Die Revolution ist eine Evolution

In den letzten zehn Jahren hat sich Öl jedes Jahr um durchschnittlich fast 12 Prozent verteuert, Gas um knapp 5 Prozent. Angesichts dieser nachhaltigen – und langfristig zunehmenden – Verteuerung stellt sich die Frage, mit welchen Systemen bereits heute und in naher Zukunft Wohngebäude mit Wärme preiswerter und besser versorgt werden können.

So viel ist klar: In den nächsten 20 Jahren werden wir bei der Wärmeerzeugung nicht ohne die fossilen Energieträger auskommen. Auch werden Null-Energie-Wohnhäuser nicht den Standard definieren. Zwar wird im Neubau das Passivhaus Standard, der Baubestand jedoch wird diese Vorgaben nach wie vor bei weitem nicht erfüllen. Fossile Energieträger werden weiterhin einen wesentlichen Teil des Energiebedarfs decken – wohlgemerkt des Energie- und nicht des Heizwärmebedarfs. Denn in der Zukunft wird die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme zum Alltag gehören. Elektrizität wird dadurch erheblich effizienter produziert als derzeit in den modernsten Großkraftwerken.

Doch zurück in die Gegenwart. Zurzeit werden noch mehr als zwei Drittel der Gebäude in Deutschland mit Gas (49,2 %) und Öl (29 %) beheizt, die Brennwerttechnik ist Stand der Technik. Brennwertgeräte können durch Kondensation von Wasserdampf die Verdampfungs- und Abgaswärme weitgehend nutzen. Deshalb haben sie einen höheren Wirkungsgrad und arbeiten deutlich energiesparender als Wärmeerzeuger ohne Brennwertnutzung. Allerdings ist die Brennwerttechnik und mit ihr die herkömmliche dezentrale Produktion von Wärme technisch ausgereizt. Die rein physikalischen Grenzen im Einsatz der fossilen Rohstoffe sind nahezu erreicht. Deshalb geht der Trend zu Hybridheizungen, die aus verschiedenen Systemen bestehen und zur Kraft-Wärme-Kopplung.

Mini-Blockheizkraftwerke (BHKW)

Blockheizkraftwerke gab es bis vor wenigen Jahren nur als riesige Motorenanlagen, die ganze Häuserblocks, Hotels, Einkaufszentren oder Krankenhäuser mit Strom und Wärme versorgen. Inzwischen sind die Anlagen immer kleiner, leiser, kompakter geworden und haben sich bei Mehrfamilienhäusern und Wohnanlagen zu einer ernsthaften Alternative zur konventionellen Heiztechnik entwickelt. Selbst in Einfamilienhäusern erzeugen Mikro-BHKW hocheffizient Strom und Wärme.

Der große Vorteil von BHKW liegt darin, dass die eingesetzte Energie doppelt genutzt wird. Nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung treibt ein Verbrennungsmotor einen Generator zur Stromerzeugung an. Die dabei entstehende Abwärme wird zum Heizen und zum Erzeugen von Warmwasser genutzt. Damit erreichen BHKWs mit 90 Prozent einen deutlich höheren Gesamtwirkungsgrad als die getrennte Erzeugung von Strom im Kraftwerk und Wärme mit dem Heizgerät. Diese Kombination kommt insgesamt nur auf etwa 60 Prozent. BHKW sind bereits heute technisch ausgereift und etabliert. Zurzeit drängen sie verstärkt auch im Wohnungsbereich auf den Markt, das Marktpotenzial ist groß.

Zeolith-Gas-Wärmepumpe

Um die Energie aus fossilen Energieträgern noch effizienter nutzen zu können, haben die großen Hersteller die Zeolith-Technik entwickelt. Die Zeolith-Wärmepumpe für Öl oder Gas verbindet die Brennwerttechnik mit einer Wärmepumpe. Im Vergleich zu aktuellen Gas-Brennwertgeräten sinkt der Brennstoffverbrauch um 20 Prozent. 2009 starteten die Hersteller Vaillant, Viessmann, Bosch Thermotechnik (Buderus) und Robur den Praxis-Feldtest, seit 2010 sind die ersten Zeolith-Geräte am Markt erhältlich.

Die Zeolith-Gas-Wärmepumpe erzeugt Wärmeenergie aus Erdgas und Umweltwärme. Zeolith ist ein poröser Keramikwerkstoff, der aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid besteht. Bei der Aufnahme von Wasser entwickelt das Zeolith Wärme, die im Heizprozess genutzt wird. Der Werkstoff bleibt thermisch stabil bis mindestens 600 Grad Celsius und zieht Wasser stark an, saugt es in sich auf und schließt es in seinen Poren ein. Bei diesem Vorgang, der Adsorption genannt wird, erhitzt das Material stark. So wird Adsorptionswärme frei, die zum Heizen genutzt werden kann, bis die Poren komplett mit Wasser gefüllt und der Zeolith gesättigt ist. Wird der Werkstoff danach durch eine Wärmequelle weiter erhitzt, gibt er das in den Poren eingeschlossene Wasser als Dampf wieder frei (Desorption). In einem Wärmetauscher wird dem Dampf Wärmeenergie entzogen und dem Heizkreislauf zugeführt. Dabei kondensiert der Dampf zu Wasser. Nach einer Abkühlungsphase kann der Kreislauf aus Adsorption und Desorption dann von vorn beginnen.

Da die Sorption keine chemische, sondern eine rein physikalische Reaktion ist, sind praktisch unendlich viele Zyklen der Durchfeuchtung und Trocknung möglich. Außerdem ist das Zeolith-Modul vollkommen wartungsfrei, weil es keine bewegten Teile hat. Diesen zurzeit noch relativ teuren Systemen wird sicherlich die Zukunft gehören. Es gibt sie in Leistungsklassen vom Einfamilienhaus bis zu 500 kW und damit auch für mittlere und große Wohngebäude.

Die Brennstoffzelle

Technisch ist die Brennstoffzellen-Heizung bereits ausgereift, sie arbeitet mit den höchsten Wirkungsgraden unter den Mikro-KWK-Geräten, die gleichzeitig Wärme und Strom erzeugen. Seit Jahren laufen intensive Feldtests und die Hersteller haben inzwischen die vierte Generation von Brennstoffzellengeräten entwickelt. Als nächste Stufe folgt der Markteinstieg.

In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff in einer kontrollierten Reaktion miteinander zu Wasser. Beide Gase sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt und tauschen nur über einen elektrischen Leiter Elektronen aus. Dieser Elektronenfluss macht die Brennstoffzelle zur Stromquelle. Genutzt wird jedoch auch die entstehende Wärme. Als Reaktionsprodukt entsteht reines Wasser, was die Brennstoffzelle so umweltfreundlich macht. Anders als beim BHKW, das durch einen Verbrennungsprozess betrieben wird, erzeugt eine Brennstoffzelle Energie auf der Basis einer chemischen Reaktion, die zudem quasi lautlos abläuft.

2020 könnte diese Technologie zum Alltag in Einfamilienhäusern gehören und Einzug in die Wohnungswirtschaft gehalten haben. Bislang wird als Energieträger Erdgas benötigt, das in einem chemischen Prozess zerlegt und nicht mehr verbrannt wird. Ab 2030 wird dann Wasserstoff als Energieträger eine Alternative zum Erdgas bieten können. Erzeugt werden Strom und Wärme – und das mit einer Effizienz, die auch die von heutigen BHKWs übertrifft. Im Abgas sind klassische Schadstoffe kaum noch nachweisbar und auch die CO2-Emissionen sind um rund ein Viertel geringer als bei den heute modernsten Gas-Brennwertgeräten. Durch den Einsatz von Wasserstoff wird die Effizienz der Brennstoffzelle noch einmal wesentlich erhöht. Spätestens dann wird die dezentrale Stromerzeugung auch ein wesentliches Standbein neben der Stromerzeugung in Großkraftwerken bilden.

Die Technologien der Zukunft sind also bereits entwickelt. In den kommenden Jahren wird wegen des Klimawandels und steigender Kosten für Gas und Öl der Druck wachsen, hoch effiziente Systeme der Energieerzeugung schneller als bisher zu etablieren. Dadurch werden Zukunftstechnologien wie die Brennstoffzelle einen weiteren Schub bekommen. Ganz nebenbei revolutionieren die nach dem KWK-Prinzip arbeitenden Heizungen dann auch die Stromproduktion. Die Evolution in der Heiztechnik hat uns schleichend an die Schwelle zu einer Revolution im Energiebereich geführt. Die Entwicklung weg von den Großkraftwerken und hin zu dezentralen Einheiten, die sich weitgehend selbst mit Energie versorgen, wird große Auswirkungen auf Wirtschaft, Gesellschaft und Landschaft haben.

Foto: Bosch Thermotechnik