Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe ist revolutionär. Kennen Sie eine andere Heizungsform, die Wärme aus kostenloser und unbegrenzt verfügbarer Energie gewinnt? Wärmepumpen basieren anders als die meisten Heizungsarten nicht auf einem Verbrennungsprozess, um die in Brennstoffen gebundene Energie nutzbar zu machen. Stattdessen macht sich die Technologie die in der Umwelt gespeicherte thermische Energie zunutze. Grundwasser, Erdreich oder die Umgebungsluft dienen als Energielieferanten. Doch ganz ohne externe Zugaben kommt auch diese Heizungsart leider nicht aus: Ein Bauteil der Wärmepumpenheizung benötigt zusätzlich elektrische Energie, um das Funktionsprinzip aufrecht erhalten zu können. Schliesslich ist die Umgebungstemperatur meist niedriger als die gewünschte Innentemperatur in den Wohnräumen. Die verfügbare Wärmeenergie muss daher verdichtet werden, bevor sie in das Heizungssystem eingespeist werden kann. Dieser Prozessschritt kommt nicht ohne die Zugabe von elektrischer Energie aus. Doch Schritt für Schritt: Wärmepumpen bestehen aus den folgenden Hauptkomponenten, die einen geschlossenen Kreislauf bilden.
Verdampfer
Verdichter
Kondensator
Expansionseinrichtung
«Aus einer Einheit Strom können so zwei bis fünf Einheiten Wärme entstehen.»
Luft-Luft-Wärmepumpe
Für eine Luft-Luft-Wärmepumpe ist eine Lüftungsanlage nötig. Dieses Heizsystem entzieht der Abluft über einen Wärmetauscher die Wärmeenergie und führt sie der frischen Luft zu. Dieses Prinzip kommt vor allem in Häusern mit hohem Baustandard (Minergie-P) zum Einsatz.
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Umgebungsluft die Wärmeenergie und macht sie durch einen physikalischen Vorgang für die Heizung nutzbar. Der grosse Vorteil der Luft-Wasser-Wärmepumpen liegt darin, dass sie keine komplizierten Umbaumassnahmen erfordern. Sie sind überall kurzfristig einsetzbar und vergleichsweise günstig. Sie funktionieren bis zu einer Aussentemperatur von minus 20 Grad.
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Die Sole-Wasser-Wärmepumpe ist unabhängig von der Aussentemperatur und bezieht die Energie direkt aus dem Erdboden. Die Nutzung der Erdwärme erfordert Bohrungen von bis zu 300 Metern. Die Erlaubnis für die Bohrung muss zuvor abgeklärt werden.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe stellt ein vorhandenes Wasserreservoir die Wärmequelle dar. Das Grundwasser bietet mit seiner rund ums Jahr konstanten Temperatur eine verlässliche, erneuerbare Wärmequelle fürs Heizen mit Wärmepumpen. Die Erlaubnis für die Bohrung bis auf das Grundwasserniveau muss zuvor abgeklärt werden. Die sich fortlaufend verbessernde Technologie erlaubt auch das Nutzen von Abwasser und Oberflächengewässern. Vor allem bei grösseren Überbauungen und grösseren Heizanlagen kommen auch Seen, Flüsse oder Abwasserkanäle als Quelle in Frage. In diesem Fall benötigt das System eine Filteranlage, da Schmutzpartikel ohne Filterung die Rohre und die Pumpe verschmutzen. Für ein Einfamilienhaus ist dies normalerweise zu aufwendig.
In dieser Reihenfolge lässt sich auch der schrittweise Prozess zur Gewinnung von Heizwärme aus der Umgebungsenergie beschreiben. Im Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel, ohne dessen spezielle Eigenschaften der Betrieb einer Wärmepumpe nicht möglich wäre. Während es die verschiedenen Stationen des Prozesses durchläuft, verändert es seinen Aggregatzustand.
Solarthermieanlagen fangen die Energie der Sonne auf und wandeln sie in Wärme um, die zur Wohnungsheizung und zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann. Da Solarthermieanlagen von möglichst direkter Sonneneinstrahlung abhängig sind, können sie nur in den seltensten Fällen den gesamten Wärmebedarf decken. Aus diesem Grund werden sie in der Regel als Hybridheizungen mit anderen, unabhängigen Technologien kombiniert, zum Beispiel einer Gasheizung. Die zweite Heizung deckt dann unabhängig von der Sonne den Restbetrag der Heizenergie.
Die zweite Möglichkeit, Sonnenenergie privat nutzbar zu machen, liefern Photovoltaikanlagen. Sie gewinnen jedoch keine Wärme, sondern elektrische Energie. Diese kann entweder selbst verbraucht werden oder in das öffentliche Versorgungsnetzwerk eingespeist werden.
Um aus Sonnenstrahlen Strom zu erzeugen, sind eine Reihe von Komponenten hintereinander geschaltet:
Die Solarzellen, die die Strahlung in Gleichstrom umwandeln.
Ein Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, wie er auch im Stromnetz fliesst.
Ein Stromspeicher, falls Strom für einen späteren Eigenverbrauch aufgespart werden soll.
Abhängig vom Anschluss der Photovoltaikanlage an das Netz wird zwischen sogenannten Inselanlagen und netzgekoppelten Anlagen unterschieden. Inselanlagen werden isoliert betrieben, indem die gewonnene Energie auf einen Speicher übertragen und daraus genutzt wird. Für dauerhaft bewohnte Gebäude sind sie allerdings nicht zu empfehlen. Photovoltaikanlagen an Wohngebäuden werden in der Regel netzgekoppelt betrieben. Das ermöglicht es, Strom aus dem öffentlichen Netz zu beziehen, wenn die Photovoltaikanlagen keinen Strom erzeugt und die Speicher entladen sind.
Die Ölheizung ist aktuell noch die meist verbaute Heizung in der Schweiz. Knapp 40% der Bevölkerung beheizen Ihr Eigenheim mit dem fossilen Energieträger Öl.
Um Wärme zu erzeugen, wird ein Öl-Luft-Gemisch im Heizkessel verbrannt. Über einen Wärmetauscher wird die Hitze an Wasser im Heizkessel übertragen. Das im Heizkessel erhitzte Wasser wird nun über ein Rohrsystem in die Heizkörper gepumpt und gibt dort die Wärme an die Umgebungsluft ab.
Eine Ölheizung kann sowohl der Erzeugung von Raumwärme als auch der Bereitstellung von Warmwasser in Gebäuden dienen. Damit kann sie als zentrales Heizsystem genutzt werden. Für die Bereitstellung von Warmwasser muss ein Warmwasserspeicher mit eingebaut werden.
So wie jede Heizung hat auch eine Ölheizung ihre Vorteile und Nachteile. Zu den Vorteilen einer Ölheizung gehört, dass mit dem Austausch des alten Heizkessels in einen neuen Brennwertkessel bis 10 bis 30% an Energie eingespart werden können (inklusive hydraulischem Abgleich der neuen Heizung). Ausserdem kann eine Ölheizung mit erneuerbaren Energien wie einer Wärmepumpe oder Solaranlage kombiniert werden und ist in der Anschaffung günstiger als andere Heizungsarten.
Die Gasheizung ist eine Zentral-Heizung, bei der durch die Verbrennung von Gas Wärme erzeugt wird. Sie zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad mit guter Verbrennqualität und niedrigen Schadstoffemissionen aus. Die Verbrennung von Gas ist nicht nur 12% CO2-ärmer als die Verbrennung von Öl, die Kosten für eine neue Gasheizung und deren Wartung sind auch deutlich geringer als die anderer Heizsysteme.
Eine Gasheizung kann sowohl mit Erdgas als auch mit Flüssiggas betrieben werden. Erdgas wird direkt aus der Erde gewonnen und ist ein nicht erneuerbarer Energieträger. Flüssiggas ist eine Mischung aus Butan und Propan und weniger umweltfreundlich als Erdgas.
Ein besonderer Vorteil einer Gasheizung ist vor allem die moderate Investition bei der Neuanschaffung. Ist das Haus bereits vom Gasnetz erschlossen, dann sind der Einbau und die spätere Wartung mit wenig Aufwand von einem Fachmann realisierbar.
Ausserdem ist eine moderne Gasheizung verhältnismässig umweltfreundlich und stösst nur wenig CO2 aus. Da die Heizung nur wenig Platz benötigt.
Es ist unumstritten, dass Ölbrennwertkessel oder Gasbrennwertkessel einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Doch ihre wichtigsten Vorteile wie eine hohe Zuverlässigkeit und eine ausgeprägte Leistungsfähigkeit können nicht über die entscheidenden Nachteile hinwegtäuschen: Die Abhängigkeit von zum Teil fossilen Brennstoffen mit schwer kalkulierbaren Betriebskosten und die Schadstoffbelastung der Umwelt. Betrachtet man dagegen die Wärmepumpe, fällt auf, dass sie hauptsächlich auf die kostenfrei und unbegrenzt verfügbare Umweltenergie zurückgreift. Sie ist daher im Betrieb besonders umweltfreundlich und kostengünstig. Das gilt aber nur so lange, wie sie nicht an ihrer Leistungsgrenze arbeiten muss. Was liegt also näher, als die beiden Systeme zu kombinieren? Die Idee dahinter: Die Effizienz der Hybridheizung ist grösser als die Effizienz der für sich betrachteten Teilsysteme. Der Schlüssel dazu ist eine intelligente Steuerung, die situationsabhängig diejenige Heizungsart einsetzt, die unter den momentanen Bedingungen optimal arbeitet, also eine Hybridheizung. Steht solch eine Steuerung zu Verfügung, dann lassen sich meist mindestens zwei Betriebsmodi anwählen:
Energetisch optimierter Betrieb: DieHeizungen arbeiten so, dass die gewünschte Wärme unter möglichst geringen Schadstoffemissionen erreicht wird.
Kostenoptimierter Betrieb: Die Heizungen arbeiten so, dass die gewünschte Wärme unter möglichst geringen Kosten erreicht wird.
Das technische Prinzip dahinter ist nicht neu: Statt von der Hybridheizung sprach man vorher von der bi- oder multivalenten Heizung. Dabei werden grundsätzlich Heizungen für fossile und erneuerbare Energien an denselben Heizkreislauf angeschlossen. Möglich macht dies eine hydraulische Weiche, ein Wärmespeicher für Trinkwasser oder Heizwasser, an den alle Versorger und Verbraucher im Gebäude angebunden sind.
In der Schweiz lag im Jahr 2017 der Anteil an Fernwärme als Hauptenergieträger bei 4,2%. Rund 2,3% der Warmwasserversorgung wurde ebenfalls über Fernwärme erzeugt. Experten sagen eine steigende Tendenz der mit Fernwärme versorgten Haushalten voraus, aufgrund der stetig wachsenden Effizienz und der neuen Energiegesetze, voraus. Zusätzlich leistet ein Anschluss an ein Fernwärmenetz einen wesentlichen Beitrag zum Umweltschutz durch Senkung der CO2-Emissionen.Mit der Fernwärme wird die eigene Heizung im Haushalt ersetzt. Dies bedeutet zum einen weniger Aufwand durch kostenintensive Wartungen und Instandhaltungen zum anderen fällt grösstenteils das Risiko von Reparaturen weg. Der Anschluss an ein Fernwärmenetz ergibt aus vielen Gründen Sinn. Die gesamte Energie entsteht in einer Heizzentrale und wird von dort aus an die Gebäude weitergeleitet. Dadurch erzielt die Fernwärme einen hohen Wirkungsgrad mit effizienter Ressourcennutzung.
Eine Pelletheizung führt zurück zu den Ursprüngen des Heizens: Brennstoff ist bei dieser Technik Holz. Doch im Gegensatz zum Lagerfeuer oder Kamin wird dieses bei Pelletheizungen der automatisch zugegeben – in Form von handlichen Pellets, die aus gepressten Holzresten bestehen. Dank dieser Modernisierung wird auch eine Holzheizung zu einer Alternative in der modernen Heizungswelt, mit der sowohl Wärme als auch Warmwasser bereitgestellt werden können.
Eines der wichtigsten Merkmale der Pelletheizung sind die namensgebenden Pellets. Da sie aus gepresstem Holz bestehen, sind sie zu einhundert Prozent nachhaltig. Die bei der Verbrennung freigesetzten Treibhausgase wären alternativ bei der Verrottung des Holzes ebenfalls freigesetzt worden. Wer auf den Komfort einer Brennerheizung, die auf individuelle Heizbedürfnisse schnell und zuverlässig reagieren kann, nicht verzichten mag, aber trotzdem umweltbewusst heizen möchte, findet in der Pelletheizung eine zuverlässige Lösung. Im Gegensatz zu Biomasseheizungen, die auf grosse Holzscheite setzen und regelmässig von Hand bestückt werden müssen, können Pelletheizungen dank der Einheitsgrösse der Pellets in der Regel automatisch betrieben werden. Ein jährliches Auffüllen des Holzvorrats sowie das Entfernen der Asche maximal alle ein bis zwei Wochen sind die einzigen anfallenden Arbeiten bei einer Pelletheizung.
Zurück zum ältesten Heizsystem der Geschichte. Wer sich mit der Geschichte der Heizung schon einmal auseinandergesetzt hat weiss, dass Lagerfeuer bereits bei den Neandertalern zur Wärmeerzeugung genutzt wurden. So begleitet uns Holz schon über viele Jahrhunderte und versorgt uns mit Wärme.Die Technologie hat sich dabei stetig weiterentwickelt und so wurde die Zuverlässigkeit sowie die Energieeffizienz verbessert. Holzheizungen sind sehr robust und für einen langen Lebenszyklus ausgelegt.Jedoch ist die Bezeichnung Holzheizung nur ein Sammelbegriff für verschiedene Heizsysteme, die mit Holz betrieben werden. Hier möchten wir Ihnen einen allgemeinen Überblick über die Eigenschaften und Merkmale der Holzheizung geben. Anschliessend werden wir die Stückholzheizung und die Hackschnitzelheizung genauer unter die Lupe nehmen. Sie finden darüber hinaus hier weitere Informationen zur Pelletheizung, welche ebenfalls zu der Gruppe der Holzheizungen gehört.
Holzheizungen gehören zu den Gebäudeheizungen. Durch die Verbrennung von Holz wird Wärme freigesetzt, welche in Form von Raumwärme abgegeben wird. Holz ist ein Festbrennstoff und ordnet sich in die die Stoffgemische als Biomasse ein. Holz (Brennholz) gibt es in Form von Scheitholz, Stückholz, Holzpellets, Hackschnitzeln und Holzbriketts. Während Pellets und Hackschnitzel von speziellen Öfen verheizt werden müssen, eignen sich Scheitholz, Holzbriketts und Stückholz auch für offene Feuer.Anders wie bei anderen Heizsystem können Holzheizungen mehrere Räume (Zentralheizung) oder nur einen Raum beheizen. Jedoch können Sie auch als Hybridheizung eingesetzt werden und nur als primärer Energieträger genutzt werden (z.B. Kachelofen). Wird eine Holzheizung dazu verwendet ganze Gebäudekomplexe zu beheizen, werden sie auch Holzheizwerk genannt.Heizen mit Holz geniesst immer noch grosse Beliebtheit. Der Anteil an Holzheizungen in der Schweiz betrug im Jahr 2017 stolze 10,1%.
Das schweizerische Bundesamt für Energie misst der Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) zusammen mit der Elektro-Wärmepumpe ein grosses Potenzial für die Senkung des Primärenergiebedarfs zu. Im Zuge des vermehrten Einsatzes dieser Heizungsarten konnte auch die Schadstoffbelastung bereits erheblich verringert werden. Nun versteht man unter WKK-Anlagen für den Einsatz in Wohnimmobilien meist Blockheizkraftwerke (BHKW), die die im Brennstoff gespeicherte Energie in einem Prozess einer doppelten Nutzung zuführen. Dabei entsteht gleichzeitig Strom und Wärme und zwar unter besonders geringen Energieverlusten.
Ende 2016 haben die 972 in der Schweiz installierten WKK-Anlagen etwa 47 Prozent des Wärme- und 3 Prozent des Strombedarfs in der Schweiz gedeckt.[2]Dazu tragen natürlich nicht nur Anlagen für die Aufstellung in Wohngebäuden bei, sondern sämtliche Einrichtungen, die das WKK-Prinzip nutzen. Den grössten Anteil unter ihnen machen aber kleine Anlagen aus, die über eine installierte elektrische Leistung von weniger als 1 MW verfügen. Die Tabelle zeigt die wichtigsten Energieträger, die Klein-WKK-Anlagen in der Schweiz Ende 2016 nutzten.
Wie jede herkömmliche Heizung erzeugt die Brennstoffzelle Wärme und stellt sie den Bewohnern in Form von Heizungswärme und Warmwasser zur Verfügung. Doch darüber hinaus produziert eine solche Brennstoffzelle auch elektrischen Strom. Die Brennstoffzelle ist also auch eine WKK-Technologie, obwohl die Brennstoffzelle gänzlich anders funktioniert als ein Blockheizkraftwerke. Keine thermische Verwertung, sondern die sogenannte kalte Verbrennung, ein elektrochemischer Prozess, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden, setzt die Energie in einer Brennstoffzelle frei.
Gewinnung von Wasserstoff für die Brennstoffzelle
Wasserstoff als hauptsächlicher Rohstoff für den Prozess ist theoretisch in ausreichender Menge für eine Brennstoffzelle verfügbar. Denn Wasserstoff ist eines der häufigsten chemischen Elemente und Bestandteil nahezu jeder organischen Verbindung. Dennoch muss bisher der Wasserstoff durch einen meist mit Erdgas betriebenen Reformer aus Erdgas gelöst werden, bevor er für die Brennstoffzelle verwendet werden kann. Die Schritte dieses noch unverzichtbaren Vorprozesses für die Brennstoffzelle im Einzelnen:
Der Reformer versetzt Erdgas mit Wasserdampf
Das im Gas enthaltene Methan wird zu einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff
Dann werden die Substanzen zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt
Der Wasserstoff wird gereinigt und an die Brennstoffzelle weitergegeben, Kohlenstoffdioxid entweicht in die Umgebung
Bei diesem Prozess werden also derzeit Schadstoffe durch die Brennstoffzelle abgegeben. Doch die folgenden Abschnitte zeigen, dass dies mit den nächsten Evolutionsstufen der Technologie die Brennstoffzelle vielleicht bald schafstofffrei betrieben werden kann.
Was die Brennstoffzellenheizung ausmacht
Das WKK-Prinzip ist also nur einer der Aspekte, die die Brennstoffzelle so interessant machen. Für die Brennstoffzellenheizung spricht ausserdem, dass sie einige entscheidende Schwächen von Blockkraftheizwerk (BKHW) ausgleicht. Sie bietet:
Potentielle Emissionsfreiheit
Geräusch- und Wartungsarmut durch Verzicht auf bewegliche Teile
Bessere Stromausbeute
Die Technik der Brennstoffzellenheizung ist noch relativ neu, was die Verfügbarkeit für Endverbraucher einschränkt. Doch wie bei den ebenfalls wärmegeführt arbeitenden BHKW gilt: Für einen wirtschaftlichen Betrieb muss viel Strom produziert werden. Auch eine Brennstoffzellenheizung arbeitet also am besten, wenn sie auf möglichste hohe Laufzeiten kommt. Das heisst: Entscheidend dafür, ob sich die Brennstoffzellenheizung anschaltet ist der momentane Wärmebedarf. Das liegt schlicht daran, dass Wärme schlechter gespeichert und zu weiter entfernten Abnehmern transportiert werden kann als elektrischer Strom.Hier ist die Brennstoffzellenheizung trotzdem unkritischer als das Blockheizkraftwerk (BHKW).
Der Grund liegt in der Stromkennzahl. Denn die Brennstoffzelle hält die Balance bei der Gewinnung beider Energieformen. Zum Vergleich: Ein BHKW mit einem Verbrennungsmotor generiert typischerweise Wärme und Strom in einem Verhältnis von 3 zu 1. Also lässt sich mit einer Brennstoffzellenheizung bei gleichem Energiebedarf erheblich mehr Strom erzeugen, der entweder selbst verbraucht, oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Während ein BHKW sich also für schlecht gedämmte Gebäude und Nutzer mit einem verbrauchsbedingt hohen Wärmebedarf eignet, passt die Brennstoffzellenheizung auch in ein Wohngebäude nach aktuellem Minergie-Standard.
