Monat: November 2022 (Seite 2 von 2)

Regenerative Energie ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass sie unabhängig vom jeweiligen Bedarf verfügbar ist. Das gilt zum einen für PV-Strom, der im Sommer gegenüber dem Winter vermehrt aber nachts überhaupt nicht generiert wird. Wind- und Wasserenergie sind bereits für das Vorhaben ausgeschlossen. Die Erdwärme ist mit konstanten Jahres-Quelltemperaturen verfügbar – es müssen nur die hydraulischen Pumpen für die Grundwasseransaugung laufen. Es ist daher nicht erforderlich, Wärme zu speichern.

Das ist für den Strom jedoch grundsätzlich anders. Hier muss die Volatilität des Dargebots durch Zwischenspeicherung an den Bedarf angepasst werden. Stromspeicher kosten viel Geld. Eine saisonale Speicherung von Strom aus dem Sommer für den Winter ist unbezahlbar. Außerdem sinkt der Wirkungsgrad durch die Speicherverluste über eine so lange Zeit. Bei der Auslegung eines Stromspeichers sollte der Grundsatz: „Ein zu großer Speicher wird im Winter nicht voll und wird im Sommer nicht leer“ berücksichtigt werden.

Ideal ist die Dimensionierung des Stromsspeichers so, dass 50% der durchschnittlich täglich mit der Photovoltaikanlage produzierte Energie oder aber 50% der an einem durchschnittlichen Tag des Jahres verbrauchten Energie gespeichert werden kann, je nachdem welcher der beiden Werte der geringere ist.

Als durchschnittlicher Tag des Jahres gilt der Tag mit der Tag-Nacht-Gleiche (in Mülheim an der Ruhr 20. März bzw. 22. September).

Für die konkrete Auslegung nach der Produktion nimmt man die installierte Peakleistung der Anlage, multipliziert sie mit 750 bis 950 Jahresvolllaststunden (750 gilt für Ost- und Westdächer, 950 für Süddächer) und teilt das Ergebnis durch 365 (Anzahl der Tage eines Jahres). Das ergibt die Energieausbeute eines durchschnittlichen Tages. Bei einer PV-Anlage von 1.000 kW peak in Südrichtung ergibt sich damit maximal 1.300 kWh für den Stromspeicher.

Die Auslegung nach dem Bedarf erfolgt anhand des durchschnittlichen halben Tagesverbrauchs. Bei einer Wohnung mit einem Stromverbrauch von 2.400 kWh im Jahr sind das 3,4 kWh. Bei 400 Wohneinheiten müssten dann maximal 1.370 kWh Stromspeicher zur Verfügung stehen.

Von beiden Werten gilt der kleinere für die Auslegung des Speichers. Mehr macht keinen Sinn.

Für die größtmögliche Autarkie der Wohnanlage sollte die PV Anlage so dimensioniert werden, dass sie am Referenztag den Stromspeicher vollständig aufladen kann.

Bei einer Hochhaushöhe von 60 m könnte man für die Stromspeicherung sogar über ein Pumpspeicherwerk nachdenken. Das eine besonders effiziente Form der Stromspeicherung über mehrere Tage. Allerdings sind die Wassermassen der Oberbecken auf den Dächern aus statischen Gründen nur sehr schwer tolerierbar. Andererseits sind die Flächen ja bereits für die Photovoltaikmodule allokiert. Man könnte beides miteinander verbinden. Es wird jedoch nicht empfohlen, diesen Weg weiter zu verfolgen, da andere Lösungen für den Anwendungsfall günstiger zu sein scheinen.

Bislang wurde das Zauberwort „Wasserstoff“ noch nicht verwendet. Wasserstoff wird häufig neben Windenergie und Photovoltaik wie eine Primärenergie genannt. Das ist jedoch falsch. Wasserstoff kommt wegen seiner Neigung, mit Sauerstoff zu Wasser zu reagieren, in der Natur so gut wie nicht vor und muss unter Einsatz von Energie erzeugt werden. Das kann in einer Chemieanlage aus Methan (CH₄) geschehen. Derartige Reformer arbeiten mit Wasserdampf, der durch die Verbrennung von Methan erzeugt wird. Statt Methan werden die chemisch etwa gleichen Fluide Erd- und Biogas genutzt.

Eine andere Möglichkeit, Wasserstoff zu gewinnen, basiert unter Einsatz elektrischer Energie auf der Elektrolyse. Leider ist der Wirkungsgrad sehr niedrig: 60 – 70% der Energie aus dem Strom geht verloren. Die Rückgewinnung von elektrischer Energie aus Wasserstoff erfolgt in der Brennstoffzelle. Auch hier sind die Wirkungsgrade noch sehr niedrig. Am Ende stellt der Weg zur Energiespeicherung über den Wasserstoff eine Lösung dar, die nur 20% der eingesetzten Energie zurückgibt.

Wasserstoffspeicher sind für den hier beschriebenen Zweck ungeeignet.

Es bleibt, über Batteriespeicher nachzudenken. Diese haben ebenfalls Wirkungsgradverluste bei der Ein- und Ausspeicherung. Darüber hinaus geht während der Speicherzeit ein Teil der Energie verloren. Aber der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 85%. Batteriespeicher „leben“ davon, hohe Speicherstandswechsel zu haben. Sie sind im Vergleich zu anderen technischen Möglichkeiten ideal, wenn es um die Speicherung elektrischer Energie für einige Stunden bis hin zu zwei bis drei Tagen geht.

Ein Batteriespeicher ist eine adäquate Ergänzung zur Photovoltaikanlage. Er sollte richtig dimensioniert werden (siehe oben).

Als abschließender Hinweis zur Thematik Speicher bleibt festzustellen, dass die oben dargestellten Überlegungen nicht das Ziel haben, einen BlackOut zu überbrücken. Sie dienen so wie beschrieben lediglich dem Ziel, die Photovoltaikausbeute des Tages an den Tagen, an denen der 24-Stunden-Verbauch unter der Ausbeute liegt, für die nachfolgende Nacht verfügbar zu halten. Damit muss für den Winter anderweitig vorgesorgt werden und dies kann über virtuelle Speicher im Netz geschehen.

Zur Errichtung der Wohnanlage werden Baustoffe eingesetzt. Deren Herstellung wiederum hat Einfluss auf die CO₂-Emissionen.

Insbesondere wird bei der Produktion von Zement und Beton sehr viel Energie eingesetzt, während die Verwendung von Holz als Baustoff die im Holz während der Wachstumsphase eingelagerten klimaschädlichen Gase nicht – wie es bei der Verbrennung in Öfen geschehen würde – wieder freisetzten, sondern langfristig binden.

Das einmal im Werkstoff Holz gespeicherte CO₂ gerät bei der Verwendung als Baustoff nicht in die Atmosphäre zurück.

Die Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen DGNB hat 2021 eine Benchmarkstudie für die Treibhausgasemissionen durch die Erstellung der Gebäudehülle für unterschiedliche Bauweisen und Gebäudetypen durchgeführt. Hierbei wurden die spezifischen flächenbezogenen Emissionen in Form von Global Warming Potential (GWP) als CO₂-Äquivalent berechnet und auf die Netto-Raumfläche (NRF) bezogen.

Holz- Holzhybrid Bauweise:         2,7 GWP/NRF
Massivbau-Bauweise:                   8,6 GWP/NRF
Skelettbau-Bauweise:                   9,7 GWP/NRF

Der größte Anteil resultiert von den (Zwischen-)decken. Dieser ist etwa doppelt so hoch, wie die Gründung und 2,5-fach so groß wie die Außenwände.

Der Bau von Hochhäusern setzt deutlich mehr Treibhausgase frei, wie der Bau von Reihenhäusern mit gleicher Netto-Wohnfläche. Die Holzbauweise ist um mehr als den Faktor 3 besser, als die Massiv- oder Skelettbauweise.

Um das Klima zu schützen sollten möglichst regenerative Energiequellen eingesetzt werden.

Hier sind vor allem Windenergie und Photovoltaik zu nennen, aus denen elektrische Energie gewonnen werden kann. Diese Energieform gilt als am höherwertigsten, weil aus ihr Licht, Kraft, Wärme und Kälte hergestellt werden kann.

Die Nutzung der Wärme aus tiefen Bodenschichten wird Geothermie genannt. Liegen die Temperaturen hoch genug, so lassen sich mit der Geothermie sogar Kraftwerke betreiben. Das ist beispielshaft in Larderello in Italien der Fall.

In der Region um München liegen die geothermischen Temperaturen so hoch, dass eine Fernwärmeversorgung ohne Wärmepumpe möglich ist. In vielen anderen Regionen muss jedoch eine Wärmepumpe die aus der Tiefe gewonnene Wärme auf die für die Heizung erforderlichen Vorlauftemperaturen anheben, wenn die Bohrung nicht tief genug geht.

Die Erde wird zu einem Teil von der Sonne und zum anderen Teil durch radiologische Vorgänge im Erdinneren erwärmt. Die  Geschwindigkeit des Eindringens von Sonnenenergie in den Boden ist aufgrund des Verhältnisses von Wärmeleitfähigkeit zur Wärmekapazität so gering, dass in etwa 80 cm Tiefe im Winter die höchsten und im Sommer die niedrigsten Temperaturen herrschen. Mit weiterer Tiefe nehmen die jahreszeitlichen Unterschiede aufgrund der Wärmekapazität des Bodens ab und ab 20 m ist mit jahreszeitlich konstanten Temperaturen zu rechnen. Von hier aus nimmt die Temperatur mit je 33m weiterer Tiefe um ein Grad zu.

In etwa 100 m Tiefe werden mit dieser einfachen Formel 12 – 13°C erreicht – bereits genug, um mit einer Wärmepumpe bei einer Fußbodenheizung die erforderliche Vorlauftemperatur von 35°C zu erreichen. Bohrt man tiefer, so werden es bei etwa 250 m 17°C, was die erforderliche Wärmepumpenarbeit etwas reduziert, und ab einer Tiefe von 1.000 m kann man in Deutschland mit Tiefentemperaturen von 40 °C rechnen, die dann sogar ganz ohne Wärmepumpeneinsatz direkt für die Beheizung von Wohnräumen genutzt werden können.

Die angegebenen Daten sind weltweit gemittelte Durchschnittswerte. In München liegen sie deutlich höher und ob sie in Mülheim an der Ruhr höher liegen, muss durch Probebohrungen ermittelt werden.

Das Fachinformationssystem “Geothermie” des Geologischen Dienstes NRW weist für das betrachtete Baugebiet eine gute Eignung bei Tiefen von 100m aus. Ab einer Tiefe von 5 m geht man von einer Ton-Schluffstein-Struktur mit Sandstein (Karbon) aus, deren Leitfähigkeit 2,6 W/(m K) beträgt, was ein guter Wert für die Erdwärmenutzung ist.

Link: https://www.geothermie.nrw.de/geothermie2022/?lang=de

Das u.a. durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Geothermischen Informationssystems GeotIS stellt berechnete Tiefendaten für die erste Vorauslegung von Wärmesystemen zur Verfügung. Die Daten von GeotIS besagen, dass man am Standort des ehemaligen Tengelmann-Geländes in Mülheim an der Ruhr in 91 m Tiefe 15°C, in 275 m Tiefe 20°C, in 429 m Tiefe 25°C, in 603 m Tiefe 30°C, in 661 m Tiefe 35° und in 826 m Tiefe 40°C erreichen kann.

Link: https://www.geotis.de

Mit 1.000 m Tiefe könnte entsprechend dieser Information auf eine Wärmepumpe und deren elektrischen Energiebedarf komplett verzichtet werden und man benötigt nur noch eine hydraulischer (Heizungs-) Pumpe.

Sicherlich kann man auch auf die technischen Daten des benachbarten Supermarkts geschaut werden, der im Dezember 2008 als Tengelmann-Klimamarkt mit einer Erdwärme-Wärmepumpe eröffnet wurde, deren Sonden bis in eine Tiefe von 130 m reichen.

Neben der Geothermie-Erdwärmepumpe spielt die Luftwärmepumpe bei der regenerativ unterstützten Beheizung von Wohngebäuden eine Rolle. Hier wird die Umgebungsluft genutzt, um Wärme bereit zu stellen. In der Übergangszeit und im Sommer liegt die Temperatur der Umgebungsluft über der der Erdwärme in Tiefen bis 250 m (17°C). Die Luftwärmepumpe benötigt dann weniger Strom für den Kompressor, als die Erdwärmepumpe. Unterhalb von Temperaturen von 17°C kehrt sich das jedoch um.

Eine Auslegung der Wärmepumpenleistung erfolgt für den kältesten Tag des Jahres. In Mülheim ist -8°C anzusetzen. Dann ist gegenüber der aus der Umgebung aufgenommenen Wärme etwa das 4-fache an elektrischer Energie erforderlich, um die 35°C des Vorlaufs zu erreichen. An diesen Tagen heizt man also zu 80% elektrisch, da die Umgebungswärme nur einen Anteil von 20% hat.

Für einen direkten Vergleich verschiedener Wärmepumpen wird die Jahresarbeitszahl JAZ verwendet. Sie beschreibt, wieviel Wärme je kWh Stromeinsatz abgegeben wird. Für eine Luft-Wasserwärmepumpe am Standort Mülheim an der Ruhr ergibt sich für eine Vorlauftemperatur von 35°C eine JAZ von 3,9 unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften eines Niedrigenergiehauses. Für eine Erdwärmepumpe sind es bei 300 m Bohrtiefe bereits JAZ = 5 und bei einer Bohrtiefe von 500 m JAZ = 7 – 8.

Die Kosten für die Errichtung einer Erdwärmepumpe für ein Reihenhaus liegen für Bohrtiefen von ca. 300 m bei etwa 10.000 € über denen einer Luftwärmepumpe gleicher Leistung. Bei einer Objektbebauung mit den Leistungen eines großen Baufelds verringern sich die Unterschiede, wenn man sie auf die Grundfläche der beheizten Wohnungen bezieht. Eine Erdwärmepumpe ist für derartige Leistungsgrößen aufgrund der Stromkosten im Betrieb nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch besser als eine Luftwärmepumpe. Ein Bauherr, der das errichtete Gebäude später selber nutzt, wird sich daher stets für die Erdwärmepumpe entscheiden. Ein Bauherr, der später vermietet oder veräußert, orientiert sich an den Errichtungskosten. Hier muss der Bebauungsplan steuernd eingreifen.

Für das frühere Tengelmann-Gelände müsste es verpflichtend werden, eine Erdwärmepumpe mit einer Bohrtiefe, die zum Gewinnen von Wärme bei über 40°C führt, verpflichtend vorzuschreiben. So kann auf die Wärmepumpe verzichtet werden und es werden nur hydraulische Pumpen erforderlich. Je nach Temperaturverlauf im Boden sind dafür Bohrungen bis zu 1.000 m erforderlich.

Die Errichtung von Windkraftwerken ist in bewohnten Bereichen problematisch – nicht nur wegen der erwarteten Einsprüche. Die Windanströmung ist innerhalb der Urbanität nicht stabil genug und es kommen nur geringe Volllaststunden zusammen.

Die im Internet vorgeschlagenen Turbinen – ob horizontal oder vertikal – enttäuschen aufgrund der gegenüber den in Prospekten genannten Werten durch zu geringe Anströmungsgeschwindigkeiten und zu niedriger Auslastung.

In Kombination oder als Alternative zu Photovoltaikmodulen werden Solarthermie-Panels eingesetzt, mit denen die die von der Sonneneinstrahlung absorbierte Wärme direkt in einen Fluidkreislauf geben wird. Diese Einbindung in die Energieversorgung von Gebäuden stellt entweder im Sommer mehr Wärme, als erforderlich, oder im Winter weniger Wärme, als erforderlich, zur Verfügung. Die Effizienz ist jedoch insbesondere bei der diffusen Wärmestrahlung im Winter höher, als die der Photovoltaikmodule.

Besonders erfolgreich werden Solarthermiemodule in den Touristengebieten des Mittelmeers eingesetzt, wo in der Übergangszeit die Pools beheizt werden und wo das ganze Jahr über mit Ausnahme des Winters viel Energie für die Duschen benötigt wird. In einem Ein- oder Zweifamilienhaus in der Region Mülheim kann das vorteilhaft sein.

Bei Hochhäusern ist das Verhältnis von Dachfläche zu Wohnfläche jedoch so gering, dass die Energiebeiträge von Solarthermieanlagen vernachlässigbar werden.

Fazit zu regenerativen Energiequellen

Zur Vermeidung einer großen Anzahl an Aufzügen sollten die Gebäude wo möglich in Zweifamilien-Reihenhäuser aufgeteilt werden, oder aber eine Höhe von weniger als 7 Geschossen haben.

Für die Wärmeversorgung eignet sich Erdwärme aus Tiefen von 100 bis 120 m oder tiefer, bei der das geförderte Grundwasser Temperaturen oberhalb der erforderlichen Vorlauftemperaturen der Fußbodenheizung erreicht und für Heizzwecke keine Wärmepumpe eingesetzt werden muss. Zur Aufheizung des Brauchwassers in den einzelnen Wohnungen sollten in den einzelnen Wohnungen kleinere dezentrale Wärmepumpen oder sogar Durchlauferhitzer eingesetzt werden, die mit elektrischer Energie betrieben werden.

Die Dächer sollten als Pultdächer nach Süd ausgerichtet werden und einen Winkel von 15° aufweisen, um vollständig mit PV-Modulen belegt werden zu können. Das auf die Dächer fallende Regenwasser sollte in eine Zisterne unter dem Park geleitet werden und von dort gezielt zum Spülen der Abwasserkanäle sowie für Bewässerungszwecke der Vegetation im Nahumfeld eingesetzt werden.

Die für Wohnzwecke genutzte Energie kann in die Kategorien Licht, Kraft und Wärme/Kälte unterteilt werden. Zur Kategorie Licht zählen Beleuchtung, IT-Infrastruktur inkl. Kommunikation und TV. Kraft ist für Aufzüge, für Motoren von Waschmaschinen, Kompressoren von Kühl-  und Gefrierschränken sowie Klimaanlagen und Wärmepumpen, für weitere Antriebe (Rollläden, Markisen etc.) und Motoren von smarthome Aktoren erforderlich. Wärme dient primär der Heizung, der Temperierung von Brauchwasser (Dusche, Spüle, Waschbecken), der Aufheizung in der Spülmaschine, der Waschmaschine und im Trockner sowie für die Aufbereitung von Speisen auf Kochfeld und im
Backofen genutzt. Kälte wird durch Klimaanlagen bereitgestellt, deren wesentlicher Energiebedarf durch den Kompressor und den Lüftungsventilator gegeben ist und damit in den zuvor beschriebenen Sektor „Kraft“ gehört.
Nicht alle aufgeführten Applikationen stehen in einem Zusammenhang mit den konstruktiven Eigenschaften eines Wohngebäudes. Relevant sind jedoch:

1. Beleuchtung (z.B. beeinflussbar durch Fensterflächen)
2. Aufzüge (z.B. beeinflussbar durch Gebäudehöhen)
3. Klimaanlagen (z.B. beeinflussbar durch Beschattungen)
4. Heizung (z.B. beeinflussbar durch Isolation)

Die Optimierung der gebäudeabhängigen Einflussparameter gelingt nicht ohne Kompromisse, da die Anforderungen in Teilen zueinander oder sogar auch – in Abhängigkeit der Saison – zu sich selbst gegensätzlich sind.
Zum Beispiel lassen große Fenster nicht nur Licht, sondern im Sommer auch Wärme und im Winter auch Kälte herein. Ideal ist es daher, das Licht insbesondere in den Morgen- und Abendstunden durch Fenster im Osten und Westen hineinzulassen, und im Süden durch eine vom Höhenwinkel der Sonne abhängige fixe Beschattung, die im Winter für das Sonnenlicht durchlässig ist, dies aber im Sommer aussperrt, zu erreichen, dass der Bedarf an Wärme und Kälte sinkt. Das kann für ein Erdgeschoss mit einer einfachen Pergola realisiert werden. In der ersten und zweiten Etage könnten es ein festes Vordach oder aber flexible Fensterläden sein. Je höher das Gebäude ist, umso komplizierter werden derartige Sonnenschutzelemente.

Es versteht sich von selbst, dass moderne Fenster 3-fach verglast mit besonders gut dichtenden Rahmen ausgeführt werden sollten.

Aufzüge sind laut § 39, Abs. 4 der Bauordnung NRW bei neuen Gebäuden mit mehr als drei oberirdischen Geschossen verpflichtend. Ausgenommen von dieser Vorschrift sind Ein- und Zweifamilienhäuser. Hochhäuser mit einer Gebäudehöhe von mindestens 22 m müssen gleich zwei Aufzüge vorhalten davon muss mindestens einer für den barrierefreien Transport von Kinderwägen, Rollstühle, Krankentragen und Lasten geeignet sein. Die Aufzugsschächte müssen aus Brandschutzgründen vom Treppenhausschacht getrennt werden. Durch den Einbau der Aufzüge wächst daher der Bedarf an versiegelter Grundfläche der Gebäude.

Ist ein Gebäude mit einem Aufzug ausgestattet, erhöht sich der Stromverbrauch signifikant. Der Energiebedarf bei Fahrten für den Antriebsmotor und bei Fahrten sowie im Standby für die Steuerung, die Bedienung und die Beleuchtung kann nach der Norm VDI 4707 2009-3 prognostiziert werden: Bei einer Gebäudehöhe von 21 m (7 Geschosse) und einem Aufzug sind es etwa 9.000 kWh jährlich. Bei 18 Wohngeschossen und 2 Basisgeschossen sind es 23.500 kWh jährlich. Nicht berücksichtigt sind die „touristischen“ Fahrten, die dem Zweck dienen, einmal aus 60 m Höhe aus dem Flurfenster zu schauen. Neben dem Energieverbrauch und dessen CO2-Belastungen müssen die Nebenkosten für Energie, Wartung und Instandhaltung berücksichtigt werden.

Ideal ist, was die Ausstattung mit Aufzügen angeht, eine 3-geschossige Bauweise. Eine Steigerung auf mehr als 7 Geschosse sollte jedoch auf jeden Fall vermieden werden.

Der Heizungswärmebedarf ist abhängig von der Ausgestaltung der Wohnungen. Die Wärme fließt stets vom wärmsten Punkt über die Außenwände, Decken bzw. Dach und Keller zum kältesten Punkt, der im Winter durch die Umgebungsluft gegeben ist.

Bei einem Reihenhaus mit bewohnten Nachbarwohnungen gleichen sich die Wärmeströme über die Zwischenwände aus, da jeweils beide Wohnungen beheizt werden. Es bleiben die Wärmeverluste über die Front- und Gartenwände sowie über das Dach und den Keller.

Bei einem Hochhaus mit bewohnten Etagen gleichen sich die Wärmeströme über die Decken untereinander aus. Unter der Annahme, dass jede Etage 4 Wohnungen hat, gilt dieser Ausgleich auch für die Zwischenwände zwischen den Wohnungen. Es bleiben die Wärmeverluste über alle Außenwände. Diese befinden sich statt in einer Höhe von unter 20 m in einer Höhe von bis zu 60 m.

Die Wärmeverluste durch die Außenwände sind proportional zur Temperaturdifferenz (Innenraumtemperatur – Umgebungstemperatur) und umgekehrt proportional zum Isolationsgrad der Gebäudehülle. Die wesentliche Abkühlung erfolgt durch die Bewegung kalter Außenluft. Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe zu und beträgt bei 60 m etwa das Doppelte von den Geschwindigkeiten bei 6 m. Auch die Temperaturen der Anströmung von solitär stehenden Hochhäusern ist im Winter geringer, als die von üblichen Reihenhäusern: Die aufgrund der Wärmeverluste der Nachbargebäude und aufgrund des stärkeren Absorption von Sonnenenergie um etwa 3 Grad bis zu 10 Grad erhöhte Durchschnittstemperatur in Städten liegt nur in den unteren Etagen an.

Im Ergebnis haben Wohnungen in den oberen Etagen von Hochhäusern im Winter einen deutlich höheren Wärmebedarf wie Wohnungen in niedrigen Reihenhäusern.