Demanega

Im Bauwesen stehen Wärmepumpen in Kombination mit Photovoltaik und Batteriesysteme für unsere elektrische Zeit und in Kombination mit erneuerbarer Energie für die dezentrale energetische Autarkie, die wir anstreben. Dadurch gelingt es uns, unabhängiger von Erdöl und Erdgas zu werden und folglich auch und vor allem, jene Regionen zu meiden, die geopolitisch instabil sind. Die Problematik unserer erneuerbaren Energieversorgung betrifft weniger die Produktion elektrischer Energie denn die Versorgung mit thermischer Energie.

Im Sinne eines modernen und effizienten Energiesystems geht es einerseits um eine dezentrale Autarkie, andererseits natürlich auch um leistungsstarke vernetzte Energiekraftwerke. Der Mix macht es aus. Wesentlich ist in diesem Sinne das Primat des Angebotes vor dem Primat des Verbots, aber auch eine Politik, die Innovation konkret fördert und auf Fortschritt durch Technologie setzt. Daraus ergeben sich auch und vor allem Standortvorteile.

Durch das Prinzip „Smart home“, durch die Vernetzung unserer Gegenstände im Sinne einer umfangreichen Digitalisierung und das „Internet of Things“ (IoT) stehen Bauwerke auf dem Sprung vom Statischen zum Dynamischen im Sinne des Maschinenzeitalters. Selbstverständlich bestehen Grenzen der Sinnhaftigkeit und es ist spezifisch zu prüfen, wie viel Technologie angestrebt werden soll, geht die hochtechnologische Ausrichtung nämlich auch zu Lasten der Robustheit.

Eine Wärmepumpe ist eine Kraftwärmemaschine, die durch technische Arbeit unter Verwendung eines Reservoirs niedrigerer Temperatur eine Nutzwärme erzeugt. Angewandt werden die grundlegenden Gesetze der Thermodynamik. Einem System lässt sich nicht nur Wärmeenergie zuführen, sondern ebenso reversibel auch entziehen. Diese Erkenntnis leitet die Geburtsstunde der modernen Thermodynamik durch den Carnot-Prozess ein. Wesentlich ist die Verwendung eines entsprechenden Mediums. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts hatte William Thomson Kelvin die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe gegenüber der Verbrennung von Kohle nachgewiesen.

Wesentlich ist der thermodynamische Umstand, dass Substanzen, die einem Phasenübergang unterworfen sind (flüssig – gasförmig – fest) Energie aufnehmen oder abgeben. In diesem Sinne basiert die Wärmepumpe auf der umgekehrten Grundlage eines Kühlgerätes. Aus physikalischer Sicht besteht eine Wärmepumpe demgemäß aus den folgenden Bestandteilen:

• Einem Verdampfer: Ein Kältemittel (Arbeitsgase), das relativ tiefe Temperaturen hat, verdampft, indem dieses der Umgebung ausgesetzt wird. Die Verdampfung des Kältemittels erfolgt bei gleich bleibendem Druck, dabei wird der Umgebung Wärmeenergie entzogen.
• Einem Verdichter: Dieser erhöht in Form einer Pumpe, die das gasförmige Kältemittel ansaugt, den Druck und folglich die Temperatur.
• Einem Verflüssiger: Das Kältemittel wird zur Kondensation gebracht, verflüssigt also, dabei wird die Energie wieder abgegeben. Hier ist der Wärmetauscher angeordnet.
• Einem Expansionsventil: Das Kältemittel entspannt sich und verdampft wieder, um folglich wieder für den Prozess zur Verfügung zu stehen.

Als Wärmepumpe stehen die folgenden Arten zur Verfügung:

• Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Genutzt wird die Wärmeenergie aus dem Grundwasser.
• Sole-Wasser-Wärmepumpe: Die „Sole“ ist Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt wird, und findet in der Geothermie, aber auch bei Sonnenkollektoren Anwendung.
• Luft-Wasser-Wärmepumpe: Wärmeentzug aus der Außenluft.
• Luft-Luft-Wärmepumpe: Werden insbesondere in Gebäuden im Kontext von Klimaanlagen verwendet.

Insbesondere Sole-Wasser-Wärmepumpen, die die Geothermie nutzen, sind teuer in der Anschaffung, aber deutlich leistungsfähiger und effizienter und stehen auch bei tiefen Außentemperaturen unter -20 Grad Celsius zur Verfügung, weil das Temperaturniveau im Erdreich relativ gleichmäßig ist. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen muss bei tiefen Temperaturen zusätzlicher Strom verwendet werden.

Grundsätzlich besteht der Energiebedarf einer Wärmepumpe in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz und Pumpenart im Idealfall zu 75 Prozent in der Umgebungsenergie und nur zu 25 Prozent in elektrischem Strom. Der Betrieb von Kompressor, Pumpe und Gebläse ist auf elektrischen Strom angewiesen. Im Idealfall liegt der Temperaturunterschied zwischen Bezugsquelle und Arbeitstemperatur um die 35 Grad Celsius, bei größeren Unterschieden muss deutlich mehr elektrische Energie für den Verdichter aufgebracht werden. Bei hohen Bezugstemperaturen ist der Wirkungsgrad entsprechend hoch.

Insbesondere bei Flächenheizungen liegt die benötigte Vorlauftemperatur bei 30 bis 40 Grad Celsius, bei klassischen Heizkörpern bei 50 bis 70 Grad Celsius. Daraus ergibt sich das erforderliche Temperaturniveau. Umso höher die Vorlauftemperatur, umso höher die Temperaturdifferenz bei gleichbleibender Außentemperatur und umso geringer der Wirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis zwischen Wärmeenergie und benötigter Arbeitsenergie. Der Wirkungsgrad von Wärmepumpen liegt bei Luft-Wärme-Pumpen bei rund 250 bis 350 Prozent (bei tiefen Temperaturen von minus 20 Grad Celsiusunter bei rund 200 Prozent), bei Sole-Wasser-Wärmepumpen bei rund 400 Prozent und bei Wasser-Wasser-Wärmepupen bei rund 500 Prozent. Vergleichsweise kommt eine Gasheizung oder eine Ölheizung auf rund 100 Prozent. Fossile Heizungssysteme halten sich folglich nur so lange, wie die entsprechenden Brennstoffe billig verfügbar sind, was angesichts von Umweltauflagen, Klimaauflagen und geopolitischen Fragestellungen unsicher ist.

Wärmepumpen arbeiten kongenial mit Photovoltaik. Allerdings stellt sich immer die Frage nach der Energiespeicherung. Weil auf unseren Dächern mittels Photovoltaik zeitweise weitaus mehr Energie hergestellt als benötigt wird, andersherum zeitweise der Bedarf höher ist als die Produktion, entstehen die weitreichenden Problematiken, die mit der Energiespeicherung zusammenhängen. Diese Problematiken betreffen uns heute alle, unmittelbar und direkt und werden nicht mehr nur auf volkswirtschaftlicher Ebene mit Blick auf Wasserkraft, Windkraft, Photovoltaik, Wasserstoff und Energiespeicher geführt.

Die Entwicklung im Bereich der Erforschung alternativer Batteriesysteme, die auch Feststoffbatterien umfassen, schreitet voran. Trotz der energetischen Ineffizienz bietet das Speichermedium Wasserstoff in bestimmten Bereichen allerdings deutliche Vorteile und Sicherheiten, weshalb Wasserstoff nicht aus dem Blick zu verlieren ist.

Der Themenkomplex der energetischen Autarkie im Bauwesen, die Möglichkeit und Notwendigkeit, erneuerbare Energieformen einzusetzen, aber auch die zunehmende Elektrifizierung unserer Gebäude durch moderne Steuerungsmechanismen – Stichwort „Smart home“ – macht die Auslegung unserer Bauwerke für die Energieerzeugung, Energiespeicherung und Energiebereitstellung immer notwendiger. Genauso wie das Tragwerk sich nicht dem Bauwerksentwurf unterordnen kann, verhält sich die Angelegenheit immer deutlicher auch beim Thema Energie und Gebäudesteuerung.

Folglich sind unsere Bauwerke zunehmend so zu konzipieren und auslegen, dass das Höchstmaß an Energie effizient genutzt werden kann. Dadurch verändern sich unter anderem auch die Ästhetik sowie die Erscheinung des Hochbaus. Architektur und Tragwerksplanung, aber auch die Technische Gebäudeausstattung müssen gewillt sein, integrative Gebäudeentwürfe zu konzipieren. Betroffen ist aber auch der Tiefbau: Wenn wir Geothermie gezielt für unsere Bauwerke nutzen wollen, damit auch das Prinzip Wärmepumpe potenzieren wollen, dann ist auch die entsprechende Auslegung des Tiefbaus und der Geotechnik wesentlich. Und vielleicht sind auch die Pfähle, die im Bereich der Gründung oder Baugrubensicherung notwendig werden, geothermisch einsetzbar.

In diesem Sinne geht es mehr denn je, Räume und Flächen möglichst effizient und dynamisch mit Photovoltaik und Solarthermie auszustatten, Speichersysteme vorzusehen und die Geothermie grundsätzlich anzudenken. Photovoltaik-Module können folglich auf Bauwerken, auf Dächern, auf Fassaden, im Wasser, über Parkplätzen sowie über landwirtschaftlichen Flächen angebracht werden. Durch die Bandbreite an möglichen Einsatzgebieten werden aber auch die technischen Herausforderungen größer. Das Tragwerk muss möglichst filigran, die Solarmodule müssen zunehmend anpassbar und mobil sein, der Schatten ist in den heißen Monaten erwünscht und in den weniger heißen Monaten nicht.

Neues Bauen für die solare Energie: Photovoltaik und Leichtbau

Energieautarkie: Strategische Entscheidungen für die Versorgungssicherheit

Literatur:

[1] Panos Konstantin: „Praxisbuch Energiewirtschaft – Energieumwandlung, -transport und -beschaffung, Übertragungsnetzausbau und Kernenergieausstieg“, Springer Verlag, Berlin 2017

[2] Andreas Seeliger: „Energiepolitik – Einführung in die volkswirtschaftlichen Grundlagen“, Verlag Franz Vahlen, München 2018

[3] Christian Synwoldt: „Dezentrale Energieversorgung mit regenerativen Energien – Technik, Märkte, kommunale Perspektiven“, Springer Vieweg, Wiesbaden 2021

[4] Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer: „Handbuch Regenerative Energietechnik“, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2017

[5] Michael Demanega: „Sistemi di produzione di energia da idrogeno ed applicazione in ambito abitativo“, Università di Trento – Facoltà di Ingegneria, Corso di Laurea – Ingegneria Civile, 2011-2012