftwerke (HKW) haben typischerweise elektrische Leistungen von einigen hundert MW.

Die Vorteile des BHKW ergeben sich nur, wenn Strom und Wärme im anlagebedingten Verhältnis gleichzeitig verwendet werden. Zum Ausgleich von kurzzeitigen Schwankungen können sowohl auf der Strom- als auch auf der Wärmeseite Speicher eingesetzt werden. Das Verhältnis von Strom zu Wärme kann in gewissem Umfang durch die Laststufe und Betriebsparameter regelungstechnisch verändert werden.

Die Leistung des BHKW kann entweder nach dem Strombedarf (stromgeführt) oder nach dem Wärmebedarf (wärmegeführt) geregelt werden. Naturgemäß ist die Regelung umso flexibler zu gestalten, je stärker Strom- und Wärmebedarf schwanken. Wenn Strom- und Wärmebedarf nicht im richtigen Verhältnis zueinander stehen, sind zusätzliche Maßnahmen zum Ausgleich der Strom- und/oder Wärmemengen notwendig. Die einfachsten Möglichkeiten dazu sind die Abfuhr der überschüssigen Wärme mit geeigneten Kühleinrichtungen an die Umgebung und/oder die Einspeisung des überschüssigen Stroms in das öffentliche Netz bzw. der Bezug des fehlenden Stroms aus dem Netz.

Die Voraussetzungen für einen sinnvollen Einsatz des BHKW sind bei einem Ein- oder Mehrfamilienhaus selten gegeben. Die Leistungen und die Einsatzzeiten sind in der Regel nicht für den wirtschaftlichen Einsatz eines BHKW geeignet. Im Sommer ist der Wärmebedarf bei normalem Strombedarf sehr gering und im Winter ist der Wärmebedarf bei normalem Strombedarf sehr groß. Im Sommer kann daher beim stromgeführten Betrieb die anfallende Wärme nicht sinnvoll genutzt (oder effizient gespeichert) werden und im Winter muss bei wärmegeführtem Betrieb der überschüssige Strom zu derzeit ungünstigen Konditionen an das Netz abgegeben werden. Gemäß dem neuen Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWK-G) werden ab 01.01.2016 für die Netzeinspeisung von BHKW-Strom aus Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis 50 kW eine Vergütung von 8,0 Ct/kWh und ein Zuschlag von 4,0 Ct/kWh für den selbstgenutzten Stromanteil gezahlt.

Auch die Anforderungen an die Leistungen der wärme- und stromerzeugenden Anlagenteile sind im Sommer und Winter sehr unterschiedlich. Ein normales Einfamilienhaus benötigt z.B. an einem kalten Tag im Winter eine Wärmeleistung von 15 kW. Bei einem typischen BHKW gehört dazu eine Stromleistung von 7-8 kW, die in der Regel deutlich über den Bedarf eines Einfamilienhauses hinausgeht. Auch im Sommer sind die Leistungen sowohl bei der Stromerzeugung als auch bei der Wärmeerzeugung um ein Mehrfaches größer als der Bedarf. Die BHKW Anlage ist daher fast immer stark überdimensioniert und dementsprechend die meiste Zeit nicht sinnvoll ausgelastet. Das führt zu relativ hohen Investitionen und unwirtschaftlichen Abschreibungskosten. Auch die Energiebilanz wird durch den lange anhaltenden Teillastbetrieb ungünstig beeinflusst, da die optimalen Auslegungs- und Betriebsparameter nur selten erreicht werden.

Für den wirtschaftlichen bzw. energetisch sinnvollen Einsatz eines BHKW sind genaue Kenntnisse der zeitlichen Verläufe des Strom- und Wärmebedarfs unerlässlich. Auch die Möglichkeiten zur Verwendung der überschüssigen bzw. zum Bezug der fehlenden Wärme- und Strommengen sind sorgfältig zu analysieren. Erst dann kann eine sinnvolle Dimensionierung der einzelnen Anlagenteile erfolgen, die als Grundlage für die Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnungen erforderlich ist.

Ein besonderer Gesichtspunkt für den Einsatz eines BHKW ist die Sicherstellung der Stromversorgung unabhängig vom öffentlichen Netz. Dieser Punkt kann bei entlegenen Einsatzorten und hohen Kosten für den Netzanschluss oder beim Streben nach größtmöglicher Unabhängigkeit (Autarkie) zum Tragen kommen. Auch besondere Bedingungen bei der Energiebereitstellung z.B. Biomassevergasung können den Einsatz eines BHKW empfehlenswert machen, wenn genügend Abnehmer für den Strom und die Wärme in sinnvoller Entfernung vorhanden sind.

Weitere Informationen zur Auslegung, Planung und Wirtschaftlichkeit von BHKW-Anlagen sind im Internet an vielen Stellen verfügbar. Besonders interessant sind die Seiten des BHKW-Infozentrum Rastatt und die Veröffentlichungen des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle zu den Förderrichtlinien (BAFA). Die Anforderungen der BAFA an die Primärenergieeinsparung von 15 % bzw. 20 % und an den Gesamtnutzungsgrad von 85 % sind jedoch so hoch, dass sie bei einem Ein-oder Mehrfamilienhaus nur in seltenen Fällen erfüllt werden können (s. www.bafa.de/bafa/de/energie/kraft_waerme_kopplung/mini_kwk_anlagen/ (01.01.2015).

„Um die Planung einer BHKW-Anlage zu vereinfachen, wurde vom VDI-GET -Fachausschuß Verbrennungskraftmaschinen (VKMA) eine Richtlinie erarbeitet, in der die Erkenntnisse und Erfahrungen aus den bisherigen BHKW-Planungen festgehalten und formalisiert wurden. In dieser VDI-Richtlinie 3985‚ Grundsätze für Planung, Ausführung und Abnahme von Kraft-Wärme-Kopplung mit Verbrennungskraftmaschinen‘ werden die drei Phasen Planung, Ausführung und Inbetriebnahme definiert, ausführlich beschrieben und Anweisungen für deren Ausführung und Verlauf gegeben. Um Fehlauslegungen zu vermeiden, schreibt diese Richtlinie neben der Erstellung von Tagesganglinien auch die Berücksichtigung zukünftiger energiewirtschaftlicher Änderungen, wie z. B. die verstärkte Nutzung rationeller Energietechniken, im Umfeld der Anlage vor. Wesentliches zur Wirtschaftlichkeitsberechnung von BHKW-Anlagen können der
VDI-Richtlinie 2067 (neu) entnommen werden.“ Siehe: www.bhkw-infozentrum.de (15.10.2015).

Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, bei dem die chemische Energie eines Gases (seltener Flüssigkeit) mithilfe von Sauerstoff in elektrische Energie und Wärme umgewandelt wird. Die direkte Energiewandlung der Brennstoffzelle unterliegt nicht wie die Verbrennungskraftmaschinen der Begrenzung des Wirkungsgrades. Die Brennstoffzellen können daher theoretisch höhere Wirkungsgrade erreichen als die Wärmekraftmaschinen. Am ertragreichsten sind die Brennstoffzellen, bei denen Wasserstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden, wobei Energie in Form von Strom und Wärme freigesetzt wird.

Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse, in dem die beiden Elektroden (Anode und Kathode), der Elektrolyt und die für Ionen halbdurchlässige Membran untergebracht sind. Wasserstoff wird auf der Anodenseite und Sauerstoff auf der Kathodenseite zugeführt. Bei der Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle wandern die positiven Wasserstoff-Ionen durch die Membran auf die Sauerstoffseite und reagieren mit den negativen Sauerstoffionen zu Wasser. Die negativen Elektronen wandern durch den äußeren Stromleiter von der Anode zur Kathode und können von einem elektrischen Verbraucher als Stromlieferanten genutzt werden. Der überschüssige Wasserstoff wird auf der Anodenseite und das erzeugte Wasser auf der Kathodenseite abgeführt. An der Anode wird der Wasserstoff durch Elektronenabgabe oxidiert und an der Kathode wird der Sauerstoff durch Wasserstoff- und Elektronenaufnahme zu Wasser oxidiert. Die Elektroden (Anode und Kathode) sind zur Beschleunigung der Reaktionen mit einem Katalysator (z.B. Platin) beschichtet. Als Elektrolyt werden je nach Funktionsprinzip Kalilauge, Phosphorsäure, Polymere oder Oxidkeramiken verwendet.



Bild 1: Schema einer Brennstoffzelle
Quelle: Wikipedia

Allein für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gibt es eine Vielzahl verschiedener Bauformen und einen weiten Bereich der Betriebstemperaturen, der sich von 10 °C bis 1000 °C erstreckt. Die elektrischen Leistungen liegen zwischen 10 W und 100 MW und die entsprechenden Wirkungsgrade zwischen 35 und 60 %. Für den stationären Betrieb werden in der Regel Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) bei Betriebstemperaturen von 60-90 °C verwendet. Die theoretische Spannung einer Zelle beträgt 1,23 V. In der Praxis werden jedoch deutlich niedrigere Werte (0,5–1,0 V) erreicht. Für höhere Spannungen werden entsprechend viele Zellen in Reihe geschaltet.

Beim Einsatz der Brennstoffzelle in der Gebäudeheizung stehen als Brennstoff in der Regel nur Erdgas oder Biogas zur Verfügung stehen. Das darin enthaltene Methan muss in einem vorgeschalteten Reformer zu Wasserstoff reformiert werden. Der Sauerstoff kann dagegen direkt aus der Luft entnommen werden. Dadurch steigt die Komplexität der Anlage und der Wirkungsgrad sinkt etwas ab. Da die Wärmegewinnung bei dieser Anwendung vorrangig ist, wird die Brenstoffzelle wärmegeführt betrieben, d.h. dem Wärmebedarf entsprechend geregelt. Der erzeugte Strom wird direkt im Haushalt verbraucht und bei Überschuss gegen Vergütung ins Netz eingespeist. Die Brennstofzellen-Heizung ist somit ein BHKW, das nahezu geräuschlos ohne Kraft-Wärme-Umwandlung arbeitet.

Die Brennstoffzellenanlagen arbeiten am besten bei konstanten Betriebsbedingungen. Beim Lastwechsel und vor allem beim Anfahren und Ausschalten leiden die Elektroden und der Wartungsaufwand der Anlage steigt. Auch die Umgebungsbedingungen wie z.B. die Luftfeuchtigkeit können sich u.U. negativ auf die Funktion oder Lebensdauer der Anlage auswirken. Die Vorteile des einfachen mechanischen Aufbaus und desguten Wirkungsgrades können sich nicht voll auswirken, da Materialveränderungen und instationäre (instabile Betriebszustände?) Betriebsbedingungen Probleme bereiten, die noch nicht befriedigend gelöst sind.

Die Anlagen für den Einsatz im Ein- oder Mehrfamilienhaus befinden sich noch im Entwicklungsstadium und sind im praktischen Dauerbetrieb wenig erprobt. Da noch keine Großserien gefertigt werden, sind die Preise noch relativ hoch. Über Zuverlässigkeit und Wartungsaufwand können noch keine sicheren Angaben gemacht werden.

Der Einsatz von Brennstoffzellen im privaten Hausbereich ist derzeit nur unter besonderen Bedingungen (technisch-wissenschaftliches Interesse, spezielle Erprobungsziele) sinnvoll.

Klimatisierung

Die Klimatisierung ist derzeit in den privaten Haushalten noch nicht weit verbreitet. Mit den steigenden Temperaturen infolge des Klimawandels wird die Bedeutung der Klimatisierung auch für die privaten Wohnungen in Deutschland ansteigen. Dabei können Einzelgeräte für die Klimatisierung einzelner Räume als auch zentrale Anlagen für das ganze Gebäude eingesetzt werden. Die Wärmepumpen können mit geringen Änderungen auch für den Einsatz als Kühlanlage ausgelegt werden. Bei der Verteilung der Kälteenergie in den Räumen sind die Umkehrung der Energieflussrichtung und die niedrigeren Temperaturdifferenzen gegenüber dem Betrieb als Heizungsanlage zu beachten.

Für die Kühlung kommen elektrisch angetriebene Kompressionskältemaschinen oder thermisch betriebene Absorptionskälteanlagen in Betracht. Die entsprechenden Verfahren sind seit langem bekannt und in vielen Anwendungen erprobt. Die speziellen Anlagen für den Einsatz im privaten Wohnungsbereich in Deutschland sind noch Sonderanfertigungen und nicht als Großserienanlagen am Markt verfügbar.