Hybrid-Heizung / Bivalente Heizung

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
Bosy-online-ABC

Hybridkollektor

Kleinwindkraft-
anlagen

Power to Gas

Windstrom
zu Windgas

Methan aus
Sonne und Wind

App
Hausautomation
Gebäudeleittechnik
Strangregulierventil
App
App

Synfuels -
Synthetische Kraft-
und Brennstoffe

Thermo-
dynamisches
Kleinkraftwerk

.
App

Und schon wieder ein Modewort > "Hybrid-Heizung". Bisher nannte man solche Anlagen "Bivalente Heizungsanlage".
Letztendlich sind diese Anlagen eine Kombination verschiedener Systeme. Wobei es sich hier in den meisten Fällen um herkömmliche Brennstoffarten (Heizöl EL, Erdgas) und erneuerbaren Energien (Holz, Solar, Erdwärme, Windkraft) handelt.
Hybrid-Heizung
Quelle: IWO
Folgende Systeme können miteinander kombiniert werden:
  •  Öl-Brennwerttechnik
  •  Gas-Brennwerttechnik
  •  Holzvergasertechnik
  •  Pelletkessel
  •  Wasserführender Kaminofen (Holz, Peletts)
  •  Thermische Solaranlage zur Heizungsunterstützung
  •  Wärmepumpen (Luft, Wasser, Erdreich)
  •  Geothermie
  •  Mini-Kraft-Wärme-Kopplung (Mini-KWK)
  •  Kleinwindkraftanlage

 
In den meisten Fällen ist ein Pufferspeicher erforderlich, der dann die Heizungsanlage und die Trinkwassererwärmung mit Wärme versorgt.
Ein Vorteil der Hybrid-Heizung ist, dass sie problemlos schrittweise umgesetzt werden kann: In vielen Häusern ist schon ein Öl- oder Gas-Brennwertkessel eingebaut. Im nächsten Schritt können eine oder mehrere der o. g. Systeme hinzugefügt werden.
Eigentümer von Neubauten müssen das Heizungssystem im unterschiedlichen Umfang aus erneuerbaren Energien abdecken. Diese Nutzungspflicht ist nach dem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) und der Energiebedarf ist anhand der gleichen Vorschriften, die auch der Energieeinsparverordnung (EnEV) zugrundliegen, einzuhalten. Als erneuerbare Energien im Sinne des Gesetzes gelten die Geothermie, Umweltwärme, solare Strahlungsenergie und Biomasse.
Bei Verwendung dieser Energien muss deren Anteil am Gesamtverbrauch mindestens betragen:

• Solare Strahlungsenergie: 15 % (aus Vereinfachungsgründen muss bei Ein- und Zweifamilienhäusern die Fläche der montierten Solarkollektoren mindestens 4 % der Nutzfläche, bei Mehrfamlienhäusern entsprechend 3 % betragen)
• Biomasse: 50 % bei der Verwendung von flüssiger oder fester Biomasse (Bioöl oder Holzpellets, Scheitholz) und 30 % bei der Verwendung von Biogas
• Geothermie und Umweltwärme: 50 % (z.B. Wärmepumpen)
Die Bundesländer können den Anteil der erneuerbare Energien höher einstufen und gesetzlich festlegen.
Letztendlich steht aber nicht der Neubau im Blickpunkt der Überlegungen, was eingebaut werden soll. Der Sanierungsbedarf der Bestandanlagen ist enorm. In diesem Bereich sind Anlagen in Betrieb, bei denen schon mit wenig Aufwand eine große Energieeinsparung erreichbar wäre. Ein Fortschritt wäre es, wenn man nicht immer wieder auf den Spruch des Schornsteinfegers hören würde, wenn er sagt < die Anlage ist in Ordnung >, denn da geht es nur um den feuerungstechnischen Wirkungsgrad.
Man sollte sich die gesamte Anlage vornehmen und sich fragen
Das war nur eine beliebige Auswahl von Möglichkeiten in Bezug auf die Anlagentechnik. Wie der dämmtechnische Zustand des Gebäudes ist, sollte man durch einen Energieberater feststellen lassen.
Anlagenschema einer Hybridanlage mit einer GWN-TEC-Regelung
Quelle: ZACK Gesellschaft für innovative Heizungssysteme mbH
Heizen mit Eis
Kristallisationswärme

Wenn Wasser seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest (Eis) ändert, wird Kristallisationswärme (Erstarrungswärme) freigesetzt. Dabei ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes die freiwerdende Energie gleich groß wie die für das Schmelzen des Wassers aufzuwendende Energie (Schmelzwärme). Um einen Liter Eis zu schmelzen, ist etwa die gleiche Wärmemenge erforderlich, wie z. B. einen Liter Wasser von 0 auf 80° C zu erhitzen. So entsprechen z. B. die Umwandlung von 126 Liter (0,126 m³) Eis von 0 °C in Wasser von 0 °C ca. der Heizkraft eines Liters Heizöls.
Anlage mit EisSpeicher
Quelle: isocal HeizKühlsysteme GmbH
SolarEis-System
Die physikalische Grundlage der Kristallisationswärme wird bei dem "Heizen mit Eis" (SolarEis-System) zugrunde gelegt. Das Wärme- und Kälteversorgungssystem nützt zur Regenaration die verschiedenen frei verfügbare Energien, wie z. B. die Wärme aus thermischen Solaranlagen (und/oder SolarLuft-Kollektor) und der Erdwärme.
Das patentiertes SolarEis-System (Fa. isocal GmbH) besteht aus einem unterirdisch eingebrachten EisSpeicher mit einer speziellen Wärmetauscheranordnung, einer Wärmequelle zur Regeneration, einem Regler und einer Wärmepumpe (Latent-Wärmepumpe).
Mit diesem System kann das Heizen und Kühlen kombiniert werden.
EisSpeicher mit Wärmetauscher
Quelle: isocal HeizKühlsysteme GmbH

Der Speicher wird bei Inbetriebnahme einmalig mit Wasser befüllt. Er speichert die zugeführten Energie in Form von latenter Wärme ein und nutzt die hohe Kristallisationsenergie des Wassers beim Gefrieren zu Eis. Beim Entzug von latenter Energie aus dem Speicher wird Eis gebildet und der Speicher energetisch wieder entleert. Bei dem Regenerieren des Speichers wird dem Speicher latente Wärmeenergie wieder zugeführt und das vorhandene Eis schmilzt dabei ab.
vereister EisSpeicher
Quelle: isocal HeizKühlsysteme GmbH
Zu dem Entladen des Speichers werden Kompressions- oder Absorptionswärmepumpen eingesetzt. Sie entnehmen dem Speicher die benötigte latente Heizenergie bei konstant ca. 0° C. Das den Speicher umgebende "warme" Erdreich wird als externe Speichermasse genutzt und vergrößert zeitweilig die Speicherkapazität.
Das System kann auch zum aktiven Kühlen im Sommer verwenden werden. Zur Nutzung als Kühlquelle muss eine kleine Umwälzpumpe eingebaut werden, die den Kaltwasserkreislauf zwischen Gebäude und Eisspeicher aufrecht erhält. Die Kühlung kann über Flächen oder eine Lüftungsanlage erfolgen.
Hybrid-Wärmepumpe - Innenmodell
Quelle: BEHRMANN Energiesysteme GmbH

Hybrid-Wärmepumpe

Die patentrechtlich geschützte Hybrid-Wärmepumpe kann Wärme aus der Umgebungsluft, den Solarkollektoren, und der Erdwärme (Geothermie) herausziehen. Die Wärme wird dann zur Trinkwassererwärmung und zur Beheizung des Gebäudes genutzt. Eine entsprechende Regelung entscheidet, welches Medium gerade die günstigste Wärme liefert. > mehr
 
Luft-Luft-Wärmepumpe (Inverter)
Fließschema - Zubadan-Technologie
Quelle: Mitsubishi Electric
Jede Übertragung von Wärme unterliegt den gleichen Voraussetzungen. Das Medium, das Wärme aufnimmt muss eine geringere Temperatur aufweisen als das Medium, das Wärme abgibt. Bei Luft-/Wasser-Wärmepumpen muss die Verdampfungstemperatur des Kältemittels deswegen einige Grad unterhalb der Außenlufttemperatur liegen. Je kälter es draußen ist, desto tiefer muss also auch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels sein, um überhaupt Wärme aufnehmen zu können. Je tiefer aber die Verdampfungstemperatur des Kältemittels ist, desto größer .... > mehr
Außengerät
Quelle: Stulz GmbH / MITSUBISHI Heavy Industries
Inverter-Raum-Klimagerät
In Häusern mit niedriger Heizlast (Passivhaus, Nullenergiehaus) kann es sinnvoll sein, die notwendige Wärme über gesplitete Inverter-Raum-Klimageräte in die Räume zu geben. Richtig geplant, sind solche Geräte in das Konzept einer kontrollierten Wohnungslüftung (KWL) zu integrieren. > mehr
Innengeräte
Quelle: Stulz GmbH / MITSUBISHI Heavy Industries
Solar-Wärmepumpensystem - Solarserver Rolf Hug
Hybrid-Module - Hybridheiztechnik Koch

Quelle: Elcotherm AG
Bivalenzpunkt / Dimensionierungspunkt
Bei der Auslegung einer Luftwärmepumpe wird der Bivalenzpunkt (Dimensionierungspunkt) festgelegt, da mit dem Absinken der Außentemperaturen die Heizlast des Gebäudes steigt und die Wärmepumpenleistung geringer wird. Je nach der Heizlast des Hauses liegt dieser Punkt im Temperaturbereich zwischen -4 °C und -8 °C. Ab dieser Temperatur ist ein effizienter Betrieb einer Luftwärmepumpe nicht mehr möglich. Deshalb werden solche Anlagen als bivalente Heizung (Hybrid-Heizung) betrieben. Hier gibt es die verschiedensten Kombinationsmöglichkeiten (Öl, Gas, Holz, Solar, Geothermie, Mini-KWK, Kleinwind-kraftanlage).

Unter bestimmten Bedingungen kann ein Heizstab die fehlende Wärme liefern. Ob der Einsatz einer direkten Stromheizung (Trinkwassererwärmung) sinnvoll ist, muss der Fachplaner vor Ort nach den Gewohnheiten des Betreibers ermitteln.

 

Bei einer monoenergetisch betriebenen Luft-Wasser-Wärmepumpe wird der Heizbedarf bis zum Bivalenzpunkt gedeckt. Darunter wird eine Zusatzheizung notwendig. Hier kann ein Heizstab oder auch ein noch vorhandener Wärmeerzeuger (Gasgerät, Ölkessel, Festbrennstoffkessel) eingesetzt werden. Bei einem bivalenten Betrieb wird besonders bei höheren Systemtemperaturen der Bivalenzpunkt höher angesetzt.
Der Deckungsanteil der Wärmepumpe sollte  möglichst hoch sein, damit die Betriebskosten möglichst gering sind und die Jahresarbeitszahl möglichst hoch ist. In der Regel sind die Anzahl der Tage mit Außentemperaturen unter -5 °C sehr gering und deshalb wird der Bivalenzpunkt um diese Temperatur festgelegt bzw. ermittelt. So ist dann z. B. der Anteil der Zusatzheizung bei -10 °C AT ca. 1 % und bei -16 °C ca. 4 % der gesamten Wärmemenge.
Deckungsanteil der Wärmepumpe ( % )
Klimazone / Auslegungstemperatur
( °C )
Bivalenzpunkt / Dimensionierungspunkt ( °C )
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
-10
100
100
100
100
100
99
99
99
99
98
98
97
96
94
92
90
87
84
81
-12
100
100
100
99
99
99
99
98
98
97
96
95
93
90
88
86
83
80
77
-14
100
100
99
98
98
98
98
97
97
96
94
92
90
88
85
82
79
75
72
-16
99
99
98
98
97
97
97
96
95
94
92
90
87
84
81
78
74
71
67
Hybridkollektor
Als Hybridkollektor wird ein PVT-Kollektor (PV [Photovoltaik] und T [thermischer Kollektor - Flüssigkeit oder Luft]) oder ein Flüssigkeit/Luft-Kollektor bezeichnet. Mit dem PVT-Kollektor kann nicht nur elektrische Energie erzeugt, sondern auch Wärme produziert werden. > mehr
Kleinwindkraftanlagen (KWKA)
Kleinwindkraftanlage für Netz- und Inselsysteme
Kleinwindkraftanlagen (max. 70 kW; Anlagen für private Haushalte leisten zwischen 0,4 bis 30 kW) für private und gewerbliche Zwecke zur Nutzung von Windkraft sind von vielen Herstellern schon in Betrieb bzw. in der Entwicklung. Hier wird eine einfache robuste Bauweise, die eine Lebensdauer von 20 Jahre und ein annehmbares Preis-/Leistungsverhältnis hat, angestrebt. Auch sollte die Amortisationszeit, je nach Standort, bei ca. 8 bis 12 Jahren liegen.
In der IEC-NORM 61400-2:2006 werden Klein-Windkraftanlagen nach folgenden Vorausetzungen festgelegt. Die Rotorfläche muss kleiner sein als 200 m² bei 350 W/m². Das bedeutet, dass die Kleinwindkraftanlagen eine maximale Leistung von 70 kW haben dürfen. Die Turmhöhe darf 20 m nicht überschreiten.
Die Kleinwindkraftanlagen sind im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen zur Zeit für Privathaushalte noch eine Seltenheit. Diese Anlagen werden hauptsächlich für autarke Inselanlagen bei Ferien- und Wochendhäusern, in Kleingärten und auf Booten bzw. Schiffen eingesetzt. Eine Hybridanlage, die aus einer PV-Anlage und Windkraftanlage den Strom zur Eigennutzung bzw. Netzeinspeisung herstellt oder zum Laden eines großen Solarakkus genutzt werden kann. Durch die bivalente Lösung wird die Nutzungszeit verlängert, da dann auch bei bewölktem und stürmischem Wetter (auch in der Nacht) Strom erzeugt wird.
Da die Hochsaison für Kleinwindkraftanlagen im Winterhalbjahr liegt, sind sie eine ideale Ergänzung zur Photovoltaik bei einer Inselversorgung (Inselbetrieb).
Kleinwindkraftanlage
Quelle: ZACK Gesellschaft für innovative Heizungssysteme mbH
Vertikal-Windgeneratoren
Quelle: MITTRONIK GmbH
Das Hauptproblem wird wohl in der Akzeptanz der Nachbarn und Behörden liegen.
Grundsätzlich gibt es zwei Typen von Kleinwindkraftanlagen:
  •  Rotorblätter drehen sich um eine vertikale Achse
  •  Rotorblätter drehen sich um eine horizontale Achse
Jede Kleinwindanlage braucht einen Wechselrichter, der den erzeugten Strom in konstante 230 Volt und 50 Hertz umwandelt, damit er im Haus genutzt werden kann.
Vertikale Kleinwindkraftanlagen bestehen aus einem Getriebe und Generator, die in den meisten Fällen auf dem Boden befestigt sind. Zur Zeit ist die Windausbeute geringer als die der horizontale Kleinwindkraftanlagen.
Merkmale für vertikaler Kleinwindkraftanlagen:
  •  Stromerzeugung auch bei schwachem Wind
  •  Keine Abschaltung bei starkem Wind
  •  Unabhängig von der Windrichtung und somit keine Nachführung (Ausrichtung) notwendig
  •  Auch bei turbulenten Windströmungen einsetzbar
  •  Sehr leiser Betrieb
  •  Bei niedrigen Windgeschwindigkeit in Bodennähe ein schlechter Wirkungsgrad
  •  Wartungsaufwand relativ aufwendig (Auswechselung des Hauptlagers - Demontage der ganzen Kleinwindkraftanlage)
Horizontale Kleinwindkraftanlagen bestehen aus einer horizontalen Achse mit einem Rotor/Generator, Rahmen/Azimutlager und einer Windfahne.
Merkmale für horizontale Kleinwindkraftanlagen sind:
  •  Langlebigkeit durch Erfahrungen aus den Großwindkraftanlagen
  •  Guter Wirkungsgrad schon bei Windgeschwindigkeiten von 3 m/s
  •  Geräuschpegel je nach Windradtyp unterschiedlich
  •  Zur Zeit noch effizienter als vertikale Kleinwindkraftanlagen
  •  Abhängig von der Windrichtung, somit muss ist eine Nachführung (Ausrichtung) notwendig

 

 
Kleinwindkraftanlagen müssen genehmigt werden und den Vorschriften inbezug auf Lärm und Schattenwurf entsprechen. Leider entscheiden die regionale Behörden immer noch unterschiedlich. Die Bauämter können hier Auskünfte erteilen. In einigen Bundesländern sind Anlagen bis zu 10 m Höhe genehmigungsfrei, aber verzichten nicht auf ein statisches Gutachten.
Windrad auf Baumkrone
Architekt erfindet neue Technologie
Neue Ideen sind gefragt, wenn es um den Ausbau der erneuerbaren Energien geht. Ein Architekt aus Freiburg hat möglichweise einen Kompromiss gefunden, mit dem Gegner und Befürworter von Windrädern einverstanden sind. Er baut die Windräder direkt auf Baumspitzen.
Mit Windkraftanlagen auf Baumkronen greift der Freiburger Architekt Wolfgang Frey in die Diskussion um die Windkraft ein. Als Prototyp hat er in Freiamt im Kreis Emmendingen auf einer rund 30 Meter hohen Douglasie eine Windkraftanlage montiert. Eine Gesetzeslücke in den Genehmigungsvorschriften macht es möglich.
SkyWind NG

Quelle: SkyWind Energy GmbH

>>> hier ausführlicher <<<

Karte bestehender SkyWind NG Mikrowindkraftanlagen
SkyWind Energy GmbH

Das SkyWind NG zeichnet sich durch eine hohe Leistung bei kompakten Maßen und geringem Gewicht aus. Seine vollständige Fertigung aus Metall bedeutet für eine höchste Festigkeit und Haltbarkeit.
Die SkyWind's basieren auf einer patentierten Technologie. Jede Turbine ist dabei nur so gut wie der Wechselrichter zu Ihr passend ist. Hier handelt es sich um ein abgestimmtes Gesamtsystem, dass aus jedem Standort die maximale Leistung generiert. Auch auf Dächern, Hallen und an weiteren Standorten die hinsichtlich Gewicht und Verwirbelung sensibel sind.
Der Rotor ist aus hoch belastbarem Luftfahrtaluminium gefertigt. Gemeinsam mit einem erfahrenen Gutachter wurde die Geometrie des Rotors dabei optimal an die Belastungen angepasst. Das Ergebnis ist ein Rotor mit nur 800 Gramm Gewicht und minimalen Emissionen. Spezielle Beschichtungen verhindern außerdem störende Reflektionen, während der kleine Rotor Drehschatten verhindert. Selbstverständlich ist der Rotor darüberhinaus vollkommen UV-resistent und durch seine geringe Fläche extrem leise im Betrieb. Als einzige Windkraftanlage dieser Größe wurde der SkyWind NG im Testfeld der Windtest Grevenbroich GmbH vermessen. Auch die Wohngebietstauglichkeit ist durch den TÜV-Nord mit einem umfangreichen Schallgutachten bestätigt.

SkyWind NG - SkyWind Energy GmbH


Wünschenswert ist die Verspargelung der Landschaft nicht.
Dazu kommen dann noch die riesigen Türme der Überlandleitungen (Freileitungen).
(Ich bin kein Gegner der Windenergie, aber ein wenig weniger bzw. konzentriert, wäre angesagt)
Power to Gas
Power to Gas Anlage
Quelle: Frauenhofer IWES, ZSW - Sterner, Specht

Bei dem Konzept "Power to Gas" (PtG oder P2G) wird mit Hilfe von elektrischer Energie ein EE-Gas (z. B. Wasserstoff1 oder Methan2) erzeugt, um die elektrischer Energie indirekt speichern zu können. Da die elektrische Energie hauptsächlich durch Wind und Solar erzeugt wird, spricht man hier auch von Windgas (Windstrom zu Windgas) oder Solargas (Methan aus Sonne und Wind).
Der "überschüssiger" Strom aus Windkraft-, PV- oder Wasserkraft-Anlagen wird in Wasserstoff oder synthetisches Erdgas umgewandelt und im Erdgasnetz gespeichert. Die Umwandlung von Strom in synthetisches Erdgas erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird Wasserstoff mittels Elektrolyse erzeugt, anschließend folgt die Methanisierung (unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid [CO2] in synthetisches Methan).
1 Wasserstoff gilt als einer der Energieträger der Zukunft, da er im Gegensatz zu fossilen Stoffen bei Verbrennung keine schädlichen Emissionen verursacht und aus erneuerbaren Energien gewonnen werden kann. Wichtige Einsatzfelder sind:
- Wasserstoff findet zunehmend Einsatz als Kraftstoff in Wasserstoffverbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen. Aufgrund seiner umweltfreundlichen Eigenschaften wird Wasserstoff gegenüber fossilen Brennstoffen bevorzugt, dabei der Verbrennung lediglich Wasser und kein Kohlenstoffdioxid entsteht.
- Mit Wasserstoff lassen sich bei der Kohlehydrierung künstlich flüssige Kohlenwasserstoffe herstellen, die fossile Kraftstoffe ersetzen.
- Wasserstoff wird in der Industrie bei der Veredelung von Metallen, der Produktion von Düngemitteln oder als Kühlmittel verwendet.
Zudem dient Wasserstoff der Energiespeicherung. Hierbei wird je nach den spezifischen Eigenschaften unterschieden zwischen:
- gasförmig: Speicherung in Druckbehältern
- flüssig: Speicherung in vakuumisolierten Behältern
- Einlagerung in Metallhydriden oder in Kohlenstoff-Nanoröhren.
2Der regenerativ erzeugte Wasserstoff aus der Elektrolyse kann unter Nutzung von Kohlenstoffdioxid in einer nachgeschalteten Methanisierung in Methan überführt werden. Die Anwendungsfelder sind vielfältig:
- Substitut für fossile Gase bei der Wärmeerzeugung
- Verwendung als erneuerbarer Kraftstoff für Gasfahrzeuge
- Wichtiges Element zur Erzeugung von weiteren chemischen Verbindungen durch Synthese [z. B. Wasserstoff, Ethin oder Methylhalogenid)

Potenziale von Power-to-Gas Energiespeicher - Mareike Jentsch/Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES

Methanisierung von überschüssigem Strom macht konventionelle Kraftwerke überflüssig
Quelle: MicrobEnergy GmbH / Viessmann Werke GmbH & Co. KG
Windgas
In der Zukunft wird es immer dringender, Ökostromüberschüsse aus Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen sinnvoll zu verwenden bzw. zu speichern. Der Ausbau der Stromnetze wird immer mehr abgelehnt und Stromspeicher, so z. B. Pumpspeicherkraftwerke (Wasser oder Druckluft) werden immer mehr abgelehnt, Batterien können nur kurzfristig speichern. Deshalb wird erneuerbarer Strom in Wasserstoff und Methan (EE-Gas - erneuerbares Gas) umgewandelt. Dieses Konzept wird auch "Power to Gas" genannt. Das gesamte deutsche Erdgasnetz steht mit sehr großen Speicherkapazitäten zur Verfügung. Es kann als Speicher für Ökostrom genutzt werden, denn es ist jetzt schon 45 mal so groß ist wie die Gesamtkapazität aller heute in Deutschland bestehenden Pumpspeicherkraftwerke.
Zur Zeit liefert Greenpeace Energy eG Erdgas, dem nach und nach Wasserstoff beigemengt wird, sobald dieser verfügbar ist. Aus technischen und regulatorischen Gründen darf nur bis zu einer Obergrenze von 5 % Wasserstoff ins Gasnetz eingespeist werden. Wasserstoff, der nicht eingespeist werden kann, wir zu erdgasgleichem Methan umgewandelt. In der Zukunft können erneuerbarer Wasserstoff und erneuerbares Methan das fossile Erdgas zu 100 Prozent ersetzen.
Windstrom zu Windgas - Elektrolyseur
Quelle: Greenpeace Energy eG
Grundlage für die Umwandlung von Windstrom in Windgas ist das Elektrolyse-Verfahren. Hierbei wird der Strom, der z. B. nicht in das vorhandene Stromnetz eingespeist werden kann, eingesetzt, um Wasser in seine Grundstoffe (Wasserstoff und Sauerstoff) aufzuspalten. Der Wasserstoff wird durch die Elektrolyse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 73 Prozent hergestellt.

Der freigesetzte Sauerstoff wird in die Atmosphäre, der Wasserstoff ins Gasnetz eingespeist. Durch ein weiteres chemisches Verfahren lässt sich überschüssiger Wasserstoff „methanisieren“. Das erneuerbare Methan kann das herkömmliche Erdgas langfristig vollständig ersetzen und damit den Übergang von fossilem zu erneuerbarem Gas leisten.
Windgas - Greenpeace Energy eG
Methan aus Sonne und Wind
Wirkungsgrad Photon-to-Biofuel in der Natur
Wirkungsgrad SolarFuel Power-to-Gas
Quelle: SolarFuel GmbH

In der Zukunft wird es immer dringender, Ökostromüberschüsse aus Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen sinnvoll zu verwenden bzw. zu speichern. Der Ausbau der Stromnetze wird immer mehr abgelehnt und Stromspeicher, so z. B. Pumpspeicherkraftwerke (Wasser oder Druckluft) werden immer mehr abgelehnt, Batterien können nur kurzfristig speichern und Wasserstoff stellt sich auch als nicht wirtschaftlich dar. Deshalb wird in einer Versuchsanlage (ZSW, Fraunhofer IWES und SolarFuel) daran gearbeitet, erneuerbaren Strom in Methan umzuwandeln. Das gesamte deutsche Erdgasnetz steht mit sehr großern Speicherkapazitäten zur Verfügung.
Die SolarFuel-Technologie wandelt die energielosen Rohstoffe CO2 und Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in synthetisches Erdgas um. Im ersten Schritt wird in der Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Im zweiten Schritt wird Wasserstoff mit CO2 zu Methan (CH4) umgesetzt. Die Energiedichte steigt dabei um den Faktor 3 an und es entsteht ein marktfähiger und handelbarer Energieträger in Normqualität, der direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Der erzielbare Wirkungsgrad ist größer als 60 Prozent und somit realisiert das SolarFuel Power-to-Gas Prozess eine Energiespeicherung nahe am thermodynamischen Optimum.
Das Gas kann in Gaskraftwerken mit KWK-Technik rückverstromt, mit Mini-BHKWs Wohnhäuser beheizen oder als Autogas verwendet werden.
Synthetische Kraft- und Brennstoffe - Synfuels
Synthetische Kraft- und Brennstoffe (Synfuels) werden künstlich hergestellt. Durch das Aufspalten der Moleküle des Ausgangsmaterials (z. B. Pflanzen, Pflanzenöl, Wasser und Kohlendioxid [CO2]) entsteht synthetisches Gas. Danach werden die Spaltprodukte dieses Gases neu sortiert und in einen flüssigen Rohstoff umgewandelt, der vor allem aus kettenförmigem Kohlenwasserstoff besteht. Aus diesem flüssigen Rohstoff können verschiedene Produkte (z. B. Diesel, Heizöl, Kerosin) hergestellt werden.
Synfuels verbrennen deutlich sauberer als rohöl-basierte Kraft- oder Brennstoffe. Sie erzeugen weniger Schadstoffe (z. B. Kohlendioxid [CO2], Stickoxide [NOX], Feinstaub) und schonen z. B. die Filter und Motoren der Kraftfahrzeuge. Außerdem sind sie problemlos und lange lagerfähig und sind kälteunempfindlich. Außerdem können die Synfuels die Erweiterung und/oder neue Erstellung von Stromtrassen verhindern, die zunehmend von der Bevölkerung abgelehnt werden.
  • E-Fuels (PtL - Power to Liquid > Elektrische Energie zu Flüssigkeit)
  • HVO (Hydrogenated oder Hydrotreated Vegetable Oils > hydrierte Pflanzenöle)
  • GtL-Verfahren (Gas-to-Liquids > Gasverflüssigung)
  • BtL-Verfahren (Biomass to Liquid > Biomasseverflüssigung)
  • XtL-Kraftstoff

Status und perspektiven flüssiger Energieträger in der Energiewende - IWO
E-Fuels

Die Verbrennungsmotoren und die Öl- und Gasheizungsanlagen müssen nicht am Ende sein. Synthetische Kraft- und Brennstoffe (E-Fuels - [PtL - Power to Liquid > Elektrische Energie zu Flüssigkeit]) können in der Zukunft eine Alternative zum Strom (z. B. Wärmepumpe, E-Heizung) und Wasserstofftechnik (Brennstoffzellen) sein. Bei der Herstellung von E-Fuels (z. B. Heizöl, Diesel, Benzin, Kerosin) wird so viel CO2 aus der Atmosphäre bzw. der Biosphäre entnommen wie später bei der Verbrennung freigesetzt wird. Es sind daher CO2-neutrale Kraft- und Brennstoffe, die aus regenerativ erzeugtem Strom (Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft) hergestellt werden. Flüssige Brennstoffe bestehen in der Regel aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Bei ihrer Verbrennung entstehen hauptsächlich Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2). Wird dieses CO2 wieder in den Entstehungsprozess der Brennstoffe eingebunden, entsteht ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf und ist weitgehend Treibhausgasneutral. Kohlendioxid wird dadurch zum nachhaltigen Rohstoff, da dieselbe Menge bei der Verbrennung freigesetzt wird, wie bei der Produktion der Atmosphäre entzogen wird.

Synfuels aus Pflanzenöl oder/und Fett (HVO [Hydrogenated oder Hydrotreated Vegetable Oils > hydrierte Pflanzenöle]) wären aufgrund der benötigten großen Anbauflächen nicht so sinnvoll.

Viele Länder wollen ab 2030 die Verbrennungsmotoren für Neuwagen verbieten. Hier könnten z. B. E-Fuels für die in Deutschland im Bestand (2017) befindlichen ca. 57 Millionen Kraftfahrzeuge, 13,3 Millionen Gasheizungen, 5,6 Millionen Ölheizungen, 0,7 Millionen Gas-Raumheizer und 1,1 Millionen Gas-Warmwasserbereiter aber auch in Flugzeugen, Schiffen und in der Industrie (chemische Produkte) eine mögliche Alternative sein. Dieses Thema wird kontrovers diskutiert.

Im Gegensatz zum Strom sind flüssige Energieträger gut speicherbar und leicht zu transportieren. Außerdem haben sie eine hohe Energiedichte und verfügen über eine hervorragende vorhandene Infrastruktur. Um diese Vorteile auch langfristig in der Energieversorgung nutzen zu können, wird an der Herstellung treibhausgasreduzierter flüssiger Kraft- und Brennstoffe intensiv geforscht. Ein wichtiger Aspekt ist, dass sie in heute verfügbarer Technik ohne aufwändige Umrüstungen einsetzbar sein sollen. Außerdem können die E-Fuels die Erweiterung und/oder neue Erstellung von Stromtrassen verhindern, die zunehmend von der Bevölkerung abgelehnt werden.

Herstellungspfade und Einsatzbereiche von treibhausgasneutralen flüssigen Energieträgern
Quelle: Institut für Wärme und Oeltechnik e. V. (IWO)

Dieses Thema wird kontrovers diskutiert
Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe - Agora Energiewende
Norweger bauen gigantische Fabrik für Wunder-Diesel - manager magazin new media GmbH
Hoffnungsträger für ein Auslaufmodell - cst/Annika Grah, dpa
Brennstoffe der Zukunft - Institut für Wärme und Oeltechnik e. V. (IWO)
Brennstoffforschung - Institut für Wärme und Oeltechnik e. V. (IWO)

Sind E-Fuels die Lösung? - Christiane Köllner
Verbrennungsmotor ist die Zukunft!
Benzin und Diesel vor unsicherer Zukunft: Das E-Fuel-Märchen

Power to Heat

Power-To-Heat-Anlagen können im Niedertemperaturbereich und im Hochtemperaturbereich (Dampf) eingesetzt werden.

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Power-to-X (P2X)

Power-To-X (P2X bzw. P2Y*) ist der Sammelbegriff für verschiedene Technologien,  die sich mit der Speicherung oder Nutzung von Stromüberschüssen von erneuerbarer Energien (Windenergie, Solarenergie, Wasserkraft) befassen.
* P Überschüsse, die über dem Bedarf liegen und X bzw. Y Energieform oder Verwendungszweck, in den die elektrische Energie gewandelt wird.

> hier ausführlicher
Thermodynamisches Kleinkraftwerk

Das "Thermodynamische Kleinkraftwerk" ist ein Kleinkraftwerk das seine Energie aus der Umgebung, in Form der darin gespeicherten Wärmeenergie, beziehen soll. Das Ziel ist die Entwicklung eines Kleinkraftwerk-Prototypen, der die Umgebungswärme in elektrische Energie wandelt und ca. 1 KW Überschussleistung bringt. Die Verwirklichung eines Kreisprozesses, der eine kontinuierliche und zuverlässige Energiekonversion ermöglicht.
Bei dem Projekt geht es um die Umwandlung von Umgebungswärme in kinetische Energie, um daraus elektrische Energie bereit stellen zu können. Das geschieht auf der Grundlage eines thermodynamischen Kreisprozesses.
Die Erkenntnisse, wie ein thermodynamischer Kreisprozess aussehen muss, der die Enthalpie der Luft in mechanische Energie umzuwandeln vermag, gehen bis ins 19. Jahrhundert zurück und wurden aktuell von einem Erfinder (Lazare und Sadi Carnot?) und über den Kontakt zu diesem, nun auch von uns aufgegriffen.
Das Arbeitsmedium des Kreisprozesses und somit der darin eingesetzten Kraftmaschine ist reines CO2 das optimale Betriebsbedingungen schafft. Damit wird eine Umgebungswärmenutzung bis unter - 20 °C möglich.
Der Prozess ist vergleichbar mit dem einer Wärmepumpe, die Wärmeenergie zum Heizen bereitstellt, nur mit dem Unterschied, dass hier anstelle von einem höheren Wärmeniveau verwertbare kinetische Energie resultiert.
Das System eignet sich besonders gut zur privaten Anwendung und zur dezentralen Energieversorgung.
Eine frei erhältliche Dokumentation mit Bauplänen und den nötigen Angaben soll erstellt werden und zur allgemeinen Verbreitung dieser Energielösung beitragen.
Vereinfachtes Schema zur Veranschaulichung des thermodynamischen Vorgangs
Quelle: Felix M. Hediger

Die Verwirklichung des Vorhabens stützt sich auf die Erfahrungen des Erfinders, der nach eigenen Angaben, ein auf diesen Prinzipien basierendes Funktionsmodell mit einer Überschussleistung von 200 W erfolgreich betreiben konnte.
Um die eigene Maschine mit einer Leistung von ca. 1000 W auslegen zu können, müssen Vorversuche durchgeführt werden.
Auf die Erkenntnisse aus diesen Versuchen ist die Auslegung der Kraftmaschine abzustützen und darauf hin deren Konstruktion festzulegen.
Um den besonderen Kreisprozess betreiben zu können sind weitere Eigenkonstruktionen nötig.
Eine Dokumentation zur Bereitstellung für die Allgemeinheit soll erarbeitet werden. Quelle: Felix M. Hediger

Thermodynamische Kleinkraftwerk - Felix M. Hediger

Photothermie - Heizen und Kühlen mit Solarstrom

Bei diesem System ist eine direkte Koppelung mit der PV-Anlage möglich, modulierender Betrieb von 600 Watt bis zur maximalen Lleistung. Kein Stromverbrauch aus dem Netz. Der 2Max-PV-Converter erzeugt aus 1 kW Solarstrom bis 5 kW Wärme.
 

Die Nutzung der Energie von PV-Modulen für die Heizung hat eine ganze Reihe von Vorteilen. Während Solarthermiekollektoren wegen der Stillstandszeiten im Hochsommer aufgrund fehlenden Bedarfs und im Winter mangels direkter Sonneneinstrahlung praktisch nur ein halbes Jahr effizient arbeiten, liefert die PV-Anlage permanent Strom - sogar im Winter bei diffuser Sonneneinstrahlung. In Verbindung mit dem Ebitsch Photothermie-Converter lässt sich bei solchen Wetterverhältnissen mehr Wärme erzeugen als mit Solarthermie-Kollektoren. Ist der Saisonspeicher beladen, kann der überschüssige Strom im Eigenverbrauch genutzt oder ins Netz eingespeist werden. Die überschüssige Wärme von Solarthermie-Kollektoren geht dagegen nicht nur ungenutzt verloren, sondern führt zudem noch zu stärkeren Materialbelastungen aufgrund von Dampfbildung und Überhitzung der Solarflüssigkeit (Stagnationsproblem). Während Solarkollektoren meist mit 5 bis 10 Jahren Garantie ausgeliefert werden, sind die langen Garantiezeiten von 25 Jahren für PV-Module ein weiteres Argument für das Ebitsch Photothermie-System.

 

 

ich arbeite dran

Photothermie-System ermöglicht ganzjährige PV-Heizung - HaustechnikDialog
2Max Wärmespeicher - EBITSCHenergietechnik GmbH
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Das Arbeiten an kältemittelführenden Klimaanlagen darf nach der ChemKlimaschutzV § 5 nur durch zertifierte Personen (Sachkundebescheinigung), die in einem nach nach ChemKlimaschutzV § 6 zertifizierten Betrieb beschäftigt sind, durchgeführt werden.

Arbeiten an und in elektrotechnischen Anlagen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines Energieversorgerunternehmens (EVU) bzw. Verteilungsnetzbetreibers (VNB) eingetragen sind. Eine Elektrofachkraft (EFK) darf im eingeschränktem fachbezogenen Bereich Bauteile anschließen.

Die Errichtung einer Trinkwasserinstallation und wesentliche Änderungen an diesen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines WVU eingetragen sind.

Alle Arbeiten an Gasinstallationen dürfen nur von Vertrags-Installationsunternehmen (VIU) gemäß § 13 der NDAV (Verordnung über Allgemeine Bedingungen für den Netzanschluss und dessen Nutzung für die Gasversorgung in Niederdruck) durchgeführt werden.

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