Energiewirtschaft

1. Energiewirtschaft Teil VII: ErgänzungStadtentwicklung

2. Agenda • Einführung • Energiesparendes Bauen (Grundlagen) • Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

3. 1. Einführung Bisher haben wir uns mit dem grundlegenden Zusammenhängen der Energie-wirtschaft befasst. Hierauf aufbauend wollen wir uns nun mit dem Thema Energie- und Stadtentwicklung befassen. Eine Energieversorgung muss sich daran messen lassen, ob sie nicht nur heute die Menschen mit Energie versorgt, sondern auch ein ausreichendes Potenzial besitzt, sehr langfristig die Energieversorgung zu gewährleisten (Nachhaltigkeit). Wir wissen, dass die derzeitige Energieversorgung, die im wesentlichen auf der Basis fossiler Energien beruht, grundsätzlichen Restriktionen unterliegt (Ressourcenbegrenzung, Klimawandel), auch wenn diese erst langfristig wirken werden. Die Umstellung einer Energieversorgungsstruktur dauert viele Jahrzehnte: Neue Energietechniken müssen erforscht und entwickelt werden; es müssen Ingenieure und Handwerker ausgebildet werden, die die neuen Techniken in die Praxis umsetzen, die neuen Techniken müssen wirtschaftlich sein und/oder vom Staat anfänglich unterstützt werden. Für eine solche Umstellung sind viele Mrd. Euro notwendig, die von einer Volkswirtschaft aufzubringen sind.

4. Einführung Diese Überlegungen zeigen, dass die Umstellung einer Energieversorgung nicht abrupt von heute auf morgen vollzogen werden kann, sondern langfristig „evolutionär“. In der Praxis wird das dazu führen, dass „alte“ und „neue“ Techniken nebeneinander betrieben werden bzw. integrativ die Energieversorgung der nächsten Jahrzehnte prägen werden. In den letzten Jahren ist ein Trend von den großen „zentralen Energieversorgungs-systemen“ zu den kleineren dezentralen Energieversorgungssystemen zu beobachten. Deshalb wird es die Kunst der Städteplaner, Architekten und Ingenieure sein müssen, wegweisende Energiekonzepte zu entwickeln, die • verbrauchernah • ressourcenschonend und • emissionsarm sind, gleichzeitig die Lebensräume verbessern und bezahlbar bleiben. Wir nennen diese Vision S o l a r - C i t y

5. Agenda • Einführung • Energiesparendes Bauen (Grundlagen) • Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

6. S o l a r - C i t yHandlungsfelder • Substanzsanierung (z.B. Wärmedämmung) • Neue Wohnsiedlungen (z.B. Niedrigenergie-standard • Solare Energienutzung (z.B. Solarthermie) • Regionale Energiekonzepte (Integration von dezentralen und zentralen Systemen) • Forschung und Entwicklung (insbesondere Materialforschung für die Photovoltaik)

7. 2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen) Analysen zeigen, dass der Endenergiever-brauch für Raumwärme und die CO2-Emissionen im Privatkundenmarkt und bei Kleinverbrauchern hohe Werte hat. 1) Nur bezogen auf den Endenergiesektor ohne den Umwandlungsbereich mit ≈ 338 Mio. t2) zeigt den Raumwärmeanteil der einzelnen Sektoren bezogen auf den gesamten Endenergieverbrauch Quelle: Kleemann et al., S. 2 Schiffer, S. 348

8. Sanierungspotenzial im Altbaubereich Es ist aber nicht nur der große Energieverbrauch, der diesen Sektor für den Klimaschutz so wichtig und interessant macht. Gleichzeitig bestehen sehr hohe Einsparpotenziale. Insbesondere der energetischen Sanierung der älteren Gebäude kommt eine Schlüsselrolle zu. Deutschland verfügte im Jahr 2001 über rund 4 Mrd. m² an Gebäudeflächen. Davon entfallen rund 3 Mrd. m² auf Wohngebäude mit insgesamt 37 Mio. Wohnungen. Der Rest von knapp 1 Mrd. m² sind gewerblich genutzte Nichtwohngebäude. Alle Gebäude, die vor Einführung der zweiten Wärmeschutzverordnung 1984 gebaut wurden, entsprechen bei weitem nicht mehr den heutigen Anforderungen und sind energetisch sanierungsbedürftig, sofern sie nicht schon modernisiert wurden. Tatsächlich sind rund 75 % der heute vorhandenen Gebäude vor 1985 gebaut worden Dies zeigt das große Energie- und CO2-Einsparpotenzial des Gebäudebereichs. Bezogen auf den Bestand von 2001 wird das realistische, langfristige CO2-Einsparpotenzial im Altbaubereich durch Heizungserneuerung und verbesserte Wärmedämmung auf 50 bis 70 Mio. Tonnen CO2 geschätzt. Im Vergleich zum Gesamtausstoß des Haushaltssektors im Jahr 1990 entspricht das einem Minderungspotenzial von 40 bis 55 %. Quelle: Kleemann et al., S. 2

9. Mehremission durch Neubauten Durch Neubauten kommt eine zusätzlich zu beheizende Gebäude-fläche zum Bestand dazu, die vorher nicht vorhanden war. Dies bedeutet einen Mehrverbrauch an Energieträgern und eine erhöhte CO2-Emission. Neubauaktivitäten wirken sich kontraproduktiv auf die CO2-Minderungsbemühungen aus, sofern es sich nicht um Nullenergiehäuser handelt oder sofern nicht entsprechende Altbauten mit höherem Verbrauch abgerissen werden. Beides ist aber in der Praxis nicht der Fall. Quelle: Kleemann et al., S. 2 f.

10. Anteil der Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung am privaten Endenergieverbrauch der Haushalte Quelle: RWE, S. 1/2

11. Jahres-Heizwärmeverbrauch von Wohnhäusern Quelle: RWE, S. 1/3

12. Jahres-Heizwärmebilanzen eines Einfamilien- und eines Niedrigenergie-Einfamilienhauses Quelle: RWE, S. 1/5

13. Baulicher Wärmeschutz Der Transmissionswärmeverlust eines Bauteils wird durch den U-Wert, ein Kürzel für „Wärmedurchgangskoeffizient U“ beschrieben. Der Wärmdurchgangskoeffizient U beschreibt den Wärmestrom in Watt, der bei einer Temperaturdifferenz von einem Grad (1 Kelvin) zwischen Innen- und Außenseite je m² Bauteilfläche hindurchgeht. Seine Einheit ist W/(m²K). Je kleiner der U-Wert, umso geringer sind die Wärmeverluste des Bauteils. Quelle: RWE, S. 1/5

14. Wärmedurchgangskoeffizient U einer einschaligen Wand mit Wärmedämm-Verbundsystem Quelle: RWE, S. 1/6

15. Kompaktheit des Gebäudes Neben dem Wärmeschutz der einzelnen Bauteile hat die Größe der wärmeabgebenden Oberfläche eines Gebäudes einen sehr großen Einfluss auf den Heizwärmebedarf. Dies liegt daran, dass der Transmissionswärmeverlust proportional mit den Oberflächen der wärmeübertragenden Umfassungsbauteile zunimmt. Ein Gebäude kompakter Gestalt, das im Verhältnis zu seinem beheizten Bauwerksvolumen Ve eine kleine wärmeübertragende Umfassungsfläche A aufweist, hat geringe Transmissionswärme-verluste und ist somit energetisch besonders effizient. Deshalb ist das die Kompaktheit beschreibende A/Ve-Verhältnis eine wichtige Kenngröße für die energetische Bewertung von Gebäuden. Quelle: RWE, S. 1/6, S. 2/8

16. Bereiche des Verhältnisses A/Ve von Wohngebäuden Quelle: RWE, S. 1/7

17. Systematik und Begriffe der Energiebilanzierung Grundlage der Energieeinspar-verordnung (EnEV) Quelle: RWE, S. 2/4

18. Nationale und internationale Normen als Berechnungsgrundlage der EnEV Quelle: RWE, S. 2/7

19. Energieflussbild zur Berechnung des End- und Primärenergiebedarfs der Wärmebereitstellung Quelle: RWE, S. 2/24

20. Primärenergiefaktoren fp Quelle: RWE, S. 2/25

21. Aufwandszahlen eg der Wärme-erzeugung Quelle: RWE, S. 2/30

22. a d a m Ausstattungsgrad mit Elektrogeräten von je 100 deutschen Haushalten nutzen in Quelle:

23. a d a m Energiesparende Haushaltsgeräte Allgemein • siehe Euro-Label für „Weiße Ware“ • siehe Zusammenstellung Energieagentur NRW (www.ea-nrw.de) Primärenergie Beispiel Wäschetrockner5 kg Wäsche • beste konventionelle Geräte, Kondens-Trockner: ca. 10,5 kWh • beste konventionelle Geräte, Abluft-Trockner: ca. 10 kWh • Wärmepumpen-Trockner: Abkühlung der Fortluft und Erwärmung der ca. 5,4 kWh Trocknerluft mit Elektro-Wärmepumpe, Kondenstrockner, ca. 1200 Euro • Gas-Trockner: Erwärmung der Trocknerluft mit Gasbrenner, Abluft, ca. 5,0 kWhca. 1000 Euro, Gasanschluss nötig!! • Trockenschrank: Trocknen mit kalter Luft, Abluft, ca. 1000 Euro ca. 2,5 kWhNachteil: ca. 7 h Trockendauer Weitere Hinweise • Kochen mit Gas statt mit Strom: ca. 60 % Einsparung an Primärenergie • Anschluss geeigneter Waschmaschinen und Geschirrspüler an zentrale gas-/öl-/solarbeheizte Warmwasserversorgung; auf kurze Anschlussleitung achten Quelle:

24. [kWh/a] 0 0 20 20 40 40 60 60 80 80 100 100 120 120 140 140 Warmwasserspeicher Warmwasserspeicher 4 ... 35 W 4 ... 35 W Satellitenempf Satellitenempf ä ä nger nger 1 ... >15 W 1 ... >15 W Videoger Videoger ä ä t t Faxger Faxger ä ä t t 2 ... >12 W 2 ... >12 W HiFi HiFi - - Komplettanlage Komplettanlage 2 ... 15 W 2 ... 15 W Uhren an Elektroger Uhren an Elektroger ä ä ten ten Schnurloses Telefon Schnurloses Telefon Computer Computer <1 - 20 W <1 ... 20 W Fernseher Fernseher Anrufbeantworter Anrufbeantworter 1,5 ... 12 W 1,5 - 12 W a d a m Stromverbräuche durch Stand-By-Betrieb Achtung: teils Stromverbräuche auch bei „ausgeschalteten“ Geräten !! Quelle:

25. Ursachen Ein-/Ausschalter fehlt oder hinter dem Netzteil installiert Empfangs- bzw. Aktionsbereitschaft (Fernseher, PC, Fax, Warmwasser-speicher, ...) Speicherung von Daten (Videogerät, Tuner, ...) Ständiger Betrieb bzw. Anzeigen (Uhren, Funk-Raumthermostate,...) Selbstentladung von Akkus Maßnahmen Netztrennung z.B. mit Fernseh-Netzschalter, schaltbaren Steckerleisten bei PC-Anlage, Stecker ziehen, ...) Vorschaltgeräte z.B. für Fernbedienungen, Faxgeräte, Monitore und Drucker Zeitschaltuhren z.B. bei Warmwasserspeicher Akkugeräte über Steckdose betreiben a d a m Stromverbräuche durch Stand-By-Betrieb Geräte mit niedrigem Stand-By-Verbrauch wählen Blauer Engel www.umweltbundesamt.de GEEA-Label www.energielabel.de Quelle:

26. a d a m Grüner Strom Erlöse werden nennenswert in neue Anlagen zur regenerativen Stromerzeugung investiert !! Die Gemeinschaft aller Stromkunden wird nicht finanziell entlastet durch den Bezug von Grünem Strom !! Negativbeispiel: AquaPower, E.ON = Strom aus alten Wasserkraftanlagen Strommix nur aus regenerativen Energien oder auch mit Anteilen aus Kraft-Wärme-Kopplung Sinnvolle Produkte • Zertifizierung = Überwachung der „Produktqualität“ • Ökopower-Siegel (Ökoinstitut Freiburg, WWF, Greenpeace) • Grüner Strom Label e.V. (Eurosolar, BUND, NABU) • (TÜV: geringere Qualitätsansprüche) Quelle:

27. a d a m Einfluss des Architekten auf den Stromverbrauch Schwerpunkte in Wohngebäuden • Grundriss mit räumlich zusammen liegenden Nassräumen  kurze Lüftungskanäle und damit kleine Leistung der Lüftungsventilatoren • Aufstellort für Warmwasserspeicher in bzw. in unmittelbarer Nähe der Nassräume  Warmwasser-Zirkulationsleitung mit Pumpe kann entfallen  Anschluss von Waschmaschine, Geschirrspüler an den Warmwasserspeicher • Gasanschluss in Küche und Hauswirtschaftsraum  zum Anschluss von Gas-Herd, Gas-Wäschetrockner • Zentrale Warmwasserversorgung statt dezentrale Elektro-Durchlauferhitzer  in der Regel Schwerpunkte in Zweckbauten • Tageslichtnutzung  geringerer Strombedarf für Beleuchtung • Thermisch wirksame Gebäudemassen  Voraussetzung für Strom sparende Nachtlüftung zur Gebäudekühlung (= „passive Kühlung“; statt aktive Kühlung mittels Strom betriebener Kühlgeräte) Quelle:

28. Agenda • Einführung • Energiesparendes Bauen (Grundlagen) • Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete: Solar - City

29. Energiegerechte Stadtplanung Energiegerechte Stadtplanung muss als integrierender Optimierungsprozess verstanden werden, welcher folgende Zielstellungen vereint: • Reduzierung der Gebäudewärmeverluste durch Vorgabe günstiger Oberflächen/Nutzvolumen-Verhältnisse • Schaffung und Sicherung günstiger Voraussetzungen zur passiven Sonnenenergienutzung über Fenster sowie solarer Fassadensysteme (z.B. transparente Wärmedämmverbund-systeme) • Schaffung und Sicherung günstiger Rahmenbedingungen zur aktiven Nutzung der Sonnenenergie durch Kollektoranlagen • Konzepte zur Minderung des Individualverkehrs • Schaffung günstiger Voraussetzungen für eine rationelle Wärmeversorgung Quelle: Fisch et al., S. 38

30. Techniken zur Nahwärmeversorgung Für eine Nahwärmeversorgung bieten sich folgende Heizungstechniken an: • Erdgas-Brennwerttechnik • Wärmepumpen • Solarkollektoren • Biomasse • Blockheizkraftwerke • Brennstoffzellen Diese Techniken zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine erschöpfbaren Ressourcen nutzen und emissionsfrei sind (z.B. Solarkollektoren) oder hohe Nutzungsgrade bzw. Leistungs-kennziffern besitzen (Erdgas-Brennwerttechnik, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke). Anhand von Fallbeispielen und konkreten Projekten soll die Anwendung erläutert werden.

31. Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997

32. Nahwärmeversorgung mit Gaskessel, Solaran-lagen und Strom aus dem regionalen Netz Quelle: Fisch et al., S. 51

33. Nahwärmeversorgung mit Blockheizkraftwerk und Gasspitzenkessel Quelle: Fisch et al., S. 52

34. Energiekonzept für eine Wohnsiedlung (Holzkessel, Gasspitzenkessel, zentrale Stromerzeugung) Quelle: Fisch et al., S. 52

35. a d a m Jährliche Globalstrahlung, weltweite Verteilung • 800 - 2500 kWh/m²a auf horizontale Flächen • unterschiedliche Bedeckungshäufigkeit  unterschiedliche Direktstrahlungsanteile Quelle: Roth, 1999;

36. D D a d a m Jährliche Globalstrahlung in NRW (auf horizontalen Flächen) : Düsseldorf Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW;

37. ĠG,M [W/m2] . 30 d/M . 24 h/d = GG,M [Wh/m2M] ĠG,M : a d a m Jahresgang der Gobalstrahlung(Monatmittelwerte eines Jahres, süddeutscher Standort) Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997;

38. a d a m Wärmeerzeugung mit SolarenergieÜbersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten Aktive Systeme mit Kollektoren und bewegten Medien • Freibadbeheizung mit Solarabsorbern • Brauchwassererwärmung, Raumheizung für Einfamilien-häuser, größere Gebäude oder Siedlungen (solare Nahwärme)mit Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren • Trocknung, Meerwasserentsalzung, Sorptions-Kühlung • Kocher (teils mit fokussierenden Spiegeln) Passive Systeme • siehe dort Thermische Solarkraftwerke • mit fokussierenden Spiegeln Quelle:

39. a d a m Solarabsorber zur Schwimmbaderwärmung Quelle: IZE;

40. a d a m Solarkollektoren - Bauarten Vakuum-Röhrenkollektoren Flachkollektoren • Vorteile • höherer Wirkungsgrad  geringerer Platzbedarf, höhere Nutztemperatur • drehbar  Ausrichtung zur Sonne • Nachteile • hoher Preis • Gefahr von Vakuumverlusten • Vorteile • geringerer Preis • Nachteile • geringerer Wirkungsgrad  höherer Platzbedarf, geringere Nutztemperatur Flachkollektoren mit besserem Preis-/Leistungsverhältnis Quelle: Becker, 2000;

41. a d a m Solare Brauchwassererwärmung(Standard BRD) • Getrennter Kollektorkreis und Brauchwasserkreis • Pumpe im Kollektorkreis • Wasserspeicher • Platz an beliebiger Stelle mit inneren Wärmeaus-tauschern • unter (Wassernetz-) Druck, geschlossen gegen Umgebung Quelle: Energietechnik Müller;

42. a d a m Thermosyphon-Anlage(Standard Südeuropa) Warmes Wasser steigt selbständig – warm ist leichter als kalt – aus dem Kollektor in den Speicher • Wasserspeicher • Über den Kollektoren platziert • Drucklos, mit Öffnung zur Umgebung • Teils ohne inneren Wärmeaustauscher, d.h. durch die Kollektoren strömt Brauchwasser Quelle: IZE;

43. a d a m Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung Beispiel: System mit Kombispeicher Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997;

44. a d a m Optimierte Anordnung einer Solaranlage • Brennwert-Gas-Wandheizgerät als Dachheizzentrale • Geringe Kosten • hoher Nutzungsgrad • Solar-Speicher • zapfstellennah • kollektornah • heizgerätenah • installiert • geringe Kosten • hoher Nutzungsgrad • hoher Komfort • Flachkollektoren • gutes Preis-/Leistungs-verhältnis Quelle:

45. a d a m Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung • Kollektorfläche: ca. 1 m²/Person • Speichervolumen:ca. 50 l/m² Kollektorfl. • Wärmegestehungs-kosten:ca. 10 – 20 ct/kWh • Solarer Deckungsgrad:ca. 25 % (bezogen auf Energiebedarf zur Warmwasserer-wärmung) Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997;

46. a d a m Solare Nahwärme: Brauchwasser + Heizung • Kollektorfläche: ca. 0,1 – 0,2 m²/ m² Nutzfläche • Speichervolumen:ca. 1 – 10 m³/m² Kollektorfläche • Wärmegestehungs-kosten:ca. 15 – 25 ct/kWh • Solarer Deckungsgrad:ca. 40 - 60 % (bezogen auf Gesamtenergie-bedarf) Analog: Mehrfamilienhaus Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997;

47. a d a m Stromerzeugung mit SolarenergieÜbersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen • auf Wohnhäusern, ca. 1 - 5 kW Peakleistung (ca. 8 - 40 m² Modulfläche) • auf Zweckbauten und auf freiem Feld, bis ca. 3000 kW PeakleistungPeakleistung = Messwert unter Standard-Test-Conditions STC d.h. unter anderem aktuelle Globalstrahlungsleistung = 1000 W/m² (entspricht etwa der maximal möglichen Solarstrahlung in der BRD), Temperatur der Solarzellen = 25 °C (je kühler desto höher die Stromproduktion) Photovoltaikanlagen ohne Netzkopplung • dezentrale Inselsysteme meist kleiner Leistungen • entfernt gelegene Verbraucher, Verkehrstechnik, Freizeitbereich, ... Thermische Solarkraftwerke • mit fokussierenden Spiegeln und konventionellem Kraftwerksprozess • nur in Ländern mit hohem Direktstrahlungsanteil (Fokussierung!) • Parabolrinnen, Türme mit Spiegelfeldern, Heliostaten Quelle:

48. a d a m Netzgekoppelte Photovoltaikanlage(Standard BRD) Quelle:

49. a d a m Aufbau einer Solarzelle strahlungsinduzierter Strom Licht Licht • Materialien: Silizium (polykristallin, monokristallin, amorph), Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, ... • Form: kristalline Scheiben (ca. 400 mm), dünne Schichten (ca. 2 mm), ... Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997;

50. a d a m Stromerzeugung mit Photovoltaik Daten der Beispielanlage: • Solare Globalstrahlung in Modulebene = 1.055 kWh/m²a (entsprechend z.B. Standort Essen, Module mit 30° Neigung nach Süden) • Peakleistung = 1 kW entsprechend ca. 8 m² Modulfläche • Jahres-Nutzungsgrad der Energie-umwandlung von Solarstrahlung in Strom = 12 % • Stromerzeugung = 850 kWh/a(Bandbreite an real ausgeführten Anlagen = 500 - 1000 kWh/a pro 1 kW Peakleistung) Quelle: RWE-Bauhandbuch, 1998;