Vorwort
Klimawandel und steigende Energiekosten fordern uns heraus: Veraltete, unwirtschaftliche Heizsysteme, welche die Umwelt und die Haushaltskasse über Gebühr belasten, sind heute kaum mehr vertretbar, zumal uns zahlreiche innovative Systeme zur Verfügung stehen, die unsere Häuser umweltfreundlich und effizient versorgen. In Deutschland produzieren wir derzeit pro Kopf rund 11 t CO2 pro Jahr, eine gewaltige Menge, die in unser aller Interesse deutlich reduziert werden sollte. Ein guter Ansatzpunkt hierfür steckt in vielen Bestandsgebäuden. Hier schlucken nach wie vor alte Öl- und Gaskessel unverhältnismäßig viel Brennstoff, da über ungedämmte Wände und offene Fugen ein großer Teil der wertvollen Wärmeenergie ungenutzt ins Freie gelangt. Auch sind selten die Heizleistung und die Regelungen den tatsächlichen Erfordernissen angepasst. Im Sinne des Klimaschutzes sollten wir uns so etwas nicht leisten. Das Ziel ist also, den Energiebedarf unserer Gebäude durch einen guten Wärmeschutz zu reduzieren und den noch erforderlichen Energiebedarf durch hocheffiziente und an den Nutzer angepasste Heizsysteme wie Öl- und Gasanlagen mit Brennwerttechnik sowie durch die Nutzung erneuerbarer Energien wie zum Beispiel Sonnen- oder Erdwärme abzudecken. Dieser Ratgeber gibt Ihnen vielfältige Informationen zum Thema „Heizung“ und beleuchtet dabei den einen oder anderen Aspekt neu. Sie werden beim Lesen schnell feststellen: Die perfekte Allroundheizung gibt es nicht. Vielmehr ist die Wahl einer geeigneten Heizanlage immer in Abhängigkeit vom jeweiligen Gebäude, der
baulichen Situation und des Nutzers zu treffen. Eine wichtige Größe ist dabei beispielsweise die Qualität des vorhandenen Wärmeschutzes, der sich entscheidend auf die Leistungsauslegung der Heizanlage auswirkt. Darüber hinaus sind eine richtige Dimensionierung der Heizung sowie ein hydraulischer Abgleich essenziell, denn andernfalls wird trotz moderner Heizsysteme durch eine falsch ausgelegte Gebäudetechnik Energie verschwendet.
„Scheitikum“ von Brunner versorgt das gesamte Haus mit Wärme. Foto: Brunner
Wer heute eine neue Heizanlage installieren will, hat angesichts der zahlreichen auf dem Markt befindlichen Technologien jede Menge Auswahlmöglichkeiten. Da gibt es Systeme, mit denen sich Umweltenergie und Abwärme ins Wärmekonzept einbinden lassen, oder effiziente Öl- und Gasheizungen, die mit hohen Wirkungsgraden ihren Beitrag zu einer optimalen Ausnutzung der eingesetzten Energieträger leisten. Zukunftsträchtig sind auch Systeme, mit denen sich nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzip Wärme und Strom dezentral erzeugen lassen. Ebenfalls immer leistungsstärker präsentieren sich Anlagen, die mit Sonnenenergie arbeiten, sowie diverse Heizsysteme, die mit Biobrennstoffen betrieben werden. Hier haben Sie als Verbraucher die Qual der Wahl. Dieser Ratgeber soll Sie bei der Entscheidungsfindung unterstützen. 3
Wissenswertes zuvor 7
Energie und Energienutzung Kosten und Kohlendioxid Strategien für den Klimaschutz
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Fossile Energieträger Erdöl Erdgas Stadt- und Flüssiggas Kohle
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Erneuerbare Energieträger Biomasse Photovoltaik Solarthermie Geothermie
10 Zukunftsweisende Heizsysteme Gute Dämmung, kleine Heizung Bestandsgebäude 11 Die Energieeinsparverordnung Die Bilanzierung Anforderungen der EnEV Nachrüstverpflichtungen 12 Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz Anerkannte erneuerbare Energien
Heizen mit Holz 15 Alter Brennstoff – moderne Technik Verbrennung von Holz 16 Holzbrennstoffe 17 Pelletkessel Pelletheizungen mit Brennwerttechnik Befeuerung Pelletqualität 18 Scheitholzkessel 18 Hackschnitzelheizungen
26 Brennwertkessel Abluftführung Öl oder Gas? Brennwerttechnik bei Hybridheizungen Wirkungsgrade 28 Kosten und Wirtschaftlichkeit
Solarenergie 31 Sonnige Aussichten 31 Solarthermie Optimale Voraussetzungen Gute Bilanzen 32 Kollektorarten Flachkollektoren Vakuumröhrenkollektoren Hybridkollektoren Fokussierende Kollektoren 33 Dimensionierungen Reine Warmwasserbereitung Heizungsunterstützung 34 Der Solarspeicher 35 Montagearten 35 Kombinationsmöglichkeiten Sonne und Biomasse Sonne und Wärmepumpe 36 Kosten und Wirtschaftlichkeit
Wärmepumpen 39 Umweltwärme nutzen Umweltfreundliche Technik Arbeitszahl Voraussetzungen 40 Funktionsprinzip der Wärmepumpe Absorptionswärmepumpe 41 Wärmequelle Luft
18 Fazit Holzkessel 19 Holzöfen 20 Kosten und Förderungen
Brennwerttechnik 23 Mehr Energie mit Brennwert Energie aus Abgasen Die Brennstoffe Öl und Gas 24 Heizkessel Das Heizwasser im Kreislauf
4
Luftheizung für Passivhäuser
42 42 43 43 44 44
45 45 46 46
Wärmequelle Erde Wärmequelle Grundwasser Solarspeicher als Quelle Wärmepumpen in Bestandsgebäuden Die Kennzahlen CO2-Einsparung Betriebsweisen Monovalenter Betrieb Bivalenter Betrieb Warmwassererzeugung Pufferspeicher Kühlen mit der Wärmepumpe Kosten und Wirtschaftlichkeit
Inhalt
Kraft-WärmeKopplung 49 Strom und Wärme Leistungsstarke Technik Komponenten KWK-Gesetz 50 Funktionsweise Abwärmenutzung Mehrmotorentechnik 51 Einsatzbereiche Mini- und Mikro-BHKWs BHKW im Einfamilienhaus Kein Motorenlärm Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung 53 Innovationen Stirlingmotor Mikrogasturbine Die Brennstoffzelle 54 Wirtschaftlichkeit
Wärmeverteilung 57 Enorme Verluste 57 Luftheizung Vortemperierung
Kontrollierte Lüftung 65 Komfort und Sicherheit Einsparpotenziale 66 Lebensmittel Luft Luftqualität 66 Lüftungssysteme für Alt- und Neubauten Abluftanlagen Zu- und Abluftanlagen 67 Zentrale Lüftungsanlagen Wärmerückgewinnung Komponenten Transportwege 68 Dezentrale Lüftungsanlagen Kosten und Wirtschaftlichkeit
Heizung in Energiesparhäusern 71 Gebäudestandards 71 Temperierung statt Heizung Verbrennung und mehr Keine Heizleitungen 72 Flächentemperierung 73 Luftheizung
58 Warmwasserheizungen Ein- und Zweirohrsysteme Die Regelung Die Rohrführung Einstellungssache Heizungspumpen
74 Nahwärmenetze
Speicherung
Planung und Förderung
61 Konventionelle Speicher
77 Solides Gesamtkonzept Gebäudeplanung Energieberatung Ermittlung der Heizlast Lebenszykluskosten Qualität Energieausweis
61 Puffer- und Kombispeicher 62 Solarspeicher 62 Latentwärmespeicher Latentspeicherarten 63 Und außerdem Thermochemische Speicher Wirtschaftlichkeit
74 Speicherung 74 Regelungstechnik Hydraulischer Abgleich 75 Die Heizung im Passivhaus
78 Fördermöglichkeiten Bundesprogramme der KfW Vor-Ort-Beratung Förderung erneuerbarer Energien Förderung von Kraft-Wärme-Kopplung Tipps zur Förderung 80 Hersteller- und Verbandsadressen
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Wissenswertes zuvor
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Wissenswertes zuvor
Das Mini-BHKW „Zuhausekraftwerk“ von LichtBlick versorgt Mehrfamilienhäuser mit Wärme. Foto: djd/LichtBlick AG
Klimaschutz und Nachhaltigkeit sind die Herausforderungen der Zukunft. Auch Privathaushalte können maßgeblich dazu beitragen, den Kohlendioxidausstoß und den Energieverbrauch zu minimieren. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Entscheidung für eine effiziente, umweltfreundliche Heiztechnik.
Energie und Energienutzung Wenn es heute ums Bauen und Wohnen geht, ist das Energiesparen ein zentrales Thema. Verständlich, denn schließlich wird knapp ein Drittel des gesamten Energieaufkommens in Deutschland für die Versorgung der privaten Haushalte aufgewendet. Innerhalb dieses Anteils schlägt die Heizung mit etwa 75 Prozent zu Buche, während für das Warmwasser und die Beleuchtung jeweils etwa 12,5 Prozent der Energie benötigt werden. Soweit der statistische Mittelwert. Dabei sind freilich, gerade was den Brennstoffverbrauch angeht, die Unterschiede zwischen verschiedenen Haushalten ganz enorm. Wie hoch der Energieverbrauch in Liter Heizöl, Kubikmeter Gas oder Tonnen Pellets konkret ist, hängt nämlich unter anderem vom Wärmeschutz der Außenbauteile ab. Je besser gedämmt die Gebäudehülle ist, desto geringer fallen unerwünschte Wärmeverluste nach außen aus. Eine wichtige Größe ist hier der sogenannte U-Wert, der Wärmedurchgangskoeffizient der Bauteile. Die U-Werte sollten grundsätzlich möglichst niedrig sein. Heutiger Stand für Außenwände sind etwa 0,2 W/m2K. Kosten und Kohlendioxid Schon aus finanzieller Sicht ist es lohnenswert, Energie einzusparen, denn die Energieerzeugung ist naturgemäß mit Kosten verbunden. Diese sind
häufig großen Schwankungen unterworfen, allerdings mit stark steigender Tendenz. Die größte Preissteigerung ist beim Heizöl zu verzeichnen: Hier kostete der Liter 2002 noch etwa 32 Cent, 2012 sind es um die 90 Cent pro Liter. In zehn Jahren ist der Preis also um fast das Dreifache angestiegen. Außer Kosten verursacht die Verbrennung von Energieträgern auch eine Klimabelastung. Diese wird vor allem durch Kohlendioxid (CO2) verursacht. Jeder Liter Heizöl (10 kWh) erzeugt 3,1 kg CO2. Bei einem Verbrauch von 2.000 l im Jahr sind das 6.200 kg, also 6,2 t CO2. Dieser CO2-Ausstoß findet aber nicht allein im Heizungsraum statt, sondern ein Teil, etwa 16 Prozent, entsteht bereits bei der Herstellung des Heizöls. Bei der Nutzung von elektrischem Strom werden zwar keine Emissionen vor Ort freigesetzt, dafür aber in den Kraftwerken. Strom aus dem deutschen Stromnetz ist mit 0,62 kg CO2 pro kWh belastet. Ein Vierpersonenhaushalt verbraucht durchschnittlich 4.900 kWh Strom pro Jahr und bewirkt damit einen Kohlendioxidausstoß von 3.038 kg. Zusammen mit den Emissionen aus der Heizung sind das über 9 t CO2 pro Jahr und Haushalt. Strategien für den Klimaschutz Zu den Emissionen aus Gebäuden gesellen sich die aus Industrie und Transport, insgesamt beträgt der CO2-Ausstoß in Deutschland etwa 11 t pro Person und Jahr. Weltweit steigen die anthropogenen (vom Menschen erzeugten) CO2Emissionen und damit die Auswirkungen auf den Klimawandel. Eine Erwärmung der Atmosphäre um 2 °C ist daher nicht mehr zu vermeiden, nun muss alles getan werden, um einen noch höheren Anstieg zu verhindern. Deutschland hat sich daher verpflichtet, bis zum Jahr 2020 40 Prozent CO2 gegenüber dem Stand von 1990 einzuspa7
Die Investition in einen neuen Brennwertkessel lohnt sich. Sie hat sich im Durchschnitt bereits nach sieben, in Kombination mit einer Solaranlage nach elf Jahren amortisiert. Grafik: co2online
ren. Bis 2050 sollen es 80 bis 95 Prozent sein. Zu erreichen ist das nur durch die drastische Einsparung fossiler Energieträger und die gleichzeitige Umstellung auf erneuerbare Energieträger.
Fossile Energieträger Der Begriff „fossil“ stammt vom lateinischen fossilis und bedeutet „(aus)gegraben“. Zu den fossilen Energieträgern zählen Erdöl, Erdgas und Kohle. Sie alle entstanden im Laufe von etwa 200 bis 500 Millionen Jahren aus Sonnenenergie und Biomasse, und auch wenn sie bislang in großen Mengen verfügbar waren, sind diese Ressourcen doch endlich. Wir sind nun gerade dabei, diesen über Jahrmillionen entstandenen Schatz in nur zwei Jahrhunderten aufzubrauchen. Mit zunehmender Knappheit dieser begrenzten Vorräte und aufgrund einer rasch wachsenden Nachfrage, insbesondere in China und Indien, steigt der Preis. Erdöl Heutiges Erdöl entstand vor etwa 200 Millionen Jahren durch das Absinken toter Meereslebewesen auf den Meeresgrund, die im Laufe der Jahrmillionen von Sand und Gesteinsschichten überlagert sowie einem hohen Druck und hohen Temperaturen ausgesetzt wurden. Dabei entstanden neue Kohlenstoffverbindungen, die durch Gesteinsschichten wieder nach oben wanderten, bis ihnen undurchdringliche Sperrschichten Einhalt geboten. Dort entstanden Erdöllagerstätten. In Raffinerien werden aus dem Rohöl Heizöl sowie zahlreiche Kraftstoffe, Bitumen und Grundstoffe 8
für die chemische Industrie hergestellt. Heizöl EL (extra leicht) hat einen Heizwert von etwa 10 kWh pro l. Erdgas Erdgasvorkommen entstehen ähnlich wie Erdölvorkommen. Häufig werden bei Erdöllagerstätten auch Erdgasvorkommen entdeckt. Diese benötigen für ihre Entstehung eine geringere Dichte als Erdöl. Es werden zwei Arten von Erdgas unterschieden: Erdgas E (früher H) mit einem höheren Heizwert von etwa 10,6 kWh pro m³ und Erdgas LL (früher L) mit einem niedrigeren Heizwert von etwa 8,8 kWh pro m3. Stadt- und Flüssiggas Stadtgas wird durch das Entgasen von Steinkohle unter Luftabschluss hergestellt. Es ist ein sehr leichtes Gas und durch seinen Kohlenmonoxidgehalt giftig. In Deutschland wird es daher nicht mehr hergestellt. Zu den Flüssiggasen zählen Propan und Butan. Sie fallen als Abfallprodukte in der Ölraffinerie an. Diese Gase sind schwerer als Luft und verflüssigen sich bereits unter geringem Druck. Flüssiggase werden in Tanks oder spezielle Flaschen abgefüllt und sind daher transportierbar. Die Verbrennung erfolgt ähnlich wie die Erdgasverbrennung, die CO2Emissionen sind aber etwas geringer. Der Heizwert liegt bei etwa 12,8 kWh pro m3. Kohle Man unterscheidet Braunkohle und Steinkohle. Braunkohle wird meist zu Briketts gepresst und für Einzelöfen oder Industriefeuerungen verwendet.
Wissenswertes zuvor
Der „KNX Klimasensor“ von Jung misst nicht nur die Temperatur, sondern auch die Feuchte und den CO2-Gehalt der Raumluft. Foto: Jung
Steinkohle ist sowohl für die Ofenheizung als auch für große Heizkesselanlagen geeignet. Diese Energieträger sind für Gebäudebeheizungen stark rückläufig. Der Heizwert von Braunkohlebriketts liegt bei 5,6 kWh pro kg, für Steinkohle beträgt er etwa 8,7 kWh pro kg.
Erneuerbare Energieträger Energieträger, deren Vorkommen sich regeneriert, die also zum Beispiel nachwachsen wie Holz, stehen bei nachhaltiger Nutzung nahezu unbegrenzt zur Verfügung. Man unterscheidet folgende Gruppen: t #JPNasse t 8JOEFOFSHJF t 4PMBSUIFSNJF (FPUIFSNJF t 1IPUPWPMUBJL t 8BTTFSLSBGU Der Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Endenergieverbrauch in Deutschland lag 2011 bei 12,5 Prozent, wovon die Biomasse mit 8,4 Prozent den größten Teil einnahm. Danach folgte die Windenergie mit 2 Prozent, die anderen Gruppen (Solarthermie, Geothermie, Photovoltaik und Wasserkraft) hatten einen Anteil von je 0,7 Prozent. Biomasse Man unterscheidet feste, flüssige und gasförmige Biomasse. Unter fester Biomasse sind Holz und andere Pflanzenfasern zu verstehen, flüssige Biomasse sind Pflanzenöle und Bioethanol, gasförmige Biomasse ist Biogas. Biomasse kann energietechnisch beispielsweise als Energiequelle genutzt werden. Sie bezeichnet Stoffgemische aus Pflanzen und Mikroorganismen sowie deren Umwandlungsprodukte.
Photovoltaik Der Name Photovoltaik (PV) setzt sich aus dem griechischen Begriff für Licht „photos“ und dem Namen eines Pioniers der Elektrotechnik, Alessandro Volta (1745–1827), zusammen. Damit ist gleich die Funktion der Technik umrissen: die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Die seit Langem in der Satelliten- und Raumfahrttechnik bewährte Technologie findet seit einiger Zeit im Bauwesen weite Verbreitung. Hauptgrund dafür ist die Umwandlung kostenloser Sonnenenergie in elektrischen Strom. Strom als Energieform ist besonders hochwertig, weil er sich in andere Energieformen wie Wärme, Bewegung etc. umwandeln lässt. Je nach dem Material der Solarzellen liegt ihr Wirkungsgrad zwischen 5 und knapp über 20 Prozent. Solarthermie Unter Solarthermie wird die Nutzung der Sonnenenergie für die Wärmeerzeugung verstanden. In den Sonnenkollektoren wird die Strahlungsenergie der Sonne auf eine Trägerflüssigkeit übertragen, die die Wärmeenergie an einen Wasserspeicher abgibt. Dort steht sie als Brauchwarmwasser oder zusätzlich als Heizwasser zur Verfügung. In der Regel werden solarthermische Anlagen so ausgelegt, dass sie etwa 40 bis 60 Prozent des Warmwasserbedarfs und etwa 10 bis 20 Prozent des Heizenergiebedarfs abdecken. Geothermie Geothermie bezeichnet die Nutzung der Erdwärme. Darunter ist zum einen die Wärme aus dem Erdinnern zu verstehen, wo es in Richtung Erdkern immer heißer wird (bis ca. 5.000 °C). Die Nutzung dieser Wärme wird als Tiefengeothermie bezeichnet. Sie bedarf großer Anlagen und dient der Versorgung ganzer Orte oder Regionen. Für 9
Anforderungen des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes Erneuerbare Energie
Nutzung der erneuerbaren Energie
Deckungsrate Wärmeund Kälteenergiebedarf Neubau
1. Solarenergie
Solarthermische Anlagen mit dem PrĂźfzeichen „Solar Keymark“
t /JDIUXPIOCBVUFO 1SP[FOU t &JO VOE ;XFJGBNJMJFOXPIOIÊVTFS 0,04 m2 pro m2 Gebäudenutzäche t .FISGBNJMJFOXPIOIÊVTFS 0,03 m2 pro m2 Gebäudenutzäche
2. Biogas
In Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder in entsprechenden Heizkesseln
Mindestens 30 Prozent
3. FlĂźssige Biomasse
Nachhaltig erzeugtes BioĂśl in Heizkesseln
Mindestens 50 Prozent
4. Feste Biomasse
EfďŹ ziente Heizungs- u. Warmwasseranlagen, Biomassekessel oder automatisch beschickte BiomasseĂśfen mit Wasser als Wärmeträger
Mindestens 50 Prozent
5. Geothermie u. EfďŹ ziente Wärmepumpen Umweltwärme
Mindestens 50 Prozent
6. Erneuerbare Kälte
Direkte Kälteerzeugung aus dem Anteil erneuerbarer Energie wie oben
Die Kälte muss der Raumkßhlung dienen, sie muss technisch nutzbar gemacht werden: t EJSFLU BVT EFS &SEF EFN (SVOE wasser, dem Oberächenwasser oder t JOEJSFLU BVT 8ÊSNF EJF BVT BOFS kannten erneuerbaren Energien stammt
individuelle Heizungsanlagen ist die sogenannte Oberächengeothermie geeignet. Hierbei wird die ganzjährig annähernd gleich bleibende Temperatur des Erdreichs oder des Grundwassers von etwa 8 bis 12 °C genutzt, um sie durch Wärmepumpen auf ein Temperaturniveau zu bringen, das fßr Heizzwecke nutzbar ist.
Zukunftsweisende Heizsysteme Je knapper und somit wertvoller Energieträger wie Ă–l oder Gas werden, desto wichtiger ist die Verwendung sparsamer Heizungstechniken. Bei solchen sind die Wärmeverluste von Kessel, Speicher, Abgas und Verteilung minimiert. Eine ErhĂśhung des Wirkungsgrads wird mit der Nutzung der Abgaswärme oder durch die gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung) erreicht. Interessant ist auch die Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaikanlage fĂźr Warmwasserbereitung, Heizung und KĂźhlung, denn hier erzeugt die Photovoltaikanlage den fĂźr den Betrieb der Wärmepumpe notwendigen Strom. Das System kommt so ganz ohne fossile Energieträger aus. Wichtig sind auĂ&#x;er10
Kälte indirekt durch Wärmezufuhr, Anteil wie Wärmeerzeugung aus Energieträger Kälte direkt durch Geothermie oder Umweltwärme – mindestens 50 Prozent
dem die Wärmeverteilung und -Ăźbergabe, bei der mĂśglichst niedrige Vorlauftemperaturen erforderlich sein sollten, damit sich Solarthermie und Wärmepumpen effizient nutzen lassen, sowie eine bedarfsgerechte Regelung. Gute Dämmung, kleine Heizung Um den Heizenergiebedarf eines Gebäudes von vornherein mĂśglichst gering zu halten, sind Baukonstruktion und Anlagentechnik aufeinander abzustimmen: Je besser die AuĂ&#x;enbauteile gegen Wärmeverluste gedämmt sind und je intensiver die Sonneneinstrahlung zur passiven Wärmegewinnung genutzt wird, desto weniger Wärme muss die Heizungsanlage nachliefern. Im Idealfall wird durch entsprechende MaĂ&#x;nahmen eine Heizung im herkĂśmmlichen Sinne gänzlich obsolet. Ein Beispiel dafĂźr sind die sogenannten Passivhäuser, die häuďŹ g nur mit vorgewärmter Luft „geheizt“ werden. Bestandsgebäude Der energetische Standard vieler Bestandsgebäude in Deutschland lässt derzeit noch zu wĂźnschen Ăźbrig. Allerdings sieht der Gesetzgeber vor, dass sich dies im Laufe der nächsten Jahre ändert. Der
Wissenswertes zuvor
Nach der energetischen Sanierung verbraucht dieses Einfamilienhaus in Buxheim rund 90 Prozent weniger Energie. Foto: dena
Sanierungsstandard für Hausbesitzer und -käufer steigt stetig an. Weil sich aber nicht jedes Gebäude wirtschaftlich zum Energiesparhaus „hochdämmen“ lässt oder Denkmalschutzgründe einer energetischen Sanierung im Weg stehen, muss es hier Alternativen geben. So könnten sich die Anforderungen an solche Gebäude vorwiegend auf eine CO2-neutrale Energieversorgung beschränken. Sinnvolle Maßnahmen sind in jedem Fall die Nutzung erneuerbarer Energien wie Biomasse, Umgebungswärme und Solarthermie.
Die Energieeinsparverordnung Seit im Jahr 2002 die erste Auflage der Energieeinsparverordnung (EnEV) in Kraft trat, werden die Anlagentechnik und der bauliche Wärmeschutz gemeinsam bilanziert. Zuvor gab es separate Verordnungen. Mit der EnEV wird eine EU-Gebäuderichtlinie in nationales Recht umgesetzt. Diese formuliert die internationalen Verpflichtungen zum Klimaschutz für den Gebäudebereich – insbesondere die Reduzierung der Treibhausgase um mindestens 20 Prozent gegenüber den Werten von 1990. Industrienationen wie Deutschland wollen diese sogar um 40 Prozent reduzieren. Mit der EnEV soll eine Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes sowie die Erhöhung der anlagentechnischen Effizienz unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit bewirkt werden. Die Verordnung regelt Anforderungen sowohl für neue Wohn- und Nichtwohngebäude als auch für bestehende Gebäude. Außerdem werden die Einbeziehung erneuerbarer Energien sowie Anlagen der Heizungs-, Kühl- und Raumlufttechnik behandelt. Abschließend regelt die EnEV sämtliche Anforderungen an Energieausweise und sieht Sanktionen bei Ordnungswidrigkeiten vor.
Die Bilanzierung Ein wesentliches Merkmal der EnEV ist die gesamtheitliche Energiebilanzierung aus den Wärmegewinnen und den -verlusten einschließlich der Anlagenverluste und der Hilfsenergien. Es wird also nicht nur der Wärmebedarf ermittelt, der benötigt wird, um im Innenraum ein behagliches Klima zu erreichen, sondern der gesamte Energiebedarf für Heizung, Warmwasser und Antriebsstrom, der „Endenergiebedarf“. Da die Energieträger große Unterschiede in der „grauen Energie“ aus Gewinnung, Transport und Verarbeitung aufweisen, müssen sie unterschiedlich bewertet werden. Dies erfolgt durch den „Primärenergiefaktor“, der für Holz beispielsweise 0,2 und für Heizöl 1,1 beträgt, Netzstrom wird sogar mit 2,6 bewertet. Um den Primärenergiebedarf zu ermitteln, wird der Endenergiebedarf mit diesem Faktor multipliziert. Dieser errechnete Primärenergiebedarf wird mit dem maximal zulässigen Primärenergiebedarf verglichen. Anforderungen der EnEV Die Hauptanforderungsgröße für Neubauten ist der Jahresprimärenergiebedarf. Dieser wird mit einem Referenzgebäude gleicher Geometrie, Ausrichtung und Nutzfläche sowie vorgegebener technischer Eigenschaften verglichen und darf dessen Werte nicht überschreiten. Zusätzlich einzuhalten ist ein vom Gebäudetyp abhängiger Grenzwert für den Wärmeverlust über die Bauteile. Die EnEV stellt auch Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz und ermöglicht die Berücksichtigung solarer Wärmegewinne. Bei Bestandsgebäuden können entweder einzelne Bauteile betrachtet werden, für die maximale U-Werte vorgegeben sind, oder es ist eine 11
Bei Ölheizungen, die 20 Jahre und älter sind, ist ein Austausch aufgrund ihrer geringen Effizienz empfehlenswert. Grafik: IWO
Gesamtbilanz wie beim Neubau zu erstellen. Das Anforderungsniveau liegt um 40 Prozent niedriger als das von Neubauten. Nachrüstverpflichtungen Für Bestandsgebäude greifen die EnEV-Anforderungen nur im Falle einer Sanierung des jeweiligen Bauteils oder der Heizungsanlage. Eine Ausnahme stellen die sogenannten unbedingten Anforderungen dar, die auf jeden Fall eingehalten werden müssen. Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, die vor dem 1. Oktober 1978 – bzw. vor dem 1. Januar 1985 (dieses neue Datum gilt, sobald die neue EnEV 2014 in Kraft getreten ist) – eingebaut worden sind, dürfen nicht mehr betrieben werden, sofern es sich um Konstanttemperaturkessel handelt. Für Niedertemperatur- oder Brennwertkessel gilt diese Verpflichtung nicht. Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sowie Armaturen, die sich in unbeheizten Räumen befinden und bisher nicht gedämmt waren, sind mit einem Wärmeschutz zu versehen.
Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz Im Jahr 2007 fasste der Europäische Rat den Beschluss, dass alle Mitgliedstaaten der EU den Kohlendioxidemissionen pro Kopf und Jahr im Vergleich
12
Deutschland
ca. 11 t
Italien
ca. 9 t
Japan
ca. 12 t
Russland
ca. 16 t
USA
ca. 25 t
Anteil an erneuerbaren Energien am Primärenergiebedarf bis zum Jahr 2020 auf 20 Prozent steigern sollten. Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) bildet die Grundlage für die Umsetzung dieser Vorgabe im Bauwesen, es trat am 01.01.2009 in Kraft. Seitdem ist für Neubauten der Einsatz erneuerbarer Energien nachzuweisen. Die prozentualen Anteile sowie Ersatzmaßnahmen und Kombinationsmöglichkeiten sind im Gesetz geregelt. Der Eigentümer muss den Nachweis spätestens drei Monate nach Fertigstellung und Inbetriebnahme der Heizungsanlage der landesrechtlich zuständigen Baubehörde vorlegen. Anerkannte erneuerbare Energien Zulässig im Sinne des Erneuerbare-EnergienWärmegesetzes sind folgende Technologien, die mit erneuerbaren Energien arbeiten: Solarthermie-, Biomasse-, Biogas- sowie Geothermieanlagen (Details siehe Tabelle auf Seite 10 oben). Ein vorgeschriebener Mindestdeckungsanteil ist nachzuweisen. Wird der Anteil nicht erreicht, sind auch Kombinationen möglich. Eigentümer und Bauherren können ihre Nutzungspflicht nach dem EEWärmeG auch erfüllen, indem sie anerkannte Ersatzmaßnahmen durchführen. Auch diese sind in der gleichen Frist der zuständigen Baubehörde nachzuweisen. Als Ersatzmaßnahme gelten die Abwärmenutzung, der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) sowie Nah- oder Fernwärmenetze aus erneuerbaren Energien, Abwärme oder KWK. Die Deckungsanteile liegen in der Regel bei 50 Prozent. Als Ersatzmaßnahme dient auch die Unterschreitung der EnEV-Anforderungen um 15 Prozent. Den Nachweis zum EEWärmeG führt der Energieberater.
Fotos: Baumeister-Haus, Gussek Haus und Auro (von links nach rechts)
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W채rmeverteilung
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Wärmeverteilung
Moderne Heiztechniken produzieren Wärme mit vergleichsweise geringem Energieeinsatz. Damit ein Heizsystem allerdings in seiner Gesamtheit als effizient gelten kann, muss auch die Wärmeverteilung gut funktionieren. Es gilt also, einen möglichst verlustarmen Transport von der Wärmequelle in die zu beheizenden Wohnräume zu gewährleisten.
Enorme Verluste Für eine effiziente Wärmeverteilung sind zwei Faktoren entscheidend: Zum einen sollten die Verluste durch den Wärmetransport im Rohrleitungssystem möglichst gering gehalten werden – in Bestandsgebäuden können die Wärmeverteilungsverluste 10 bis 30 Prozent des Energiebedarfs ausmachen. Zum anderen sollte sich die nötige Antriebsenergie für Pumpen oder Ventilatoren in Grenzen halten. Damit die Wärme da ankommt, wo sie benötigt wird, sind die Leitungen dorthin gut zu dämmen. Überschlägig soll die Dämmstoffdicke mindestens dem Rohrdurchmesser entsprechen.
Luftmengen als auch große Leitungsquerschnitte und relativ viel Transportenergie benötigt. Bislang war daher Wasser als Transportmedium unter wirtschaftlichen und energetischen Gesichtspunkten meist sinnvoller.
Luftheizung In Gebäuden mit einem sehr geringen Wärmebedarf (etwa in Passivhäusern) ist das nicht mehr unbedingt der Fall. Die Voraussetzung für den effizienten Betrieb einer Luftheizung ist, wie erwähnt, dass das Gebäude über eine kontrollierte Wohnungslüftung mit einer Zu- und Abluftanlage verfügt. Hier kann die Zuluft auf das erforderliche Temperaturniveau erwärmt werden und so den Heizwärmebedarf decken. Wenn die Zuluft über Solarstrom oder eine Wärmepumpe erwärmt wird, ist der Primärenergieeinsatz zur Beheizung minimal. Das Zehnder-Lüftungsgerät „ComfoAir 180“ verhindert trockene Raumluft: Neben der Wärmerückgewinnung überträgt es auch Feuchte von der Ab- auf die Zuluft. Foto: Zehnder
Wärmeenergie wird in den meisten Heizungssystemen durch Wasser transportiert. Die Flüssigkeit eignet sich sehr gut dafür, da sie eine große Wärmespeicherkapazität besitzt, die etwa viermal so hoch ist wie die von Luft. Für Gebäude mit einer sehr niedrigen Heizlast von etwa 10 bis 15 W/m2 können aber auch Luftheizungen sinnvoll sein, insbesondere wenn durch die zentrale Lüftungsanlage ein Luftverteilernetz sowieso vorhanden ist. Für luftbasierte Verteilsysteme werden aufgrund der geringeren Wärmeträgerkapazität des Gasgemischs sowohl große 57
Mit Dämmmaterialien wie der „Thermaflex“-Schaumstoffisolierung lassen sich Rohrwinkel und Übergänge einfach abdichten und so Energie sparen. Foto: Thermaflex/txn
Vortemperierung Die Zuluft kann auch durch einen solaren Luftkollektor geführt und so durch die Sonneneinstrahlung vorgewärmt werden. Zum weiteren Aufheizen ist dann nur noch ein geringer Energieeinsatz erforderlich. Die Funktionsweise ist relativ simpel: Die Luft durchströmt einen Kollektor, der im Wesentlichen aus einer Glasplatte und einer Absorberfläche besteht, die die Wärme aus der Sonneneinstrahlung aufnimmt. Eine Vortemperierung durch das Verlegen der Leitungen ins Erdreich ist ebenfalls möglich. Hierbei erfolgt im Sommer eine Abkühlung der Zuluft, was für die Innenräume angenehm ist. Es kann jedoch zu Kondensatausfall im Rohrleitungssystem kommen.
nur aufgrund des Dichteunterschieds von kaltem und warmem Wasser erfolgte. Heute sind nahezu ausschließlich Pumpenwarmwasserheizungen im Einsatz, die besser zu regeln sind und kleinere Rohrdurchmesser benötigen. Ein- und Zweirohrsysteme Gegenüber dem veralteten Einrohrsystem hat sich heute ein Zweirohrsystem durchgesetzt, bei dem jeder Heizkörper getrennt an eine Vorlaufund eine Rücklaufleitung angeschlossen ist und dadurch annähernd die gleiche Vorlauftemperatur erhält. Wesentliche Vorteile des Zweirohrsystems sind eine geringere Pumpenleistung, eine gute Regelbarkeit und niedrigere Rücklauftemperaturen (wichtig für die Brennwertnutzung).
Warmwasserheizungen Die frühen Warmwasserheizungen waren Schwerkraftsysteme, bei denen der Heizwasserumlauf Ideal für die Nachrüstung: Die Flächenheizung „xnet C15“ von Kermi mit 14 mm Aufbauhöhe. Foto: Kermi
Die Regelung Die Regelung der Heizleistung erfolgt bei Warmwasserheizungen zentral durch die Änderung der Vorlauftemperatur und dezentral durch Massenstromdrosselung an den Thermostatventilen. Die zentrale Regelung erfolgt durch das Einstellen der Heizkurve. Dabei wird die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur vorgegeben. Die Rohrführung Um Wärmeverluste zu vermeiden, sind Rohrleitungen zu dämmen. Die Anforderungen hierzu sind in der aktuellen EnEV 2009 in der Anlage 5 beschrieben (Details siehe Tabelle auf S. 59). Bei der Rohrführung unterscheidet man zwischen der horizontalen und der vertikalen Verteilung. Bei horizontalen Verteilungen erfolgt die Anbindung an die Heizkörper ring- oder sternförmig. Ringleitungen entlang der Außenwände bieten den Vorteil,
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Wärmeverteilung
Heizungspumpen t Elektronische Pumpen der Effizienzklasse A passen sich vollautomatisch dem aktuellen Bedarf an. Sie stellen selbsttätig die optimale Drehzahl ein. t Dezentrale Hocheffizienzpumpen sind anstelle von Thermostatventilen direkt an den Heizkörpern im Rücklauf eingebaut. Sie starten nur bei konkreter Wärmeanforderung und nur für den jeweiligen Raum.
dass hiermit eine Sockelheizung ausgebildet werden kann, die für eine Erwärmung der Wandflächen sorgt. Eine horizontale Verteilung mit sternförmiger Anbindung der Heizkörper ist fast ausschließlich in Neubauten möglich, da die Verlegung der Heizungsleitungen im Fußbodenaufbau erfolgen muss. Bei der vertikalen Anbindung der übereinanderliegenden Heizkörper ist auf eine besonders gute Wärmedämmung der Leitungen in kalten Bereichen zu achten. Einstellungssache Bei der Installation des Wärmeverteilsystems sollten möglichst druckverlustarme Armaturen und Einbauteile verwendet werden. Und auch eine regelmäßige Wartung des Verteilernetzes ist vonnöten. Für eine einwandfreie Funktion des Heizsystems ist ein „hydraulischer Abgleich“ vom Fachmann erforderlich. Dabei wird der optimale Heizwasserdurchfluss für jeden Heizkörper rechnerisch
ermittelt und entsprechend eingestellt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Erwärmung aller Heizkörper erreicht und damit etwa 10 Prozent Energie eingespart.
Wer seine Thermostatventile richtig bedient, kann einiges an Energie und Kosten einsparen. Grafik: co2online
Heizungspumpen Auf den Betrieb von Heizungspumpen entfallen in Bestandsgebäuden etwa 10 Prozent des gesamten Stromaufkommens. Häufig sind die Pumpen überdimensioniert und die Technik veraltet. Laut EnEV müssen neue Heizungspumpen in Heizkreisen mit mehr als 25 kW Nennwärmeleistung selbsttätig regelbar sein, also eine elektronische Drehzahlregelung besitzen. Sinnvoll sind drehzahlgeregelte Pumpen aber auch bei kleineren Nennwärmeleistungen. Noch wichtiger ist jedoch eine in ihrer Leistung richtig dimensionierte Pumpe. Moderne Umwälzpumpen für Einfamilienhäuser benötigen geringe Leistungsaufnahmen von nur etwa 15 W.
Vorgeschriebene Dämmstoffdicken für Heizleitungen Art der Leitung
1 2 3 4 5
Innendurchmesser bis 22 mm Innendurchmesser über 22 mm bis 35 mm Innendurchmesser über 35 mm bis 100 mm Innendurchmesser über 100 mm Leitungen nach Zeile 1–4, die in Kreuzungsbereichen oder Durchbrüchen verlegt sind, sowie im Bereich von Verteilern und Verbindungen
6
Kälte- und Kaltwasserleitungen sowie Armaturen von raumlufttechnischen Anlagen
Mindestdicke der Dämmschicht bei einer Wärmeleitfähigkeit der Dämmung von 0,035 W/mK 20 mm 30 mm wie Innendurchmesser 100 mm Die Hälfte der Anforderungen von Zeile 1–4
6 mm
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Die Speicherung
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Speicherung
Ein wichtiger Aspekt bei der Nutzung erneuerbarer Energien ist die Wärmespeicherung. Besondere Bedeutung kommt der Wärmebevorratung dann zu, wenn die Wärme nicht dauerhaft in gleichem Maße verfügbar ist, wie es beispielsweise bei der Nutzung der Sonnenenergie der Fall ist.
Konventionelle Speicher Die Wärmespeicherung erfolgt bislang vorwiegend durch die Übertragung von Wärmeenergie auf Wasser, das eine vergleichsweise große Wärmekapazität besitzt. Das Problem hierbei: Die Wärmeenergie lässt sich nicht dauerhaft speichern. Bei den konventionellen Warmwasserspeichern unterscheidet man Speicher für Kessel und Thermen sowie dezentrale Warmwasserspeicher. Bei Ersteren handelt es sich in der Regel um stehende Speicher mit Volumen zwischen 90 und 400 l. Solche Speicher können neben dem Heizkessel stehen oder in diesen integriert sein. Beheizt wird der Speicher indirekt durch den Heizkessel. Für wandhängende Kessel, also Thermen, betragen die Speicherinhalte 60 bis 120 l. Dezentrale Speicher hingegen werden jeweils an den Entnahmestellen platziert und direkt (meist elektrisch) beheizt. Ein Warmwasserleitungssystem entfällt. Die Speichergrößen reichen von 5 bis 500 l.
Um aber häufige Brennerstarts zu vermeiden, wird gleich sehr viel Wärmeenergie erzeugt und im Pufferspeicher zwischengelagert. Auch für Solaranlagen ist ein Pufferspeicher wichtig, um die anfallende Sonnenwärme zu bevorraten. Bei Wärmepumpen, die bestimmte Stromtarife nutzen, dient der Pufferspeicher zur Überbrückung von Stromsperrzeiten. Die Kombination aus Pufferspeicher und Warmwasserspeicher wird als Kombispeicher bezeichnet. Diese sind oft nach dem Zwei-Tank-Prinzip aufgebaut. Hierbei befindet sich das Warmwasser in einem Tank im oberen und damit wärmeren Bereich des Speichers. Dieser Wasserbehälter ist umgeben vom Heizwasser und wird von diesem erwärmt. Anstelle des Warmwasserspeichers kann auch ein Durchlaufsystem eingebaut sein, das durch eine Heizspirale frisches Trinkwasser bei Bedarf
Wussten Sie ... dass die nutzbare Wärmeenergie in einem PCM-Speicher bis zu viermal größer ist als in einem vergleichbaren Wasserspeicher?
Dieser Wärmespeicher von Rotex kombiniert Warmwasserspeicher und Durchlauf-Wassererwärmer. Foto: Rotex Heating Systems
Puffer- und Kombispeicher Pufferspeicher dienen der Speicherung von Heizwasser. Sie sind vor allem bei solchen Heizsystemen erforderlich, die wenig modulierend arbeiten wie Holzheizungen. Diese verbrennen unter Volllast am saubersten und effizientesten. 61
Der Schichtenspeicher „Oskar“ von ratiotherm lagert die Wärme von Heizung und Solaranlage ein. Grafik: ratiotherm
W Wussten Sie ... Si dass Paraffin ein ökologisch unbedenkliches Abfallprodukt der Erdölverarbeitung ist?
rasch h erwärmt. ä t In I jedem j d Fall F ll sind i d Warmwasser W und Heizwasser immer komplett voneinander getrennt.
Solarspeicher Solarspeicher sind auf die spezifischen Betriebsbedingungen von Solarsystemen abgestimmt. Sie sind hoch und schmal, um eine gute Temperaturschichtung zu erreichen. SoZeolith Zeolithe sind kristalline Mineralien (Alumosilikate), die sowohl in der Natur vorkommen als auch synthetisch hergestellt werden können. Zeolithe besitzen durch winzige Poren eine riesige innere Oberfläche – pro kg sind es 800 bis 1.200 m2. Innerhalb der Hohlräume wirken starke elektrostatische Kräfte, die Moleküle heftig ansaugen und unter Wärmeabgabe in die Kristallstruktur einbinden (Adsorption). Durch den Wechsel von Desorption und Adsorption kann Energie gespeichert und wieder abgegeben werden.
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l larspeicher i h sollten llt eine i möglichst ö li h gute Wärmeübertragung aus dem Kollektorkreislauf gewährleisten und gut gedämmt sein. Sehr gut geeignet sind Schichtenspeicher. Diese schichten das solarerwärmte Wasser entsprechend der Temperatur. Dabei findet kaum eine Durchmischung statt, die Temperaturschichtung mit dem kalten Wasser im unteren Bereich bleibt stabil. Dadurch werden hohe Wirkungsgrade der Kollektoranlage erreicht. In der Regel sind Solarspeicher Kombispeicher, die auch das Trinkwasser erwärmen. Hierbei haben sich moderne Frischwassersysteme bewährt, die anstelle eines innen liegenden Trinkwasserspeichers über externe Plattenwärmetauscher zur fließenden Trinkwasserbe-/-entladung verfügen. Dadurch wird das Trinkwasser immer frisch aufgeheizt und das Verkalken des Wärmetauschers vermieden.
Latentwärmespeicher Sämtliche Wasserspeicher können jedoch die Wärmeenergie nicht dauerhaft speichern. Es findet selbst bei sehr guter Dämmung ein kontinuierlicher Wärmeverlust statt. Daher kann mit
Speicherung
Mit dem Speicher-Wassererwärmer „Vitocell“ von Viessmann haben Sie jederzeit warmes Wasser zur Verfügung. Foto: Viessmann
einem Wasserspeichersystem die im Sommer im Überfluss vorhandene Solarenergie nicht bis zum Winter bevorratet werden. Dies können jedoch Speicher, die ein anderes Prinzip nutzen: die sogenannten Latentwärmespeicher. Latentwärmespeicher nutzen die latente (versteckte) Wärme. Sie bestehen aus PCM (phase change material), das bei der Änderung des Aggregatzustands sehr viel Wärme speichern und wieder abgeben kann. Die derzeit eingesetzten PCM sind vor allem Salzhydrat und Paraffin. Im Latentspeicher wird der physikalische Effekt bei Phasenwechseln dieses Materials gezielt genutzt: Bei der Erwärmung ändert das PCM seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig, wobei es Wärme aufnimmt. Diese Wärme bleibt dann so lange latent im Stoff gebunden, bis es durch Abkühlung wieder fest wird und dabei Wärme abgibt. Dies kann auch nach einem längeren Zeitraum geschehen. Latentwärmespeicher besitzen eine deutlich höhere Speicherkapazität als Wasserspeicher und können Wärme nahezu verlustfrei über einen langen Zeitraum speichern. Latentspeicherarten Man unterscheidet zwischen Paraffinspeicher, Salzschmelzenspeicher und Solar-Eis-Speicher. In der warmen Jahreszeit wird im Eisspeicher überschüssige Sonnenenergie in großvolumigen Wassermengen gespeichert. In der kälteren Saison wird die Wärme dem unterirdischen Speicher entzogen und über eine Wärmepumpe dem Warmwasserspeicher und dem Heizsystem zugeführt. Beim kontrollierten Phasenüber-
gang von Wasser zu Eis werden dabei große Mengen an Kristallisationsenergie freigesetzt.
Und außerdem Thermochemische Speicher Noch größere Speichervolumen als Paraffin- und Salzschmelzenspeicher besitzen thermochemische Speicher. Sie speichern die Wärme durch Sorption. Als Arbeitsmaterial ist hierfür zum Beispiel Silikagel (Kieselgel) oder Zeolith geeignet. Damit kann Wärme verlustfrei über Jahre gebunden werden. Das Prinzip beruht auf der hohen Adsorptionsfähigkeit der Stoffe, also deren Fähigkeit, Moleküle in die große innere Porenstruktur einzubinden, wodurch Wärme frei wird. Für die Desorption, also den Austrag der eingelagerten Moleküle, wird Energie benötigt. Im Sommer findet durch Zufuhr von Wärmeenergie eine Desorption statt, im Winter wird durch Zufuhr kühler, feuchter Luft eine Adsorption bewirkt, die die eingelagerte Energie freisetzt. Wirtschaftlichkeit Die Investitionskosten für Latent- und thermochemische Speicher sind deutlich höher als die für konventionelle Speicher. Wenn damit jedoch die kostenlose Sonnenenergie im Sommer gespeichert werden kann, um sie dann nutzen zu können, wenn Bedarf besteht, können andere Energieerzeuger ersetzt werden. Außerdem punkten die genannten Speichersysteme mit einer langen Lebensdauer, einem hohen Wirkungsgrad und einem geringen Instandhaltungsaufwand. 63