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Die neue Wärme

Informationen Amt24-Sachsen Redaktion

Mit der deutschen Wiedervereinigung hatten auch in Sachsen westliche Heizgewohnheiten Einzug gehalten: Heizöl und Erdgas anstelle von Braunkohle. Es war eines der Dinge, die den Fortschritt gegenüber den alten Verhältnissen am deutlichsten fühlbar machten.

Aber nun, 25 Jahre später, gelten andere Prämissen. Wir müssen wieder weg von diesen Energieträgern, an die wir uns doch gerade erst gewöhnt haben – hin zu solchen, die Zukunft haben und die möglichst ebenso leicht im Umgang sind.

Wir sind schon auf dem Weg. Der Heizölverbrauch zumindest sinkt permanent. Und alternative Methoden des Heizens und der Warmwasserbereitung, etwa durch die Verbrennung von Holzpellets, aber auch mittels Solarthermie und Wärmepumpe, erlebten in den vergangenen Jahren einen geradezu atemberaubenden Boom. Tatsächlich stellen sie auch die Zukunft dar – neben anderen Methoden. Hier stellen wir sie vor.

Wärme aus Biomasse

Seit Jahrtausenden gewinnen die Menschen Wärme aus der Verbrennung von Biomasse. Holz ist die bekannteste, aber wem der Sammelbegriff „Biomasse“ hierfür zu abstrakt und theoretisch erscheint, der sei daran erinnert, dass beispielsweise die Beduinen in Nordafrika seit jeher Fladen aus Kameldung verbrennen.

Was in der modernen Technologiegesellschaft zunächst überwunden schien, das kehrt im Zeitalter der erneuerbaren Energien unter anderem Vorzeichen zurück. Die Entwicklung beginnt im Kleinen: bei dem Eigenheimbesitzer, der sich gegen die steigenden Heizöl- und Erdgaskosten wehrt. Wer heute aufmerksamen Blickes über Land fährt, wird die großen Holzstapel neben vielen Häusern nicht übersehen. Und, wie nicht anders zu erwarten, sinkt mit steigendem Angebot an Anlagen die Übersicht für den Verbraucher. Die Sächsische Energieagentur (SAENA) berät zu allen Formen der Nutzung von Biomasse und ist Teil eines sachsenweiten Netzwerks zur Bioenergieberatung.

Die einfachste Art der Verbrennungsanlage ist ein Kamin oder Kaminofen, der die Wärme über die Oberfläche an die Raumluft abgibt. Manche Kaminöfen beheizen über Luftschächte gleich mehrere Räume. Es kann aber auch die Holzpelletheizung sein, die das ganze Haus einschließlich des Wassers erwärmt. Holzpellets sind wenige Zentimeter lange, dünne Holzpresslinge, die ohne chemische Bindemittel aus getrocknetem, naturbelassenem Restholz (Sägemehl, Hobelspäne, Waldrestholz) entstehen.

Heizanlagen, die Holzpellets und Scheitholz verbrennen, lassen sich im Keller aufstellen. Ausgerüstet mit automatischen Beschickungsanlagen, sind Pelletsheizungen fast genauso bequem wie eine Öl- oder Gasheizung. Die Pellets werden ähnlich wie Heizöl ein- bis zweimal im Jahr bestellt.

Wer seine Öl- oder Gasheizung zumindest wirksam unterstützen möchte, der kann auf den Kaminofen mit Wasserführung zurückgreifen. Er wird an die Zentralheizung angeschlossen.

Durch die heutige Verbrennungstechnik ist es möglich, die Biomasse mit höchsten Wirkungsgraden zu verbrennen – und dies mit geringstem Ausstoß von Schadstoffen, besonders von Feinstaub. Ganz wichtig ist aber, dass die Heizanlagen richtig an die Zahl und Größe der zu beheizenden Räume angepasst werden. Ebenso wichtig ist, dass Holz und Pellets vor der Verbrennung richtig gelagert werden, damit der Heizkostenvorteil nicht durch Umweltverschmutzung und Schäden an der Heizanlage zunichte gemacht wird. Feuchtes Holz lässt Schornsteine versotten.

Wichtig ist, dass Holz und Pellets vor der Verbrennung richtig gelagert werden

Für die Kosteneffizienz spielt verständlicherweise nicht nur die Anlage eine Rolle, sondern auch der Brennstoff. Nicht alle Brennstoffe sind überall gleich verfügbar und dementsprechend unterscheiden sich die Preise.

Doch es muss nicht bei der Einzellösung bleiben. Pelletsheizungen können beispielsweise zur Grundlage einer Nahwärmeversorgung für mehrere Häuser genutzt werden. Inzwischen gibt es dezentrale, mit Pflanzenöl oder Biogas betriebene Blockheizkraftwerke, die gleichermaßen auf die Erzeugung von Strom und Wärme ausgerichtet sind. Große Biomasseverbrennungsanlagen für Holz bzw. Holzreststoffe erhitzen das Wasser in Speisewasseranlagen, mit denen wiederum Dampfturbinen zur Stromerzeugung angetrieben werden. Die Anlagen sind darauf ausgerichtet, die bei der Erzeugung von Strom zwangsläufig anfallende Wärme möglichst voll auszunutzen und mit ihrer kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung Wirkungsgrade von mehr als 80 Prozent zu erreichen. Das ist die bereits erwähnte Kraft-Wärme-Kopplung.

Wärme aus der Erde

Neben der Tiefengeothermie zur Erzielung hoher Temperaturen für Heizzwecke oder zur Stromerzeugung gibt es noch die Möglichkeit, oberflächennahe geothermische Wärme zu nutzen. Damit sind Tiefen zwischen ein und zweihundert Meter gemeint. In diesem Bereich lassen sich auch kleinere Systeme wie zum Beispiel für Haushalte finanzieren.

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Signet Sächsische Energieagentur GmbH (SAENA)
Die Sächsische Energieagentur - SAENA GmbH berät Sie unabhängig zu allen Themen rund um erneuerbare Energien.

Die dabei erzielbaren Temperaturen sind deutlich geringer, sie liegen ganzjährig im Bereich von circa acht bis zwölf Grad Celsius. Dieses Temperaturniveau lässt sich, außer zu Kühlzwecken im Sommer, selten sinnvoll einsetzen. Um die Temperatur soweit erhöhen zu können, damit sie für Heizzwecke oder zur Bereitung von Warmwasser geeignet ist, werden technische Systeme verwendet: die Wärmepumpen. Diese funktionieren wie ein „umgekehrter“ Kühlschrank, bei dem nicht die Kühlfunktion im Innern genutzt wird sondern die als Abfallprodukt in den Raum entweichende Wärme. Dem Erdreich wird über einen Kühlmittelkreislauf Wärme entzogen. Dieser Wärmegewinn wird dann an einen zweiten Kreislauf mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit abgegeben, wo er durch einen mechanisch angetriebenen Kompressionsprozess verstärkt wird. So können Temperaturen von beispielsweise 50°C erreicht werden. Ein Teil dieser Wärme wird nun dem Heizwasserkreislauf zugeführt, der andere Teil wird zum Entspannen und damit erneuten Abkühlen der Flüssigkeit im zweiten Kreislauf benutzt. Der Prozess mit den drei ineinandergreifenden Kreisläufen beginnt von vorn.

Weil eine Wärmepumpe zum Antrieb selbst Strom benötigt, ist es wichtig ihre Effizienz bei der Endenergiegewinnung zu betrachten, also die Gesamtenergiebilanz. Diese wird in der sogenannten Jahresarbeitszahl (JAZ) ausgedrückt, dem Verhältnis von abgegebener Nutzwärme zu aufgenommener elektrischer Energie.

In einem Neubau, bei dem mit großen Heizflächen und niedrigen Temperaturen geheizt werden kann, liegt die JAZ über 4, im Altbau mit herkömmlichen Heizkörpern und hohen Vorlauftemperaturen eher im Bereich um die 3. Das haben durch die SAENA ausgewertete Messungen des Geothermieverbundes Sachsen gezeigt.

Die Wärmepumpe erzeugt also aus einem Teil Strom und zwei bis drei Teilen Umweltwärme, dann drei bis vier Teile Nutzwärme. Ihre Umweltfreundlichkeit hängt neben der Effizienz des Umwandlungsprozesses somit auch entscheidend von der Art der Stromerzeugung ab.

In Sachsen ist der Strom heute noch durch die Verstromung großer Mengen an Braunkohle mit überdurchschnittlich hohen CO2-Emissionen belastet, sodass sich beim Betrieb mit "üblichem" Strom nur bei effizienten Anlagen ein Umweltvorteil ergibt. Wenn es aber gelingt, den Strommix in Sachsen künftig deutlich CO2-ärmer zu erzeugen, dann verbessert sich die CO2-Bilanz von Wärmepumpen deutlich. Wer nicht so lange warten möchte, kann auch heute schon entsprechenden Strom kaufen und erhält damit eine sehr CO2-arme Heizung.

Wärmepumpen können künftig auch sehr interessant sein, um bei stürmischem Wetter im Winter Windkraftanlagen nicht zu drosseln, sondern mit dem überschüssigen Strom über Wärmepumpen Wärmespeicher aufzuheizen.

Im Neubau kann darüber nachgedacht werden, mit den 8 bis 12°C im Bohrloch im Sommer Gebäude sehr energieeffizient zu kühlen. Mit den im langfristigen Trend zunehmend heißeren Sommern mag das für private oder auch für gewerbliche Bauherren ein zunehmend attraktiver Zusatznutzen sein.

Die "große Lösung" zur Errichtung von geothermischen Wärmekraftwerken besteht in der sogenannten Tiefengeothermie. Mit Bohrungen von bis zu 2.000 Metern Tiefe werden die höheren Erdtemperaturen erreicht, mit denen dann über Wärmetauscher direkt auf dem gewünschten Temperaturniveau geheizt werden kann. Die hydrothermale Geothermie zapft dabei direkt bestehende Heißwasserresservoirs an; bei der petrothermalen Geothermie wird Wasser von oben in heiße Gesteinsschichten gepumpt und dann nach oben gefördert. In Sachsen käme aufgrund der geologischen Bedingungen nur Letzteres in Betracht.

Eine Besonderheit der Erdwärmegewinnung ist, dass ihre Quellen versiegen können, wenn sie zu stark ausgebeutet werden – zumindest zeitweise. Die Möglichkeit zur Regeneration ist also in eine Geothermie-Anlage mit einzuplanen. Die Errichtung von Geothermie-Anlagen ist also allemal Expertensache. Eine Grundberatung bei der SAENA kann dabei helfen das Projekt vorzustrukturieren.

Wärme aus Sonnenlicht

Die Sonne wärmt – das weiß jedermann. Die Bemühungen, diese Wärme technisch auszunutzen, reichen bis in die Antike zurück. Aber irgendwie hatten die Menschen die Sache über die Jahrtausende hinweg ein wenig aus den Augen verloren.

Im Jahre 1891 ließ der Unternehmer Clarence M. Kemp aus Baltimore in den USA seinen mit Sonnenwärme betriebenen Warmwasserkollektor patentieren. Doch solche Erfindungen führten lange ein Nischendasein. Erst die Ölkrise der 1970er Jahre brachte die Bemühungen um die Solarthermie ("Sonnenwärme") wieder auf den Stand der Technik.

Heute, im Zeitalter der Energiewende, ist ein regelrechter Solarthermie-Boom ausgebrochen, vor allem in Deutschland, wo diese Energieform wirkungsvoll staatlich gefördert wird. Nirgendwo sonst in Europa sind so viele Solarwärme-Anlagen entstanden wie hier. Allein im Rekordjahr 2008 kamen 1,9 Millionen Quadratmeter Solarfläche hinzu, ein Jahr später waren es 1,7 Millionen. In Sachsen sind derzeit 831.000 Quadratmeter Kollektorfläche installiert. Dabei gilt dasselbe wie für die Photovoltaik: Am meisten haben private Hausbauer mit ihren kleinen dezentralen Anlagen von der Entwicklung profitiert.

Die mit Hilfe von Solarenergie technisch am einfachsten zu bewerkstelligende Heizleistung ist die Warmwasserbereitung. Sie ist daher am weitesten verbreitet. Etwas aufwendiger ist es, die gesamte Hausheizung einschließlich der Warmwasserversorgung von der Sonne besorgen zu lassen. Aber auch dies ist in unserer vergleichsweise sonnenarmen Gegend möglich – wenn zugleich für eine entsprechende Wärmedämmung des Hauses und niedrige Vorlauftemperaturen der Heizung gesorgt wird.

Die Maximallösung besteht im so genannten Sonnenhaus, das so viel wie möglich Sonnenenergie zur Wärmegewinnung nutzt und die unerwünschte Wärmeabgabe auf ein absolutes Minimum reduziert. Eine wichtige Grundvoraussetzung dafür ist eine Architektur, die zu allen Jahreszeiten dem Sonnenstand gerecht wird. Im Winter gilt es die Sonneneinstrahlung aktiv und passiv optimal zu nutzen. Im Sommer wird durch konstruktive Maßnahmen eine Überhitzung des Gebäudes und der Solaranlage vermieden.

In Kombination mit Kältemaschinen lässt sich Solarwärme auch zur Kühlung nutzen. Da der Kühlbedarf im Sommer besonders hoch und gleichzeitig auch der Ertrag einer solarthermischen Anlage am höchsten ist, wird der Kollektor in Kombination mit einer Kältemaschine besonders gut ausgenutzt. Dies ermöglicht das umweltfreundliche Betreiben von Klimaanlagen – Heizen im Winter, Kühlen im Sommer. Bisher wurden vorwiegend große Anlagen zur Klimatisierung von Kaufhäusern, Bürogebäuden oder Kongresszentren umgesetzt.

In Kombination mit Kältemaschinen lässt sich Solarwärme auch zur Kühlung nutzen – der Ertrag der Solaranlage wird optimiert

Wie aber funktioniert Solarthermie? Ganz ähnlich wie schwarze Kleidung, unter der es an sonnigen Tagen bekanntlich heiß werden kann. Dazu werden sogenannte Kollektorflächen benötigt, die mit Absorbermaterialien bestückt sind. Materialien also, die Sonnenstrahlen nicht reflektieren, sondern in maximalem Umfang aufnehmen und in Wärme verwandeln. Damit die Wärme nicht wieder unkontrolliert an die Umgebung abgegeben wird, sondern gezielt abgeleitet werden kann, müssen die Absorber zusätzlich in Isolationsschichten eingebettet sein. Über Rohrsysteme mit speziellen Transportflüssigkeiten wird die Wärme sodann einem Pufferspeicher zugeführt, der das Warmwassersystem und gegebenenfalls auch die Heizung permanent versorgt.

Weil Solarthermie-Module ähnlich installiert werden wie Photovoltaik- Solarmodule, verwechseln Nichtkundige beide gern miteinander. Derzeit gibt es drei Grundtypen: Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und Parabolrinnenkollektoren.

Flachkollektoren ähneln Photovoltaikmodulen dabei noch am ehesten. Der Absorber aus Metall ist in ein gut isoliertes Gehäuse integriert. Auf der sonnenzugewandten Seite wird der Kollektor durch eine Glasscheibe abgedeckt. Auf der Unterseite befindet sich eine Dämmschicht. Dadurch lassen sich Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung erheblich reduzieren. So erzeugen Flachkollektoren Temperaturen bis zu 80° C. Die meisten Solarthermie-Anlagen zur Warmwasserversorgung und Heizungsunterstützung gehören zu diesem Typ. Am besten eignen sie sich für Niedrigtemperaturheizungen, also etwa Wandflächen- und Fußbodenheizungen oder Niedertemperaturanwendungen in der Industrie.

Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus evakuierten Röhren, die – ähnlich wie eine Thermoskanne – Wärme besser im Kollektor halten. Sie erzeugen höhere Temperaturen, sind damit bei wenig Einstrahlung oder hohen Temperaturdifferenzen effizienter, aber auch teurer. Sie eignen sich auch für die Bereitstellung von Prozesswärme und benötigen für die Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung in Gebäuden weniger Fläche als Flachkollektoren.

Parabolrinnenkollektoren bündeln das Sonnenlicht mit Hilfe eines Spiegels und erzeugen damit weit höhere Temperaturen als die anderen beiden Kollektortypen. Sie werden für Solarkraftwerke verwendet. Eine Spezialform ist der sogenannte Solarturm, bei dem durch maximale Strahlenkonzentration Temperaturen bis zu 5.000° C erzeugt werden. Mit ihm lassen sich sogar metallurgische Schmelzprozesse bewerkstelligen. In unseren Breitengraden allerdings ist für den Einsatz solcher Kollektortypen der Anteil der direkten Sonneneinstrahlung zu gering.

Solarthermie eignet sich besonders für die Bereitung von Warmwasser, Heizwärme und Prozesswärme

Inzwischen ist die Kollektortechnik ausgereift, sodass ein zuverlässiger Betrieb über 20 Jahre möglich ist. Verfügbar sind auch Module, die Elemente der klassischen Dachdeckung oder Wandelemente ersetzen, sich also nahtlos in die Architektur einfügen.

Was die Umsetzung und Anwendung der Sonnenwärme angeht, gibt es hierzulande dennoch viel Potential freizulegen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung solarthermischer Großanlagen, effizienter Anlagen zur solaren Prozesswärmegewinnung und neuer Wärmespeichermöglichkeiten. In Sachsen treibt die Sächsische Energieagentur - SAENA GmbH diese Entwicklungen voran, indem sie Hersteller und Bauplaner und Anwender an einen Tisch bringt. Als Regionalpartner des Kompetenzzentrums für große solarthermische Anlagen Ost führt die SAENA kostenlose Beratungs- und Schulungsangebote durch, bündelt Know-how, baut Netzwerke auf und begleitet konkrete Bauvorhaben.

Mit dem Projekt Solare Prozesswärme (SO-PRO) unterstützt die SAENA die Anwendung solarthermischer Anlagen zur Prozesswärmeerzeugung in industriellen Unternehmen. Solare Prozesswärme eignet sich vor allem für Betriebe, die auch während der sonnenreichen Jahreszeiten, vorzugsweise täglich, Prozesswärme benötigen. Besonders geeignete Anwendungen sind Wasch- und Reinigungsprozesse, Trocknungsprozesse, das Temperieren von Bädern und Behältnissen sowie die Speisewasservorwärmung. Diese Prozesse finden in zahlreichen Branchen Anwendung, das erforderliche Temperaturniveau bewegt sich zwischen 20° C und 100° C. Die kostenfreie Wärme von der Sonne ersetzt in der Regel die Wärmeerzeugung mit konventionellen Energieträgern wie Erdgas, Heizöl, Fernwärme oder Strom und senkt damit die Betriebskosten. Dabei muss nicht zwingend der gesamte Prozesswärmebedarf über die solarthermische Anlage gedeckt werden. Eine anteilige Substitution oder eine solare Vorwärmung kann ebenso sinnvoll sein. Bei der Entscheidung, ob solare Prozesswärme eine Lösung ist, unterstützt die SAENA Unternehmen. Auch Planer, Installateure und Energieberater erhalten Informationen zur Auslegung solarthermischer Anlagen zur Prozesswärmebereitstellung.

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