Leseprobe. Volker Quaschning. Erneuerbare Energien und Klimaschutz. Hintergründe - Techniken und Planung - Ökonomie und Ökologie - Energiewende

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1 Leseprobe Volker Quaschning Erneuerbare Energien und Klimaschutz Hintergründe - Techniken und Planung - Ökonomie und Ökologie - Energiewende ISBN (Buch): ISBN (E-Book): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Vorwort Die Energie- und Klimaproblematik ist endlich dort angekommen, wo sie hingehört: in der breiten Öffentlichkeit. Dabei sind die Zusammenhänge von Energieverbrauch und Klimaerwärmung bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt. Schon Ende der 1980er-Jahre erklärte die damalige deutsche Bundesregierung Klimaschutz zum Regierungsziel. Zahlreiche Experten forderten bereits damals den schnellen Umbau unserer Energieversorgung. Die dafür nötigen Schritte erfolgten allerdings bestenfalls halbherzig. Dabei lässt sich das Klimaproblem nicht aussitzen. Von Jahr zu Jahr wird immer deutlicher erkennbar, dass der Klimawandel bereits eingesetzt hat. Die Prognosen der Klimaforscher sind verheerend. Gelingt es uns nicht, die Notbremse zu ziehen, werden die katastrophalen Folgen des Klimawandels unsere heutigen Vorstellungsgrenzen weit überschreiten. Die Verleihung des Friedensnobelpreises im Jahr 2007 an den Klimapolitiker Al Gore und den Weltklimarat, die seit Jahren eindringlich vor den Klimafolgen warnen, sind eher ein Zeichen der Hilflosigkeit als einer nahenden Lösung des Problems. Neben den Klimafolgen zeigen immer neue Rekorde bei den Preisen für Erdöl oder Erdgas, dass diese unseren Bedarf nicht mehr lange decken können und schnellstmöglich andere Alternativen erschlossen werden müssen. Die Lösung ist dabei recht simpel. Sie lautet: regenerative Energien. Diese wären in der Lage, in nur wenigen Jahrzehnten unsere gesamte Energieversorgung vollständig zu übernehmen. Nur so können wir unsere Abhängigkeit von immer teurer werdenden und Krisen verursachenden Energieträgern wie Erdöl oder Uran beenden und unseren Energiehunger nachhaltig klimaverträglich stillen. Der Weg dahin ist aber für viele noch ziemlich unklar. Oft traut man den regenerativen Energien nicht zu, eine wirkliche Alternative zu bieten. Dabei unterschätzt man völlig deren Möglichkeiten und prophezeit ein Zurück zur Steinzeit, wenn einmal das Erdöl und die Kohle erschöpft sein werden. Dieses Buch soll solche Vorurteile zerstreuen. Es beschreibt klar und verständlich, welche verschiedenen Techniken und Potenziale zur Nutzung regenerativer Energien existieren, wie diese funktionieren und wie sie eingesetzt werden können. Das Zusammenspiel der verschiedenen Technologien ist dabei stets im Fokus. Am Beispiel Deutschlands wird auf- 5

3 Vorwort gezeigt, wie eine nachhaltige Energieversorgung aussehen kann und wie diese umzusetzen ist. Dabei dient dieses Buch weniger als Handlungskatalog für eine zögerliche Politik, sondern soll vielmehr allen Leserinnen und Lesern Wege aufzeigen, selbst Beiträge für eine klimaverträgliche Energiewirtschaft zu leisten. Neben der Erläuterung von Energiesparmaßen liefert das Buch dazu konkrete Planungshilfen für die Realisierung eigener regenerativer Energieanlagen. Das Buch ist bewusst so geschrieben, dass es einem breiten Leserkreis die nötigen Informationen bietet. Es soll sowohl den Einstieg in die verschiedenen Technologien ermöglichen als auch für Personen mit einigen Vorkenntnissen interessante Hintergrundinformationen liefern. Damit ist dieses Buch eine wichtige Ergänzung zu dem von mir verfassten und bereits beim Hanser Verlag erschienenen Fachbuch Regenerative Energiesysteme. Das große Interesse an dem mittlerweile in der sechsten Auflage erschienenen und ins Englische und ins Arabische übersetzten Fachbuch hat gezeigt, dass ein Bedarf an entsprechender Literatur besteht. Als Rückmeldung zu diesem Fachbuch und zu zahlreichen meiner Vorträge wurde stets das Interesse an einem allgemeinverständlichen, aber dennoch umfassenden Buch geäußert. Das neue Buch soll nun diese Lücke schließen und damit auch eine Unterstützung bei der Gestaltung einer nachhaltigen Energieversorgung liefern. An dieser Stelle danke ich meiner Frau Cornelia, meinem Vater Günter, meinem Onkel Manfred sowie Friedrich Sick, die mit ihren Anregungen zum Entstehen dieses Buches beigetragen haben. Ein ganz besonderer Dank gilt auch dem Carl Hanser Verlag und im Speziellen Erika Hotho, Franziska Kaufmann und Mirja Werner für die Unterstützung und Realisierung dieses Buches. Berlin, im Sommer 2008 Prof. Dr. Volker Quaschning Vorwort zur 3. Auflage Die sehr guten Verkaufszahlen und die positive Resonanz zu diesem Fachbuch haben gezeigt, dass die Thematik und die Art der Darstellung auf ein breites Interesse stoßen. Trotz sorgfältigster Prüfung lassen sich kleinere Fehler und Unstimmigkeiten nicht vermeiden. Ein besonderer Dank gilt daher allen Leserinnen und Lesern, die mit Hinweisen zur Beseitigung von Fehlern beigetragen haben. Die dritte Auflage wurde aktualisiert und um neueste technische Trends erweitert, sodass sie nun wieder nur aktuelle Daten zu erneuerbaren Energien enthält. Ein eigenes Kapitel zur Energiewende erläutert, warum diese in vielen Bereichen noch nicht das nötige Tempo erreicht hat, klärt über Falschinformationen auf und beschreibt, wie eine nachhaltige Energieversorgung noch rechtzeitig für einen wirksamen Klimaschutz aufgebaut werden kann. 6 Berlin, im Sommer 2013 Prof. Dr. Volker Quaschning Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin

4 Inhalt 1 Unser Hunger nach Energie Energieversorgung gestern und heute Von der französischen Revolution bis ins 20. Jahrhundert Die Epoche des schwarzen Goldes Erdgas der jüngste fossile Energieträger Atomkraft gespaltene Energie Das Jahrhundert der fossilen Energieträger Das erneuerbare Jahrhundert Energiebedarf wer was wo wie viel verbraucht Die SoDa-Energie Energievorräte Reichtum auf Zeit Nicht-konventionelle Vorräte Verlängerung des Ölzeitalters Ende in Sicht Das Ende der Spaltung Hohe Energiepreise Schlüssel für den Klimaschutz Klima vor dem Kollaps? Es ist warm geworden Klimaveränderungen heute Immer schneller schmilzt das Eis Naturkatastrophen kommen häufiger Schuldiger gesucht Gründe für den Klimawandel Der Treibhauseffekt Hauptverdächtiger Kohlendioxid Andere Übeltäter Aussichten und Empfehlungen was kommt morgen? Wird es in Europa bitterkalt? Empfehlungen für einen wirksamen Klimaschutz Schwere Geburt Politik und Klimawandel Deutsche Klimapolitik Klimapolitik international Selbsthilfe zum Klimaschutz

5 Inhalt 3 Vom Energieverschwenden zum Energie- und Kohlendioxidsparen Wenig effizient Energiever(sch)wendung heute Privater Energiebedarf zu Hause leicht gespart Private Elektrizität viel Geld verschleudert Wärme fast ohne heizen durch den Winter Transport mit weniger Energie weiterkommen Industrie und Co schuld sind doch nur die anderen Die eigene Kohlendioxidbilanz Direkt selbst verursachte Emissionen Indirekt verursachte Emissionen Gesamtemissionen Ökologischer Ablasshandel Die Energiewende der Weg in eine bessere Zukunft? Kohle- und Kernkraftwerke Krücke statt Brücke Energie- und Automobilkonzerne aufs falsche Pferd gesetzt Braunkohle Klimakiller made in Germany Kohlendioxidsequestrierung aus dem Auge aus dem Sinn Atomkraft Comeback strahlend gescheitert Effizienz und KWK ein gutes Doppel für den Anfang Kraft-Wärme-Kopplung Brennstoff doppelt genutzt Energiesparen mit weniger mehr erreichen Regenerative Energiequellen Angebot ohne Ende Deutschland wird erneuerbar Runter mit dem Primärenergiebedarf Stromerzeugung ganz ohne atomare und fossile Kraftwerke Dämmung und regenerative Energien zur Wärmeversorgung Effizienzsteigerung und neue Konzepte für den Verkehr Sichere Versorgung mit regenerativen Energien Dezentral statt zentral weniger Leitungen für das Land Gar nicht so teuer die Mär der unbezahlbaren Kosten Energierevolution statt laue Energiewende Deutsche Energiepolitik im Schatten der Konzerne Energiewende in Bürgerhand eine Revolution steht ins Haus Photovoltaik Strom aus Sand Aufbau und Funktionsweise Elektronen, Löcher und Raumladungszonen Wirkungsgrad, Kennlinien und der MPP Herstellung von Solarzellen vom Sand zur Zelle Siliziumsolarzellen Strom aus Sand Von der Zelle zum Modul Dünnschichtsolarzellen Photovoltaikanlagen Netze und Inseln Sonneninseln Sonne am Netz

6 Inhalt Mehr solare Unabhängigkeit Planung und Auslegung Geplante Inseln Geplant am Netz Geplante Autonomie Ökonomie Was kostet sie denn? Förderprogramme Es geht auch ohne Mehrwertsteuer Ökologie Photovoltaikmärkte Ausblick und Entwicklungspotenziale Solarthermieanlagen mollig warm mit Sonnenlicht Aufbau und Funktionsweise Solarkollektoren Sonnensammler Schwimmbadabsorber Flachkollektoren Luftkollektoren Vakuum-Röhrenkollektor Solarthermische Anlagen Warmes Wasser von der Sonne Schwerkraftsysteme Systeme mit Zwangsumlauf Heizen mit der Sonne Solare Siedlungen Kühlen mit der Sonne Schwimmen mit der Sonne Kochen mit der Sonne Planung und Auslegung Solarthermische Trinkwassererwärmung Grobauslegung Detaillierte Auslegung Solarthermische Heizungsunterstützung Ökonomie Wann rechnet sie sich denn? Förderprogramme Ökologie Solarthermiemärkte Ausblick und Entwicklungspotenziale Solarkraftwerke noch mehr Kraft aus der Sonne Konzentration auf die Sonne Solare Kraftwerke Parabolrinnenkraftwerke Solarturmkraftwerke

7 Inhalt Dish-Stirling-Kraftwerke Aufwindkraftwerke Konzentrierende Photovoltaikkraftwerke Solare Chemie Planung und Auslegung Konzentrierende solarthermische Kraftwerke Aufwindkraftwerke Konzentrierende Photovoltaikkraftwerke Ökonomie Ökologie Solarkraftwerksmärkte Ausblick und Entwicklungspotenziale Windkraftwerke luftiger Strom Vom Winde verweht woher der Wind kommt Nutzung des Windes Anlagen und Parks Windlader Große netzgekoppelte Windkraftanlagen Kleinwindkraftanlagen Windparks Offshore-Windparks Planung und Auslegung Ökonomie Ökologie Windkraftmärkte Ausblick und Entwicklungspotenziale Wasserkraftwerke nasser Strom Anzapfen des Wasserkreislaufs Wasserturbinen Wasserkraftwerke Laufwasserkraftwerke Speicherwasserkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke Gezeitenkraftwerke Wellenkraftwerke Meeresströmungskraftwerke Planung und Auslegung Ökonomie Ökologie Wasserkraftmärkte Ausblick und Entwicklungspotenziale Geothermie tiefgründige Energie Anzapfen der Erdwärme Geothermieheizwerke und Geothermiekraftwerke

8 Inhalt Geothermische Heizwerke Geothermische Kraftwerke Geothermische HDR-Kraftwerke Planung und Auslegung Ökonomie Ökologie Geothermiemärkte Ausblick und Entwicklungspotenziale Wärmepumpen aus kalt wird heiß Wärmequellen für Niedertemperaturwärme Funktionsprinzip von Wärmepumpen Kompressionswärmepumpen Absorptionswärmepumpen und Adsorptionswärmepumpen Planung und Auslegung Ökonomie Ökologie Wärmepumpenmärkte Ausblick und Entwicklungspotenziale Biomasse Energie aus der Natur Entstehung und Nutzung von Biomasse Biomasseheizungen Brennstoff Holz Kamine und Kaminöfen Scheitholzkessel Holzpelletsheizungen Biomasseheizwerke und Biomassekraftwerke Biotreibstoffe Bioöl Biodiesel Bioethanol BtL-Kraftstoffe Biogas Planung und Auslegung Scheitholzkessel Holzpelletsheizung Ökonomie Ökologie Feste Brennstoffe Biotreibstoffe Biomassemärkte Ausblick und Entwicklungspotenziale Erneuerbare Gase und Brennstoffzellen Energieträger Wasserstoff Methanisierung

9 Inhalt 13.3 Transport und Speicherung von EE-Gasen Transport und Speicherung von Wasserstoff Transport und Speicherung von erneuerbarem Methan Hoffnungsträger Brennstoffzelle Ökonomie Ökologie Märkte, Ausblick und Entwicklungspotenziale Sonnige Aussichten Beispiele für eine nachhaltige Energieversorgung Klimaverträglich wohnen Kohlendioxidneutrales Standardfertighaus Plusenergie-Solarhaus Plusenergiehaus-Siedlung Heizen nur mit der Sonne Null Heizkosten nach Sanierung Klimaverträglich arbeiten und produzieren Büros und Läden im Sonnenschiff Nullemissionsfabrik Kohlendioxidfreie Schwermaschinenfabrik Plusenergie-Firmenzentrale Klimaverträglich Auto fahren Abgasfreie Elektropower Weltumrundung im Solarmobil In dreiunddreißig Stunden quer durch Australien Game over CO 2! Klimaverträglich Schiff fahren und fliegen Moderne Segelschifffahrt Solarfähre am Bodensee Höhenweltrekord mit Solarflugzeug Mit dem Solarflugzeug um die Erde Fliegen für Solarküchen Alles wird erneuerbar Kohlendioxidfreier Strom für die Insel Hybridkraftwerk für die sichere regenerative Versorgung Alles wird gut Anhang A.1 Energieeinheiten und Vorsatzzeichen A.2 Geografische Koordinaten von Energieanlagen A.3 Weiterführende Informationen im Internet Literatur Register

10 4.5 Gar nicht so teuer die Mär der unbezahlbaren Kosten Eine Stromversorgung, die komplett auf erneuerbaren Energien basiert, wird ohne die Nutzung der Offshore-Windenergie und damit ohne neue Übertragungsnetze vermutlich nicht funktionieren. Für eine schnelle und kostengünstige Energiewende hat aber der dezentrale Ausbau von Solar- und Windkraftanlagen eine viel größere Bedeutung. Würden Solar- und Windkraftanlagen erst einmal regional dort installiert, wo der Strom auch verbraucht wird, ließe sich der Ausbau der Übertragungsnetze deutlich reduzieren. Bei einer dezentralen Versorgungsstruktur haben Speicher und schnell regelbare Reservekraftwerke auf Gasbasis eine größere Priorität. Mit ihnen lassen sich Kohle- und Atomkraftwerke zügig durch erneuerbare Energien ersetzen. 4.5 Gar nicht so teuer die Mär der unbezahlbaren Kosten Eine schnelle Energiewende ist unbezahlbar, lautet eine zentrale Botschaft der Politik und der Energiekonzerne, die in den letzten Jahren gar nicht oft genug wiederholt werden konnte. Richtig ist, dass sich die Strompreise zwischen den Jahren 2000 und 2013 mehr als verdoppelt haben. Abbildung 4.22 zeigt die Entwicklung der Stromkosten in Deutschland, die sich aus der Erzeugung von konventionellem Strom und der Verteilung, Steuern und Abgaben sowie der so genannten EEG-Umlage zusammensetzen. Die EEG- Umlage deckt die Mehrkosten der Erzeugung erneuerbarer Energien gegenüber konventionellen Kraftwerken und wird bei Haushalten und kleineren Gewerbekunden erhoben. Sie ist als Ursache der Strompreissteigerungen in Verruf geraten. Doch selbst wenn wir die EEG- Umlage komplett streichen würden, bliebe eine Steigerung der Strompreise zwischen den Jahren 2000 und 2013 um stolze 72 Prozent. Hauptkostentreiber waren in der Vergangenheit also nicht die erneuerbaren Energien, obwohl dies stets suggeriert wird. Haushaltsstrompreise in ct/kwh EEG-Umlage Steuern und Abgaben Erzeugung und Verteilung +72 % +38 % Abbildung 4.22 Entwicklung und Zusammensetzung der Haushaltsstrompreise in Deutschland 117

11 4 Die Energiewende der Weg in eine bessere Zukunft? Die EEG-Umlage fällt zudem noch höher aus als sie eigentlich müsste. Zahlreiche Industriebetriebe sind von der Umlage ausgenommen. Die zunehmenden Kapazitäten erneuerbarer Kraftwerke drücken außerdem die Preise an den Strombörsen. Das ist gut für Industriekunden, die sich direkt an der Börse mit billigem Strom eindecken. Bei den Haushaltskunden kommen diese Preissenkungen hingegen nicht an. Da die EEG-Umlage aus den Mehrkosten der erneuerbaren Energien gegenüber dem Börsenstrompreis berechnet wird, sorgen sinkende Börsenstrompreise für eine höhere EEG-Umlage und damit für höhere Haushaltsstrompreise. Für das Erreichen der Klimaschutzziele sind fallende Preise für Kohlestrom eine Katastrophe. Eigentlich sollte der CO 2 -Zertifikatehandel den Preis für Strom aus klimaschädlichen Kraftwerken verteuern und damit zu einem Rückgang der Nachfrage und damit der Emissionen führen. Die Wirtschaftskrise in Europa, eine viel zu großzügige Zuteilung der Zertifikate und der schnelle Ausbau erneuerbarer Energien haben aber zu einem enormen Überangebot an Zertifikaten und damit einem dramatischen Preisverfall im Jahr 2013 geführt. Die Klimafolgekosten durch den ungezügelten Kohlendioxidausstoß müssen künftig aber auch bezahlt werden. Rücklagen dafür gibt es keine. Das Umweltbundesamt beziffert die realen Klimafolgekosten auf 70 Euro je Tonne Kohlendioxid [UBA07b]. Anfang 2013 lag der Preis für CO 2 -Zertifikate unter 5 Euro je Tonne Kohlendioxid. Die nicht umgelegten Klimafolgekosten entsprechen damit alleine in Deutschland einer Subvention von über 20 Milliarden Euro für fossile Kraftwerke. Strompreis in ct/kwh Windkraft onshore Photovoltaik Dach Photovoltaik Freifläche Haushaltsstrom Benzin Heizöl Trend 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 Öl-/Benzinpreis in /l 5 0,50 0 0, Abbildung 4.23 Entwicklung der Preise für Haushaltsstrom, Heizöl, Benzin, Erzeugung von Photovoltaikstrom und Windstrom in Deutschland Eine Studie vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme zeigt zwar eindrucksvoll, dass ein vollständig erneuerbares Energiesystem nicht teurer sein wird als die heutige Versorgung [ISE12]. Das gilt aber erst für die Phase des Endausbaus. Die Investitionen für den Umbau verursachen in der Übergangszeit zwangsläufig höhere Kosten. Wirklich überra- 118

12 4.6 Energierevolution statt laue Energiewende schend ist das nicht. Auch bei der Einführung der Kernenergie mussten die Strompreise erhöht werden. Während die noch hohen Preise für erneuerbare Energien kontinuierlich sinken, kennen die Preise für fossile Energieträger nur eine Richtung: nach oben. Die Preise für Heizöl haben sich zwischen 2000 und 2013 rund verdreifacht und sind damit erheblich stärker als die Strompreise angestiegen. Im gleichen Zeitraum ist der Preis für Solarstrom auf ein Viertel gefallen (Abbildung 4.23). Es ist nur eine Frage der Zeit, bis erneuerbare Energien überall preiswerter sein werden als konventionelle Energien. Die Länder, die sich zuerst von Erdöl, Kohle, Erdgas und Uran sowie den damit verbundenen Preissteigerungen entkoppelt haben, werden erheblich davon profitieren. 4.6 Energierevolution statt laue Energiewende Deutsche Energiepolitik im Schatten der Konzerne Ein wesentliches Hindernis für eine schnelle und klimaverträgliche Umgestaltung unserer Energieversorgung ist die enge Verflechtung von Energiekonzernen und Politik. Nicht wenige Politiker hatten vor oder nach ihrer aktiven Laufbahn hohe Posten bei Energiekonzernen inne oder waren als Berater tätig. Das führt dazu, dass bei der Ausgestaltung der Energiewende stets die Belange der Energiekonzerne an vorderster Stelle berücksichtigt werden, die wie bereits zuvor erläutert sehr stark auf fossile Energien gesetzt haben. Wirksamer Klimaschutz oder die Interessen der Bevölkerung werden dabei oft hinten angestellt. Bruttostromverbrauch in TWh bisherige Entwicklung Regenerative Kernenergie fossile Kraftwerke Ziele nur 35% Regenerative bis 2020 Kernenergieausstieg bis 2023 Abbildung 4.24 Bisherige Entwicklung der Stromerzeugung in Deutschland und Prognose anhand der politischen Ziele aus dem Jahr Der Anteil fossiler Kraftwerke bleibt konstant. 119

13 4 Die Energiewende der Weg in eine bessere Zukunft? Aufgrund dieser Verflechtungen kommt es immer mehr zu widersprüchlichen Entscheidungen, die eine schnelle und sinnvolle Energiewende erschweren und unnötige Mehrkosten verursachen. Abbildung 4.24 zeigt eindrucksvoll, dass es bislang keiner Bundesregierung in Deutschland gelungen ist, den Anteil fossiler Kraftwerke an der Stromerzeugung zu reduzieren. Zwar gab es durch Effizienzsteigerungen bei den fossilen Kraftwerken in den letzten Jahren auch geringe Kohlendioxideinsparungen. Für einen wirksamen Klimaschutz sind aber Reduktionen in ganz anderen Größenordnungen erforderlich. Dies ließe sich nur durch eine schnelle Reduktion des Anteils fossiler Kraftwerke und den Ersatz durch regenerative Anlagen erreichen. Auch die politischen Ziele im Jahr 2013 lassen trotz Bekenntnis zum Klimaschutz keine wesentlichen Reduktionen des Anteils fossiler Kraftwerke bis zum Jahr 2025 erwarten. Die damalige schwarz-gelbe Bundesregierung hatte nach der Reaktorkatstrophe von Fukushima einen Kernenergieausstieg bis Ende 2022 beschlossen. Der Anteil erneuerbarer Energien sollte aber nur auf 35 Prozent bis zum Jahr 2020 gesteigert werden, obwohl für eine richtige Energiewende ein Anteil von mindestens 50 Prozent nötig gewesen wäre. Geht man von einem konstanten Strombedarf aus, bedeutet das, dass gleichbleibende Kohlendioxidemissionen durch die Regierung bewusst in Kauf genommen werden. Eine Reduktion des Strombedarfs wurde auch als Ziel formuliert. Wirksame Maßnahmen dazu gab es aber nicht, sodass selbst ein konstanter Strombedarf aus heutiger Sicht als optimistisch angesehen werden muss Energiewende in Bürgerhand eine Revolution steht ins Haus Politik und Energiekonzerne unterstützen die Energiewende bestenfalls sehr verhalten. Die treibende Kraft ist die Bevölkerung selbst. Fast die Hälfte der Megawatt an Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien gehörte im Jahr 2012 Privatpersonen und Landwirten. Landwirte 11 % Projektierer 14 % Große vier Energieversorger 5 % andere Energieversorger 7 % Fonds und Banken 13 % Privatpersonen 35 % Sonstige 1 % Gewerbe 14 % Abbildung 4.25 Verteilung der Eigentümer an der bundesweit installierten Leistung zur Stromerzeugung aus Erneuerbaren-Energien-Anlagen. Daten: AEE/trend research. Stand

14 5.3 Photovoltaikanlagen Netze und Inseln ein Vertreter des Elektrizitätsversorgungsunternehmens dann noch die Anlage in Augenschein. Die Vergütung erfolgt automatisch und wird nach dem Zählerstand abgerechnet. Meistens schließen das Elektrizitätsunternehmen und der Betreiber der Photovoltaikanlage noch einen Einspeisevertrag ab. Dieser ist aber nicht zwingend vorgeschrieben. Für die Verrechnung des Photovoltaikstroms ist ein extra Stromzähler nötig. Dieser Zähler ermittelt die ins Netz eingespeiste Menge an elektrischer Energie, die dann nach den jeweiligen Tarifen vergütet wird. Da die Vergütung für Solarstrom in Deutschland für Neuanlagen inzwischen unter den Strompreisen für Haushalte und kleinere Gewerbebetriebe liegt, ist es sinnvoll, möglichst viel Solarstrom direkt selbst zu verbrauchen und nur möglichst wenige Überschüsse einzuspeisen Mehr solare Unabhängigkeit Bei einem Eigenverbrauchsanteil von 100 Prozent würde idealerweise der gesamte Solarstrom selbst verbraucht und gar kein Solarstrom mehr ins Netz eingespeist. In der Praxis liegt der erreichbare Eigenverbrauchsanteil meist wesentlich niedriger. Er lässt sich aber gezielt erhöhen, indem große Verbraucher wie beispielsweise die Waschmaschine mittags zu Zeiten des größten Sonnenangebots betrieben werden. Verschiedene Hersteller bieten dafür inzwischen auch schon Geräte zur automatischen Verbrauchssteuerung an. Die Möglichkeiten zur Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils bewegen sich aber auch durch solche Maßnahmen in recht engen Grenzen. Eigenverbrauch und Autarkie Wird der Solarstrom einer Photovoltaikanlage direkt vor Ort selbst verbraucht, heißt dies Eigenverbrauch. Der Eigenverbrauchsanteil gibt an, wie viel des Solarstroms selbst verbraucht und nicht ins Netz eingespeist wird. Durch den Eigenverbrauch wird der Bezug von teurem Netzstrom reduziert. Da die Preise für den Strombezug meist deutlich über denen für die Netzeinspeisung von Solarstrom liegen, nimmt die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage mit steigendem Eigenverbrauch zu. Sehr hohe Eigenverbrauchsanteile lassen sich in der Regel aber nur mit sehr kleinen Photovoltaikanlagen oder zusätzlichen Speichern erreichen. Der Autarkiegrad gibt an, welchen Anteil des eigenen Strombedarfs eine Photovoltaikanlage deckt. Bei einem Autarkiegrad von 100 Prozent wird kein Strom mehr aus dem Netz bezogen und man ist komplett unabhängig von Energieversorgern und der Entwicklung der Strompreise. Eine vollständige Autarkie ist in Deutschland aber mit einem vertretbaren Aufwand praktisch nicht erreichbar. Für hohe Autarkiegrade sind generell große Photovoltaikanlagen und Speicher nötig, um auch nachts und im Winter einen großen Solaranteil zu ermöglichen. Dadurch produziert die Solaranlage dann aber tagsüber im Sommer große Überschüsse, die wieder ins Netz eingespeist werden müssen, wodurch der Eigenverbrauchsanteil abnimmt. Bei der Planung einer Solaranlage muss also immer ein Kompromiss aus dem Wunsch nach einer möglich hohen Unabhängigkeit mit einem großen Autarkiegrad und einer guten Wirtschaftlichkeit mit einem großen Eigenverbrauchsanteil gesucht werden. 139

15 5 Photovoltaik Strom aus Sand Sehr hohe Eigenverbrauchsanteile lassen sich in der Regel nur mit extrem kleinen Photovoltaikanlagen erzielen. Diese können dann aber nur einen recht geringen Teil des eigenen Strombedarfs decken und damit nur sehr kleine Autarkiegrade erreichen. Das bedeutet, es wird dann zwar wenig Solarstrom ins Netz eingespeist und tags fast alles selbst verbraucht. Nachts und an sonnenarmen Tagen muss weiterhin viel Strom aus dem Netz bezogen werden. Wird ein Speicher mit der Photovoltaikanlage kombiniert, lassen sich deutlich größere Anlagen mit höheren Autarkiegraden bei ebenfalls hohen Eigenverbrauchsanteilen errichten. Zahlreiche Anbieter haben dafür Batteriesysteme entwickelt (Abbildung 5.15). Abbildung 5.15 Netzgekoppeltes Photovoltaiksystem mit Batteriespeicher zur Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils [Qua13] Auch bei Batteriesystemen wird Solarstrom mit erster Priorität direkt vor Ort verbraucht. Entstehen Überschüsse, wird damit eine Batterie geladen. Erst wenn die Batterie voll ist, speist das System Solarstrom ins Netz. Liefern die Photovoltaikmodule weniger Strom als vor Ort benötigt wird, deckt zuerst die Batterie die Defizite. Wenn die Batterie leer ist, sichert Strom aus dem Netz die Versorgung (Abbildung 5.16). Ein Batteriesystem kann auch so ausgeführt werden, dass es sich bei einem Stromausfall über eine Trennstelle vom Netz abkoppeln lässt. Damit kann es als Inselsystem weiterarbeiten und mit Hilfe der Batterie die Versorgung über einen gewissen Zeitraum sicherstellen. Es arbeitet dann als Notstromsystem und erhöht die Versorgungssicherheit. Als Batterietypen kommen Blei- und Lithiumbatterien in Frage. Bleibatterien sind als Starterbatterien vom Auto her bekannt und durch die großen Stückzahlen bei Kraftfahrzeugen vergleichsweise preiswert. Lithiumbatterien sind derzeit noch erheblich teurer, haben aber eine deutlich längere Lebensdauer. Bleibatterien können bei sachgemäßem 140

16 5.3 Photovoltaikanlagen Netze und Inseln Gebrauch 5 bis 10 Jahre überdauern, Lithiumbatterien durchaus 20 Jahre. Sie sind außerdem unempfindlicher gegen starke Entladungen. Batterieräume mit Bleibatterien müssen immer gut belüftet werden, da dort Wasserstoff ausgasen und sich Knallgas bilden kann. Auch sind nicht alle Batterietypen kurzschlussfest. Läuft bei einem Starkregen oder einer Überschwemmung ein Keller mit einer Batterie voll, kann das dann recht unangenehme Folgen haben. Viele Batteriesysteme sind auch nur für einen einphasigen Betrieb geeignet. Da die Elektrogeräte in einem normalen Haushalt üblicherweise auf drei Phasen verteilt werden, kann das Batteriesystem dann nur einen Teil der Geräte versorgen. Hier können teurere dreiphasige Systeme Abhilfe schaffen. Leistung in kw Netzeinspeisung Batterieladung Netzbezug Batterieentladung Eigenverbrauch Stromverbrauch Photovoltaikanlage Batterieentladung Netzbezug Batterieentladung Batterieladung Strombedarf: 4700 kwh Photovoltaik: 5 kw Batterie: 5 kwh Netzeinspeisung Eigenverbrauch 0 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Abbildung 5.16 Leistungsflüsse eines netzgekoppelten photovoltaischen Batteriesystems bei einem Haushalt in einem Einfamilienhaus an einem schönen Sonntag im Frühjahr Batterien werden vermutlich schon in absehbarer Zeit zu den Standardkomponenten bei Photovoltaiksystemen zählen. Bis dahin müssen sie allerdings technisch noch optimiert werden und deren Preise noch spürbar sinken. Als Alternative zu Batteriesystemen sind auch Anlagen mit Wasserstoffspeichern erhältlich. Überschüsse werden dort mit Hilfe einer Elektrolyseeinheit in Wasserstoff umgewandelt und bei Bedarf wieder über eine Brennstoffzelle zurückverstromt. Da diese Systeme noch deutlich teurer als Batteriesysteme sind, werden deren Marktanteile auf überschaubare Zeit noch gering bleiben. Eine weitere denkbare Lösung zur Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils ist die Kopplung mit einer bestehenden Heizungsanlage (Abbildung 5.17). Ist dort ein größerer Wärmespeicher vorhanden, lässt sich ein elektrischer Heizstab vergleichsweise preiswert nachrüsten. Prinzipiell kann auch eine effizientere Wärmepumpe anstelle des Heizstabs eingesetzt werden. Da Wärmepumpen aber erheblich teurer sind, erhöht das die Investitionskosten deutlich und macht das System trotz der größeren Effizienz meist ökonomisch 141

17 12.5 Planung und Auslegung 6,4 h Q K = 10 kw = 25,6 kw. 2,5 h Das nötige Volumen V Sp des Pufferspeichers lässt sich näherungsweise aus der Kessel- Nennleistung Q K und der Nenn-Abbrandperiode T B bestimmen: l Sp = QK TB 13, 5 kwh V. Damit kann der Pufferspeicher die gesamte Wärmemenge des Heizkessels bei einem voll gefüllten Brennraum aufnehmen. Bei einer Kessel-Nennleistung von 29 kw und einer Nenn-Abbrandperiode von 2,5 h ergibt sich ein Speichervolumen von l Sp = kwh V = 29 kw 2,5 h 13,5 979 l Holzpelletsheizung Die generellen Hinweise zur Scheitholzheizung lassen sich auch auf die Holzpelletsheizung übertragen. Da Pelletsheizungen in der Regel den Brennstoff automatisch zum Brenner befördern, bedeutet ein mehrmaliges tägliches Anfeuern keinen Komfortverlust. Die Kessel-Nennleistung kann daher direkt auf den Heizenergiebedarf des Gebäudes ausgelegt werden. Ein Pufferspeicher ist dennoch sinnvoll. Er verhindert ein zu häufiges Anfeuern und sorgt dafür, dass die Heizung überwiegend bei Nennlast arbeitet. Dann erfolgt eine optimale Verbrennung mit möglichst niedrigem Schadstoffausstoß. Einblas- und Absaugstutzen Luftraum Wartungstür nutzbares Lagervolumen = 2/3 des Raumes 40 bis 45 Entnahmesystem Türschutzbretter Schrägboden Schrägboden Leerraum Abbildung Querschnitt durch einen Holzpelletslagerraum Im Gegensatz zu Scheitholz werden Holzpellets meist in einem speziellen Raum innerhalb des Gebäudes gelagert. Eine Lagerung im Freien ist wenig zweckmäßig, da die Pellets dort Feuchtigkeit ziehen und Schaden nehmen können. Bei einem Standard-Einfamilienhaus- 313

18 12 Biomasse Energie aus der Natur neubau ist eine Raumgrundfläche von drei bis fünf Quadratmetern für einen Pelletslagerraum in der Regel ausreichend. Bei Altbauen kann eine größere Fläche, bei gut gedämmten Häusern auch deutlich weniger nötig sein. Das Entnahmesystem für die Pellets befindet sich am Lagerraumboden (Abbildung 12.17). Schrägböden sorgen dafür, dass die Pellets auch bei niedrigem Füllstand zum Entnahmesystem rutschen. Unter den Schrägböden entsteht ein Leerraum, der das nutzbare Lagervolumen auf etwa zwei Drittel des Raumvolumens reduziert. Da die Holzpelletspreise über das Jahr variieren, sollte der Lagerraum mindestens die Brennstoffvorräte für ein Jahr fassen. Dann lassen sich Pellets immer während Niedrigpreisperioden einkaufen. Berechnung kwh % Größe des Holzpelletslagerraum Sind der jährliche Wärmebedarf Q Wärme des Hauses und der Kesselwirkungsgrad η Kessel bekannt, lässt sich damit das Lagerraumvolumen V Lager inklusive Leerraum berechnen: Q V Lager =. η Wärme kg Kessel m kwh kg Ist der jährliche Heizwärmebedarf nicht bekannt, können bei einem Durchschnittsgebäude 200 kwh pro Quadratmeter Wohnfläche, bei einem Standardneubau nach EnEV 2009 rund 70 kwh/m², nach EnEV 2013 rund 50 kwh/m² und bei einem Dreiliterhaus 30 kwh/m² veranschlagt werden. Hinzu kommt der Wärmebedarf für die Warmwassererzeugung. Bei einem Neubau nach EnEV 2009 mit 130 m² Wohnfläche ergibt sich damit beispielsweise ein jährlicher Heizwärmebedarf von kwh. Kommen kwh für die Warmwasserbereitung hinzu, beträgt der gesamte Wärmebedarf kwh. Dann berechnet sich bei einem mittleren Kesselwirkungsgrad η Kessel von 80 % = 0,8 ein Lagervolumen von kwh 3 V Lager = = 6,9 m. 2 kg kwh 3 0, m kg Ein Lagerraum mit einer Grundfläche von 2 Meter mal 2 Meter bei einer Höhe von 1,73 Meter wäre hier also ausreichend. Dieser Lagerraum fasst Pellets mit einem Pelletsvolumen von 2/3 6,9 m³ = 4,6 m³. Die Masse der Pellets beträgt 4,6 m³ 600 kg/m³ = 2760 kg. Steht mehr Platz zur Verfügung, kann ein Lagerraum prinzipiell auch größer ausgelegt werden. Ab einer Liefermenge von 5 Tonnen lassen sich oft günstigere Konditionen erzielen. Um diese Menge lagern zu können ist ein Lagerraumvolumen von 12,5 m³ nötig. Wichtig sind dann aber optimale Lagerbedingungen, damit die Pellets beispielsweise nicht durch zu hohe Luftfeuchtigkeit langfristig Schaden nehmen. Weiterführende Informationen des Deutschen Energie-Pellet-Verbands e.v. 314

19 12.6 Ökonomie Der Versuch, Aussagen über die langfristige ökonomische Entwicklung von Biomassebrennstoffen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen zu treffen, gleicht einer Kaffeesatzleserei. Dies zeigt beispielsweise ein Blick auf die Entwicklung der Holzpelletspreise der letzten Jahre (Abbildung 12.18). Während im Jahr 2003 die Preise für Heizöl und Holzpellets bei vergleichbarem Heizwert praktisch gleichauf lagen, schnellten die Ölpreise im Jahr 2005 um 50 Prozent empor. Dies verursachte einen Nachfrageboom für Holzpellets, dem die Industrie nur mit Verzögerung folgen konnte. Ende 2006 lagen die Holzpelletspreise sogar kurzfristig wieder über den vergleichbaren Erdölpreisen. Wenige Monate später normalisierten sie sich allerdings wieder und der Ölpreis zog erneut kräftig an. Eine ähnliche Entwicklung gab es erneut während der Wirtschaftskrise Anfang Die Potenziale zur Herstellung von Holzpellets reichen bei Weitem nicht aus, um den gesamten aktuellen deutschen Heizungsmarkt zu versorgen. Steigen immer mehr Kunden auf Holzpellets als Brennstoff um, wird dies zwangsläufig zu einem Anstieg der Preise führen. Da aber auch die Erdölpreise langfristig weiter nach oben gehen werden, könnte der Preisvorteil von Pellets auf steigendem Niveau erhalten bleiben. Ob sich eine Holzpelletsheizung rechnet, hängt aber entscheidend vom Preisunterschied zu Erdöl oder Erdgas ab. Rund Euro muss man für den Einbau einer Holzpelletsheizung veranschlagen. Dies ist deutlich mehr als für eine Erdöl- oder Erdgasheizung. Bei ei- Planungshilfe Von der Idee der Biomasseheizung zur eigenen Anlage Brennstoffart festlegen. Stückholz/Scheitholz bei der Mitnutzung von eigenem Holz Holzpellets für eine vollautomatische Betriebsweise. Wärmebedarf und Heizleistung bestimmen, ggf. an alter Heizungsanlage orientieren. Lässt sich Wärmebedarf durch Dämmung senken? Lagerraum dimensionieren Ist ein ausreichender Lagerraum vorhanden? Ist genügend Raum auch für den Pufferspeicher vorhanden? Eignet sich der Schornstein zum Anschluss der Biomasseheizung? Regelungen für den Anlagenbetrieb und die Abnahme z.b. über den Schornsteinfeger klären. Angebote für Biomasseheizungen einholen. Günstige Finanzierung z.b. über KfW im Rahmen weiterer Klimaschutzmaßnahmen prüfen bzw. Zuschüsse über BAFA prüfen und beantragen. Anlage vom Fachbetrieb installieren lassen Ökonomie 315

20 13 Erneuerbare Gase und Brennstoffzellen aus Wasser und Schwefelsäure oder Kalilauge (KOH). Die Anode und Kathode leiten Gleichstrom in den Elektrolyten. Dort zersetzen sie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Während die Elektrolyse als eine klimaverträgliche Option zur Wasserstoffherstellung bereits heute einen hohen technischen Stand erreicht hat, befinden sich andere alternative Verfahren noch in der Entwicklung. Ein Beispiel sind thermochemische Verfahren. Bei Temperaturen oberhalb von 1700 Grad Celsius zersetzt sich Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff. Für diese Temperaturen sind aber sehr teure hitzebeständige Anlagen erforderlich. Durch verschiedene gekoppelte chemische Reaktionen kann die erforderliche Temperatur auf unter 1000 Grad Celsius abgesenkt werden. Diese Temperaturen lassen sich dann beispielsweise durch konzentrierende solarthermische Anlagen erzeugen, was bereits erfolgreich nachgewiesen wurde. Weitere Verfahren sind die photochemische und die photobiologische Herstellung von Wasserstoff. Dabei werden spezielle Halbleiter, Algen oder Bioreaktoren verwendet, die mit Hilfe von Licht Wasser oder Kohlenwasserstoffe zersetzten können. Auch diese Verfahren befinden sich noch im Forschungsstadium. Hauptprobleme sind dabei, langzeitstabile und preisgünstige Anlagen zu entwickeln Methanisierung Um fossiles Erdgas direkt durch ein erneuerbares Gas ersetzen zu können, muss aus dem mit regenerativem Strom erzeugten Wasserstoff Methan hergestellt werden (Abbildung 13.4). Methan hat die chemische Formel CH 4 und besteht neben vier Wasserstoffatomen aus einem Kohlenstoffatom. Als Kohlenstofflieferant kann Kohlendioxid dienen. Dies kann beispielsweise von fossilen Kraftwerken, Biogasanlagen oder Biomassekraftwerken stammen. Prinzipiell ist es auch möglich, das Kohlendioxid aus der Umgebungsluft zu nutzen. Da hier die Konzentration allerdings sehr gering ist, muss das Kohlendioxid separiert werden. Hierzu werden verschiedene Technologien entwickelt, die derzeit aber noch energieaufwändig und teuer sind. Methanisierung von Wasserstoff Mit dem nach dem französischen Chemiker Paul Sabatier benannten Sabatier-Prozess lässt sich Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan umwandeln: 4 H 2 (Wasserstoff) + CO 2 (Kohlendioxid) CH 4 (Methan) + 2 H 2 O (Wasser) Dabei ist ein Katalysator auf Basis von Nickel oder Ruthenium erforderlich. Bei der Reaktion wird Abwärme frei, die sich ebenfalls nutzen lässt. 328

21 13.3 Transport und Speicherung von EE-Gasen Abbildung 13.4 Erzeugung, Speicherung und Rückverstromung von regenerativem Methan [Qua13] Eine 25-Kilowatt-Prototypanlage, die mit Kohlendioxid aus der Umgebungsluft arbeitet wurde im Jahr 2009 vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung BadenWürttemberg realisiert. Im Jahr 2012 folgte eine 250-Kilowatt-Versuchsanlage. Beide Anlagen erfüllten ihre Aufgabe bestimmungsgemäß. Mit rund 40 Prozent war der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von erneuerbaren Strom zu Methan bei der ersten Anlage aber noch sehr niedrig. Eine 6-Megawatt-Anlage mit einem Wirkungsgrad von 54 Prozent ging im Jahr 2013 bei der Audi AG in Betrieb. Weitere kommerzielle Anlagen mit noch besseren Wirkungsgraden sollen in den nächsten Jahren folgen Transport und Speicherung von EE-Gasen Transport und Speicherung von Wasserstoff Ist reiner Wasserstoff erst einmal erzeugt und soll nicht sofort in Methan umgewandelt werden, muss er gespeichert und zum Verbraucher transportiert werden. Im Prinzip sind uns die Speicherung und der Transport von brennbaren Gasen aus der Erdgasnutzung bereits bestens bekannt. Wasserstoff ist ein extrem leichtes Gas mit einer sehr geringen Dichte, verfügt aber über einen relativ hohen Heizwert. Im Vergleich zu Erdgas ist zur Speicherung von Wasserstoff mit dem gleichen Energiegehalt ein größerer Speicher notwendig, wobei der gespeicherte Wasserstoff aber leichter ist. Um das notwendige Speichervolumen zu verringern, lässt sich Wasserstoff entweder verdichten und unter hohem Druck speichern oder verflüssigen. Bei Normaldruck kondensiert Wasserstoff aber erst bei extrem tiefen Temperaturen von minus 253 Grad Celsius. Flüs- 329