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Von aktuellen Forschungsergebnissen zu praktischen Tipps für die energetische Sanierung

Energie- und Wärmequellen im Bestand

Beim nachhaltigen Sanieren rücken Energie- und Wärmelieferanten in den Fokus, da sie entscheidend für die Energieeffizienz und CO2-Bilanz eines Gebäudes sind. Moderne Heizsysteme, wie Wärmepumpen, nutzen Umweltwärme und verringern den Bedarf an fossilen Brennstoffen. Solarthermie-Anlagen können mit Sonnenenergie Warmwasser erzeugen, während Photovoltaikanlagen elektrische Energie für den Haushalt bereitstellen. Biomasse-Heizungen, die nachwachsende Rohstoffe nutzen, sind ebenfalls eine Alternative zu konventionellen Heizungen. 

Blockheizkraftwerke (BHKW) sind eine weitere Option, da sie gleichzeitig Strom und Wärme produzieren und dadurch eine hohe Effizienz erreichen. Fernwärmenetze, die auf erneuerbaren Energien oder Abwärmenutzung basieren, können ebenfalls in das Sanierungskonzept integriert werden. Zusätzlich spielen auch Energiespeichersysteme, die überschüssige Energie speichern und bei Bedarf wieder abgeben, eine immer wichtigere Rolle.

Doch diese Technologien bringen auch Herausforderungen mit sich. Die Integration neuer Systeme in bestehende Gebäudestrukturen kann komplex sein und erfordert oft bauliche Anpassungen. Die Anfangsinvestitionen sind häufig höher, wobei sich diese durch Einsparungen und staatliche Förderungen mittelfristig amortisieren können. Außerdem sollte man sich über aktuelle Regulierungen und Normen im Klaren sein, die den Einsatz bestimmter Technologien beeinflussen können.

Zusammenfassend bieten nachhaltige Energie- und Wärmelieferanten beim Sanieren immense Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Reduzierung der Umweltauswirkungen, erfordern jedoch eine umsichtige Planung und Investition.

Biomasse­heizung

Die Biomasseheizung ist eine Form der Energiegewinnung, bei der organische Materialien wie Holz, Stroh, Pellets oder andere biologische Abfallprodukte verbrannt werden, um Wärme zu erzeugen. Dabei wird die im Biomasse-Material gespeicherte Energie freigesetzt und zur Beheizung von Gebäuden oder zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt. Der Prozess der Biomasseheizung trägt zur nachhaltigen Energiegewinnung bei, da die verbrannten Materialien während ihres Wachstums CO2 aus der Atmosphäre aufgenommen haben, was zu einem weitgehend ausgeglichenen Kohlenstoffkreislauf führt.

Blockheizkraft­werke

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine dezentrale Energieerzeugungsanlage, die sowohl Wärme als auch elektrische Energie in einem integrierten Prozess erzeugt. Dabei erfolgt die gleichzeitige Nutzung von Brennstoffen, wie beispielsweise Erdgas, Biomasse oder Heizöl, um mittels eines Verbrennungsmotors oder einer Gasturbine mechanische Arbeit zu leisten. Diese mechanische Arbeit wird dann durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Zusätzlich wird die bei diesem Prozess entstehende Abwärme genutzt, um Gebäude zu beheizen oder für industrielle Zwecke verwendet zu werden. Blockheizkraftwerke zeichnen sich durch ihre Effizienz aus, da sie die Abwärme, die bei der Stromerzeugung entsteht, sinnvoll nutzen und somit den Gesamtwirkungsgrad der Anlage steigern.

Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind effiziente Energie- und Wärmeerzeuger mit einem Wirkungsgrad von ca. 90 %. Der Vorgang, bei dem Strom und Wärme erzeugt werden, wird „kalte Verbrennung“ genannt und ist eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Als Abfallprodukt fällt lediglich Wasser an. Eine Brennstoffzelle besteht aus einer Kathode, einer Anode und einem Elektrolyt, das zwischen beiden liegt. Wasserstoff wird an der Anode zugeführt und dadurch gespalten, wobei Elektronen und Protonen freigesetzt werden. Die Elektronen fließen über einen externen Stromkreislauf und erzeugen dabei Strom, während die Protonen durch das Elektrolyt zur Kathode wandern. An der Kathode trittder Sauerstoff ein und reagiert mit den Protonen und den Elektronen aus dem externen Stromkreislauf, wodurch Wasser entsteht. Die Reaktion an der Kathode gibt ebenfalls Energie frei, die in Form von Strom genutzt werden kann.

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff, auch als „green hydrogen“ auf Englisch bezeichnet, bezieht sich auf Wasserstoff, der unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen hergestellt wird, insbesondere mithilfe von Elektrolyse, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Im Gegensatz zu konventionellem Wasserstoff, der oft aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird und mit Kohlendioxidemissionen verbunden ist, wird grüner Wasserstoff mit sauberen Energiequellen produziert.

Die Herstellung von grünem Wasserstoff erfolgt durch Elektrolyse von Wasser, bei der elektrischer Strom durch Wasser geleitet wird, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Wenn dieser elektrische Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt, wie beispielsweise Windenergie oder Solarenergie, wird der erzeugte Wasserstoff als grün betrachtet.

Holzvergaser­kessel

Ein Holzvergaserkessel ist eine Heizanlage, die Holz als Brennstoff nutzt, aber im Unterschied zu herkömmlichen Holzkesseln den Prozess der Vergasung einsetzt. Der Kessel ermöglicht die Umwandlung von festem Holz in brennbares Gas durch einen kontrollierten Sauerstoffmangel während der Verbrennung. Dieses entstandene Holzgas wird anschließend verbrannt, um Wärme zu erzeugen. Im Vergleich zu älteren Holzheizungen bieten Holzvergaserkessel eine effizientere Verbrennung und können die Emissionen reduzieren. Sie spielen eine Rolle in der Nutzung erneuerbarer Energien und tragen zur Reduzierung der CO2-Bilanz bei, besonders wenn das Holz aus nachhaltig bewirtschafteten Wäldern stammt. Die Anwendung solcher Kessel unterliegt in vielen Ländern spezifischen Vorschriften, um Umweltstandards zu erfüllen und die Luftqualität zu schützen.

Photovoltaik

Photovoltaik ist eine Technologie, die die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie ermöglicht. Sie basiert auf dem sogenannten photovoltaischen Effekt, bei dem bestimmte Materialien, insbesondere Halbleiter, Licht absorbieren und in Elektrizität umwandeln können. In Photovoltaikanlagen werden Solarzellen eingesetzt, die aus solchen Halbleitermaterialien bestehen.

Diese Solarzellen sind so konzipiert, dass sie auf Sonnenlicht reagieren und Photonen absorbieren. Wenn Licht auf die Solarzellen trifft, erhalten die Elektronen im Halbleitermaterial ausreichend Energie, um aus ihrer normalen Position freigesetzt zu werden. Dies führt zur Bildung von Elektronen und Löchern im Material.

Die freigesetzten Elektronen beginnen dann, durch das Halbleitermaterial zu wandern, was einen elektrischen Strom erzeugt. Dieser Strom kann über die Anschlüsse der Solarzellen abgegriffen und für die Stromversorgung von elektrischen Geräten oder für die Speicherung in Batterien genutzt werden.

Photovoltaikanlagen können in verschiedenen Größen und Formen installiert werden, von kleinen solarbetriebenen Geräten bis hin zu großen Solarparks, die signifikante Mengen an elektrischer Energie für Gemeinden oder Unternehmen erzeugen können. Die Photovoltaik spielt eine entscheidende Rolle in der Nutzung erneuerbarer Energiequellen, da sie keine beweglichen Teile hat, keine direkten Emissionen während des Betriebs erzeugt und eine nachhaltige Nutzung der Sonnenenergie ermöglicht.

Sockelheizung

Eine Sockelheizung ist eine Form der Raumheizung, bei der Heizelemente entlang des Sockels oder der Fußleiste eines Raumes installiert sind. Diese Heizsysteme sind in der Regel elektrisch betrieben und können verschiedene Formen annehmen, wie zum Beispiel Heizkabel oder Heizmatten.

Die Funktionsweise einer Sockelheizung besteht darin, dass sie Wärme von der Fußleiste aus abstrahlt und diese dann gleichmäßig im Raum verteilt. Da warme Luft nach oben steigt, erwärmt die Sockelheizung zunächst den unteren Bereich des Raumes, was zu einer angenehmen und gleichmäßigen Temperaturverteilung beitragen kann.

Sockelheizungen werden oft in Kombination mit anderen Heizsystemen verwendet, um eine optimale Raumtemperatur zu erreichen. Sie können beispielsweise als zusätzliche Heizquelle in Räumen mit kalten Fußböden eingesetzt werden. Zudem können sie in modernen Wohnungen oder Gebäuden eine alternative Form der Heizung darstellen, die nicht nur effizient, sondern auch platzsparend ist, da sie an den Wänden entlang verläuft und keinen zusätzlichen Raum im Raum beansprucht.

Es ist wichtig zu beachten, dass es verschiedene Arten von Sockelheizungen gibt, darunter elektrische Sockelheizungen und solche, die in Verbindung mit einem zentralen Heizungssystem betrieben werden.

Quelle

Solarthermie

Solarthermie ist eine Technologie, die die Wärmeenergie der Sonne nutzt, um Wasser zu erhitzen oder Luft zu erwärmen. Im Gegensatz zur Photovoltaik, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt, konzentriert sich die Solarthermie auf die direkte Nutzung der solaren Wärme.

Solarthermische Anlagen bestehen in der Regel aus Kollektoren, die auf Dächern oder anderen geeigneten Standorten installiert sind. Diese Kollektoren absorbieren die Sonnenstrahlung und wandeln sie in Wärme um. Es gibt verschiedene Arten von Solarthermie-Kollektoren, darunter Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und Parabolrinnenkollektoren.

Die Funktionsweise ist grundlegend: Die absorbierte Sonnenenergie erhitzt ein Trägermedium, oft Wasser oder eine Wärmeträgerflüssigkeit, innerhalb der Kollektoren. Diese erhitzte Flüssigkeit wird dann durch ein System aus Rohren oder Leitungen zu einem Wärmespeicher oder direkt zu einem Heizsystem transportiert.

In einem Wärmespeicher wird die erzeugte Wärme für spätere Verwendung gespeichert, was besonders nützlich ist, wenn die Sonne nicht scheint. Bei direkter Nutzung wird die erwärmte Flüssigkeit direkt zu einem Heizsystem oder Warmwasserbereiter geleitet.

Solarthermie wird häufig in privaten Haushalten, aber auch in größeren Anlagen für industrielle oder gewerbliche Zwecke eingesetzt. Es handelt sich um eine umweltfreundliche Technologie, die erneuerbare Energie nutzt und dazu beitragen kann, den Verbrauch von fossilen Brennstoffen zu reduzieren.

Wand- und Decken­heizung aus Lehm

Eine Wand- und Deckenheizung aus Lehm ist eine spezielle Art der Raumheizung, die auf dem Einsatz von Lehmmaterialien basiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Heizsystemen, bei denen beispielsweise Radiatoren oder Fußbodenheizungen verwendet werden, setzt eine Wand- und Deckenheizung aus Lehm auf den Baustoff Lehm als Wärmeübertragungsmedium.

Die grundlegende Funktionsweise dieses Heizsystems besteht darin, dass die Heizleitungen, die für die Wärmeübertragung verantwortlich sind, in oder auf Bauelementen aus Lehm integriert sind. Dies können Lehmputzschichten an den Wänden oder Lehmdecken sein. Die Wärme wird dann durch den Lehm absorbiert und gleichmäßig an den Raum abgegeben.

Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe ist eine technologische Vorrichtung, die dazu dient, Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur zu einem Ort mit höherer Temperatur zu übertragen. Dieser Prozess erfolgt durch den Einsatz eines geschlossenen Kreislaufsystems, in dem ein Kältemittel zirkuliert.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe kann in mehreren Schritten beschrieben werden. Zunächst entzieht die Wärmepumpe Wärme aus einer Umgebung mit niedriger Temperatur, beispielsweise der Luft, dem Boden oder dem Grundwasser. Dies geschieht durch den Verdampfer der Wärmepumpe, wo das Kältemittel im Kreislauf verdampft.

Der Kompressor der Wärmepumpe erhöht den Druck und die Temperatur des gasförmigen Kältemittels. Das aufgewärmte Kältemittel wird dann durch den Kondensator geleitet, wo es die gesammelte Wärme an den Ort abgibt, an dem sie benötigt wird, beispielsweise in einem Heizsystem oder für die Warmwasserbereitung. Hierbei kondensiert das Kältemittel wieder in den flüssigen Zustand.

Nachdem die Wärme übertragen wurde, durchläuft das Kältemittel das Expansionsventil, wo es entspannt wird und der Kreislauf von Neuem beginnt.

Wärmepumpen ermöglichen somit eine effiziente Nutzung der Umgebungswärme, indem sie diese auf ein höheres Temperaturniveau heben und für Heizzwecke oder die Bereitstellung von Warmwasser nutzen. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Energieeffizienz von Gebäuden und können verschiedene Energiequellen nutzen, je nach den örtlichen Gegebenheiten.

Elektrokalorische Wärmepumpen

Leitprojekt ElKaWe

Im Rahmen des Projektes kooperieren sechs Fraunhofer-Institute an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen, die sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen eingesetzt werden können.

Gegenwärtig basieren die meisten Wärmepumpen auf der Kompressor-Technologie. Die elektrokalorischen Wärmepumpen versprechen einen erheblich höheren Wirkungsgrad und kommen ohne schädliche Kältemittel aus.

Im Rahmen dieses Projektes konzentrieren sich die Forschenden auf die Entwicklung keramischer und polymerbasierter elektrokalorischer Materialien. Darüber hinaus wird an einem innovativen Systemansatz gearbeitet, der eine besonders effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht.

Das Hauptziel besteht darin, durch die Forschungsarbeiten im Projekt nachzuweisen, dass elektrokalorische Wärmepumpen das Potenzial haben, herkömmliche Kompressoren langfristig zu ersetzen. Wärmepumpen spielen eine entscheidende Rolle in der Wärmewende, insbesondere wenn sie mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden. Sie fungieren als Bindeglied zwischen Strom- und Wärmeerzeugung.

Institution

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM

Quelle

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM

Kontakt

Prof. Dr. Karsten Buse
Tel.: +49 761 8857-111
Mail: karsten.buse@ipm.fraunhofer.de

Projektzeitraum

01.10.2019 bis 31.12.2024

FC-Bio – Biobasierte Brennstoffzellen (Leittechnologie-Projekt)

Die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung von 2020 sieht vor, grünen Wasserstoff als entscheidende Technologie für die Energiewende zu etablieren. Eine steigende Nachfrage nach Wasserstoff-Brennstoffzellen ist zu erwarten, insbesondere im Zusammenhang mit der Erweiterung der Elektromobilität durch Brennstoffzellenfahrzeuge, der Notstromversorgung sowie als Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme in Industrieanlagen (Prozesswärme) sowie in Büro- und Wohngebäuden (Heizwärme).

Bisher bestehen Brennstoffzellen in der Regel aus Metall und petrochemischen Kunststoffen. Das Ziel dieses Projekts, in Zusammenarbeit mit zwei Forschungspartnern, ist die Entwicklung eines biobasierten Brennstoffzellensystems. Dieses System soll nicht nur nachhaltiger, sondern auch kompakter, leichter und kostengünstiger sein im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Das Fraunhofer WKI arbeitet an der Entwicklung hochleistungsfähiger Holzwerkstoffe sowie Biopolymere, die zur Herstellung elektrisch leitfähiger Compounds dienen.

Institution

Fraunhofer-Institut für Holzforschung – Wilhelm-Klauditz-Institut WKI

Quelle

Fraunhofer-Institut für Holzforschung – Wilhelm-Klauditz-Institut WKI

Kontakt

Dr. Frauke Bunzel
Tel.: +49 531 2155-422
Mail: frauke.bunzel@wki.fraunhofer.de,

Projektzeitraum

01.11.2021 bis 30.04.2024

Perowskite-Solarzellen-Folie

An der Universität Swansea in Wales wird aktuell an gedruckten massentauglichen Perowskite-Solarzellen geforscht. Sie sollen als Folie gedruckt und auf verschiedene gebogene Oberflächen angebracht werden können, wo Solarmodule normalerweise nicht montiert werden können. Der Wirkungsgrad dieser Folie liegt momentan bei 10,8 %, was ungefähr der Hälfte des Wirkungsgrades von Silizium-Modulen entspricht. Der neuste Durchbruch in der Forschung besteht im Ersatz der ursprünglich verwendeten Goldelektroden durch eine kohlenstoffbasierte Tinte. Diese ist nicht nur günstiger in der Herstellung, sondern auch langlebiger.

Institution

Swansea University

Quelle

Heise Medien GmbH & Co. KG

Swansea University

Kontakt

Prof. Trystan Watson
Tel.: k. A.
Mail: t.m.watson@swansea.ac.uk

Projektzeitraum

status: laufend

PV-SOGLA

Photovoltaik-Sonnenschutzverglasung

In diesem Forschungsprojekt soll der Grundstein für die zukünftige Herstellung von Photovoltaik-Sonnenschutzverglasung gelegt werden, damit Glasveredlungsbetriebe die erarbeiteten Grundlagen später in ihrer Produktion umsetzen / einsetzen können. Dazu soll ein entsprechendes Grundwissen über die Farbneutralität der neuen, transparenten Solarzellen und die Herstellung der entsprechenden Halbleiterschichten erworben werden. In experimentellen Serien gekoppelt mit einer optischen Modellierung werden alle relevanten Stellschrauben in der Technologie der Nanoaktivität basierten Solarzelle auf die Erreichung der erforderlichen Farbwiedergabe hin analysiert.

Institution

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)

Quelle

Zukunft Bau des Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen (BMWSB)

Kontakt

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
Tel.: k. A.
Mail: k. A.

Projektzeitraum

10.2022 bis 02.2026

Sun Skins

Grundlagen für adaptive und multifunktionale Solarflächen in urbanen Architekturen

Sun Skins ist ein Projekt zur Entwicklung von organischen PV-Modulen (OPV), die in Form von gebäudeintegrierten PV-Modulen eingesetzt werden sollen. So soll mehr Fläche für die Erzeugung von Solarenergie nutzbar gemacht werden. Die OPV sollen in der Herstellung ressourcenschonender sein und gleichzeitig in vielfältigen Varianten, Formen und Farben zur Verfügung stehen. Aufgrund des geringen Gewichtes eignen sich die OPV besonders gut, um sie mit leichten, an verschiedene architektonische Gegebenheiten adaptierbare Trägermaterialien zu kombinieren. Für die Entwicklung müssen drei Aspekte untersucht werden: Erstens die Entwicklung von räumlich stabilen Formen mit möglichst viel geeigneter Fläche für Solarzellen, die mittels Thermoforming hergestellt werden können. Zweitens die Untersuchung der geometrischen Randbedingungen für den Verbund der OPV-Zellen und den Trägermaterialien. Zuletzt soll eine digitale Methodik entwickelt werden, um die Adaption an verschiedene Anwendungsfeldern zu erleichtern.

Institution

FRA – UAS / Frankfurt University of Applied Sciences

Quelle

Zukunft Bau des Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen (BMWSB)

Kontakt

Prof. Dr. Timo Carl
Tel.: k. A.
Mail: timo.carl@fb1.fra-uas.de

Projektzeitraum

08.2021 bis 06.2023

TABSOLAR III

Fassadenelemente als Wärmequelle für Wärmepumpen

Das Projekt TABSOLAR III knüpft an die beiden gleichnamigen vorangegangen Forschungsprojekte an. Es hat zum Ziel die gesamte Wertschöpfungskette unter Berücksichtigung aller beteiligten Gewerke abzubilden und soll systemische Lösungen für nachhaltiges Heizen anhand eines Demonstrationsgebäudes aufzeigen. Dabei werden alle Aspekte von der Konzeptionierung bis hin zur Montage und dem Betrieb betrachtet. In den vorangegangen Projekten wurden die Grundlagen für diese TABSOLAR®-Module entwickelt, erarbeitet und in verschieden Maßstäben getestet.

Bei den TABSOLAR®-Elementen handelt es sich um solarthermische Module aus Ultrahochleistungsbeton. Die Module sind so konzipiert, dass sie im inneren mit Kanälen, vergleichbar mit Blutbahnen oder Blättern, durchzogen sind. Darin zirkuliert gleichmäßig ein Solarfluid, welches die Wärme der Sonneneinstrahlung und der Umgebung aufnimmt. Durch die Struktur der Kanäle in den Modulen kann die Wärme gleichmäßig über die gesamte Fläche aufgenommen werden. Die dadurch gewonnene Wärme kann für den Betrieb von Wärmepumpen oder zur Unterstützung von Heizungssystemen genutzt werden. Die Module sind als Fassadenelemente in verglaster und nicht verglaster Form erhältlich, dabei hat die verglaste Variante den Vorteil, dass sie höhere Temperaturen aufnehmen kann. Sie bieten gleichzeitig architektonische Gestaltungsmöglichkeiten durch verschiedene Oberflächenstrukturen, Farben und Größen.

Institution

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Quelle

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

TABSOLAR®

Kontakt

Dr.-Ing. Michael Hermann
Tel.: +49 761 4588-5409
Mail: info@tabsolar.de

Projektzeitraum

05.2020 bis 10.2023