Nachhaltigkeit

Heizen ohne Gas

12. April 2022 von Dr. Bernhard Frohn
aktualisiert am 
12. April 2022

Die Verbrennung von Erdgas oder Erdöl zur Beheizung von Gebäuden werden wir im Jahr 2100 niemandem mehr erklären können. Beide Rohstoffe sind über Jahrmillionen entstanden und sind wichtige Grundstoffe zum Beispiel für Medikamente. Dass wir diese endlichen Ressourcen tatsächlich zur Beheizung dramatisch schlecht gedämmter Gebäude nutzen, ist eine Verschwendung, die nur dem scheinbaren Überfluss geschuldet ist.

Jetzt wird zudem deutlich, dass Rohstoffe geopolitischer Sprengstoff im wahrsten Sinne des Wortes sind. Die Abhängigkeit durch unseren Energiehunger richtet einen Schaden an, der mit nichts mehr zu rechtfertigen ist. Nimmt man noch den Klimawandel hinzu, der durch jegliche CO₂ Produktion beschleunigt wird, so ist klar, dass Heizen ohne Gas und Öl ein wichtiger Baustein für unsere Zukunft ist.

Daher wurde schon der BOB-Prototyp als rein elektrisches Bürogebäude entwickelt. Das hat viele Gründe, die ich im Folgenden näher beleuchte.

Strommix und die CO₂-Bilanz elektrischer Energie

Elektrischer Strom wird in zentralen Kraftwerken erzeugt. Atom-, Kohle- oder Gaskraftwerke waren früher die Hauptbestandteile des Kraftwerkparks. 1990 wurden im Mix dieser Energieträger 764 Gramm CO₂ pro Kilowattstunde Strom emittiert.

Der autofreie Sonntag in den 70er Jahren, der Bericht des Club of Rome zur Lage der Menschheit unter dem Titel „Die Grenzen des Wachstums“ und die ersten Andeutungen eines menschengemachten Klimawandels führten dann dazu, dass dezentrale Energiequellen wie Wasserkraft, Photovoltaik, Solarthermie, Geothermie und Windkraft an Bedeutung gewannen. Tatsächlich wurde in meiner Heimatstadt das sogenannte „Aachener Modell“ rechtlich erstritten. Dieses besagte, dass ein Betreiber einer Photovoltaikanlage elektrische Energie in die öffentlichen Netze einspeisen durfte, was bis dahin verboten war. Aus dem Aachener Modell entstand dann die heutige Einspeiseregelung und so wurde das Monopol der Energieversorger gebrochen. Jeder Bürger und jeder Bürgerin konnte ab jetzt Energieversorger dezentraler und damit regionaler Energie werden.

Aus der Anfangsbewegung wurde eine sehr breite Bewegung und so entstanden und entstehen immer mehr dezentrale Kraftwerke mir regenerativer Energie, deren Antrieb Sonne, Wind oder Erdwärme sind. In 2020 hatte sich so der Strommix schon auf eine Emission von 366 Gramm pro Kilowattstunde verbessert, was einer Einsparung von 50 % im Vergleich zu 1990 entspricht. Und dieser Trend setzt sich fort, in 2045 soll Deutschland über 100 % regenerativen Strom verfügen und so klimaneutral sein. Wer diesen Effekt schon für sich persönlich vorausnehmen möchte, kauft jetzt bereits grünen Strom bei seinem Versorger ein.

Jetzt benötigen wir natürlich Gebäude, die sich mit Strom effizient im Sinne der Umwelt aber auch der Ökonomie beheizen lassen. Das ist aber nicht so trivial, wie es zunächst klingt. Bei BOB haben wir einen Prototyp entwickeln, bauen und fünf Jahre lang testen müssen, ehe wir das Optimum gefunden hatten. Das hat einige Millionen Euro verschlungen. Warum ist das Thema Heizen mit Strom so kompliziert?

Tücken der Technik, Vorsicht Kostenfalle

Die primitivste Methode ist es, Strom durch einen elektrischen Widerstand fließen zu lassen, so dass Wärme entsteht. Tauchsieder, Durchlauferhitzer oder Luftheizgeräte arbeiten nach diesem Prinzip. Dabei wird aus einer Kilowattstunde Strom nahezu eine Kilowattstunde Heizenergie erzeugt. Das hört sich zunächst gut an. Allerdings ist die Erzeugung von Strom in fossilen Kraftwerken mit vielen Verlusten verbunden, so dass im Mittel deutlich weniger als 50 % der eingesetzten Primärenergie (Gas, Öl, Kohle) wirklich als Strom ankommen. Das ergibt mit Blick auf die Umwelt keinen Sinn und auch die Kosten gehen nach oben.

Als Zwischenfazit können wir daher schon festhalten, dass nur dann mit Strom geheizt werden sollte, wenn dieser aus regenerativen Quellen stammt.

Die deutlich elegantere Methode als Strom über einen Tauchsieder in Wärme zu verwandeln ist die Wärmepumpe. Diese nutzt den physikalischen Effekt aus, dass der Energieinhalt eines Mediums von Druck und Temperatur abhängt. Wird der Druck abgesenkt, kann Energie auf niedrigem Niveau aufgenommen und durch Druckerhöhung auf hohem Niveau wieder abgegeben werden. So kann tatsächlich, auch wenn es unwirklich klingt, Heizwärme aus 5 °C kalter Außenluft entnommen und bei 40 °C im Gebäude abgegeben werden. Wärme wird also auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt.

So elegant der Prozess auch klingt, so selten wird er aber richtig eingesetzt. Tückisch ist nämlich, dass die Effizienz der Wärmepumpe dramatisch abnimmt, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmeabgabe sehr hoch ist. Ist die Wärmequelle also zum Beispiel Außenluft und beträgt im Winter die Außenlufttemperatur 5 °C und muss ein Heizkörper (Wärmeabgabe) mit 50 °C betrieben werden, so beträgt die Differenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmeabgabe 45 °C. Damit kommt die „Energieeffizienz“ der Wärmepumpe der eines Tauchsieders immer näher. Die Mieter werden sich wundern, dass sie plötzlich das doppelte und dreifache an Energiekosten bezahlen. Eine Wärmepumpe, die als Energiequelle Luft nutzt, ist also mit großer Vorsicht zu genießen.

Wie heizt BOB elektrisch?

Natürlich streben wir bei BOB einen Weltrekord für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit an. Wir lieben perfekte Leistung vor allem, wenn sie dem Klimaschutz und anderen sinnvollen Themen dient. Daher haben wir uns Gedanken gemacht, wie wir die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Gebäude möglichst klein halten können.

Wir nutzen daher mit Wasser durchflossene Erdsonden, die in 100 m Tiefe Temperaturen von 12 °C antreffen. Die Bauphysik des Gebäudes und auch die Wärmeabgabe über eine Bauteilaktivierung haben wir jetzt so entwickelt, dass Heiztemperaturen von 27 °C für ein behagliches Empfinden ausreichen. Die Temperaturdifferenz beträgt daher nur 15 °C und der Wirkungsgrad der Wärmepumpe könnte sehr hoch sein. Das ist zumindest die Theorie.

Die klassischen Wärmepumpen, die man am Markt kaufen kann, schaffen es aber gar nicht, solche kleinen Temperaturen zu erzeugen. Also werden mit diesen Geräten 35 °C erzeugt, um diese dann wieder auf 27 °C herunterzumischen. Es werden also völlig unnötig höhere Temperaturen erzeugt. So etwas nenne ich einen Schildbürgerstreich, der natürlich nicht dem Klimaschutz dient. Uns war daher klar, dass wir eine eigene Wärmepumpe entwickeln mussten, und das haben wir getan. Dies ist aber einen eigenen Blogbeitrag wert. Gerne stellen wir dann auch unseren Partner vor, mit dem wir die Entwicklung durchführen durften.

Was ich oben an Zahlen genannt habe, beschreibt natürlich statische Zustände. Die Realität ist aber dynamisch. Der Heizenergiebedarf schwankt je nach Außentemperatur und auch die Erdreichtemperatur ist nicht konstant, da sie ja in Wechselwirkung mit dem Gebäude steht. Der letzte Teil unserer Lösung hin zum effizienten Heizen mit Strom sind daher statistische Methoden und der Einsatz von Digitalisierung zur Automatisierung aber auch zur Vorhersage der richtigen Steuerung durch Künstliche Intelligenz.

Heizen mit Strom und ohne Gas ist also machbar, bedeutet aber, dass wir deutlich intelligentere Gesamtsysteme benötigen, um das Portemonnaie wirklich zu schonen und dem Klimaschutz zu dienen. Leider ereilt viele Gebäudenutzer und Mieter die Überraschung erst mit der ersten Nebenkostenabrechnung. Da sind die falschen Heizsysteme bereits eingebaut und es ist definitiv zu spät.

Abschließend könnte man noch fragen, warum wir die Erdsonden nicht noch tiefer bohren, so dass wir direkt 27 °C über Tiefengeothermie aus dem Erdreich beziehen können. Die Antwort ist einfach. Ein BOB ist sehr gut gedämmt und hat daher nur einen sehr geringen Heizenergiebedarf. Durch den Klimawandel wird der Kühlenergiebedarf von Gebäuden künftig aber deutlich steigen. Und da mit den 12 °C in 100 m Tiefe das Bürogebäude klimaneutral gekühlt werden kann, haben wir ein Gesamtsystem aus Heizen und Kühlen entwickelt.

 

Über den Autor Dr. Bernhard Frohn

Schon früh beschäftigte sich Dr. Bernhard Frohn mit dem Unternehmersein. Nach dem Studium des Maschinenbaus an der RWTH Aachen promovierte er im Bereich Photovoltaik und machte sich sofort selbständig. Als Energieeffizienzberater für Bestandsimmobilien und Neubauten verdiente er das erste Geld. Durch den Bau des eigenen Bürogebäudes, dem Balanced Office Building in Aachen, lernte er die Faszination für Architektur aber auch die Komplexität bei dem Bau eines Bürogebäudes kennen. Denn hier spielen nicht nur Themen wie Technik, Gebäudeorganisation oder gar Bauabläufe eine Rolle. Es sind vor allem die Themen des Unternehmertums und der Gestaltung neuer Arbeitswelten, die für Bernhard Frohn aus einem scheinbar simplen Büro eine echte Herausforderung in einer digitalisierten Welt machen. Daher schreibt er auf diesem Blog über ein breites Spektrum an Themen und hat viel Freude daran, neue zu entdecken.