Erdgas-Brennwertheizung: Stand der Technik

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1 Erdgas-Brennwertheizung: Stand der Technik Erdgas-Brennwertheizungen arbeiten besonders effizient und energiesparend, da sie die bei der Verbrennung ent stehende Abgaswärme zusätzlich nutzbar machen und dem Heizungssystem zuführen. Über eine Regelung wird die aktuell benötigte Heizleistung stufenlos an die Nutzungszeiten und -bedingungen angepasst, um nicht unnötig Energie zu verbrauchen. Wie funktioniert eine Erdgas-Brennwertheizung? 4 Heizungsvorlauf Heizungsrücklauf Erdgas Abgas Luft Kondenswasser Erdgas verbrennt unter Luftzufuhr. Dabei entsteht nutzbare Verbrennungswärme. Die Wärme wird mittels Wasser im Heizungsvorlauf zum Heizungssystem und in den Wärmespeicher transportiert und so nutzbar gemacht. Durch Abkühlung der Verbrennungsgase (Abgase) unter den Taupunkt von ca. 55 C wird die im Wasserdampf enthaltene Energie in Form von Kondensationswärme freigesetzt. Das dabei entstehende Kondensat wird in die Kanalisation abgeleitet. 4 Die Nutzung der Kondensationswärme (latente Wäme) führt zu einem zusätzlichen Wärmegewinn von bis zu %.

2 Zahlen und Fakten zu Erdgas-Brennwert Die Brennwerttechnik entspricht den allgemein anerkannten Regeln der Technik. Mit verkauften Geräten pro Jahr hat die Brennwerttechnik einen Marktanteil von 60 % an neuen Wärmeerzeugern in Deutschland. Es sind nahezu ausnahmslos deutsche und europäische Hersteller am Markt vertreten. Erdgas-Brennwertgeräte sind als wandhängende Geräte und als Standgeräte verfügbar. Emissionsarme Verbrennung: Der Schornsteinfeger muss die Anlage abhängig vom System nur alle zwei bis drei Jahre prüfen. Für einen optimalen Betrieb wird eine jährliche Wartung durch einen Fachhandwerker empfohlen. Unter Berücksichtigung der technischen Weiterentwicklung z. B. bei Regelung und Pumpen liegt die Brennstoffersparnis beim Austausch eines alten Niedertemperatur-(NT-) Kessels gegen einen neuen Brennwertkessel bei bis zu 0 %. Brennwertgeräte haben einen rund 5 % höheren Wirkungsgrad gegenüber einem NT-Kessel. Selbst wenn ein neuer Brennwertkessel aufgrund der hohen Systemtemperaturen nicht im Brennwertbereich betrieben wird, ist er so effizienter als ein alter NT-Kessel. Einsatzmöglichkeiten Für alle Einsatzmöglichkeiten: von der Wohnung über Ein- und Zweifamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser bis zu Gewerbe und Industrie die Kessel stehen in den passenden Leistungsgrößen zur Verfügung. Erdgas-Brennwert ist mit regenerativem Bio- Erdgas und /oder Solarthermie kombinierbar. Der Einsatz von Bio-Erdgas ist ohne Umrüstung und in jeder Beimischung bis zu 00 % möglich. Wirkungsgrade von Heiztechnologien (bezogen auf den Heizwert H i ) ca. 64 % Alter Heizkessel (Standardkessel) ca. 89 % Alter Heizkessel (NT-Technik) ca. 94 % Heizkessel (NT-Technik) ca. 09 % Erdgas-Brennwertkessel Kosten und Wirtschaftlichkeit Erdgas-Brennwerttechnik ist eines der wirtschaftlichsten Wärmeerzeugungssysteme am Markt. Ersetzt man in einem Einfamilienhaus mit kwh/a Erdgasverbrauch den 5 Jahre alten Gas-NT-Kessel durch eine moderne Erdgas-Brennwerttherme, kann sich eine Brennstoffkostenersparnis von bis zu 0 % (rund 500 ) pro Jahr ergeben. Mit dem zusätzlichen Einsatz moderner Hocheffizienzpumpen und Strangregulierventile sowie moderner Thermostatventile und einer Optimierung der Regelung, einem hydraulischen Abgleich und der Dämmung von Rohrleitungen im Kellergeschoss können mit geringem finanziellen Aufwand weitere Einsparungen erreicht werden. Für diese effiziente neue Heizung liegen die Investitionskosten inklusive Installation zwischen und

3 Erdgas und Sonnenwärme: einfach kombinieren Erdgas-Brennwerttechnik und Solarthermie sind eine besonders sparsame Kombination, denn mit Erdgas wird ein besonders umweltschonender Brennstoff und mit Sonnenenergie eine natürliche Energiequelle genutzt. Wie funktioniert die Kombination Erdgas und Solar? mit zusätzlicher Heizungsunterstützung mit solarer Warmwasserbereitung Flach- oder Vakuumröhrenkollek- toren nutzen die Sonnenstrahlung zur Wärmegewinnung und geben die gewonnene Energie an den Wärmespeicher des Systems ab. Erdgas-Brennwertheizung Vom Wärmespeicher aus werden optimal abgestimmt die Wärmeströme von den Erzeugern zu den Verbrauchern wie z. B. der Dusche geregelt. Im Wärmespeicher wird vorrangig Solarenergie in Form von Warmwasser gespeichert. Reicht die Sonnenwärme aus der Solarthermie nicht aus, heizt die Erdgas-Brennwertheizung bedarfsgerecht und modulierend dazu. Die benötigte Größe des Wärmespeichers hängt davon ab, ob neben der Warmwasserbereitung auch eine solare Heizungsunterstützung geplant ist.

4 Zahlen und Fakten zu Erdgas-Brennwerttechnik und Solar Mit der Kombination Erdgas und Solarwärme können alle gesetzlichen Anforderungen aus der EnEV und dem EEWärmeG kostengünstig erfüllt werden.,8 Millionen thermische Solaranlagen mit 6,5 Millionen m² Kollektorfläche sind zur Wärme erzeugung auf deutschen Dächern installiert. Erdgas-Brennwertgeräte sind als wandhängende Geräte und als Standgeräte, die Solarkollektoren als Flachund Röhrenkollektoren verfügbar. Die Kombination von Brennwerttechnik und Solarthermie ist mindestens genauso effizient, sparsam und vorteilhaft wie Erdgas-Brennwerttechnik. Durch den zusätzlichen Einsatz der Solarthermie können bis zu 0 % der gesamten Wärmeerzeugung durch die Sonne erfolgen. Emissionsarme Verbrennung: Der Schornsteinfeger muss die Anlage abhängig vom System nur alle zwei bis drei Jahre prüfen. Für einen optimalen Betrieb wird eine jährliche Wartung durch einen Fachhandwerker empfohlen. Selbst wenn ein Brennwertkessel aufgrund der hohen Systemtemperaturen nicht im Brennwertbereich betrieben wird, ist er effizienter als ein Niedertemperatur-(NT-) Kessel. Einsatzmöglichkeiten Im Gebäudebestand liegt der Fokus der Solarwärmenutzung auf der Unterstützung der Warmwasserbereitung. Eine Heizungsunterstützung kann besonders in Verbindung mit Flächenheizungssystemen wie Fußbodenheizung einen weiteren Beitrag zur Energiekostensenkung leisten. Im Neubau ist eine Kombination von Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung sinnvoll. Der Einsatz von Bio-Erdgas ist ohne Umrüstung und in jeder Beimischung bis zu 00 % möglich. Wie groß ist der Bedarf an Kollektorfläche? Röhrenkollektor Solare Warmwasserbereitung:,5 m² pro Person Solare Heizungsunterstützung:,0 m² pro Person Flachkollektor Solare Warmwasserbereitung:,5 m² pro Person Solare Heizungsunterstützung:,5 m² pro Person Für die Auslegung der Solarthermie-Anlage sind eine genaue und individuelle Planung sowie eine Optimierung aller Systemkomponenten erforderlich. Kosten und Wirtschaftlichkeit Bis zu 60 % des Jahresbedarfs an Energie für die Warmwasserbereitung können durch die Sonnenenergie übernommen werden. Wird die Sonnenwärme auch zur Heizungsunterstützung genutzt, können bis zu 0 % der gesamten Wärmeerzeugung über die Sonne gedeckt werden. Ersetzt man in einem Einfamilienhaus mit kwh/a Erdgasverbrauch den 5 Jahre alten Gas-NT-Kessel durch die Kombination Erdgas und Solar, kann sich eine Brennstoffkostenersparnis von bis zu 950 pro Jahr ergeben. Für diese effiziente neue Heizung liegen die Investitionskosten inklusive Installation je nach System zwischen.000 und Mit dem zusätzlichen Einsatz moderner Hocheffizienzpumpen und Strangregulierventile sowie moderner Thermostatventile und einer Optimierung der Regelung, einem hydraulischen Abgleich und der Dämmung von Rohrleitungen im Kellergeschoss können mit geringem finanziellen Aufwand weitere Einsparungen erreicht werden.

5 Dezentrale Energieversorgung: die Strom erzeugende Heizung Die Strom erzeugende Heizung (auch Mikro-/Mini-KWK genannt) arbeitet nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Es wird nur einmal Energie aufgewendet, um sowohl Strom als auch Wärme zu erzeugen. Sie gilt als die Schlüsseltechnologie auf dem Weg zu einer dezentralen Energieversorgung. Wie funktioniert die Strom erzeugende Heizung? Eine Strom erzeugende Heizung besteht aus einem Erdgas-Verbrennungsmotor und einem Generator. Dieses System erzeugt Wärme und Strom. Stirlingmotor Ottomotor Erhitzerkopf Erdgas Verdrängerkolben Erdgas Abgas Kühler mit Heizungsvorund Rücklauf Heizungsrücklauf Heizungsvorlauf Arbeitskolben Lineargenerator (Strom entsteht) Generator (Strom entsteht) Der Stirlingmotor arbeitet mit einer externen kontinuierlichen Verbrennung. Er ist ein mit Arbeitsgas wie z. B. Helium gefüllter Zylinder. Dieser besteht aus drei Komponenten: einem Verdränger-, einem Arbeitskolben und einem Generator. Zunächst wird eine Seite des Zylinders durch einen Gasbrenner erwärmt, während die andere mit Wasser aus dem Heizkreis des Gebäudes gekühlt wird. Anschließend wird das Arbeitsgas über den Verdrängerkolben von der kalten auf die warme Seite transportiert. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz, die den Arbeitskolben in Bewegung setzt. Er ist Bestandteil des Generators, der die Bewegung in elektrischen Strom umwandelt. Die Abwärme des Brenners und des Arbeitsgases wird zur Beheizung des Gebäudes genutzt. Das KWK-System arbeitet nach dem Prinzip der internen Verbrennung im Ottomotor. In diesem wird Erdgas mit angesaugter Luft vermischt und mithilfe eines Zündfunkens zur kontrollierten Explosion gebracht. Dabei entstehen Verbrennungsgase, die sich ausdehnen. Der verursachte Überdruck setzt eine Kolbenbewegung in Gang. Sie wird auf eine Welle übertragen, die den Generator zur Stromerzeugung antreibt. Entstehende Abwärme wird für Raumheizung und Warmwasserbereitung genutzt.

6 Zahlen und Fakten zur Strom erzeugenden Heizung Die Geräte erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von über 90 % In allen Leistungsklassen sind Geräte mehrerer Hersteller verfügbar; Strom erzeugende Heizungen mit kw elektrischer Leistung werden derzeit in Stückzahlen von mehr als.000 Geräten pro Jahr in Deutschland eingeführt. Die Strom erzeugende Heizung im mittleren Leistungsbereich (Mini-KWK) ist seit vielen Jahren vor allem im Gewerbe erfolgreich im Einsatz. In der Regel lässt sich das bestehende Heizsystem bei einer Modernisierung weiterhin nutzen. Die gekoppelte und dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme ist deutlich ökologischer und effizienter als die getrennte Erzeugung in Kraftwerk (Strom) und Heizungskessel (Wärme), da weniger (Primär-) Energie aufgewendet werden muss (ca. 0 %). CO ² -Emissionen von Heizungssystemen % Erdgas-NT-Kessel* (Referenz) * Niedertemperaturkessel ca. 8 % Erdgas- Brennwertkessel ca. 75 % Erdgas- Brennwert & Solar ca. 70 % Erdgas-Mikro- KWK Der Einsatz von Bio-Erdgas ist ohne Umrüstung und in jeder Beimischung bis zu 00 % möglich. Alle gesetzlichen Anforderungen aus EnEV und EEWärmeG können erfüllt werden. Einsatzmöglichkeiten Mikro-KWK-Geräte mit ca. bis kw elektrischer Leistung sowie einem integrierten oder externen Brennwertgerät eignen sich für den Einsatz in Einund Zweifamilienhäusern. kw-stirling-geräte eignen sich sehr gut für den Austauschmarkt. Mini-KWK-Geräte mit ca. bis 5 kw elektrischer Leistung sind ideal für Mehrfamilienhäuser oder für das Gewerbe geeignet auch als Grundlast-Beistellgeräte mit zusätzlichem Spitzenlastkessel. Kosten und Wirtschaftlichkeit Ersetzt man in einem Einfamilienhaus mit kwh/a Erdgasverbrauch den 5 Jahre alten Gas-NT-Kessel durch eine innovative Strom erzeugende Heizung, so reduzieren sich die Energiebezugskosten deutlich. Durch die gleichzeitige Stromerzeugung können in der Regel ca. 60 % des Haushaltsstrombedarfs durch die Eigenproduktion abgedeckt werden. Jede kwh Strom, die selbst erzeugt und verbraucht wird, reduziert die Strombezugskosten. Überschüssig erzeugter Strom kann ins Netz eingespeist werden und wird vergütet. Der Einsatz einer Strom erzeugenden Heizung ermöglicht so eine jährliche Einsparung bis zu 750 bei Strom und Gas. Für diese effiziente neue Heizung liegen die Investitionskosten inklusive Installation bei ca Durch Smart-Home-Anwendungen und virtuelle Kraftwerke (zentrale Steuerung mehrerer Geräte) besteht weiteres Einsparpotenzial.

7 Innovativ heizen: mit der Gaswärmepumpe Gaswärmepumpen kombinieren sparsame und umweltschonende Erdgastechnologie mit der Nutzung von Umweltwärme aus Sonne, Luft, Wasser oder Erde. Durch eine gleichzeitige Nutzung von Wärme für Warmwasser und Heizung sowie Kälte für Lüftung, Kühlung oder Temperierung ermöglicht diese Technologie Nutzungsgrade von bis zu 70 %. Wie funktioniert die Gaswärmepumpe? Der Verdampfer entzieht der Umgebung Wärme. Dabei wechselt das im System enthaltene Kältemittel in den gasförmigen Zustand. Der entstehende Dampf wird mittels eines Kompressors verdichtet und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Im dritten Schritt gibt das dampfförmige Kältemittel seine Wärme im Verflüssiger/Kondensator an das Heizungssystem ab und wird dabei flüssig. 4 Zum Schluss baut ein Entspannungsventil den Überdruck ab, so dass das Kältemittel wieder Umweltwärme aufnehmen und der Prozess von vorne beginnen kann. Heizwärme Heizwärme Erdgas Austreiber 4 Kondensator Verdichter Verdampfer Gasmotor 4 Verflüssiger Verdampfer Erdgas Druckreduzierventil Druckreduzierventil Lösungspumpe Absorber Umweltwärme Umweltwärme Thermischer Verdichter Gasmotorische Wärmepumpe Bei der gasmotorischen Wärmepumpe wird der Verdichter (Punkt ) von einem Erdgas-Verbrennungsmotor angetrieben. Absorptions-Gaswärmepumpe Absorptions-Gaswärmepumpen nutzen Erdgas in einem thermischen Verdichter (Punkt ). In einem Systemkreislauf wird eine Wasser-Ammoniak-Lösung transportiert.

8 Adsorptions-Gaswärmepumpe Adsorptions-Gaswärmepumpen machen sich die physikalischen Eigenschaften des Minerals Zeolith zu eigen: Zeolith bindet ( adsorbiert ) Wasserdampf und saugt sich wie ein Schwamm voll. Dabei entsteht Wärme, die an das Heizsystem abgeführt wird. Heizkreis Bei der Trocknung des Minerals durch einen Erdgasbrenner tritt das zuvor gespeicherte Wasser als Dampf wieder aus, kondensiert und gibt Wärme an das Heizsystem ab. Durch Umkehrung dieses Prozesses kann Wärme aus der Umgebung eingekoppelt werden. Kältemittel Zeolith Kältemitteldampf Umweltenergie Zahlen und Fakten zur Gaswärmepumpe Die innovative Zeolith-Gaswärmepumpe für das Einfamilienhaus wird gerade in den Markt eingeführt. Sie nutzt als Umweltwärme die Solarthermie und erreicht so Nutzungsgrade von bis zu 9 %. Sie ist damit etwa 0 % sparsamer im Energieverbrauch als die Kombination von Erdgas-Brennwerttechnik und Solarthermie. Die Geräte sind leise, wartungsarm und umweltschonend. Alle gesetzlichen Anforderungen aus EnEV und EEWärmeG können erfüllt werden. Gasmotorische und Absorptions-Gaswärmepumpen sind schon seit einigen Jahren erfolgreich im Markt etabliert. Besonders hohe Nutzungsgrade (bis zu 70 %) werden bei der gleichzeitigen Nutzung von Wärme (Warmwasser) und Kälte (Kühlung) erreicht. Einsatzmöglichkeiten Die aktuell am Markt verfügbaren Zeolith-Gaswärmepumpen sind für den Einsatz in Einfamilien häusern konzipiert (Neubau oder sehr gut gedämmter Altbau). Der Einsatz von Bio-Erdgas ist ohne Umrüstung und in jeder Beimischung bis zu 00 % möglich. Absorptions- und gasmotorische Geräte sind neben der Heizung auch gleichzeitig für die Kühlung, Entfeuchtung und Temperierung einsetzbar, zum Beispiel im Gewerbe, in Mehrfamilienhäusern, in Verwaltungsgebäuden oder in Gebäuden der sozialen Infrastruktur. Kosten und Wirtschaftlichkeit Die aktuellen Zeolith-Adsorptionswärmepumpen sind für den Einsatz im Einfamilienhausneubau konzipiert. Für diese effiziente neue Heizung liegen die Investitionskosten inklusive Installation zwischen ca und Mit dem Einsatz einer solchen Gaswärmepumpe lassen sich die jährlichen Energiekosten um bis zu 0 % gegenüber der Kombination von Erdgas-Brennwerttechnik und Solarthermie reduzieren.

9 Hybridheizung: Die Kombination von Wärmeerzeugung aus Erdgas und Strom Kombigeräte vereinen die Vorteile einer Erdgas-Brennwertheizung und einer Luft- / Wasser-Wärmepumpe. Die intelligente Steuerung optimiert das Zusammenspiel der Wärmeerzeugungseinheiten hinsichtlich Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Wie funktioniert eine Hybridheizung? Verdampfer Hybridheizgerät Umweltwärme Brennwerteinheit Wärmepumpeneinheit Verdichter Heizungsvorlauf Nutzung der Konden sationswärme Erdgas Strom Heizungsrücklauf Druckreduzierventil 5 4 intelligente Regelung Eine Hybridheizung besteht aus drei Komponenten: einer Gas-Brennwerttherme, einer Luft / Wasser-Wärmepumpe und einer intelligenten Steuerungseinheit. Hybridheizungen werden als Kombigerät oder in getrennten Modulen angeboten. Das Brennwertgerät nutzt Erdgas als Energieträger und arbeitet aufgrund der zusätzlichen Nutzung der in den Abgasen sowie im Wasserdampf enthaltenen Kondensationswärme sehr effizient. Die Luft / Wasser-Wärmepumpe integriert Umweltwärme und erzeugt aus Kilowattstunde (kwh) Strom in der Regel über kwh Heizenergie. 4 Die intelligente Steuerung arbeitet mit einer Logik, die die Effizienz von Brennwertheizung und Wärmepumpe abgleicht und jeweils die aktuell kostengünstigere oder emissionsärmere Technologie auswählt. 5 Drei Betriebsweisen sind möglich: a. Im CO- bzw. energetisch optimierten Betrieb wird möglichst viel Kohlendioxid eingespart. b. Beim kostenoptimierten Betrieb wird das Modul mit dem aktuell günstigeren Energieträger genutzt. c. Bei der temperaturgeregelten Betriebsart arbeitet je nach Außentemperatur das Brennwertgerät oder die Wärmepumpe. Stand: Februar 05

10 Die intelligente Steuerung der Hybridheizung Der Bivalenzpunkt ist der Wechselpunkt zwischen den Wärmeerzeugungseinheiten. Hier ändert sich der primäre Wärmeerzeuger. Die intelligente Steuerung errechnet auf Basis der vom Hersteller bzw. vom Anlagenbetreiber gemachten Vorgaben (z. B. Preisverhältnis von Gas und Strom) den Bivalenzpunkt. In der Regel liegt dieser Punkt bei der Hybridheizung mit Luft / Wasser-Wärmepumpe im Bereich zwischen C und 6 C Außentemperatur. Liegt die Außentemperatur unter C, übernimmt das Brennwertgerät die Heizung und Warmwasserbereitung. Bei einigen Systemen können die Nutzer die aktuellen Preise je Kilowattstunde Gas oder Strom manuell über die Steuerungseinheit eingeben. Bei kostenoptimierter Betriebsweise passt sich das Gerät den veränderten Vorgaben automatisch an. Mit einer Hybridheizung werden im Einfamilienhaus in der Regel alle Anforderungen der EnEV 06 und des EEWärmeG erfüllt. Für größere Gebäude ist eine Auslegung erforderlich, je nachdem, welcher Deckungsanteil der Wärmepumpeneinheit für das Gebäude erforderlich ist. Bei Temperaturen über 6 C übernimmt die Wärmepumpe Heizung und Warmwasserbereitung. Das Brennwertgerät schaltet sich bei erhöhtem Wärmebedarf dazu. Häufigkeitsverteilung der Außenlufttemperatur Stunden pro Jahr Quelle: Bosch Thermotechnik GmbH Arbeitsbereiche: Brennwertgerät Flexibler Bivalenzpunkt Wärmepumpe (Brennwertgerät bei Bedarf) Zahlen und Fakten zur Hybridheizung Eine Hybridheizung arbeitet mit Vorlauftemperaturen zwischen 5 C und 80 C. Sie ist damit sowohl für Gebäude mit Fußbodenheizung als auch für Heizsysteme mit Heizkörpern geeignet. Je geringer die benötigte Vorlauftemperatur, desto effizienter kann die Hybridheizung arbeiten. Die Jahresarbeitszahl für den Wärmepumpenteil beträgt nach Herstellerangaben zwischen,0 und,5. Die Investitionskosten einer Hybridheizung inklusive Einbau und Warmwasserspeicher liegen derzeit bei ca..00 Euro. Die Integration eines Wärmespeichers ist sinnvoll. Dadurch können auch weitere Wärmequellen wie Solarthermie oder Kamin öfen eingebunden werden.

11 Technik der Zukunft: die Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle nutzt den Wasserstoff aus Erdgas für die Energieversorgung der Zukunft. Der Wasserstoff wird aus Erdgas (CH 4 ) gewonnen, das dem vorhanden Erdgasnetz entnommen wird. Über einen elektrochemischen Prozess erzeugt die Brennstoffzelle gleichzeitig Strom und Wärme. Wie funktioniert die Brennstoffzelle? Brennstoffzellen-Heizgeräte nutzen ein sehr einfaches Prinzip: die Elektrolyse nur auf umgekehrte Weise. Denn Wasserstoff hat die natürliche Eigenschaft, von sich aus zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser reagieren zu wollen. Unter kontrollierten Bedingungen kommt es ohne externe Energiezufuhr zu einer kontrollierten Knallgasreaktion. Dieser Vorgang wird als kalte Verbrennung bezeichnet. Hierbei entstehen elektrische Energie und Wärme. Gleichstrom entsteht Elektronen Sauerstoff O ² Reformer Erdgas 4 Wasserstoff H ² (bzw. wasserstoffreiches Prozessgas) H + H + warmes Wasser H ² O Anode Elektrolyt / Membran Kathode Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden: Anode und Kathode. Sie sind getrennt durch den Elektrolyt mit einer festen, ionendurchlässigen Membran. Die Elektroden sind mit einem Katalysator beschichtet. Nachdem Wasserstoff der Anode zugeführt wurde, teilt er sich in Elektronen und Pro tonen. Die freien Elektronen werden als elektrischer Strom durch den äußeren Kreislauf genutzt. Die Protonen breiten sich durch den Elektrolyt zur 4 Kathode aus. Hier verbindet sich der Sauerstoff aus der Luft mit Elektronen aus dem äußeren Kreislauf und Protonen. Gemeinsam ergeben sie Wasser und Wärme. Zwischen Kathode und Anode kann sich nun eine Spannung aufbauen. Verbindet man beide Elektroden miteinander, fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode und liefern so Antriebsenergie. Die Reaktionswärme kann zusätzlich zum Heizen genutzt werden.

12 Zahlen und Fakten zur Brennstoffzelle Beim Einsatz einer Brennstoffzelle können alle gesetzlichen Anforderungen aus EnEV und EEWärmeG erfüllt werden. Die Markteinführung hat begonnen. Noch im Jahr 0 werden Geräte verschiedener Hersteller im Markt verfügbar sein. Die Brennstoffzelle arbeitet nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung und bietet in einem sehr breiten Leistungsbereich hohe elektrische und thermische Wirkungsgrade. Mit der Brennstoffzelle werden elektrische Wirkungsgrade je nach Typ von 0 bis 60 % erreicht. Brennstoffzellengeräte arbeiten energiesparend und haben niedrige Schadstoff- und Geräuschemissionen. Sie erreichen eine hohe Volllaststundenzahl, da die Geräte in der Regel ein günstiges Strom-/Wärmeverhältnis haben. Brennstoffzelle: Energieversorgung der Zukunft regenerativ erzeugtes Erdgas Bio-Erdgas synthetisches Erdgas aus Power-to-Gas-Anlagen vorhandenes Erdgasnetz Erdgas Brennstoffzellen-KWK-Anlagen sparen bei der kombinierten Wärme- und Stromerzeugung etwa ein Drittel Primärenergie im Vergleich zur getrennten konventionellen Erzeugung. Einsatzmöglichkeiten Brennstoffzellengeräte sind für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern konzipiert (Neubau und Bestand). Besonders eignen sie sich für Gebäude mit niedrigem Wämebedarf oder als Beistellgerät in Mehrfamilienhäusern. Der Einsatz von Bio-Erdgas ist ohne Umrüstung und in jeder Beimischung bis zu 00 % möglich. Kosten und Wirtschaftlichkeit Ersetzt man in einem Einfamilienhaus mit kwh/a Erdgasverbrauch den 5 Jahre alten Gas-NT-Kessel durch ein hoch innovatives Brennstoffzellengerät, so reduziert sich der Brennstoffbedarf deutlich. Durch die gleichzeitige Stromerzeugung können in der Regel ca. 60 % des Haushaltsstrombedarfs durch die Eigenproduktion abgedeckt werden. Jede kwh Strom, die selbst erzeugt und verbraucht wird, reduziert die Strombezugskosten. Überschüssig erzeugter Strom kann ins Netz eingespeist und vergütet werden. Der Einsatz einer Brennstoffzelle ermöglicht so eine jährliche Einsparung von ca. 900 bei Strom und Gas. Für diese hoch effiziente neue Heizung liegen die Investitionskosten inklusive Installation heute noch bei ca Durch Smart-Home-Anwendungen und virtuelle Kraftwerke (zentrale Steuerung mehrerer Geräte) besteht weiteres Einsparpotenzial.

13 Energie aus nachwachsenden Rohstoffen: Biogas und Bio-Erdgas Zu Bio-Erdgas aufbereitetes Biogas ist ein erneuerbarer Energieträger, der in die bestehende Erdgas-Infrastruktur eingespeist, dort gespeichert und zu den Verbrauchern transportiert werden kann. Der Energieträger wird aus nachwachsenden Rohstoffen und Reststoffen gewonnen und ist nahezu CO-neutral. Wie werden Biogas und Bio-Erdgas erzeugt? Energiepflanzen, Reststoffe, Bioabfälle Kraftstoff Wärme und Strom Wärme 4 Biogasanlage Bio-Erdgas- Aufbereitungsanlage Erdgasnetz BHKW Erdgas- Brennwerttherme oder -kessel BHKW Einspeiseanlage Biogas Biogas Bio-Erdgas Als Quellen der Biogaserzeugung dienen unter anderem Energiepflanzen wie Mais oder Getreidepflanzen, Reststoffe aus der Landwirtschaft (Gülle, Mist) und Bioabfälle aus Privathaushalten oder Gewerbebetrieben. Biogas entsteht bei der Vergärung dieser organischen Substanzen unter Ausschluss von Sauerstoff und Licht in eigens dafür gebauten Anlagen. Zersetzt werden die Rohstoffe in Beton- oder Stahlbottichen, sogenannten Fermentern. Das entstandene Biogas wird direkt in Blockheizkraftwerken (BHKW) zur Verstromung genutzt oder aufbereitet. Bei der Aufbereitung zu Bio-Erdgas wird Biogas getrocknet und entschwefelt, außerdem wird das enthaltene CO abgeschieden. Nach der Einspeisung ins Gasnetz ist Bio- Erdgas überall dort verfügbar, wo auch normales Erdgas eingesetzt wird. Aus Biogas oder Bio-Erdgas erzeugter Strom wird nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz gefördert. 4 Bei der Anwendung ist Bio-Erdgas genauso effizient wie normales Erdgas. Dabei ist es nahezu klima neutral, da bei der Verbrennung nur so viel CO freigesetzt wird, wie die bei der Erzeugung verwendeten Rohstoffe zuvor aus der Luft aufgenommen haben. Stand: Februar 05

14 Zahlen und Fakten zu Biogas und Bio-Erdgas In Deutschland dienen insgesamt 46,8 % der Fläche der Landwirtschaft. 7,6 % davon, also,6 % der Gesamtfläche, werden für den Anbau von Energiepflanzen zur Erzeugung von Biogas und Bio-Erdgas genutzt., % Siedlungs-, Verkehrsund Wasserfläche, % Waldfläche Quelle: Statistisches Bundesamt 46,8 % landwirtschaftliche Nutzfläche,6 % Energiepflanzen für Biogas / Bio-Erdgas-Erzeugung Maispflanzen sind das bedeutendste Substrat bei der Biogas- und Bio-Erdgas-Erzeugung. Allerdings ist ihr Anteil in den letzten Jahren von 6, % (0) auf 58,8 % (Juli 04) gesunken. Die Anteile biogener Reststoffe und Abfälle sowie anderer Energiepflanzen wie zum Beispiel der Durchwachsenen Silphie oder Blühpflanzen nehmen zu. Derzeit sind in Deutschland etwa 65 an das Erdgasnetz angeschlossene Bio-Erdgas-Anlagen in Betrieb. Dort werden jährlich ca. 9 Terawattstunden Bio-Erdgas produziert. Dies entspricht ca. % des gesamten Erdgasverbrauchs in Deutschland. Werden auf der Fläche eines Fußballfeldes (ca m²) Energiepflanzen für die Bio-Erdgas-Erzeugung angepflanzt, so reicht der Energieertrag ein Jahr lang für die Versorgung von vier Haushalten mit Strom, von zwei Haushalten mit Wärme oder von fünf Erdgasfahrzeugen mit Kraftstoff. Kraftstoff für 5 Fahrzeuge Energieertrag eines Fußballfeldes: Jahr Strom für 4 Haushalte Wärme für Haushalte Einsatzmöglichkeiten Biogas wird vor allem für die dezentrale Energieversorgung vor Ort eingesetzt: Mit der in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen erzeugten Wärme werden zum Beispiel die landwirtschaftlichen Betriebsgebäude versorgt. Aufbereitetes Bio-Erdgas hat nahezu dieselben chemischen Eigenschaften wie konventionelles Erdgas. Dementsprechend kann es überall dort verwendet werden, wo auch normales Erdgas zum Einsatz kommt. Bio-Erdgas kann in Erdgasheizungen verwendet werden, als Kraftstoff in einem Erdgasfahrzeug oder als Grundstoff für die chemische Industrie. Besonders effizient kann Bio-Erdgas bei der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme in Kraft-Wärme- Kopplungs-Anlagen eingesetzt werden. Viele Energieversorger in Deutschland bieten ihren Kunden spezielle Produkte mit einem beigemischten Bio-Erdgas-Anteil an. Es besteht oft auch die Möglichkeit, zu 00 Prozent Bio-Erdgas zu beziehen. Die Tank-oder-Teller-Frage Gelegentlich wird eine Konkurrenz zwischen dem Anbau von Energiepflanzen und dem Anbau von Nahrungspflanzen behauptet. Energiepflanzen für die Biogaserzeugung werden aber nur auf 7,6 % der gesamten landwirtschaftlich genutzten Fläche in Deutschland angepflanzt. In Deutschland wird auf,6 Millionen Hektar Mais angebaut. Zwei Drittel davon dienen der Produktion von Futtermitteln für die Viehhaltung. Ein Zusammenhang der Biogaserzeugung mit Nahrungsmittelkrisen oder Hungerkatastrophen in Entwicklungsländern ist nicht erkennbar. Die Ursachen für solche Krisen sind vielfältig und liegen häufig in politischer Instabilität oder kriegerischen Auseinandersetzungen. Insgesamt handelt es sich nicht um ein Problem der Erzeugung von Nahrungsmitteln, sondern um ein Problem ihrer Verteilung.

15 Power-to-Gas: Stromüberschüsse im Erdgasnetz speichern und transportieren Regenerativer Strom aus Wind oder Sonne kann derzeit noch nicht bedarfsgerecht produziert und saisonal gespeichert werden. Mittels Elektrolyse lässt sich dieser Strom in Wasserstoff und optional in einem weiteren Schritt in Methan umwandeln. Dadurch wird er regel- und speicherbar. Funktionsprinzip Power-to-Gas-Anlage Elektrolyse Methanisierung H O O H CO 4 H CH 4 H O Industrie / Biogasanlagen Verdichter H CO CH 4 Erdgasnetz direkte (industrielle) Verwendung H H Überschüssiger Strom wird von der Power-to-Gas-Anlage aufgenommen. Die Umwandlung von Strom in synthetisches Erdgas (SNG) erfolgt in zwei Schritten: Elektrolyse und Methanisierung. Bei der Elektrolyse wird Wasser (HO) mit Hilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) gespalten. 4 Bei der Methanisierung werden deshalb in einem weiteren Verfahrensschritt aus dem Kohlendioxid (CO) und Wasserstoff (H) das mit Erdgas nahezu identische Methan (CH 4 ) und Wasser (HO) erzeugt. 5 Das eingesetzte CO stammt zum Beispiel aus erneuerbaren CO-Quellen (wie einer Biogasanlage) oder aus Industrieprozessen. Der Wasserstoff kann direkt genutzt oder in die Erdgasinfrastruktur eingespeist werden. Der maximal zulässige Volumenanteil im Erdgasnetz ist allerdings aus technischen Gründen begrenzt. Reiner Wasserstoff ist auch nicht mit allen Erdgasanwendungen kompatibel. 6 Das entstandene SNG wird in die Erdgasinfrastruktur eingespeist. Stand: Februar 05

16 Zahlen und Fakten Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne erfolgt nicht konstant, sondern unterliegt natürlichen Schwankungen. Mit dem zunehmenden Ausbau der Erneuerbaren Energien steigt die Notwendigkeit, die Differenzen zwischen Angebot und Nachfrage zu kompensieren. Power-to-Gas stellt dafür in Zukunft eine Option dar. Für den kurzfristigen Ausgleich zwischen Stromerzeugung und -verbrauch stehen heutzutage Pumpspeicherkraftwerke oder Batteriespeicher zur Verfügung. Fällt über mehrere Tage hinweg mehr Strom aus erneuerbaren Quellen an, als im selben Zeitraum verbraucht wird, kann der Strom über das Power-to- Gas-Verfahren saisonal gespeichert werden. In windreichen Zeiten erzeugter Strom kann also in windärmeren Zeiten verbraucht werden. Die derzeit 5 deutschen Erdgasspeicher haben eine Speicherkapazität von insgesamt 4 Milliarden Kilowattstunden eine Energiemenge, mit der umgerechnet etwa 4 Milliarden Waschmaschinenladungen gewaschen werden könnten. Mit der in diesem Erdgas gespeicherten Energiemenge ließe sich bei einer Verstromung in Gaskraftwerken die Stromversorgung in Deutschland über zwei Monate lang sicherstellen. Elektrolyse und Methanisierung erreichen zusammen einen Wirkungsgrad von ca. 60 Prozent. Der Energiegehalt des erzeugten Gases entspricht also 60 Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie. So kann in Zukunft in Zeiten von großen Stromüberschüssen das Abregeln von regenerativen Erzeugungsanlagen vermieden werden. Das erste Power-to-Gas-Pilotprojekt ging in Deutschland 0 in Betrieb. Mit einer Produktion von SNG in signifikanten Mengen wird ab 00 gerechnet. Derzeit sind in Deutschland 4 Pilot- und Demonstrationsanlagen in Betrieb. Einsatzmöglichkeiten Das durch Power-to-Gas erzeugte SNG hat nahezu dieselben chemischen Eigenschaften wie Erdgas. Demzufolge kann es überall dort eingesetzt werden, wo auch normales Erdgas genutzt wird: in Heizungen, zur Stromerzeugung oder als Kraftstoff in Erdgasfahrzeugen. Elektrolyse H Schwankende Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien Methanisierung Alternativ kann der erzeugte Wasserstoff direkt genutzt oder bis zu einem gewissen Volumenanteil dem Erdgas beigemischt und entsprechend eingesetzt werden. H H Erdgasnetz CH 4 Gasspeicher Perspektivisch können so Stromüberschüsse aus erneuerbaren Quellen gespeichert und in andere Sektoren übertragen werden, zum Beispiel als Kraftstoff für den Mobilitätssektor oder für Industrieprozesse. Industrielle Nutzung / Mobilität / Stromerzeugung / Wärmeversorgung