Bachelorarbeit, 2014
91 Seiten, Note: 2,7
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Vorstellung, Definition und Abgrenzung von Grundbegriffen
2.1 Energie
2.1.1 Primär-, Sekundär-, End- , Nutzenergie und graue Energie
2.2 Quantitative und physikalische Größen
2.2.1 Energiefaktoren und Wirkungsgrad
2.2.2 Größen in der Energieeinsparverordnung
2.3 Fossile Energie
2.4 Erneuerbare bzw. regenerative Energien
3 Energiebilanzen von Wohnhäusern und Wohnhaus-Standards
3.1 KfW-Effizienzhausstandard
3.2 Passivhaus-Standard
3.3 Nullenergiehaus, Nullheizenergiehaus, Plusenergiehaus und energieautarkes Haus
3.4 Energieeffizienzklassen
4 Methoden zur Verbesserung der Energieeffizienz und deren physikalischen Grundlagen
4.1 Baustoffe - Konstruktion -Dämmung
4.2 Gebäudetechnik - Lüftung mit Wärmerückgewinnung
4.3 Kraft-Wärme-Kopplung - Blockheizkraftwerk
4.4 Geothermie - Wärmepumpe
4.4.1 Kompressionswärmepumpe
4.4.2 Absorptionswärmepumpe
4.4.3 Wasser-Wasser-/Sole-Wasser-/Luft-Wasser-Wärmepumpe
4.5 Energiespeicher
4.5.1 Wärmespeicher bzw. thermische Speicher
4.6 Solare Energie
4.6.1 Solarthermie
4.6.2 Photovoltaik
4.7 Windenergie
5 Vergleichsrechnung verschiedener Standards
i
5.1 Wärmeschutzmaßnahmen mit deren Mehrkosten zum EnEV-Standard
5.2 Heizungssysteme im Vergleich
6 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
A. Anhang
A.1 Energieeinheiten
A.1.1 Vorsätze und Vorsatzzeichen
A.1.2 Umrechnungsfaktoren der Energieeinheiten
A.2 Tabellen - Wärmeleitfähigkeiten
A.2.1 Wärmeleitfähigkeiten von Baustoffen
A.2.2 Wärmeleitfähigkeiten von Mauerwerken
A.2.3 Wärmeleitfähigkeiten von Holzwerkstoffen
A.2.4 Wärmeleitfähigkeiten von Fußbodenbelägen und Abdichtstoffen
A.3 Beispiel für die Berechnung des U-Werts
Abbildung 1 Energieflussdiagramm Deutschland
Abbildung 2 Primär-, Sekundär- und Tertiärenergien
Abbildung 3 Beispiel - Umwandlung von Primärenergie zur Nutzenergie beim elektrischen Kochen
Abbildung 4 Weltweiter Primärenergieverbrauch (inklusive Bunkeröle)
Abbildung 5 Primärenergieverbrauch in Deutschland
Abbildung 6 CO2-Bildung bei fossilen Brennstoffen
Abbildung 7 Illustration der Energiequellen und ihrer Erscheinungsformen
Abbildung 8 Abgrenzung der unterschiedlichen Potenzialbegriffe
Abbildung 9 Energieverbrauch der privaten Haushalte für Wohnen in Deutschland
Abbildung 10 Energiebilanz von Gebäuden - Gewinne und Verluste
Abbildung 11 Wärmeverluste über die Bauteile eines Wohngebäudes
Abbildung 12 Schematische Darstellung des Querschnitts eines Passivhauses
Abbildung 13 Der Bandtacho der EnEV 2014 mit den Effizienzklassen A+ bis H
Abbildung 14 Schema kontrollierte Lüftung/Abluftanlage
Abbildung 15 Auslegungsschema einer Abluftwärmerückgewinnungsanlage
Abbildung 16 Das Kraft-Wärme-Kopplungsprinzip
Abbildung 17 Vergleichung zwischen KWK und getrennte Erzeugung
Abbildung 18 Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Wärmepumpe
Abbildung 19 Schema einer Kompressionswärmepumpe
Abbildung 20 Schematische Darstellung von Wärmepumpen mit verschiedenen Wärmequellen und Erschließungsarten
Abbildung 21 Möglichkeit der Speicherung der Energie
Abbildung 22 Strukturen elektrischer Speichersysteme
Abbildung 23 Links: Brauchwassererwärmung mit Heizungsunterstützung (Kesselpufferung) und rechts: Prinzip der Solarthermie
Abbildung 24 Globalstrahlung Deutschland
Abbildung 25 Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmodul
Abbildung 26 Dach mit Photovoltaikanlage
Abbildung 27 Solaranlage in der Fassade (Quelle: C. Nöhren/pixelio.de)
Abbildung 28 Windkraftnutzung gemäß Referenzertragskriterium nach EEG bbildung 29 EFH: Jahreskosten für Heizung und Warmwasser in €/m[2] Wohnfläche (ohne investitionsbedingte Kosten)
bbildung 30 EFH: Jahreskosten für Heizung und Warmwasser in €/m[2] Wohnfläche mit Solarthermie und Heizungsunterstützung (ohne investitionsbedingte Kosten)
Abbildung 31 Richtwerte der Investitionskosten
Abbildung 32 DHH: Jahreskosten Heizung und Warmwasser in €/m[2] Wohnfläche (ohne investitionsbedingte Kosten)
Abbildung 33 MFH: Jahreskosten Heizung und Warmwasser in €/m[2] Wohnfläche (ohne investitionsbedingte Kosten)
Abbildung 34 Ideale Wand bestehend aus zwei Schichten
Tabelle 1 Kategorisierung von Baustoffen bezüglich der Wärmeleitfähigkeit
Tabelle 2 U-Werte für verschiedene Bauteile
Tabelle 3 Beispiel-Kenndaten von Systemen zur Strombereitstellung aus fossilen Energieträgern
Tabelle 4 Lebenswegbilanzen einer Stromerzeugung aus Steinkohle und aus Erdgas
Tabelle 5 Vergleich der Voraussetzungen für Energieprognosen
Tabelle 6 Technische Potenzial hinsichtlich der energetischen Bezugsgrößen
Tabelle 7 Übersicht des Energieverbrauchs der privaten Haushalte für Wohnen in Deutschland
Tabelle 8 Einflussfaktoren und Handlungsspielräume der Gebäudeenergiebilanz
Tabelle 9 Übliche und anerkannte Standards der KfW-Bankengruppe und deren Kennwerte
Tabelle 10 Zertifizierungskriterien für den Passivhaus-Standard
Tabelle 11 Energieeffizienzklassen der EnEV 2014 und die zugehörigen Grenzen für den Endenergieverbrauch
Tabelle 12 Typische U-Werte für Bauteile nach verschiedenen Wärmestandards
Tabelle 13 Höchstwerte des spezifischen Transmissionswärmeverlusts in der EnEV 2009 je nach Gebäudetyp
Tabelle 14 Vor- und Nachteile der Positionierung der Dämmschicht im Bauteil
Tabelle 15 Wandkonstruktion - Massivbau - Wärmeverbundsystem
Tabelle 16 Anhaltswerte für erreichbare Luftwechselzahlen im Winterfall bei verschiedenen Fensterstellung
Tabelle 17 Wichtige Merkmale von BHKW mit verschiedenen Antriebsaggregaten
Tabelle 18 Anforderungsprofile an Speichersysteme
Tabelle 19 Einteilung der Technologiefelder
Tabelle 20 Charakteristische Eigenschaften einiger Batteriespeicher
Tabelle 21 Strahlungsenergie während der Heizperiode gemäß EnEV
Tabelle 22 Kosten einer Solarthermie-Anlage
Tabelle 23 Wirkungsgrad verschiedener Solarzellen
Tabelle 24 Wichtige Kenngrößen der Photovoltaikmodule
Tabelle 25 Performance Ratio für netzgekoppelte PV-Anlagen
Tabelle 26 Unterschiedliche Bauformen von Klein-Windkraftanlagen
Tabelle 27 Anlagegrößen von Klein- und Mikro-Windkraftanlagen
Tabelle 28 Versorgungsaufgaben für die Wärmebereitstellung bei Einfamilienhäusern
Tabelle 29 Versorgungsaufgaben für die Wärmebereitstellung bei Mehrfamilienhäusern
Tabelle 30 Kennwerte
Tabelle 31 Einfamilienhaus - Vergleich
Tabelle 32 Doppelhaushälfte - Vergleich
Tabelle 33 Mehfamilienhaus - Vergleich
Tabelle 34 Eignung der Heizungssysteme für die verschiedenen Energiestandards
Tabelle 35 Richtwerte für Investitionskosten für verschiedene Heizungssysteme in den drei Gebäudetypen
Tabelle 36 Dichten und Wärmeleitfähigkeiten von Baustoffen viii
Tabelle 37 Dichten und Wärmeleitfähigkeiten von verschiedenen Mauerwerken ix
Tabelle 38 Dichten und Wärmeleitfähigkeiten von verschiedenen Holzwerkstoffen x
Tabelle 39 Dichten und Wärmeleitfähigkeiten von verschiedenen Fußbodenbelägen und
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die „Energiewende“ ist aus der politischen und gesellschaftlichen Diskussion nicht mehr wegzu- denken. Dabei hat der Begriff nach dem Super-GAU im japanischen Fukushima und der damit verbundenen Ankündigung zum Atomausstieg massiven Einzug in die öffentliche Diskussion gefunden. In dem Ende 2013 ausgehandelten, fast 200 Seiten starkem Koalitionsvertrag zwischen der CDU/CSU und der SPD wird der Begriff 32-mal erwähnt.[1] Dort wird folgende Ausführung dargelegt: „Die Senkung des Energieverbrauchs durch mehr Energieeffizienz muss als zentraler Bestandteil der Energiewende mehr Gewicht erhalten. Fortschritte bei der Energieeffizienz erfordern einen sektorübergreifenden Ansatz, der Gebäude, Industrie, Gewerbe und Haushalte umfasst und dabei Strom, Wärme und Kälte gleichermaßen in den Blick nimmt. Ausgehend von einer technisch- wirtschaftlichen Potenzialanalyse wollen wir Märkte für Energieeffizienz entwickeln und dabei alle Akteure einbinden.“[2] Fast in einem Atemzug mit dem Begriff „Energiewende“ wird der Einsatz und usbau von „Erneuerbaren Energien“ genannt, gefordert und gefördert, wobei der Rahmen von dem Erneuerbare Energie Gesetz (EEG) festgesteckt ist. Die Umgestaltung der lokalen wie auch globalen Energiesysteme stellt eine in ihrem vollen Umfang kaum zu erfassende Herausforderung dar, die in den kommenden Jahrzehnten gemeistert werden muss, wenn man den wachsenden Energiebedarf entgegentreten will.
Mit der Industriellen Revolution stieg der Bedarf an Energie immens und es fand ein fundamentaler Wandel statt.[3] Um den in diesen Zeitraum enorm gestiegenen Energiebedarf zu stillen, konnte nicht mehr wie zuvor auf nachhaltige Quellen, wie z.B. Holz, zurückgegriffen werden, sondern es bedurfte der Erschließung neuer Ressourcen, den sogenannten fossilen Brennstoffen. Naturgemäß sind diese in Jahrmillionen entstandenen Rohstoffe nur im begrenzten Maße zugänglich und somit endlich. In einem im Vergleich zum Entstehungsprozess der Rohstoffe extrem kurzen Zeitraum von wenigen hundert Jahren ist ein großer Anteil dieser Ressourcen schon jetzt aufgebraucht. Gleichzeitig einhergehend mit der Verknappung der fossilen Brennstoffe, wächst die Weltbevölkerung jedes Jahr um ca. 70 Millionen Menschen, sodass man im Jahr 2050 eine Weltbevölkerungszahl von ca. 9 Milliarden Menschen zu erwarten hat. Dies mündet in ein Dilemma, dass immer mehr Menschen einen immer größeren Bedarf an Energie und Rohstoffen haben, wobei diese Ressourcen gleichzeitig immer knapper werden. Als einziger Weg aus dem Dilemma wird „die effiziente Nutzung der Rohstoffe, insbesondere der energetischen Ressourcen“[4] angeführt.
Allen Prozessen, egal ob in der Industrie, beim Transport, im Handel und Gewerbe oder in den (privaten) Haushalten liegt inne, dass nicht die ganze eingesetzte Energie für den Zweck, für den sie gedacht ist, verwendet bzw. umgesetzt werden kann. Die tatsächlich genutzte Energie ist je nach Prozess nur ein geringer Anteil von der eingebrachten Energie. Man beobachtet also, dass ein Großteil der Energie ungenutzt bleibt.
Es kann festgehalten werden, dass private Haushalte die größten Energiekonsumenten sind. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Anteil des Energieverbrauchs, der zum Transport von A nach B verwendet wird, mit dazurechnet. Mit der Abbildung 1 soll genau dieser Fakt illustriert werden. In dieser Abbildung ist das vereinfachte Energieflussbild für Deutschland aus dem Jahr 2012 dargestellt. Man kann also festhalten, dass gerade im Bereich der privaten Haushalte, es gilt, den Hebel anzusetzen und die Lebensweisen der Menschen zu ändern, um sich den großen Herausforderungen der Zukunft in Sachen Energiesysteme zu stellen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 Energieflussdiagramm Deutschland 2012[5]
Im Fokus dieser Arbeit steht, die Betrachtung der Wohngebäude, deren Energiebilanzen und die Maßnahmen diese effizienter zu gestalten. Der aktuelle Stand der Technik. Methoden und Ansätzen sollen vorgestellt und bewertet werden. Zu diesem Zweck werden in Kapitel 2 zunächst grundlegen- de Begriffe und deren Definitionen vorgestellt und eine Abgrenzung vorgenommen. Im dritten Kapitel der Arbeit werden dann die zuvor definierten Größen dazu verwendet, Energiebilanzen für Wohngebäude bzw. -häuser aufzustellen. Gängige Wohnhaus-Standards aus energetischer Sicht werden vorgestellt und eingeordnet. Den Kern der Arbeit stellt das Kapitel 4 dar, denn hier werden die Maßnahmen und Methoden vorgestellt, die die Energieeffizienz von Wohngebäuden verbessern können. Neben den physikalischen Grundlagen werden die Potenziale der Nutzung im Hinblick auf die Anwendung in Wohngebäuden besprochen. In Kapitel 5 wird ein Vergleich zwischen verschiedenen Standardhäusern und Wohnungstypen vorgenommen. Eine kurze Zusammenfassung der Arbeit wird in Kapitel 6 geboten.
Der Begriff Energie wird im deutschen Sprachgebrauch vielbedeutend verwendet. Hier ist natürlich die physikalische bzw. technische Größe gemeint, deren Einheit nach dem britischen Physiker James Prescott Joule benannt ist. In Sendung von BRalpha „alpha centauri“ wird die Frage: „Was ist Energie?“, wie folgt beantwortet: „Energie - das ist erstmal eine abstrakte Rechengröße, die eingeführt wurde, um Veränderungen von Systemen zu beschreiben. Energie geht nämlich nicht verloren, sie wird nur umgewandelt: in kinetische, elektrische oder potenzielle Energie.“[6] Die häufig verwendeten Phrasen „Energie wird erzeugt“ oder „Energie wird verbraucht“, sind somit formal falsch, denn unter Energieerzeugung versteht man z.B. eine Umwandlung von verschiedenen Energieformen ineinander. Bei der Verbrennung von fossilen Rohstoffen wird z.B. thermische Energie aus chemischer Energie freigesetzt. Neben den gerade erwähnten Energieformen (thermische und chemische Energie) sind die beiden mechanischen Energien, kinetische und potentielle Energie oder elektrische Energie weitere Beispiele für Energieformen.
Ein grundlegendes physikalisches Prinzip ist, das in einem abgeschlossen System die Gesamtenergie, also die Summe aller Energieformen im System, weder zu- noch abnehmen, also erhalten bleiben. Deshalb nennt man dieses Prinzip „Energieerhaltung“. Diese Energieerhaltung ist auch im ersten Hauptsatz der Thermodynamik formuliert. Die Gesamtenergie eines (abgeschlossenen) Systems kann weiterhin in zwei Anteile zerlegt werden; zum einen in die Exergie, die den Anteil an der Gesamtenergie des Systems bezeichnet, mit welchem Arbeit verrichtet werden kann, wenn ein thermodynamisches Gleichgewicht mit der Umgebung hergestellt werden kann, zum anderen in die Anergie, die als „nicht mehr arbeitsfähige Energie“ bezeichnet wird. Die Summe aus beiden ist die Energie. Im Gegensatz zur Energie kann Exergie „vernichtet“ werden, d.h. sie ist für sich allein keine Erhaltungsgröße. Durch die Energieerhaltung besteht die Möglichkeit der Bilanzierung der Energie in einem (abgeschlossenen) System.
Im nicht-wissenschaftlichen Kontext bzw. in der Umgangssprache findet man die Begriffe Energie, Energiequelle und Energieträger synonym verwendet. In der Energietechnik bzw. allgemein im wissenschaftlichen Umfeld sind diese Begriffe deutlich differenziert zu betrachten:
- Als Energiequelle wird ein Element bezeichnet, das in einem abgeschlossenen System die Energie zur Verfügung stellt. Dies erfolgt dabei meist aus der Umwandlung aus einer anderen Energieform.
- Mit einem Energieträger bezeichnet man eine Einheit, die mengenmäßig und bilanzierfähig ist und die Energie überträgt oder enthält.
Für die Erde sind die wichtigsten Energiequellen Sonnen- und Kernenergie, wobei diese Energie in Form von Strahlung übertragen wird, d.h., dass die Strahlung den Part des Energieträgers übernehmen.
Wie schon erwähnt, ist die physikalische SI-Einheit der Energie Joule [J]. Im Bilanzierungszusammen- hang wie er bei der energetischen und wirtschaftlichen Analyse von Wohngebäuden vorliegt, wird jedoch die Umrechnung 1J=1Ws (Wattsekunde) verwendet bzw. die aus den Stromrechnungen eher bekannten kWh (Kilowattstunden). Dabei ist 1kWh die Energiemenge, die ein elektrisches Gerät (z.B. ein Wasserkocher) mit einer elektrischen Leistung von 1000W (=1kW) in einer Stunde (1h) erzeugt. Rechnet man die Kilowattstunde in die SI-Einheit um, so kann man festhalten, dass 1kWh=3,6 MJ entspricht. Im Anhang A.1 sind die Umrechnungen und SI-Vorsätze der häufig verwendeten Energie- einheiten angeführt.
Als Primärenergie bezeichnet man diejenige Energie, die als ursprünglich vorkommende Energieform oder Energiequelle vorliegt, bei der also noch keine technische Umwandlung gegeben ist. Um die Primärenergie besser transportieren bzw. nutzen zu können, wird diese häufig in die sogenannte Sekundärenergie umgewandelt. Die dabei benutzten Prozesse der Energieumwandlung sind natürlich im Allgemeinen mit unvermeidbaren Verlusten verbunden. Als Beispiel kann man die im Rohöl enthaltene chemische Energie als Primärenergie bezeichnen. Für ein Auto haben sich Benzin bzw. Diesel bewährt. Diese beiden Kraftstoffe werden durch eine Raffination, eine Fraktionierung, aus dem Rohöl hergestellt.
Die für einen Verbraucher nutzbare Energie wird Endenergie genannt. Der Hausanschluss des Verbrauchers gilt dabei als Bezugspunkt, der von der Energie passiert wird. Als Verbraucher gelten neben den privaten Haushalten, auch das Gewerbe, der Handel und die Dienstleistungsanbieter.
Der aus der Steckdose kommende Strom, das im Kellertank gelagerte Heizöl und das für das Auto hergestellte Benzin können als Beispiele für Endenergie dienen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2 Primär-, Sekundär- und Tertiärenergien[7]
Ein weiterer zu erklärender Term ist die Nutzenergie, welche die Energie darstellt, die vom Endver- braucher umgewandelt wird. Dabei ist offensichtlich, dass diese Nutzenergie immer geringer ist, als die am erwähnten Bezugspunkt übergebene Endenergie. Als Beispiele kann man die für die Heizung genutzte Wärme, die für die Kühlung genutzte Kälte und das für die Beleuchtung verwendete Licht anführen.
In Abbildung 2 seien die einzelnen Energien in Beziehungen zueinander gebracht. Ähnliche Abbildung findet man auch in anderen Publikationen zum Thema.[8] Es ist sehr häufig zu beobachten, dass von der Primärenergie weniger als 50% in Nutzenergie umgewandelt werden kann. Neben dem generellen Fakt, dass man Energie also Primärenergie sparen sollte, gilt es natürlich auch, die Umwandlungen von der Primär- zur Sekundär- und letztendlich zur Tertiärenergie, der Nutzenergie so effizient wie möglich zu gestalten, d.h. die Umwandlungsverluste so niedrig wie möglich zu halten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3 Beispiel - Umwandlung von Primärenergie zur Nutzenergie beim elektrischen Kochen[9]
Ein Beispiel für einen solchen Umwandlungsprozess ist in Abbildung 3 dargestellt. Schon im ersten Schritt, der Umwandlung von der Primärenergie, z.B. Kohle, in die Sekundärenergie, den elektrischen Strom gehen knapp 2/3 der Primärenergie durch bwärme „verloren“. Das verbleibende Drittel kann auch nur zu einem gewissen Teil in Nutzenergie umgewandelt werden. Im Endeffekt wird von der eingesetzten Primärenergie ca. nur ein Fünftel genutzt. Hier kann und muss in der Zukunft ein Hebel eingesetzt werden, nämlich die Umwandlungsprozesse effizienter zu gestalten bzw. die naturgemäß anfallende Abwärme weiter zu nutzen.
Eine Größe, die eine Art des indirekten Energiebedarfs erfasst, ist die sogenannte graue Energie. Die graue Energie umfasst die Energiemenge, welche für die Herstellung, den Transport, den Verkauf, die Entsorgung usw. benötigt wird. Aus der Definition dieser Größe wird ersichtlich, dass zur Berechnung dieser, eine ganze Prozesskette betrachtet werden muss, die teilweise sehr komplex ist und begründet in dieser Komplexität, auch Abgrenzungsprobleme auftreten können. Zum Beispiel kann die Herstellung von gut isolierenden Baustoffen einen umfassenden Herstellungsprozess erfordern, der mit einem hohen Energieaufwand versehen ist. Meist werden in der Bilanzierungen aber nur die reinen Materialwerte einbezogen, ohne den indirekten Aufwand zu erfassen. Es kann aber durchaus sein, dass ein schlechter isolierendes Material, deutlich einfacher mit weniger einzusetzender Energie hergestellt werden kann. Im Vergleich des reinen Materialverhaltens würde dieses Material jedoch schlechter abschneiden.
Das Verhältnis zwischen eingesetzter Energie und Endenergie wird als Primärenergiefaktor (PEF, fP) oder Endenergiefaktor bezeichnet. Der Wirkungsgrad oder auch die Nutzenergieausbeute ist das Verhältnis aus Nutzenergie und eingesetzter Endenergie. Somit stellt der Wirkungsgrad ein Maß für die Effizienz von Energieumwandlungen dar.
Die Energieeinsparungsverordnung (EnEV) gilt als das „Grundgesetz“ zur Festlegung energetischer Standards beim energiesparenden Bauen. Diese festgelegten Standards bieten den Rahmen, nach dem in Deutschland ein Neubau bzw. die Renovierung eines Altbaus stattzufinden hat. Um über die energetische Qualität von Häusern urteilen zu können, seien wesentliche Größen, die dort aufgeführt und verwendet werden, hier dargelegt. Die EnEV ist ein Teil des Wirtschaftsverwaltungsrechts mit dem vollständigen Titel „Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden“. Die erste Fassung trat am 01. Februar 2002 in Kraft und hat die Heizungsanlagenverordnung (HeizAnlV) und Wärmeschutzverordnung (WSchV) abgelöst. Derzeit gilt die EnEV 2009.[10] Mitte 2014 soll eine Novellierung, die EnEV 2014, in Kraft treten.
Eine zentrale Forderung der EnEV ist die Bereitstellung von energieeffizienten Wohngebäuden, die in dieser Arbeit betrachtet werden sollen. Als Maß zur Bestimmung der Energieeffizienz dienen zwei Faktoren: zum einen die jährliche Primärenergiebedarf des Gebäudes, zum anderen der Wärmeschutz der Gebäudehülle. Wohngebäude sind nach EnEV Gebäude, die hauptsächlich dem Wohnen dienen.[11] Zu den Wohngebäuden zählen auch Wohn-, Alten- und Pflegeheime. Krankenhäuser jedoch werden nicht als Wohngebäude gewertet, sondern als Nichtwohngebäude. Im Folgenden sollen die Begriffe, die in der EnEV Verwendung finden, näher erläutert werden.[12]
Die Energiegrößen, die in Abschnitt 2.1.1 allgemein eingeführt wurden, sind natürlich auch für Wohngebäude von besonderer Bedeutung und werden häufig auf den Zeitraum von einem Jahr und auf eine Fläche bezogen. So ist der flächenbezogene Jahres-Primärenergiebedarf Q‘‘P [kWh/(m[2] a)] eine Basisgröße, die die rechnerisch benötigte Energiemenge des oder der verwendeten Brennstoffe(s) darstellt. Dabei werden alle Anteile, wie die Gewinnung, die Umwandlung, der Transport und die Verteilung des Brennstoffes erfasst. In analoger Weise bezüglich der allgemeinen Definition aus Abschnitt 2.1.1 wird auch der Jahres-Endenergiebedarf QE [kWh/a] und dessen flächenbezogenes Pendant qE [kWh/(m[2] a)] definiert. Mit dieser Größe erfasst man den Energiebedarf der Anlagetechnik, der über selbst gewonnene Anteile hinausgehen und welcher für die Heizung, Lüftung und Kühlung des Gebäudes, sowie der Trinkwassererwärmung, benötigt wird, wobei dabei die Hilfsenergie zum Betrieb der Technik einbezogen wird. Der flächenbezogene Heizwärmebedarf qh [kWh/(m[2] a)] beschreibt den Wert an Heizwärme, für den Bedarf besteht, um die Sicherstellung der normierten Rauminnentemperatur zu gewährleisten.
Als Wohnfläche wird in der Regel die nach Wohnflächenverordnung (WoFlV)[13] bzw. nach DIN 277-1[14] bestimmte Fläche bezeichnet. Die Nutzfläche wird als die Fläche angesehen, die nach anerkannten Regeln der Technik, beheizt oder gekühlt wird. Eine weitere Fläche, die in der EnEV eingeführt wird, ist die wärmeübertragende Umfassungsfläche A [m[2] ].[15] Diese Fläche stellt die äußeren Flächen einer abgeschlossenen beheizten Zone dar und wird auch als Hüllfläche bezeichnet. Das Volumen, das von der wärmeübertragenden Umfassungsfläche umschlossen wird, wird als beheiztes Gebäudevolumen Ve [m[3] ] bezeichnet.[16] Beide letztgenannten Größen sind in der Energiebilanzierung von essenzieller Bedeutung. Die Fläche A stellt den räumlichen Abschluss bzw. die Eingrenzung dar, die direkt in die Bilanzierung eingeht. Über diese Fläche wird dem „System“, hier dem Wohngebäude, Energie zu- bzw. abgeführt. Der Energieinhalt des in dieser Fläche enthaltenden Volumens Ve wird dadurch erhöht bzw. erniedrigt.
Die Gebäudenutzfläche AN wird wie folgt berechnet ͵ ܸ , wobei diesbezüglich beachtet werden muss, wie der Wert der durchschnittlichen Geschosshöhe[17] hG ist. Denn, ist diese Höhe größer als 3m oder kleiner als 2,5m, dann muss eine andere Formel angewendet werden. [18]
Als Energiebezugsfläche AEB [m[2] ] wird der Anteil der Wohnfläche bezeichnet, welcher sich innerhalb der thermischen Hülle befindet. Das Verhältnis aus der Gebäudenutzfläche und dem beheizten Gebäudevolumen wird definiert als Kompaktheit.
Neben den Energie- und Flächengrößen gilt es auch die Qualität des Wärmeschutzes quantitativ zu erfassen. Dazu bedarf es, der Erfassung der Materialeigenschaften gekoppelt mit geometrischen und topologischen Eigenschaften der Bauteile. Eine wichtige Materialeigenschaft, die die Qualität des zur Dämmung verwendeten Materials beschreibt, ist die Wärmeleitfähigkeit[19] [W/(mK)]. Die Wärmeleitfähigkeit wird mit λ bzw. κ bezeichnet. Je größer die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist, desto schneller ist der Wärmetransport von der warmen zur kalten Seite eines Körpers.
Baustoffe - Dämmeigenschaft Wärmeleitfähigkeit λ [W/(mK)]
dämmend 0,1 bis maximal 0,2
leicht dämmend 0,2 bis maximal 0,3
nichtdämmend größer als 0,3
Tabelle 1 Kategorisierung von Baustoffen bezüglich der Wärmeleitfähigkeit[20]
In Tabelle 1 ist aufgeführt, bei welchen Werten der Wärmeleitfähigkeit als dämmend, leicht dämmend und nichtdämmend bezeichnet werden kann.
In der Tabelle 36, die im Anhang A.2 zu finden ist, seien exemplarisch Werte der Dichten und Wärmeleitfähigkeiten für Baustoffe aufgetragen. Diese Auflistung ermöglicht die Bewertung der Wärmeleitfähigkeiten der äußeren Schichten von Wänden. Im Anhang A.2 sind weitere Tabellen für Mauerwerke, Holzwerkstoffe, Fußbodenbeläge und Abdichtstoffe zu finden.
Eine für ein Bauteil oder Konstruktion spezifische Größe ist der Wärmedurchgangskoeffizient [W/m[2] K], auch U-Wert[21] genannt. Dieser Koeffizient gibt an, wie viel Wärme durch das Bauteil von der Innenseite zur Außenseite hindurch geht. Hier gilt, dass, je kleiner der Wert des Koeffizienten ist, desto besser ist die Dämmwirkung und damit der Wärmeschutz. Mit dem U-Wert ist wärmeschutztechnisch die ausschlaggebende Größe gegeben. In die Berechnung des U-Wertes gehen neben den Dicken (oder anderen geometrischen Größen) der einzelnen Schichten auch deren Wärmeleitfähigkeiten ein. Bei Dämmstoffen kann man beobachten, dass der Wärmedurchgang und damit der U- Wert deutlich reduziert werden kann, da die Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffes klein ist. Ähnliches lässt sich für Isolierglas mit Beschichtung beobachten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2 U-Werte für verschiedene Bauteile[22]
In Tabelle 2 seien beispielhaft U-Werte für verschiedene Bauteile angegeben. Der Kehrwert des Wärmedurchgangskoeffizients ist der Wärmedurchgangswiderstand RT [m[2] K/W]. Für diesen gilt, dass je größer der Wert ist, desto besser ist die Dämmung für das Bauteil. Die Berechnung beider Größen ist in der DIN EN ISO 6946 normiert.[23]
Der U-Wert wird für den stationären Zustand berechnet, d.h. wenn sich die Wärme- und Temperatur- verhältnisse nicht mehr ändern. Hat man z.B. eine ideale Wand mit n homogenen Schichten der Dicke di mit den Wärmeleitfähigkeiten λi gegeben, so addieren sich die Wärmedurchgangswider- stände. Dies ist analog einer elektrischen Reihenschaltung und den korrespondierenden elektrischen Widerständen. Zusätzlich zu Wärmedurchgangswiderständen der Schicht i, berechnet aus ܴ ⁄ muss noch der Übergang vom Fluid (bei Gebäuden Luft) zum Festkörper (bei Gebäuden Wände, Fenster, Dach, Türen etc.) beachtet werden, der durch die Wärmeübergangswiderstände an der Außen- bzw. Innenseite der Wand erfasst werden kann. Die Fluidtemperaturen sind dabei bzw. . Insgesamt ergibt sich dann für die Wärmestromdichte q bzw. für den Wärmestrom durch das Bauteil der Zusammenhang ( െ ) bzw. ( െ ). Eine Beispiel- rechnung findet man im Anhang A.3.
Eine Größe, in die der U-Wert einzelner Bauteile eingeht, ist der Transmissionswärmeverlust HT [W/K]. Dieser Koeffizient gibt die Größe des Wärmestroms an, der ausgehend von der Wärmequelle (z.B. Heizkörper) durch die wärmeübertragende Umfassungsfläche fließt, wenn man eine Temperaturdifferenz von 1K zwischen Außen- und Innenluft annimmt. Damit stellt der Koeffizient ein Maß für energetische Qualität der Gebäudehülle dar. Es ist ein naheliegender Fakt, dass der Primärenergiebedarf eines Wohngebäudes sowohl von der energetischen Qualität der Gebäudehülle abhängig ist, als auch von der Qualität der eingebauten Heizanlage. Eine Einschätzung, ob die gewählte Dämmung eventuell über- bzw. unterdimensioniert ist, kann der spezifische Transmissionswärmeverlust liefern, weshalb in der EnEV dafür Wertevorgaben gemacht werden.
Der Quotient aus dem Transmissionswärmeverlust HT und der wärmeübertragenden Umfassungs-
fläche A, d.h. ⁄ , bezeichnet man als temperaturspezifischen, auf die wärmeübertragende Hüllfläche bezogenen Transmissionswärmeverlust. Er stellt eine Art mittleren U-Wert der Gebäude- hülle dar und wird demzufolge in den Einheiten W/(m[2] K) angegeben. Dabei darf dieser leicht irreführende Begriff keinesfalls mit dem momentanen Wärmestrom der Gebäudehülle bzw. mit dem jährlichen Wärmeverlust bezogen auf den Quadratmeter der Gebäudehülle verwechselt werden. Deshalb wird teilweise auch der synonyme Begriff des Transmissionswärmetransferkoeffizienten ver- wendet.
Ein weiterer Begriff, der in der EnEV Erwähnung findet, ist der Begriff der Wärmebrücke, welcher einen Bereich eines Gebäudesbauteils bezeichnet, über den die Wärme deutlich schneller nach außen transferiert wird als im Rest des Bauteils bzw. des ungestörten Bauteils. Man unterscheidet dabei drei Arten der Wärmebrücken, die meist an Bauteilübergängen zu finden sind:
- geometrische Wärmebrücken, welche durch Ecken oder Vorsprünge in sonst homogenen Bau- teilen verursacht werden. Beispiele sind Hausaußenecken und die Ecken an Balkonen, konstruktive Wärmebrücken, welche z.B. aus Konstruktionen mit verschiedenen Wärmeleitfähig- keiten bestehen und
- materialbedingte (stoffliche) Wärmebrücken, welche dann zu beobachten sind, wenn in der Rich- tung des Wärmestroms unterschiedliche Materialien in der Querschnittsfläche liegen.
Es gilt, Wärmebrücken zu vermeiden, denn es ist offensichtlich, dass sie zum einen zu einen höheren Energieverbrauch führen, aber auch zu Feuchtigkeitsproblemen führen können, wobei durch diese wiederum Schimmel gebildet werden kann bzw. die Bausubstanz an sich gefährdet sein kann.
Bei der Berechnung der Transmissionswärmeverluste nach der EnEV gibt es deshalb auch einen Wärmebrückenzuschlag, den eine wichtige Rolle zukommt. Details zu Wärmebrücken und deren Vermeidung findet man in einer Broschüre der deutschen Energie-Agentur (dena).[24]
Fossile Energie wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Dabei sind fossile Brennstoffe aus Biomasse, z.B. den Abbauprodukten von abgestorbenen Planzen- und Tierresten in biologischen bzw. geologischen Prozessen entstanden. In den fossilen Brennstoffen von heute ist also die Energie (Sonnenenergie) von zeitlich weitzurückliegenden geologischen Perioden gebunden. Man unter- scheidet zwei Arten von fossilen Vorräten.[25] Zum einen die fossil biogenen, die biologischen Ursprung sind und zum anderen die fossil mineralischen Vorräte. Beispiele für fossil biogene Vorräte sind die Kohle (Braunkohle/Steinkohle), Torf, sowie flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe, also Erdöl und Erdgas. Auf der anderen Seite kann man Uranlagerstätten und Vorräte der Kernfusionsausgangs- stoffe als Beispiele für fossil mineralische Energievorräte ansehen. Die fossil biogenen Vorräte sind
Teil des sogenannten Kohlenstoffkreislaufes. Wie in der Einleitung schon erwähnt, haben die fossilen (biogenen) Brennstoffe das Holz als Energieträger Nummer 1 während der Industriellen Revolution abgelöst. Auch die chemische Industrie hat die fossilen Energieträger als Rohstoffquelle entdeckt. Da die oben genannten Brennstoffe kohlenstoffbasiert sind, wird bei der Verbrennung Kohlendioxid oder chemisch exakt Kohlenstoffdioxid CO2 freigesetzt. Das CO2 wurde ursprünglich von Pflanzen aus der Luft aufgenommen und mittels Photosynthese in Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette umgewandelt. Abgestorbene Pflanzen bzw. Tiere, die die Pflanzen zuvor mit der Nahrung aufgenommen haben, bilden dann in langwierigen Prozessen die besagten fossilen Brennstoffe, womit in sehr einfachen, anschaulichen Worten der Kohlenstoffkreislauf beschrieben sei, dessen Prozesse im Einzelnen zu komplex sind, um sie hier detailliert auszuführen.
In Abbildung 4 ist der weltweite Primärenergieverbrauch von 1990 bis 2011 dargestellt. Man erkennt darin einen klaren Anstieg des Verbrauchs. Mit 81% also mehr als 4/5 basiert dieser Verbrauch auf fossile Quellen.[26]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4 Weltweiter Primärenergieverbrauch (inklusive Bunkeröle)[27]
Der gesamte Primärenergieverbrauch Deutschlands sei mit der Abbildung 5 illustriert. Hier ist kein so deutlicher Trend wie für die weltweiten Daten zu erkennen. Dennoch gilt auch hier, dass ca. 4/5 des Primärenergieverbrauchs des Landes aus fossilen Brennstoffen bereitgestellt werden. Gibt man das Jahr 2010 als Beispiel an, kann man festhalten, dass der Prozentsatz, der auf Kohle, Gas und Erdöl zurückgeht bei 78,2% liegt.[28] Im gleichen Jahr waren es 10,9% für die Kernenergie. Betrachtet man die reine Stromerzeugung, so verschieben sich die Werte etwas auf 56,9% für fossile Energieträger und auf 22,5% für die Kernenergie. Eine zentrale Fragestellung, die formuliert wird, lautet:
„Wie kann der Umstieg zu einer Energieversorgung gelingen, die keine Kohlendioxidemission zur Folge hat? Keine, oder wenigstens minimale.“[29]
Dies macht deutlich, dass es bei der Energiewende nicht nur gilt, die Kernenergie zu ersetzen, denn 2022 soll das letzte Kernkraftwerk in Deutschland abgeschaltet werden, sondern auch allgemein die CO2-Emission zu reduzieren. Früher oder später ist auch ein Ausstieg aus der Nutzung der fossilen Energieträger notwendig.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5 Primärenergieverbrauch in Deutschland[30]
In Abbildung 6 ist eine Auflistung der CO2-Bildung für einzelne fossile Brennstoffe dargestellt. Entsprechend des Kohlenstoffgehaltes wird bei der Verbrennung CO2 gebildet, demzufolge wird für Kohle mit dem höchsten Kohlenstoffgehalt, das meiste CO2 gebildet, während für Erdgas mit dem geringsten Kohlenstoffanteil auch die geringste Menge an CO2 im Vergleich gebildet wird.
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Abbildung 6 CO2-Bildung bei fossilen Brennstoffen[31]
Das bei der Verbrennung freigesetzte Kohlendioxid gelangt meist ungehindert in die Erdatmosphäre und lässt den CO2-Gehalt dort peu a peu ansteigen, in der Konsequenz zunehmender Klimaveränder- ungen. Bei einer unvollständigen Verbrennung entsteht zudem auch Kohlenstoffmonooxid CO. Weiterhin können Stickoxide (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Partikel wie z.B. Ruß emittiert werden. Einige fossile Brennstoffe, v.a. Kohle, können Schwefel enthalten, der bei der Ver- brennung zu Schwefeldioxid (SO2) umgesetzt wird. All diese Schadstoffe, so sie in die Umwelt ge- langen führen zu Belastungen, die die Gesundheit des Menschen, der Flora und Fauna gefährden. Deshalb kommt der Abgasreinigung und der Partikelfilterung eine besondere Bedeutung zu.
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Tabelle 3 Beispiel-Kenndaten von Systemen zur Strombereitstellung aus fossilen Energieträgern[33]
In Tabelle 3 seien die Kenndaten für heute in Deutschland betriebene konventionelle Anlagen, mit denen Strom erzeugt wird. Das ist zum einen ein Kraftwerk, das mit Steinkohle gefeuert wird. Auf der anderen Seite wird ein Kraftwerk, das Erdgas als Brennstoff nutzt. Das Steinkohlekraftwerk kann dabei mit einer elektrischen Leistung von 800 MW aufwarten, wobei 45% der über das Jahr gemittelte Nutzungsgrad ist. Bei einem typischen Einsatz dieser Anlage, die dem aktuellen Baustandard entsprechen, können 5000 bis 7000 Volllaststunden pro Jahr registriert werden. Das andere aktuelle Beispiel, ein mit Gas gefeuertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, liefert eine elektrische Leistung von 400MW bei einem Nutzungsgrad des Systems, der über ein Jahr gemittelt wurde von 60%. Für diesen Kraftwerkstyp kann man 4000 bis 6000 Volllaststunden beobachten.
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Tabelle 4 Lebenswegbilanzen einer Stromerzeugung aus Steinkohle und aus Erdgas[35]
In Tabelle 4 sind die Lebenswegbilanzen für beide Kraftwerkarten aufgeführt. Es ist klar zu erkennen, dass das GuD-Kraftwerk einen geringeren Verbrauch an fossilen Brennstoffen aufzuweisen hat, wenn man es mit dem Steinkohlekraftwerk vergleicht. Dies ist vor allem in dem höheren Wirkungsgrad und der geringeren direkten Emissionen begründet.
Der Begriff der „erneuerbaren Energien“ hat sich in den Sprachgebrauch eingebürgert, aber es ist, wie schon erwähnt, eine bekannte Tatsache, dass es keine neuen oder erneuerbaren Energien gibt, sondern nur verschiedene Energieformen. So erfolgt eine Zwischenspeicherung für einen bestimm- ten Zeitraum in den verschiedenen Energieformen. Letzten Endes spricht man von regenerativen bzw. erneuerbaren Energien, wenn „der Nachschub an Primärenergie innerhalb kurzer Zeit erfolgt, während fossile Energieträger Millionen an Jahren brauchen, um neu gebildet zu werden.“[36] Erneuer- bare Energien werden als „Primärenergien verstanden, die - gemessen an menschlichen Dimen- sionen - als unerschöpflich angesehen werden.“[37] Es können drei Energiequellen angegeben werden, aus denen die regenerativen Energien gespeist werden können: die Solarenergie, geothermische Energie und Gezeitenenergie. Dabei muss festgehalten werden, dass die von der Sonne kommende Energie als Basis für weitere regenerative Energieformen, wie z.B. die Wasserkraft oder auch Windkraft, angesehen werden kann. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass die im Müll oder Abfall enthaltene Energie nur dann als regenerativ benannt werden kann, wenn sie nicht fossilen Ursprungs sind.[38] Dies ist z.B. der Fall für die Komponenten des Mülls, die organischen Ursprungs sind, also Biomüll. Man kann deshalb als Konsequenz ausgeführen, dass „im eigentlichen Sinne nur die natürlich vorkommenden erneuerbaren Primärenergien, nicht aber die daraus resultierenden Sekundär- oder Endenergien bzw. -träger“[39] regenerativ sind. Eine Illustration der Energiequellen insgesamt und deren Erscheinungsformen auf unseren Planeten sei mit der folgenden Abbildung 7 gegeben. Meist ist eine eindeutige Zuordnung der Erscheinungsformen bzw. deren Wirkungen nicht möglich, deshalb wurde sich bei der Abbildung auf die wesentlichen Zusammenhänge beschränkt.
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Abbildung 7 Illustration der Energiequellen und ihrer Erscheinungsformen[40]
Folgende Quellen zählen laut §2 Punkt 6 der EnEV 2009[41] und nach der noch nicht in Kraft getretenen novellierten Fassung EnEV 2014 zu den erneuerbaren bzw. regenerativen Energien:
- Solare Strahlungsenergie,
- Umweltwärme,
- Geothermie,
- Wasserkraft,
- Windenergie und
- Energie aus Biomasse.
Eine nähere Erläuterung zu diesen Arten der regenerativen Energien, deren Potenziale und weitere detaillierte Fakten seien für die konkrete Anwendung in Wohngebäuden in Kapitel 4 ausgeführt. Die nahezu unüberschaubare Anzahl an Beiträgen zum Thema der erneuerbaren Energien macht deutlich, dass im Rahmen dieser Arbeit keine allgemeine Diskussion in aller Tiefe geführt werden kann. Schon in den 1990er Jahren gab es eine rege Auseinandersetzung mit dem Thema.[42] Nicht unerwähnt soll diesbezüglich bleiben, dass in diesen Publikationen bereits ein immens hohes technisches Potenzial in Deutschland und allgemein anklang. Dieses Statement kann heute unverändert weiter als gültig angesehen werden, denn das Potenzial regenerative Energien liegt auf der Hand. Aber nicht nur dieses Potenzial wurde herausgeschält, sondern auch kritische Punkte blieben nicht unerwähnt. Es wurde ein hoher kumulativer Energieaufwand der regenerativen Energien angemahnt. Der sogenannte kumulative Energieaufwand erfasst die Menge an Primärenergie, die benötigt wird, um eine Anlage, die regenerative Energien bereitstellt bzw. umwandelt, herzustellen, zu nutzen und letztendlich zu beseitigen. Also wird nicht nur die reine Nutzung erfasst, sondern die schon erwähnte graue Energie mit einbezogen. Für Photovoltaikanalagen wird ein Wert zwischen 0,24 bis 0,84 Kilowattstunden Primärenergie pro Kilo- wattstunde erhaltene elektrische Energie angegeben.[43] Durch Rationalisierung in den Herstellungs- verfahren in den letzten Jahren ist anzunehmen, dass sich dieser Wert zum Positiven entwickelt hat.[44] Ein weiterer Kritikpunkt, der im Bezug regenerativer Anlagen immer wieder angeführt wird, ist, dass diese das Landschaftsbild stark beeinflussen bzw. beschädigen. Weiterhin wird die Beeinträchtigung des Lebensraums von Tieren, z.B. bei Windkraftanlagen, als negativer Effekt beschrieben.
Die wirtschaftliche Einschätzung des Einsatzes von regenerativen Energien unterscheidet sich grund- legend von der der etablierten, konventionellen (fossilen) Energien. Dies sei durch die einzelnen Punkte, welche in Tabelle 5 ausgeführt sind, illustriert. Um den Einsatz regenerativer Energien abzuschätzen, ist es nicht damit getan, die üblichen Überschlagsrechnungen auszuführen, wie das häufig gemacht wird. Man kann überschlagsartig berechnen, dass die von der Sonne eingestrahlte Primärenergie ungefähr das 3000fache vom jährlichen weltweit anfallenden Primärenergieverbrauch beträgt.[45] So müssen neben den wissenschaftlichen und technischen Aspekten natürlich auch Aspekte hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, der Ökologie und der generellen Struktur in Betracht gezogen werden. Verschiedene wissenschaftliche Studien, die der Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages „Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre“ vorgelegt wurden, belegen, dass mindestens ein Tausendstel der eingestrahlten Energie umgewandelt werden kann und somit das dreifache des weltweiten Energieverbrauchs im Jahr über den Einsatz von solch gewonnen Energiequellen abgedeckt werden könnte, d.h. also kurz gesprochen, dass das wissenschaftliche Potenzial der regenerativen Energien ist ausreichend, um fossile und nukleare Energieträger zu substituieren.
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Tabelle 5 Vergleich der Voraussetzungen für Energieprognosen[46]
Kaltschmitt und Mitarbeiter unterscheiden theoretisches, technisches, wirtschaftliches und erschließbares Potenzial, siehe Abbildung 8.[47] Diese solle hier auch kurz erläutert werden. Insbesondere die wirtschaftlichen wie auch die erschließbaren Potenziale sind im erheblichen Ausmaß von den Randbedingungen abhängig, die die Politik oder die Energiewirtschaft vorgeben und können hier nicht im Detail erläutert werden, sondern im Weiteren werden v.a. das theoretische Potenzial und die unterschiedlichen technischen Potenziale besprochen.
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Abbildung 8 Abgrenzung der unterschiedlichen Potenzialbegriffe[48]
Das theoretische Potenzial wird wie folgt definiert: „Das theoretische Potenzial einer regenerativen Energie beschreibt das innerhalb einer gegebenen Region zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. innerhalb eines bestimmten Zeitraumes theoretisch physikalisch nutzbare Energieangebot (z. B. die von der Sonne auf die Erde eingestrahlte Energie innerhalb eines Jahres, die potenzielle Energie des in den Flüssen enthaltenen Wassers im Jahresverlauf, die kinetische Energie des Windes im Jahresverlauf).“[49] Einige der regenerativen Energieumwandlungsformen fluktuieren durchaus stark und deshalb wird das theoretische Potenzial eventuell auf einen durchschnittlichen Betrag des Energieangebots bezogen, wobei dieser Mittelwert über mehrere Jahre herangezogen werden kann. Wie der Name schon besagt wird mit dem theoretischen Potenzial der maximale, regenerative Energiebetrag erfasst, der über diese Form bereitgestellt werden kann, wobei rein physikalische Nutzungsgrenzen als Basis dienen. Es ist eine bekannte Tatsache, dass das theoretische Potenzial aus verschiedenen Gründen, deren Ursachen technischer, ökologischer, struktureller und administrativer Natur sein können, nur zu einem sehr geringen Anteil, deshalb ist dieses Potenzial für eine Beurteilung eher von geringerem Interesse, da die praktische Relevanz nicht gegeben ist.
Für den Begriff technisches Potenzial geben die Autoren von (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013) folgende Definition: „Die technischen Potenziale beschreiben den nteil des theoretischen Potenzials, der unter Berücksichtigung gegebener technischer Randbedingungen nutzbar ist.“ Mit einbezogen werden dabei u.a. Restriktionen struktureller Natur bzw. Vorgaben, die der Gesetzgeber oder die Gesellschaft vorgibt. Dahingegen werden Akzeptanzprobleme (z.B. Anwohner gegenüber der Installation von einem Windrad) nicht mit einbezogen, da diese im Allgemeinen nicht technischer Natur sind und demzufolge auch das technische Potenzial. Man kann das technische Potenzial hinsichtlich der betrachteten energetischen Bezugsgröße bewerten.
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Tabelle 6 Technische Potenzial hinsichtlich der energetischen Bezugsgrößen[50]
Für das wirtschaftliche Potenzial kann folgende Definition angeführt werden: „Unter dem wirtschaftlichen Potenzial einer Option zur Nutzung regenerativer Energien wird der Anteil des tech- nischen Potenzials verstanden, der im Kontext der gegebenen energiewirtschaftlichen Rahmen- bedingungen wirtschaftlich genutzt werden kann.“[51] Die Wirtschaftlichkeit hängt von vielen Parametern ab und ist eine relative Größe. Es gibt auch verschiedenen Sichtweisen, die unterschieden werden können, z.B. die Unterscheidung zwischen volks- und betriebswirtschaftlicher Sicht. Zu guter Letzt sei noch das erschließbare Potenzial erwähnt, bei dem folgenden Definition zum Tragen kommt: „Das erschließbare bzw. Erschließungspotenzial von Möglichkeiten zur Nutzung regenerativer Energien beschreibt den zu erwartenden tatsächlichen Beitrag einer Option zur Nutzung regenerativer Energien zur Energieversorgung. Dieses erschließbare Potenzial ist ebenfalls zeitabhängig und in der Regel geringer als das wirtschaftliche Potenzial; das wirtschaftliche Potenzial ist i. Allg. nicht sofort, sondern nur innerhalb eines längeren Zeitraums vollständig erschließbar.“[52]
Der Bereich der privaten Haushalte bzw. Wohngebäude bietet ein enormes Potenzial zur Ener- gieeinsparung. Die Energieeinsparung gilt als Energiequelle der Zukunft und erhält deshalb zu- nehmend Beachtung. Der Bau von effizienten Wohngebäuden ist eine der vielen Maßnahmen, die im Rahmen der propagierten Energiewende zur Anwendung auserkoren sind, um einen Beitrag für diese zu leisten. Effiziente Wohngebäude lassen sich auch so gestalten, dass beim Einsatz von energiesparenden und CO2-reduzierenden Maßnahmen, Wohnqualität bzw. der Wohnkomfort nahezu erhalten bleibt bzw. nicht spürbar beeinträchtigt wird. Es ist und bleibt jedoch eine Tatsache, dass derzeit keine einheitlichen, klar formulierten Standards, die für den Nutzer bzw. Besitzer auch verständlich sind und die Einstufung von Gebäuden aus energetischer Sicht ermöglichen, existieren.
Die Einführung des Gebäude-Energieausweises zur Bestimmung der energetischen Qualität kann man als ersten Schritt ansehen. Der Gebäude-Energieausweis wurde zunächst für Neubauten einge- führt und später auch für Gebäude gefordert, die neu vermietet oder verkauft wurden. Sicher bietet die EnEV einen gewissen Mindeststandard, aber eine Vielzahl der anderen existierenden Standards lassen kaum einen Vergleich untereinander zu. Insbesondere bieten die verschiedenen Standards, deren Maßnahmen zur Erreichung der Forderungen nachfolgend in diesem Abschnitt erläutert und verglichen werden sollen, als Konsequenz breitgefächerte Auswirkungen auf den Energieverbrauch, die es ebenfalls zu betrachten gilt. Alle Standards zielen natürlich auf die Frage ab, welche Gebäudetechnik und Bauteile erforderlich sind, um die Standards in ihren Richtlinien und geforderten Zielen zu erfüllen. Im gleichen Atemzuge sind natürlich ökonomische Faktoren, sprich in erster Linie die dafür benötigten Kosten, von gesteigertem Interesse. Die energetische Ausgestaltung von Wohngebäuden, bei der das Hauptaugenmerk auf die Baukonstruktion, die Auswahl der Bauteile und deren Konstruktion/Materialbeschaffenheit, sowie die Gebäudetechnik gelegt wird, bildet die Basis für energetisch optimiertes Planen von Neubauten und Sanierungen von Gebäuden.
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Abbildung 9 Energieverbrauch der privaten Haushalte für Wohnen in Deutschland 2012[53]
Basierend auf Daten des Statistischen Bundesamtes ist in der Abbildung 9 die Verteilung des Energie- verbrauchs von privaten Haushalten aus dem Jahr 2012 aufgetragen. Man stellt ohne weiteres fest, dass der mit Abstand größte Posten auf die Regulierung der Raumwärme zurückgeführt werden
kann. Dieser Anteil betrug im Jahr 2012 mit 70% über 2/3 des gesamten Energiebedarfs. Dabei ist natürlich klar, dass je nach Jahreszeit, Lage und weiteren regionalen Bedingungen, die Wohnungen geheizt oder gekühlt werden müssen, um eine von den Besitzer bestimmte, komfortable Temperatur im Innenraum der Wohnung gewährleisten zu können.
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Tabelle 7 Übersicht des Energieverbrauchs der privaten Haushalte für Wohnen in Deutschland[56]
Sowohl für die Wärmebereitstellung/Heizung, als auch die Wärmeabfuhr/Kühlung von Wohnge- bäuden gibt es verschiedene Methoden, die zum Einsatz kommen können. Insbesondere der Einsatz von regenerativen Energien, als auch moderne Technik, ermöglicht es, die Energieeffizienz von Gebäuden zu steigern und dadurch CO2-Emissionen zu verhindern, die beim Einsatz von konventionellen Methoden und Techniken auftreten würden. Man unterscheidet zum einen die Art, wie die Wärme bereitgestellt wird, zum anderen die Art, wie die Wärme in den Räumen abgegeben wird. Die klassische bzw. konventionelle Art der Wärmebereitstellung ist die Verbrennung von fossilen Brennstoffen, wie z.B. Kohle, Erdöl oder Erdgas. In dieser Arbeit sollen die Alternativen, wie z.B. der Einsatz von Wärmepumpen bzw. die Kraft-Wärmekopplung näher beschrieben werden. Zur Wärmeabgabe wird konventionell die Flächenheizung eingesetzt. Eine andere Möglichkeit des Heizens stellt die Infrarot-Heizung dar, bei welcher man die Strahlungswärme nutzt, ähnlich wie sie von der Sonnenstrahlung bereitgestellt wird. Unterschied zur konventionellen Heizung ist, dass nicht erst bzw. ausschließlich die Luft erwärmt wird, sondern die Erwärmung direkt auf der Oberfläche der angestrahlten Körper erfolgt. Alternativ ist der Einsatz von Lüftungsanlagen zu betrachten, die die Luft aufheizen bzw. Restwärme zurückgewinnen können.
Der nächst größere Posten im Energieverbrauch privater Haushalte wird von der Bereitstellung von Warmwasser belegt. Auch hier gibt es die Auswahl zwischen konventioneller Methode (Verbrennung fossiler Brennstoffe) und alternativen Methoden (z.B. Solarthermie). Neben der Raumwärme- regulierung und der Warmwasserbereitstellung ist die zweite Säule des Energiebedarfs eines Wohngebäudes die Bereitstellung von elektrischem Strom, der für die einzelnen Punkte, wie Beleuchtung, Kommunikation und Unterhaltung, Kochen, Waschen, Trocknen, Bügeln usw. anfällt. Die häusliche, alternative Erzeugung von Strom kann ebenso wie die zuvor genannten Maßnahmen, dazu beitragen, dass die Energieeffizienz gesteigert, der Energiebedarf reduziert und die Schadstoff- bilanz verbessert werden kann.
In Tabelle 7 ist die Verteilung des Gesamtverbrauchs der privaten Haushalte für das Wohnen im zeitlichen Verlauf für die Jahre 2005, 2010, 2011 und 2012 angegeben. Dabei wurden die Angaben in zwei Hauptbereiche unterteilt. Zum einen wurde nach der Art der Energieträger unterteilt, zum anderen erfolgte die Unterteilung in die verschiedenen Anwendungsbereiche, wie es schon in der Abbildung 1 erfolgte. Neben den konkreten Zahlen für die einzelnen Jahre wurde auch ein Vergleich zwischen den Jahren 2011 und 2012, sowie 2005 und 2012 und deren prozentuale Veränderung angegeben. Beim Einsatz von regenerativen Energien stellt man fest, dass vom Jahr 2005 zum Jahr 2012 eine Steigerung um mehr als 50% zu verzeichnen ist, während es zwischen 2011 und 2012 nur etwas mehr als 1 Prozentpunkt war.
Um den Energiebedarf, speziell den Heizwärmebedarf eines Hauses zu berechnen, muss man die Gewinne und Verluste bilanzieren. Einen groben Überblick über diese Gewinne und Verluste ist in Abbildung 10 illustriert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10 Energiebilanz von Gebäuden - Gewinne und Verluste[57]
Ein beheiztes Wohngebäude verliert über die einzelnen Teile seiner Hülle Wärme, so z.B. über: die Außenwände, egal, ob über das Erdreich oder über die Außenwände,
[...]
[1] (Deutschlands Zukunft gestalten - Koalitionsvertrag zwischen CDU, CSU und SPD, 2013)
[2] Ebd., S. 51
[3] Vgl. (Hüttl, 2012)
[4] Ebd. S. 24
[5] Vgl. (AG Energiebilanzen, 2014)
[6] (Lesch, 2002)
[7] Eigene Darstellung, in Anlehnung an (Reps, 2011)
[8] Vgl. z.B. (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013) S.3, Abb. 1-1
[9] Eigene Abbildung, in Anlehnung an (Reps, 2011)
[10] (EnEV, 2009)
[11] Vgl. Ebd. §2.1
[12] Vgl. Ebd. und (Beecken & Schulze, 2011)
[13] (WoFlV, 2003) und (Bundesministerium für Justiz und Verbraucherschutz, 2011)
[14] (DIN 277, 2005)
[15] Vgl. (EnEV, 2009) Anlage I, 1.3.1, (DIN EN ISO 13789:1999-10, 1999) und (DIN EN ISO 13789:2008-04, 2008)
[16] Vgl. (EnEV, 2009) Anlage I, 1.3.2
[17] gemessen von der Oberfläche des Fußbodens zur Oberfläche des Fußbodens des darüber liegenden Geschosses
[18] Vgl. (EnEV, 2009) Anlage I, 1.3.3
[19] manchmal auch Wärmeleitzahl genannt
[20] Vgl. (CAD Planungsbüro BLUM, 2013)
[21] früher auch k-Wert genannt
[22] Vgl. (Deutsche Energie-Agentur (dena), 2013)
[23] (DIN EN ISO 6946, 2008)
[24] Vgl. (Feldmann, Becker, & Energie&Haus, 2008)
[25] Vgl. (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013) S.4
[26] (Winterhagen, 2012)
[27] Eigene Darstellung, Daten von (BMWi, 2014)
[28] Vgl. (Winterhagen, 2012), S.9
[29] Vgl. Ebd. S.10
[30] Eigene Darstellung, Daten von (BMWi, 2014)
[31] Eigene Darstellung, in Anlehnung an (ASUE, 2005)
[32] Gas- und Dampfturbinenkraftwerk
[33] Vgl. (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013) S.34, Tab. 1.6
[34] primärenergetisch bewerteter kumulierter fossiler Energieaufwand (Verbrauch erschöpflicher Energieträger)
[35] Vgl. (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013) S.31, Tab. 1.4
[36] Vgl. (Winterhagen, 2012), S.39
[37] (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013), S.5
[38] Vgl. Ebd., S.5
[39] Ebd. S.5
[40] Eigene Darstellung, Anlehnung an (Neubarth & Kaltschmitt, 2000), S.8 Abb.1.3
[41] Vgl. (EnEV, 2009)
[42] (Nitsch & Luther , 1990), (Mataré & Faber, 1993), (Beste & Kälke, 1996), (Brauch, 1997), (Potenagel , Hau, Köhler, Lehmann, & Schulte-Tigges, 1995), (Reichel, 1998), (Wokaun, 1999)
[43] Vgl. (Beste & Kälke, 1996)
[44] Vgl. (Quaschning, Energieaufwand zur Herstellung regenerativer Anlagen, 2011)
[45] Vgl. (Potenagel , Hau, Köhler, Lehmann, & Schulte-Tigges, 1995), S.47
[46] Eigene Darstellung, in Anlehnung an (Potenagel , Hau, Köhler, Lehmann, & Schulte-Tigges, 1995), S. IV
[47] Vgl. (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013), S.25 ff
[48] Vgl. Ebd., S.25, Abb. 1-10
[49] (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013), S.25-26
[50] Eigene Darstellung, vgl. (Kaltschmitt , Streicher, & Wiese, 2013), S.26
[51] Ebd., S.29
[52] Ebd., S.29
[53] Eigene Darstellung, Daten vgl. (Statistisches Bundesamt, 2014)
[54] Vorläufige Angaben
[55] EE͙ Erneuerbare Energien - Solarthermie und Wärmepumpen
[56] Vgl. (Statistisches Bundesamt, 2014) Berechnungen des Statistischen Bundesamt nach Angaben des Bundesverbandes für Energie und Wasserwirtschaft (BDEW), Rheinisch-Westfälischen Instituts für Wirtschafts- forschung (RWI) und der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen. Die Angaben aus der Energiebilanz wurden temperaturbereinigt und beim leichten Heizöl wurden Lagerstandsveränderungen herausgerechnet. Die prozentualen Veränderungsraten beziehen sich auf ungerundete Werte.
[57] Eigene Darstellung
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