FH Aachen University of Applied Sciences Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

1. Energie-EffizienzimWohn- und ZweckbauNutzung gegebener EinsparpotenzialeVeranstaltung am 9.11.2011„Energiewende im Kreis Heinsberg“ FH Aachen University of Applied Sciences Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Eupener Straße 70 52066 Aachen Prof. Dr.-Ing. Franz Wosnitza Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt Energiemanagement

2. Traditionelle Ausrichtung Technik, Wirtschaft Komponenten Wirkungsgrad, Grenzleistung hydro-thermisch, zentral statisch und passiv Mehrerzeugung regionaler Umweltschutz Neue Ausrichtung Technik, Wirtschaft, Umwelt Systeme, Gesamteffizienz Kleinleistung regenerativ dezentral, intelligent Minderbedarf globaler Klimaschutz Neuorientierung der Energietechnik

3. Energieeffizienz im Wohn- und Zweckbau • Ziele der Energietechnik • Erneuerbare Energien • Ökologische und ökonomische Aspekte • Preisentwicklung fossiler Brennstoffe • Einsatz moderner, zukunftsweisender Heizsysteme • Wärmedämm-Verbundsysteme Voraussetzungen für Energieeffizienz • Energieeffizienz durch moderne Heizungs- und dezentrale Stromerzeugungs-Systeme • Energieeffizienz durch Wärmeschutz • Energieeffizienz durch Gebäude-Systemtechnik, Energie-Monitoring • Energiespeicherung

4. Woher kommt morgen der Strom? Wasserkraft alle Potenziale werden genutzt 19,5 Mrd. kWh Windkraft 22.000 Onshore-Anlagen, Repowering Offshore-Anlagen, höhere Kosten 37,5 Mrd. kWh, Vergütung: 4,67 Mrd. € Biomasse, Biogas 33,5 Mrd. kWh, Vergütung: 4,25 Mrd. € Photovoltaik/Wasserstofftechnik 12 Mrd. kWh, Vergütung: 8,02 Mrd. € Geothermie zzt. zu hohe Anlagekosten Kernkraft 17 KKW´s, 132 Mrd.kWh keine gesellschaftliche Akzeptanz Kernfusion einer der Hoffnungsträger für nachhaltige Erzeugung elektrischer Energie In ca. 4 h liefert die Sonne den Jahresenergiebedarf der Menschheit

5. Road Map der Bundesregierung – können wir das schaffen? Sicherstellung der Energieversorgung - Operative Ziele bis 2022 • Senkung der Energiekosten • Schaffung von 500.000 neuenArbeitsplätzen im Energiesektor • 30% Strom auserneuerbaren Energien • Atomausstieg bis 2022 • 40% des Stromes aus hoch-effizienten Kohlekraftwerken • Ausbau des Stromnetzes,umweltverträglich und effizient • Drosselung des Strom-verbrauchs um 11% • Senkung des fossilen Wärme-bedarfs um mindestens 25% • Verdoppelung der Kraft-Wärme-Kopplung auf 25% • Emissionsreduktion im Verkehrum mindestens 20%

6. Kosten der Erneuerbaren Energie-Einspeisung nach EEG Entwicklung des Aufkommens durch die Belastung der Strompreise aus gesetzlichen Abgaben und Steuern in Mrd. Euro rote Balken: Stromsteuer grüner Balken: Konzessionsabgabe blaue Balken: Kraft-Wärme-Kopplung grauer Balken: EEG-Vergütungen Quelle: Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.

7. 1. Pfeiler der Energieeffizienz - Moderne Heizungssysteme Einsparpotenzial  20% Neueste Generation von Brennwertkesseln • de facto Standard, Nutzung des oberen Heizwertes • Familie, vier Personen, Reihenhaus: 20.000 kWh/a • Gaskosten ca. 0,05€/kWh • Brennwerttherme: Einsparung ca. 11%,also 2.200 kWh • Kosteneinsparung : ca. 110 €/a • mit Öl-Brennwerttherme und Heizöl Extra Leicht:Energieeinsparung ca. 6%

8. Solarthermische Heizanlagen -Sonne als unerschöpfliche Energiequelle CO2-Bilanz:Solaranlagen mit Heizung • 20 bis 30 % Einsparpotenzial • ca. 350 bis 500 LiterÖleinsparung pro Jahr • 1.000 kg CO2-Einsparung Ökonomie: • Heizen relativ teuer bei Raumheizungs-Unterstützung • bessere Fenster • erhöhte Wärmedämmung • Wasserspar-Armaturen • Lange Amortisationszeiten • Warmwasserbereitung wirtschaftlich

9. Holzpellet-Heizung - Natur belassenes Restholz Sägemehl oder Hobelspäne • ohne Bindemittel mitDruckverdichtung • Brennerschale,Heizstab, Heißluftgebläse • Holzgasgemisch-Zündung CO2-Bilanz: • CO2-neutral • 5 t/a Einsparung gegenüberkonventioneller Heizung Ökonomie: • Höhere Anschaffungskosten • Pellet-Preise unabhängig vom Gas/Ölpreis • Geringere Betriebskosten • Lagerraum notwendig • Einsparpotenzial: 600€/a bei30.000 kWh Heizenergiebedarf

10. Mikro-Blockheizkraftwerk - Strom und Wärme in Einem Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) • Verbrennungsmotor =Generator + Abwärmenutzung • Diesel, Heizöl, Gas,Biogas, Biodiesel, Rapsöl, Holz-Pellets CO2-Bilanz: • 40% Primärenergie-Einsparung • Wirkungsgrad ca. 90 % • CO2-Reduzierung größer als bei Solaranlagen • Temperaturen bis 600C,besser als Wärmepumpe • keine Fußbodenheizung notwendig Ökonomie: • Höhere Anschaffungskosten,geringere Betriebskosten • BHKW günstiger als Solaranlage • Schallproblematik Investition eines Mikro-BHKW´s rechnet sich, wenn die Laufzeiten stimmen und wenn Investorund Nutzer des erzeugten Stromes identisch sind

11. Technische Daten ecopower – Mikro-BHKW

12. Stirling-Motor - Wiederentdeckung eines alten Onkels Ältestes Wärmekraftmaschinen-Prinzip, besonders geeignet für Blockheizkraftwerke • periodisch wirkender geschlossener Kreisprozess • Umwandlung von indirekter Wärme in mechanische Energie • Solarantrieb möglich, extrem geräuscharm • Förderung aller KWK-Maschinen durch das EEG • Einsatz verschiedener Brennstoffe • EEX-Börse Leipzig: zzt. 5,11 ct/kWh • Stirling-Motor: 1 kWel, 6 kWth, • Gesamtwirkungsgrad: 96 %, (Hs) / 107 % (Hi) • Spitzenlastkessel: (6-20) kW • Nutzungsgrad 98 % (Hs) / 109 % (Hi) • Mikro-KWK Vitotwin 300-W • Spitzenlastkessel • Wärmetauscherflächen aus Edelstahl • Luftverteilerventil • Ringbrenner • Stirling-Motor • Regelung

13. Wärmepumpe - Heizwärme aus der Erde Transformation von Wärme niedriger Temperatur in Wärme hoher Temperatur Wärmepumpen entziehen gespeicherte Erdwärme und geben diese unter Verwendung mechanischer Antriebsenergie an den Heizkreislauf ab Geschlossener Kreisprozess (Verdampfen, Komprimieren, Verflüssigen, Expandieren) A: Luftwärme-Kollektoren (ohne Bedeutung) B: Grundwasser-Wärmepumpe (offenes System) C1: Erdwärme-Sonde (>100m Tiefenbohrung) C2: Erdwärme-Kollektor (geringer Wirkungsgrad) CO2-Bilanz: • bei 20.000 kWh JahresenergieverbrauchEinsparung von ca. 300 kg CO2 • Wirkungsgrad deutscher Kraftwerke von 36 % • Jahresarbeitszahlen zwischen 3,5 und 4 • Wirkungsgrad von Wärmepumpen bezogenauf die Primärenergie: (120-140) %. Ökonomie: • Einsparung gegenüber Gasheizung bis zu 450 €/a • ca. 50 % der Betriebskosten einer Gastherme • im Vergleich deutlich höhere Investitionskosten hohe Baukosten

14. Physikalisches Prinzip der Wärmepumpe

15. Photovoltaik- und Klein-Windkraftanlagen –Energieversorgung ohne Sorgen? Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Wind und Sonne • so genannte dargebotsabhängige Energien • Keine Grundlastdeckung, sondern ausschließlich Spitzenlastdeckung • Windlast: ca. 2000 h/a = 22% Jahresverfügbarkeit • Sonnenenergie: ca. 800 h/a = 9% Jahresverfügbarkeit

16. Kleinwindkraftanlagen – Windenergie für jeden nutzbar • Kosten: >3000 €/kWpeak ohne Fundament und Montagekosten • Anlagenleistung: (0,4-30)kW • Wirtschaftlichkeit: (200-400)kWh/m2 • Netzvergütung: 9,2ct/kWh (5a) Rotorfläche: 10kW=(30-55)m2 • Mindest-Windgeschwindigkeit: 7m/s • Nenn-Auslegung: (15-20)m/s doppelte Windgeschwindigkeit =achtfache Leistung • Höhe der Anlage: ≥20m • geringe Bodenrauhigkeit = hoher Ertrag • Blitzschutz extrem wichtig • Schallemissionen ≤45dB (WHO)(5-10)dB über Ruhelärmpegel • Ausführungen: horizontale Achse (Wirkungsgrad) vertikale Achse (Darrieus, Savonius) • Anlagen zur Netzeinspeisung • Anlagen für den Inselbetrieb (Batterie)

17. Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung Drei Beweggründe für den Einstieg in die PV-Installationmit Anschluss an das öffentliche Stromnetz, wenn: 1) eine Dachsanierung ansteht 2) eine Heizungssanierung geplant ist 3) CO2 eingespart werden soll • Dachfläche : ausreichende Statik Standort Richtung Süden (südost/südwest) schattenfrei Dachneigung (10-40) Grad gute Hinterlüftung erhöht Energieertrag • Solargenerator: 5 kWp Privathaushalt-PV-Anlage: Produktion von ca. 4000kWh/a Halterungen, Kabel mit Steckern, Wechselrichter, geeichter Stromzähler • Lebensdauer : >20 Jahre bei einer Leistungseinbuße von etwa 20% • Einspeisevergütung nach EEG:

18. PV-Modul-Techniken - Kein Glaubenskrieg Amorphe Si-PV-Module • zukunftsfähig • Wirkungsgrad ca. 10% • hoher Ertrag bei diffusem Licht • geringe Herstellungskosten Dünnschicht-Module • CdTe-Dünnschicht • umstritten Polykristalline PV-Module • wenig Si - umweltfreundlich • Wirkungsgrad ca. 13% • guter Wattpreis Monokristalline PV-Module • teure Herstellung • hoher Wirkungsgrad, ca. 15% • lange Betriebszeiten

19. Brennstoffzelle - Weg aus der Energiekrise? Energie-Umwandlungsprinzip • elektrochemische Umsetzung der Brennstoffe (H2; CO) und Sauerstoff (O2) direkt zu Strom und Wasser • Gasmotor, ohne Umweg über Wärme und mechanische Energie • zwei Elektroden, Anode und Kathode • Trennung durch gasundurchlässigen, jedoch Ionen leitenden Elektrolyten • Wasserstoff-Moleküle spalten sich in Elektronen und Ionen (H+) auf • positiv geladen H+-Ionen wandern von der Anode zur Kathode und negativ geladene OH-- Ionen wandern von der Kathode zur Anode • Reaktion der H+-Ionen mit den OH--Ionen an den Elektroden • Ausbildung von Plus- und Minuspol (Kathode/Anode) • Bildung von Wasser bzw. Wasserdampf an der Kathode.

20. 2. Pfeiler der Energieeffizienz - Wärmedämm-VerbundsystemeEinsparpotenzial  65% Nachträglicher Wärmeschutzin der Altbausanierung • Alte Häuser sind Energieverschwender • Energieeinsparverordnung (EnEV) für Neubauten:jährlicher Heizwärmebedarf (40-80)kWh/m2aentspricht Ölverbrauch von (4-8) l/m2 (1 Liter Heizöl entspricht Energie von 10 kWh) • Energiebedarf bei Altbauten: ca. 200 kWh/m2a • 3 Wärmedämm-Maßnahmen:1. Dach2. Außenwände3. Keller • Kosten der Außenwanddämmung mit einem Wärmedämm-Verbundsystem:Gesamtkosten von ca. 130 bis 160 €/m2 Fassadenfläche • Verringerung des Energieverbrauchs:ca. 12 l/m2 Amortisationszeiten liegen beica. 10 – 15 Jahre! Einsparpotenzial liegt bei 70 % der Heizenergie

21. Wärmeschutz-Berechnung und U-Wert –für den Bauherrn verständlich gemacht • Flut von Begriffen und Formeln  Reduktion auf das Wesentliche für Laien • Wärmeleitfähigkeit ; Wärmedurchlasswiderstand R; Wärmeübergangskoeffizient ;Wärmedurchgangswiderstand RT ; Wärmedurchgangskoeffizient U-Wert • Wichtigste Wärmeschutz-Kennzahl eines Bauteils ist der U-Wert:Wärmedurchgangskoeffizient, (früher: Wärmedurchlässigkeit oder k-Wert) • Diejenige Wärmemenge in kWh, die pro Stunde durch eine Bauteilfläche von 100m² transportiert wird, wenn zwischen Innen- und Außenwand ein Temperaturunterschied von 100C besteht! Je kleiner der U-Wert, desto besser die Dämmung!

22. Einfache mechanische LüftungstechnikAbluftventilator zieht Außenluft unkontrolliert und ungeheizt durch das Haus Höhere mechanischeLüftungstechnikKreuz-Wärmetauscher mit 80% Wärmerückgewinnung Rotationswärmetauscher Inversions-Wärmetauscherfür kleine Leistungen Erd-Wärmetauscher zur Vorwärmungder oberirdischen Ansaugluft Systeme mit unterirdischerAnsaugung Energieeffizienz vonLüftungsanlagenmit Wärmerückgewinnung optimierte luftstrombezogene Leistungsaufnahme hoher Nutzungsgrad der Wärmerückgewinnung geringe Fugen- und Fensterluftwechselraten reduzierte Luftwechselraten von 0,3 Gute Raumluft - Das A & O des Wohlbefindens spez. Lüftungswärmebedarf:(6...9) kWh/(m²a) entspricht 1 l/m2a Heizöl

23. Solare Adsorptionskühlung – mit Sonnen-Energie kühlen Zuluft • warme Außenluft durchströmt Rotationsluftentfeuchter • langsam rotierendes Rad mit hygroskopischer Substanz (z.B. Silicagel) • Adsorption der Feuchtigkeit mit Adsorptionswärme • warme, trockene Luft durchströmt Rotationswärmetauscher • Abluft kühlt etwas trockene Frischluft • Luft wird befeuchtet • Entstehung von Verdunstungskälte • Zuluft für Gebäude kühlt ab Abluft • Abluft durchströmt den Wärmetauscher • Verbesserung der KühlwirkungBefeuchtung der Abluft • Solarwärme erwärmtAbluft auf (50-85)°C • Fortluft nimmt imRotationswärmetauscher Feuchtigkeit auf • Fortluft trocknet im Rotationsluftentfeuchter Silikagel 450C 800C 300C 220C 250C 350C 400C 200C 350C

24. 3. Pfeiler der Energieeffizienz - Gebäude-AutomationEinsparpotenzial  15% • KNX/EIB-Gebäudeautomationsbus (EUROPEAN INSTALLATION BUS) • LON-Gebäudeautomationsbus (LOCAL OPERATING NETWORK) • BACnet (BUILDING AUTOMATION AND CONTROL NETWORK) • Gebäude „intelligenter“ machen • Hersteller unabhängige, dezentrale,offene Gebäudebus-Systeme für:Wohnungsbau , Verwaltungsgebäude, Schulen,Museen, Denkmal geschützte Häuser • bei Nutzungsänderung umprogrammieren,nicht umverdrahten • Gebäude "kommunizieren" mit den Gewerken:Beleuchtung, Jalousie, Heizung, Klima, Alarmsystem • verschiedenste Hersteller und Geräte • Einsatzgebiet in Niedrigenergie-Häusern • Steuerung aller technischen Abläufe im Gebäude • Abschaltung aller Beleuchtungen und Verbraucher • Heizungsvorlauftemperatur auf „Standby“ • Alarmanlage schaltet sich ein • Steuerung über Festnetztelefon/Handy/Internet • Übertragungsmedien:Twisted Pair (verdrillte 2-Draht-Schwachstromleitung)Powerline (Übertragung der Daten über die 230V-Leitung)Funk und Ethernet

25. Beleuchtungstechnik – auch Kleinvieh macht Mist • Kennzeichen moderner • Beleuchtungstechnik • Raumplanung und Nutzung • Einbeziehung von Tageslicht • Lichtverteilung/Leuchtendesign • Lichtkomfort • Dimmen/Leuchtmittelauswahl • Integration insGebäudemanagement • standardisierte Ansteuerung mittels DALI • Einhaltung einschlägiger Normen und Verordnungen • Energie- undRessourceneinsparung • effiziente Leuchtmittel • Qualitäts-EVG-Vorschaltgeräte • effiziente Leuchten,angepasst auf Beleuchtungsaufgabe • Lichtmanagementsysteme

26. Smart Metering - Hintergründe und Rahmenbedingungen 1.1.2010 für Neubautenund renovierte Altbauten kommunikationsfähige elektronische Messeinrichtung zeitnahe Informationen zum Energieverbrauch Strom, Erdgas, Fernwärme und Wasser Energieverbrauch analysieren und auf Zeiträume verlagern, in denen Energie günstiger ist Entwicklung intelligenter Versorgungsnetze monatliche, vierteljährliche oder halbjährliche Abrechnungen bidirektionale, selbständige Kommunikation zwischen Zähler - Energieverteilnetz und zwischen Zähler - Hausgeräte Es gelten die Bestimmungen des Eichrechts Energiemanagement und Energie-Monitoring – Energiesparen ohne Komforteinbuße?

27. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit