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Erneuerbare Energien

Als Erneuerbare Energien oder regenerative Energien werden Energieträger bezeichnet, die praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Damit grenzen sie sich von fossilen Energiequellen ab, die endlich sind oder sich erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren. Erneuerbare Energiequellen gelten, neben höherer Energieeffizienz, als wichtigste Säule einer nachhaltigen Energiepolitik und der Energiewende¹. Zu ihnen zählen Bioenergie (Biomasse), Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie und Windenergie. Die bei weitem wichtigste Energiequelle ist die Sonne.

Solartechnik

Unter Solartechnik versteht man im Allgemeinen die Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung von Wärme oder Strom.

Solarthermie

Bei der solarthermischen Nutzung wird die Strahlung der Sonne in einem Kollektor in Wärmeenergie umgewandelt. Die Solarwärme wird in Deutschland i.d.R. zur Erwärmung von Wasser für die Brauchwassernutzung oder zur Raumheizung genutzt. Wie viel Wärmeenergie durch die Solarthermie erzeugt werden kann, hängt von verschiedenen Einflussfaktoren ab und kann mit Hilfe von Softwareprogrammen simuliert werden.
Grundsätzlich sollte dort, wo die Randbedingungen einer Nutzung nicht im Wege stehen, die Solarthermie genutzt werden. Nach dem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) ist bundesweit seit 01.01.2009 für neu zu erstellende Wohngebäude die Nutzung regenerativer Energien Pflicht. Diesem Anspruch kann man z.B. durch die Nutzung der Solarthermie gerecht werden. In manchen Bundesländern (z.B. Baden-Württemberg) bestehen diese Pflichten in abgewandelter Form auch für Bestandsgebäude.

Photovoltaik

Bei der photovoltaischen Nutzung wird die Strahlung der Sonne mittels Solarmodulen in elektrische Energie umgewandelt. Solarzellen erzeugen aus Tageslicht Gleichstrom, der von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird. Dieser wird ins öffentliche Stromnetz eingespeist oder im Gebäude selbst genutzt. Eingespeister und selbst genutzter Strom wird nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet. Der Gesetzgeber garantiert eine gleichbleibende Vergütung über 20 Jahre + dem Jahr der Inbetriebnahme. In den letzten Jahren hat sich der Zuwachs an PV-Anlagen beschleunigt, so dass die Vergütung für neue PV-Anlagen schrittweise zurückgefahren wurde. Dennoch bilden Sie im Deutschen Energiemix eine noch untergeordnete Rolle.

Wasserkraft und Windenergie

Auch die "neue" Nutzung von Wasser und Wind zur Energieerzeugung wird in Gewerbe, Mittelstand und Industrie wieder entdeckt. In einem Wasserkraftwerk kann fast ständig Strom produziert werden, wodurch eine Gewinnkalkulation mit den im EEG festgelegten Vergütungssätzen durchgeführt werden kann. Grundsätzlich gilt, dass Wasserkraftwerke in der Regel sehr lange Betriebsdauern aufweisen und sich über die Laufzeit sehr gut amortisieren.

Windgeneratoren, auch als Kleinwindenergieanlage (KWEA) bezeichnet, sind Windkraftanlagen kleiner Leistung zur Gewinnung elektrischer Energie. Einsatzbereiche sind unter anderem autarke Eigenversorgungen in entlegenen Gegenden und im Bereich der nachhaltigen Energiegewinnung. Eine Abgrenzung zu den großen Windkraftanlagen ist fließend. Auch der Strom aus Windkraftanlagen wird durch das EEG vergütet. Zur Entkoppelung von Energieproduktion und Energienutzung für den Eigenbedarf sind Stromspeichersysteme notwendig.

Geothermie

Geothermie oder Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme (thermische Energie). Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann. Es ist sowohl die direkte Nutzung möglich, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch die indirekte Nutzung zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung.

Bioenergie

Bioenergie ist die Technologie, die aus Biomasse universell verwendbare Energieformen wie elektrische Energie oder Kraftstoffe gewinnt. Großtechnische Anlagen für Bioenergie werden Biokraftwerk oder Biokraftanlage genannt. Traditionell hat der nachwachsende Rohstoff Holz die größte Bedeutung als Energieträger. Außerdem werden landwirtschaftlich produzierte Agrarrohstoffe und organische Reststoffe aus unterschiedlichen Bereichen genutzt.

Weltweit wird die Erzeugung und Nutzung von Bioenergieträgern stark ausgebaut. Wichtige Gründe sind zum einen langfristig stark steigende Preise für fossile Energieträger, insbesondere aufgrund ihrer abnehmenden Verfügbarkeit. Zum anderen soll eine Verringerung der Abhängigkeit von einzelnen Energieträgern, wie Erdöl und Erdgas, erreicht werden. In Deutschland wird der Ausbau von Bioenergie z.B. mit dem EEG gefördert.

Die Debatte um Bioenergie beinhaltet technologische, ethische und kulturelle Fragestellungen. Dabei werden Auswirkungen auf die Umwelt, wie Boden, Wasser, Luft, Klima und Mitmenschen beachtet. Kulturelle Aspekte beziehen sich auf Kulturlandschaften oder die traditionelle Verwendung von bestimmten Pflanzenarten als Grundnahrungsmittel. Getreide hat in vielen Kulturen einen hohen Symbolgehalt. Daher wird die energetische Verwendung von Weizen teilweise als ethische Grenzüberschreitung wahrgenommen und deshalb häufig tabuisiert.

KWK/BHKW

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bzw. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie, die in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt wird, und nutzbarer Wärme für Heizzwecke (Fernwärme oder Nahwärme) oder für Produktionsprozesse (Prozesswärme) in einem gemeinsamen thermodynamischen Prozess, üblicherweise in einem Heizkraftwerk. Es ist somit die Auskopplung von Nutzwärme insbesondere bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen. In den meisten Fällen stellen KWK-Kraftwerke Wärme für die Heizung öffentlicher und privater Gebäude bereit oder sie versorgen als Industriekraftwerk Betriebe mit Prozesswärme (z. B. in der chemischen Industrie). Die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung wird dabei teilweise in Kauf genommen. Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht eine Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie verglichen mit der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme, zugleich wird aber der elektrische Wirkungsgrad des Kraftwerkes etwas reduziert. Zunehmend an Bedeutung gewinnen kleinere KWK-Anlagen für die Versorgung von Gewerbebetrieben und Wohngebieten, bzw. einzelner Mehr- und sogar Einfamilienhäuser, sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW).

Vorteil der KWK ist der verringerte Brennstoffbedarf für die gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung, wodurch die Schadstoffemissionen stark reduziert werden. Die Förderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) und das EEG soll den Ausbau beschleunigen. Da mit fossilen Brennstoffen befeuerte KWK-Anlagen weiterhin Kohlenstoffdioxid ausstoßen, kann ein umfassender Klimaschutz langfristig nur gewährleistet werden, wenn sie mit erneuerbaren Energien gespeist werden, wie z. B. Biomasse und synthetischem Erdgas aus erneuerbarem Überschussstrom.

Integration von Erneuerbaren Energien auch in Bezug auf Speicherung und Elektromobilität

Wichtig in diesem Zusammenhang ist es, die Energieerzeugung insgesamt ganzheitlich und gekoppelt zu betrachten und nicht nur den Stromsektor. Der Sinn einer Sektorkopplung liegt darin, ein Stromnetz zu schaffen, dass die nötige Flexibilität aufweist, um die Erzeugungsschwankungen von Wind- und Solarstrom aufzunehmen. Gekoppelte Energiesysteme ermöglichen so einen geringeren Einsatz von vergleichsweise teuren Stromspeichern, um die Schwankungen im gekoppelten System besser zu verteilen und kurzfristige Energieüberschüsse so z. B. in große Fernwärmespeicher überführt werden können, die derzeit günstigste Form der Energiespeicherung überhaupt.

Da Deutschland mittlerweile in der zweiten Phase der Energiewende¹ angekommen ist, wird die Notwendigkeit für diese Integrationsmaßnahmen der erneuerbaren Energien immer notwendiger. Es müssen Maßnahmen wie z. B. der Aufbau von "intelligenten" Stromnetzen (sog. Smart Grids) vorangetrieben werden um Erzeugung, Lieferung und Verbrauch besser zu koordinieren. Ab dieser Phase wird dann auch zunehmend der Einsatz von Kurzfristspeichern wie Pump- oder Batteriespeicher sinnvoll. So werden z. B. zukünftig nachts die Speicherbatterien der eigenen Photovoltaikanlage zur Pufferrung des Stroms eines nebenan gelegenen Windparks genutzt.

Für Hauseigentümer mit eigener Stromerzeugung durch Photovoltaik lassen sich bereits seit etwa 2013 eigene, dezentrale Stromspeicher durch die Stromvergütung des EEG wirtschaftlich betreiben. Nach Angaben des Bundesverbandes Solarwirtschaft sind 2014 die Preise von Batteriespeichern (Solarbatterien) um 25 % gefallen. Seit Mai 2013 fördert die KfW die Installation von Batteriespeichern einschließlich Anreizen zur Netzstabilisierung. Dadurch stieg die Nachfrage sprunghaft an. Es wird erwartet, dass Heimenergiespeicherung immer präsenter werden wird, angesichts der wachsenden Bedeutung von dezentraler Stromerzeugung (vor allem Photovoltaik) sowie der Tatsache, dass Gebäude den größten Anteil am gesamten Energieverbrauch darstellen. Ein Haushalt nur mit Photovoltaik kann eine Stromselbstversorgung von maximal etwa 40 % erreichen. Um eine höhere Selbstversorgung zu erreichen, wird angesichts der unterschiedlichen Zeitverläufe von Energieverbrauch und der Stromproduktion aus Photovoltaik ein Energiespeicher benötigt. In diesem Zusammenhang können sogar die Energiespeicher einer immer größeren werdenden Flotte von Elektrofahrzeugen in ein intelligentes Stromnetz eingebunden werden. Zudem können "alte" Batteriespeicher aus E-Autos, die nur noch 80% ihrer Leistungsfähigkeit haben, als gebrauchte, preiswerte Energiespeicher im System noch jahrelang gute Dienste tun.

Sonderfall Brennwerttechnik

Die Brennwerttechnik gehört eigentlich nicht zur Thematik der Erneuerbaren Energien. Ich erwähne sie jedoch hier, da ein Brennwertkessel ein Heizkessel für Warmwasserheizungen ist, der den Energieinhalt (Brennwert) des eingesetzten Brennstoffes nahezu vollständig nutzt. In Brennwertkesseln wird auch die Wärme des Abgases zur Wärmebereitstellung im Heizsystem genutzt. Die Brennwerttechnik wird wegen dieser Effektivität in Deutschland gefördert.

Die Installation eines Brennwertkessel unterliegt jedoch einer vorher zwingend notwendigen Betrachtung des vorhandenen Gesamtsystems der Heizungsanlage mit Kessel, Schornstein, Pumpen, Leitungen und Heizkörpern. Nur der Austausch des Kessels kann kontraproduktiv sein.

In der praktischen Nutzung kann ein Brennwertgerät schnell ungewollt in einen quasi-Heizwertbetrieb, der dem einer normalen Heiztherme entspricht, zurückfallen, so dass der Wirkungsgrad sinkt und damit der Vorteil und Nutzen der Brennwerttechnik wegfällt. Ursache dafür ist meist eine zu hohe Rücklauftemperatur des Heizungswassers, die z. B. durch abgeregelte Thermostatventile oder durch Raumheizkörper mit zu geringer Oberfläche entsteht. Hier ist entweder das Brennwertsystem über eine Differenzdruck-geregelte Umwälzpumpe oder mit neuen, der Therme angepassten, Heizkörpern zu modernisieren. Zudem entstehen je nach Brennstoffart, Verbrennungstemperatur, Sauerstoffanteil und sonstigen Faktoren bei einer Verbrennung unterschiedliche, teilweise aggressive, Substanzen. Wird das Abgas unter den Taupunkt abgekühlt, beginnen diese Stoffe auszukondensieren und sich im Schornstein abzusetzen, dieser muss deshalb mit Schutzrohr und Abwasseranschluss ausgerüstet werden.

Die Brennwerttechnik ist in der Anschaffung teurer. Das betrifft den Kessel/die Therme selbst, eventuell müssen aber auch andere Pumpen, größere Heizkörper und notwendige Änderung des Schornsteins (Rohreinzug) vorgenommen werden. Ist kein Abwasseranschluss in der Nähe vorhanden, muss er geschaffen werden. Zu Berücksichtigen ist auch, dass die Verwendung von Hocheffizienzpumpen in Brennwertanlagen im Betrieb ca. 30–40 % mehr Strom als normale Heizwertanlagen verbrauchen, weil die abgekühlten Abgase nicht mehr passiv im Schornstein aufsteigen sondern aktiv ausgeblasen werden müssen.

Bei einer Umstellung auf die Brennwerttechnik sollte deshalb immer die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems, also das Verhältnis von höheren Anschaffungskosten zur Energieeinsparung, betrachtet werden. Nur wenn diese Bilanz für den Lebenszyklus der Anlage positiv ausfällt machen die staatlichen Förderprogramme und Zuschüsse Sinn.

Beratung

Wenn Sie mehr über die interessante und nachhaltige Energieerzeugung mit Solartechnik, Kraft-Wärme-Kopplung, Biomasse, Wärmepumpen und die Brennwert-Technik sowie über die Energiespeicherung wissen möchten, oder sich für eine konkrete Anwendung interessieren, stehe ich Ihnen gerne beratend zur Seite. Auf Grund der örtlichen Gegebenheiten kann ich die voraussichtliche Leistung simulieren und die Effizienz einer Anlage beurteilen. Dazu liefere ich Ihnen eine Wirtschaftlichkeitsberechnung, in der auch die voraussichtlichen Kosten ermittelt und Finanzierungsmöglichkeiten oder Zuschüsse dargestellt werden.

Im Zuge einer Umsetzung eines Vorhabens zur Nutzung Erneuerbarer Energien, unabhängig davon ob dies im Zusammenhang mit einem Neubau, einer Sanierung eines Gebäudes oder einer rein technischen Nutzung geschehen soll, stehe ich Ihnen gerne mit einem umfassenden Projektmanagement zur Seite.


¹ Informationen und Hintergründe zur Energiewende erhalten Sie im Servicebereich Energiewende