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Wärmepumpen & KWK-Anlagen


Nutzen elektrische Wärmepumpen erneuerbare Energien?

Elektrische Wärmepumpen stellen Energie für die Gebäudeheizung bereit, indem sie relativ kühle Umgebungswärme aus Erdreich, Wasser oder Luft auf ein nutzbares Temperaturniveau heben („pumpen“), wobei sie elektrischen Strom verbrauchen. Da sie einerseits erneuerbare Umweltwärme verwenden, andererseits aber auch aus nichterneuerbaren Energieträgern erzeugten Strom, sind sie eine Art erneuerbarfossile Mischform unter den Heizungssystemen.

Elektrische Wärmepumpen bieten eine hohe Umweltentlastung, wenn elektrischer Strom auf nachhaltige Weise produziert wird.  

Auch in Deutschland können elektrische Wärmepumpen stärker als bislang zur Umweltentlastung beitragen, wenn sie mit zertifiziertem „Ökostrom“ betrieben werden, der einen tatsächlichen und anrechenbaren Umweltnutzen hat.

Quelle: Umweltbundesamt „Elektrische Wärmepumpen – eine erneuerbare Energie?“

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Ein Umweltwärme-Heizungssystem besteht hauptsächlich aus Wärmekollektoren und einer elektrisch angetriebenen Wärmepumpe. Im geschlossenen Kreislaufsystem sorgt die Pumpe dafür, dass der flüssige Wärmeträger die Wärmeenergie von den Kollektoren zur Heizung transportiert. Dieses Prinzip kommt zum Beispiel auch in Kühlschränken zur Anwendung – nur umgekehrt. Wird aus dem Kühlschrank die Wärme herausgepumpt und in den Raum abgegeben, so entzieht die Wärmepumpenheizung der Umwelt Wärme und bringt sie ins Haus.

Wärmepumpen funktionieren nach einem relativ komplexen technischen Prinzip. Am Beispiel einer Erdwärmepumpe lässt es sich vereinfacht folgendermaßen beschreiben:

  • Eine spezielle Wärmeträgerflüssigkeit mit sehr niedriger Temperatur durchströmt den Erdkollektor.
  • Aus dem wärmeren Erdreich nimmt sie Wärme auf und wechselt dadurch ihren Zustand von flüssig zu gasförmig.
  • Dieses Gas wird anschließend von einer Pumpe unter starkem Druck verdichtet. Dadurch erwärmt es sich nochmals stark – so wie auch das Ventil eines Fahrradschlauches beim Aufpumpen heiß wird.
  • Nun gibt das heiße Gas die Wärme an das Wasser im Heizungssystem ab und wird wieder flüssig – steht aber immer noch unter hohem Druck.
  • Bevor der Wärmeträger erneut in den Kollektor strömt, wird der Druck abgelassen und die Flüssigkeit kühlt sich auf ihre ursprüngliche Temperatur ab.

Da nur Wärmepumpen mit geringem Stromverbrauch energetisch sinnvoll sind, müssen sie sorgfältig geplant und die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt sein. Die richtige technische Einstellung der Anlage im laufenden Betrieb spielt daher eine wichtige Rolle. Ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl. Sie beschreibt das Verhältnis der Nutzenergie in Form von Wärme zur aufgewendeten Energie in Form von Strom. Um eine Einheit Strom im Kraftwerk zu erzeugen, müssen rund drei Einheiten fossiler Brennstoffe verfeuert werden. Wärmepumpen sind daher nur dann energetisch sinnvoll, wenn sie eine Jahresarbeitszahl höher als drei aufweisen. Besonders effizient sind Grundwasserwärmepumpen, die jedoch nur noch selten genehmigt werden. Aber auch Erdsonden-Wärmepumpen erreichen in der Praxis Arbeitszahlen von 3,5 oder höher. Luftwärmepumpen sind zwar einfacher zu installieren, energetisch aber nicht so wirkungsvoll wie Erdwärmepumpen. Der Grund: Die Außenluft hat im Winter sehr niedrige Temperaturen bis weit unter null Grad. Das Erdreich ist ab einer Tiefe von etwa einem Meter dauerhaft frostfrei. Ab zehn Meter Tiefe herrschen das ganze Jahr nahezu konstant zehn Grad.

Quelle: http://www.zukunft-haus.info/de/projekte/erneuerbare-energien/waermepumpe.html

 

 

BHKW- und Wärmepumpennutzung in einem Nichtwohngebäude.

In einem Nichtwohngebäude soll eine Kombination aus einem BHKW mit Wärmepumpe verbaut werden. Die Wärmepumpe versorgt alle konditionierten Räume mit Wärme und Kälte und der Antriebsstrom kommt vom BHKW. Die entstehende Wärme des BHKWs soll die nicht konditionierten Flächen des Gebäudes mit Wärme versorgen. Kann das System das EEWärmeG erfüllen?

Im Sinne der EnEV gelten bei Nichtwohngebäuden Zonen die beheizt oder gekühlt werden als Konditioniert. Versorgt das BHKW Bereiche mit Wärme sind diese auch entsprechend zu berücksichtigen. Zur Erfüllung des EEWärmeG können die Maßnahmen KWK und Umweltwärme kombiniert werden. Welchen Anteil diese bei Ihrem haben können wir ohne genaue Kenntnis des Projekts haben.

Ist durch eine Abluft-Wärmepumpe das EEWärmeG erfüllt?

Wie wird eine Wärmepumpe in einer Abluftanlage bewertet? Der Wärmerückgewinnungsfaktor liegt bei 0,75 und kann somit 50% des anfallenden Wärmebedarfs decken. Ist durch die Deckung und das Nutzen der Wärmepumpe das EEWärmeG erfüllt?

Diese Maßnahme stellt eine Ersatzmaßnahmen nach EE WärmeG § 7 Nr. 1dar. Die Ersatzmaßnahme gilt als solche, wenn Anhang IV. (Abwärme EEWärmeG) 2. a und b erfüllt sind. Anhang IV. (Abwärme EEWärmeG) 2. a) der Wärmerückgewinnungsgrad muss mindestens 70 % und b) die Leistungszahl, die aus dem Verhältnis von der aus der Wärmerückgewinnung stammenden und genutzten Wärme zum Stromeinsatz für den Betrieb der raumlufttechnischen Anlage ermittelt wird, mindestens 10 betragen.

Welche Anforderungen stellt das EEWärmeG an die Nutzung von Umweltwärme, Geothermie und Wärmepumpen?

Umweltwärme ist Wärme, die Luft oder Wasser entnommen wird. In Abgrenzung zur Abwärme muss es sich –vereinfacht ausgedrückt- um natürliche Wärmequellen handeln. Hinter dem Begriff Geothermie versteckt sich Erdwärme, also Wärme, die aus dem Erdinneren kommt. Je nach Tiefe der Bohrung unterscheidet man zwischen tiefer Geothermie und erdoberflächennaher Geothermie. Während die tiefer gelegenen Erdschichten Wärme mit hohen Temperaturen bergen, muss die erdoberflächennahe Erdwärme mit Hilfe einer Wärmepumpe auf das gewünschte Temperaturniveau angehoben werden. Die Wärmepumpe muss allerdings mit fossilen Brennstoffen (meist Gas) oder mit Strom betrieben werden.

Wer Erdwärme oder Umweltwärme nutzt, muss seinen Wärmebedarf zu mindestens 50 Prozent daraus decken. Das Gesetz stellt aber auch hier gewisse ökologische und technische Anforderungen, z.B. bestimmte Jahresarbeitszahlen beim Einsatz von Wärmepumpen, was den umweltverträglichen Einsatz der Technologien gewährleisten soll. Die Jahresarbeitszahl beschreibt das Verhältnis von eingesetzter Energie (gas oder Strom) und gewonnener Energie (Wärme), somit also die Effektivität der Wärmepumpe. Um genau das nachvollziehen zu können, muss die Wärmepumpe grundsätzlich über einen Wärmemengen- und Stromzähler verfügen.

Quelle: Bundesumweltministerium, http://www.erneuerbare-energien.de/inhalt/40704/#33h

Was sind KWK-Anlagen?

Anlagen, in denen gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt wird, werden allgemein als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) bezeichnet. Erfolgt die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in einer kleineren, kompakten Anlage und nicht in einem großen Heizkraftwerk, dann spricht man von Blockheizkraftwerken (BHKW).

BHKWs eignen sich grundsätzlich überall dort, wo Strom und Wärme gleichzeitig benötigt werden. Abhängig von Typ und Größe kann das in Wohnsiedlungen der Fall sein, aber auch in Industriebetrieben. Prädestiniert für ihren Einsatz sind z.B. Bäder, Schulen, Kitas, Pflegeheime, Krankenhäuser und andere öffentliche Gebäude.

Quelle: http://www.thema-energie.de/energie-erzeugen/blockheizkraftwerke/blockheizkraftwerke.html

Wann ist ein BHKW sinnvoll?

Um einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz eines BHKWs zu ermöglichen, müssen lange Laufzeiten des Gerätes realisiert werden. Ein länger BHKW läuft, also Storm und Wärme produziert, desto eher amortisiert es sich. Bei der Auslegung steht bis auf Ausnahmen (z. B. Notstromversorgung) die Wärme im Vordergrund. BHKWs werden wärmegeführt betrieben.

Die thermische Leistung wird so bemessen, dass auch in Schwachlastzeiten die Wärme noch abgenommen werden kann. Um mindestens 4000 Stunden Laufzeit zu erreichen, kann man für die Gebäudebeheizung überschlagweise etwa 10 % der Leistung des Heizkessel als thermische Leistung des BHKWs annehmen.

Da sich ein BHKW im Wesentlichen über die vermiedenen Strombezugs kosten rechnet (und nicht über eine Einspeisevergütung), muss auch der Verbrauch an elektrischer Energie im Objekt berücksichtigt werden.

Können BHKWs zur Erfüllung des EEWärmeG genutzt werden?

Die technischen Anforderungen des Wärmegesetzes verlangen, dass die eingesetzte KWK-Anlage eine hocheffiziente KWK-Anlage im Sinne der europäischen Richtlinie 2004/08/EG ist, also insbesondere mindestens 10% Primärenergie einspart. Für kleinere KWK-Anlagen unter 1 Megawatt Leistung genügen auch geringere Primärenergieeinsparungen.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf BHKW, in denen gasförmige Brennstoffe eingesetzt werden, da hier eine Überschneidung der Erfüllung der Nutzungspflicht mittels Biogas und mittels der Ersatzmaßnahme KWK möglich ist. Unbeschadet dessen können auch BHKW, in denen flüssige Biomasse (z.B. Pflanzenöle) oder feste Biomasse (z.B. Pellets, Holzhackschnitzel) verfeuert werden, zur Erfüllung der Nutzungspflicht des EEWärmeG eingesetzt werden (siehe Was gilt für Pflanzenöle?).

Was die mengenmäßige Erfüllung der Nutzungspflicht angeht, so muss nach dem Gesetz unterschieden werden, ob die KWK-Anlage (a) ausschließlich mit Biogas, (b) ausschließlich mit Erdgas oder (c) mit einer Mischung aus Biogas und Erdgas befeuert wird. Im Fall (a) handelt es sich um den Einsatz einer erneuerbaren Energie, im Fall (b) um die Ersatzmaßnahme KWK, im Fall (c) um die Kombination der Ersatzmaßnahme KWK mit dem Einsatz von Biogas.

Fall (a): Die Nutzungspflicht ist erfüllt, sofern mindestens 30% des Wärmeenergiebedarfs aus der hocheffizienten KWK-Anlage gedeckt wird.

Fall (b): Die Nutzungspflicht ist erfüllt, sofern mindestens 50% des Wärmeenergiebedarfs aus der KWK-Anlage gedeckt wird.

Fall (c): Sofern zwischen 30 und 50% des Wärmeenergiebedarfs aus der KWK-Anlage gedeckt werden sollen, wird die Menge des Biogases, die in der KWK-Anlage zusammen mit Erdgas mindestens zu verfeuern ist, in Abhängigkeit des Deckungsanteils der KWK-Anlage am Wärmeenergiebedarf bestimmt. Die Nutzungspflicht ist in jedem Fall erfüllt, sofern mindestens 50% des Wärmeenergiebedarfs aus der KWK-Anlage gedeckt wird (siehe Fall b).

Hierzu drei Beispiele:

   1. Eine gasbetriebene KWK-Anlage deckt zu 30% den Wärmeenergiebedarf eines Gebäudes, die restlichen 70% werden durch einen Gasbrennwertkessel bereitgestellt. Wird diese KWK-Anlage mit Biogas betrieben, so ist die Nutzungspflicht erfüllt. Wird die KWK Anlage mit Erdgas betrieben ist die Nutzungspflicht zu 30/50= 60 % erfüllt. Um die Nutzungspflicht zu 100 % zu erfüllen, muss eine Kombination mit anderen zugelassenen Wärmeerzeugern realisiert werden, z.B. durch eine zusätzliche biogasbetriebene KWK-Anlage, die zu 12 % (entspricht 40 % der Pflichterfüllung) den Gesamtwärmebedarf deckt.
   2. Eine gasbetriebene KWK-Anlage deckt zu 40% den Wärmeenergiebedarf eines Gebäudes, die restlichen 60% werden durch einen Gasbrennwertkessel bereitgestellt. Mit 40% Wärmedeckung über die KWK-Anlage ist die Nutzungspflicht (in Höhe von 50%), wenn ausschließlich Erdgas verbrannt wird, noch nicht komplett erfüllt, sondern nur zu 40/50=80%. Soll dieser KWK-Anlage nun Biogas beigemischt werden, dann liegt der notwendige Biogasanteil bei 37,5% und der Erdgasanteil bei 62,5%. Damit werden 50% der Nutzungspflicht über Biogas erfüllt (37,5% von 40% sind 15% Biogas-KWK-Wärme am Gesamtwärmebedarf, dies entspricht 50% des Pflichtanteils von 30% für Biogas) und die restlichen 50 % der Nutzungspflicht über Erdgas (62,5% von 40% sind 25% am Gesamtwärmebedarf, entspricht 50% des Pflichtanteils für fossile KWK). Werden die KWK-Anlage und der Gasbrennwertkessel gemeinsam, ohne differenzierte Mengenmessung, durch einen Gasanschluss beliefert, so muss in diesem Fall der Anteil des Biogases so hoch sein, dass unter Berücksichtigung des anlagenspezifischen thermischen Wirkungsgrades der eingesetzten KWK-Anlage und des Brennwertkessels 15% Biogas-KWK-Wärme erzeugt wird.
   3. Eine gasbetriebene KWK-Anlage deckt (wie in 1) zu 40% den Wärmeenergiebedarf eines Gebäudes. Die restlichen 60% werden jetzt aber nicht durch einen gasbetriebenen Brennwertkessel, sondern durch einen Öl-Brennwertkessel bereitgestellt. In diesem Fall gelten die Aussagen hinsichtlich des Mindestanteils des Biogases von 37,5% Biogas im Gasgemisch wie in Fall 1. Das bezogene Gas enthält in diesem Fall 37,5% Biogas.

 

 

Ist die Nutzung eines BHKWs als Quartierslösung (Versorgung mehrerer Gebäude) nach EEWärmeG möglich?

Im Rahmen eines Neubausiedlungsprojekts ist geplant, in einem Gebäude mit hohem Stromverbrauch ein BHKW stromgeführt zu installieren. Durch die Stromführung der Anlage kann der Wärmeenergiebedarf von dem gesamten Gebäude gedeckt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit weitere Gebäude in direkter Nachbarschaft teilweise bis zur Erfüllungsquote mit Wärmeenergie zu beliefern. Wird das EEWärmeG für das Gebäude mit dem BHKW erfüllt und wie werden die Nachbargebäude bewertet?

Nach § 7 Nr. 1 b) des EEWärmeG gilt die Deckung des Heizwärmebedarfs zu mindestens 50 % unmittelbar aus KWK-Anlagen als Ersatzmaßnahme. Welche Anforderungen an die KWK-Anlage gestellt werden ist in Anlage V des Gesetzes geregelt. Werden mehrere Gebäude mit Nahwärme versorgt ist dies eine Quartierslösung nach § 6 Versorgung mehrerer Gebäude. Hierzu steht in der Begründung zu dem Gesetz: Die Nutzungspflicht kann dadurch erfüllt werden, dass der Verpflichtete oder die Verpflichteten insgesamt über Gemeinschafts- oder quartiersbezogene Lösungen ihren Wärmebedarf in dem vom Gesetz vorgegebenen Umfang decken, auch wenn isoliert betrachtet nicht jedes in die Lösung einbezogene Gebäude die Anforderungen erfüllt. Entscheidend ist also, dass der oder die Eigentümer zusammen so viel Wärme aus Erneuerbaren Energien nutzen, wie sie das ohne die Möglichkeit der quartiersbezogenen Lösung in der Summe der einzelnen Verpflichtungen hätten tun müssen. In solchen Fällen ist auch eine Kombination mehrerer Erneuerbarer Energien und KWK-Anlagen nach den Regeln des § 8 zulässig. Die Plicht gilt also für alle Gebäude erfüllt, wenn der Anteil am Gesamtwärmebedarf der Häuser zu 50 % mit einer KWK-Anlage erzeugt wird.