Abgesehen vom Transport und der maschinellen Verarbeitung ist Holz als Brennstoff nahezu klimaneutral. Die besten Werte werden mit Stückgut erreicht. Holz verbrennt in modernen Feuerungsanlagen umweltfreundlich, emissionsarm und CO2-neutral. Das heißt es wird nur die Menge an CO2 freigesetzt, die der Baum während des Wachstums aus der Atmosphäre aufgenommen und per Fotosynthese umgewandelt hat, und die bei der natürlichen Verrottung (stillen Verbrennung) anfallen würde. Der Brennstoff Holz kann aus heimischen Wäldern risikoarm gefördert und nahezu risikofrei gelagert werden.

Beim Lagern von frischen Holzhackschnitzel mit einem Wassergehalt über 35 % kann es durch das Einsetzen des Rotteprozesses zur Erwärmung auf 60 bis 70°C kommen. Dieser Vorgang kann etwa 3 Monate andauern. Durch diesen natürlichen Prozess sinkt beim Hackgut der Wassergehalt auf etwa 20 %. Es gehen jedoch durch den Verrottungsprozess ca. 15 % des Heizwertes verloren. Da hier der technische Aufwand sehr gering ist, kann man diesen Vorgang die Energieverluste gegenüber anderen technischen Trocknungsmethoden tolerieren.

Holz ist sowohl ökonomisch als auch ökologisch ein wertvoller Brennstoff. Mit einer Holzheizung bleibt die Wertschöpfung in der Region und der Bürger ist bei Holzbefeuerung unabhängiger von Preisschwankungen und Versorgungsunsicherheiten gegenüber den fossilen Brennstoffen.

Je nach Holzart, Beschaffenheit und Trockenheit kann mit einem Ster Brennholz eine zu ersetzende Heizölmenge von 140 bis 230 l erreicht werden. Das Gewicht für trockenes Scheitholz beträgt je nach Holzart ca. 350 bis 550 kg je Rundmeter (RM). In nachfolgender Tabelle sind auch die Einheit in Festmeter (FM) angegeben.

Bei Holzpellets handelt es sich um zylindrische Presslinge mit einem Durchmesser von 6 bis 8 mm bei einer Länge von bis zu 45 mm. Diese bestehen aus getrockneten, naturbelassenen Holz ohne Zusatz chemischer Bindemittel. Das Schüttgewicht beträgt ca. 650 kg/m³. Qualitätspellets sollten den Anforderungen der DIN EN 14961-2 entsprechen. Feuchtigkeit ist unbedingt zu vermeiden und auf mehrjährige Lagerhaltung sollte verzichtet werden.

Brennwerte und Heizwerte üblicher Brennstoffe

Die Preise von Brennstoffen sind schwer untereinander vergleichbar. Vergleichbar ist der Preis je Kilowattstunde. Um zu vergleichen, muss man wissen wieviel Kilowattstunden Energie eine Brennstoffeinheit hat. Beispielsweise entspricht die Energie von einem Liter Flüssiggas die Menge von 0,63 m³ Erdgas, 0,65 l Heizöl, 6,57 kWh Strom, 1,34 kg Holzpellets, 1,6 kg Brennholz, 1,2 kg Braunkohlebriketts, 2 kg Hackschnitzel oder 1,5 kg Stroh. Nachfolgende Tabelle gibt die Richtwerte für den Vergleich der unterschiedlichen Brennstoffe an.

Brennstoff

Brennwert

Heizwert

Dichte

Holzpellets

18,7 MJ/kg

4,9 kWh/kg

17,6 MJ/kg

4,5 kWh/kg

0,65 kg/dm³

Heizöl / Diesel

45,6 MJ/kg

12,7 kWh/kg

10,8 kWh/l

42,8 MJ/kg

11,9 kWh/kg

10,0 kWh/l

0,86 kg/l

Schweröl

40,3 MJ/kg

11,2 kWh/kg

Biodiesel

37,1 MJ/kg

10,3 kWh/kg

32,6 MJ/l

9,1 kWh/l

0,88 kg/l

Rapsöl

37,6 MJ/kg

10,4 kWh/kg

34,6 MJ/l

9,6 kWh/l

0,92 kg/l

Erdgas

40 MJ/kg

11,5 kWh/kg

36 MJ/m³

11,1 kWh/m³

10,4 kWh/kg

10,0 kWh/m³

0,76 kg/m³

Butangas

49,57 MJ/kg

13,74 kWh/kg

123 MJ/m³

7,95 kWh/l

12,69 kWh/kg

7,33 kWh/l

Propangas

50,4 MJ/kg

13,98 kWh/kg

93,6 MJ/m³

7,13 kWh/l

12,87 kWh/kg

6,57 kWh/l

Methangas

55,50 MJ/kg

15,41 kWh/kg

39,82 MJ/m³

11,06 kWh/m³

13,89 kWh/kg

9,97 kWh/m³

Ethangas

51,88 MJ/kg

14,41 kWh/kg

70,29 MJ/m³

19,53 kWh/m³

13,19 kWh/kg

17,87 kWh/m³

Wasserstoff

141,80 MJ/kg

39,39 kWh/kg

12,75 MJ/m³

3,54 kWh/m³

33,33 kWh/kg

3,00 kWh/m³

Benzin

42,7-44,2 MJ/kg

11,9-12,3 kWh/kg

30,7-31,8 MJ/l

8,5-8,8 kWh/l

11,1-11,6 kWh/kg

8,0-8,4 kWh/l

0,76 kg/l

Ethanol

29,7 MJ/kg

8,25 kWh/kg

23,4 MJ/l

6,51 kWh/l

7,4 kWh/kg

5,84 kWh/l

0,79 kg/l

Methanol

22,7 MJ/kg

6,3 kWh/kg

17,9 MJ/l

4,96 kWh/l

5,5 kWh/kg

4,33 kWh/l

Braunkohle

8-23 MJ/kg

2,2-5,5 kWh/kg

7,5-21,5 MJ/kg

2,1-5,1 kWh/kg

Braunkohlebriketts

18-23 MJ/kg

5,1-5,5 kWh/kg

17-21,5 MJ/kg

4,8-5,1 kWh/kg

Steinkohle

27-33 MJ/kg

7,5-9,2 kWh/kg

26,5-32 MJ/kg

7,4-9,0 kWh/kg

Ahorn

14,8 MJ/kg

4,1 kWh/kg

2600 kWh/FM

1900 kWh/RM

1750 kWh/RM

3,8 kWh/kg

Birke

15,5 MJ/kg

4,3 kWh/kg

2700 kWh/FM

1900 kWh/RM

1750 kWh/RM

4,0 kWh/kg

Buche

14,4 MJ/kg

4,0 kWh/kg

2800 kWh/FM

2100 kWh/RM

1950 kWh/RM

3,7 kWh/kg

0,558 kg/dm³

Eiche

15,1 MJ/kg

4,2 kWh/kg

2900 kWh/FM

2100 kWh/RM

1950 kWh/RM

3,9 kWh/kg

0,571 kg/dm³

Erle

14,8 MJ/kg

4,1 kWh/kg

2100 kWh/FM

1500 kWh/RM

1400 kWh/RM

3,8 kWh/kg

Esche

15,1 MJ/kg

4,2 kWh/kg

2900 kWh/FM

2100 kWh/RM

1950 kWh/RM

3,9 kWh/kg

Pappel

14,8 MJ/kg

4,1 kWh/kg

1700 kWh/FM

1200 kWh/RM

1100 kWh/RM

3,8 kWh/kg

0,353 kg/dm³

Robinie

14,8 MJ/kg

4,1 kWh/kg

3000 kWh/FM

2100 kWh/RM

1950 kWh/RM

3,8 kWh/kg

Ulme

14,8 MJ/kg

4,1 kWh/kg

2800 kWh/FM

1900 kWh/RM

1750 kWh/RM

3,8 kWh/kg

Weide

14,8 MJ/kg

4,1 kWh/kg

2000 kWh/FM

1400 kWh/RM

1300 kWh/RM

3,8 kWh/kg

Douglasie

15,8 kJ/kg

4,4 kWh/kg

2200 kWh/FM

1700 kWh/RM

1550 kWh/RM

4,1 kWh/kg

Fichte

16,2 MJ/kg

4,5 kWh/kg

2100 kWh/FM

1500 kWh/RM

1400 kWh/RM

4,2 kWh/kg

0,379 kg/dm³

Lärche

15,8 MJ/kg

4,4 kWh/kg

2300 kWh/FM

1700 kWh/RM

1550 kWh/RM

4,1 kWh/kg

Kiefer

15,8 MJ/kg

4,4 kWh/kg

2300 kWh/FM

1700 kWh/RM

1550 kWh/RM

4,1 kWh/kg

0,431 kg/dm³

Tanne

16,2 MJ/kg

4,5 kWh/kg

2000 kWh/FM

1400 kWh/FM

1300 kWh/RM

4,2 kWh/kg

Hackschnitzel, alt

10 MJ/kg

2,9 kWh/kg

Hackschnitzel, frisch

7 MJ/kg

2,0 kWh/kg

0,2 kg/dm³

Stroh

14,4 MJ/kg

4,0 kWh/kg

Getreide

15 MJ/kg

4,2 kWh/kg

Verhältniszahlen zwischen den Raummaßen

Nachfolgende Tabelle zeigt die Umrechnungszahlen zwischen unterschiedlichen Brennholzsortimenten an. Die Holzmasse in einem Ster bzw. Raummeter hängt stark von der Förmigkeit und der Entastungsqualität der Hölzer ab. Außerdem beeinflussen Durchmesser, Gewicht, Spaltgröße, Holzlänge sowie die Sorgfalt beim Aufrichten die Holzmasse. Da der Brennstoff Holz kein homogener Rohstoff ist, dient die Tabelle nur als durchschnittlicher Richtwert.

Rundholz

Rundlinge

Scheite geschichtet
in Raummeter bzw. Ster [Rm]

Scheite geschüttet
in Schüttraummeter 33 cm [Srm]

Hackschnitzel
in Schüttraummeter [Srm]

in Festmeter [Fm]

geschichtet
in Raummeter [Rm]

100 cm Länge
ungespalten

100 cm Länge
Kreuzstoß

100 cm Länge
gespalten

33 cm Länge
gespalten

Fichte

Buche

1,0

1,6

1,4

2,2

1,6

1,4

2,2

2,0

2,5

0,7

1,1

1,0

1,4

1,2

1,0

1,6

1,4

1,8

0,6

0,9

0,9

1,3

1,0

0,8

1,3

1,2

1,4

0,5

0,8

0,7

1,1

0,8

0,7

1,1

1,0

1,2

0,4

0,6

0,6

0,8

0,7

0,5

0,8

0,7

1,0

Solarthermie

Das solare Energiepotenzial beträgt in Deutschland ca. 900 bis 1200 kWh/m² pro Jahr. Mit einer Solaranlage können in unseren Breiten bis zu 60 % der Energie für Trinkwassererwärmung abgedeckt werden. In den Sommermonaten übernimmt die Solaranlage komplett die Beheizung. In den Übergangsmonaten und im Winter dient sie als Heizungsunterstützung mit Vorwärmung der Heizungsanlage. Notwendig hierfür sind Kollektoren (Flach- oder Röhrenkollektoren) die nach Süden ausgerichtet sind und nicht durch Bäume oder Gebäuden verschattet sind. Überschlägig rechnet man mit 1 bis 1,5 Quadratmeter Kollektorfläche und 60 bis 100 Liter Warmwasserspeicher pro Person.

Hauptbestandteil einer Solaranlage ist der Kollektor. Mit Hilfe einer speziellen Beschichtung nimmt der Absorber die Sonneneinstrahlung auf und gibt sie in Form von Wärme an ein frostsicheres Wärmeträgermedium, die Solarflüssigkeit, weiter. Das bis zu 90°C heiße Solarmedium fließt über das Rohrsystem (Vorlauf- und Rücklaufleitung) in den Warmwasserspeicher. Hier wird das Wasser über einen großflächigen Wärmetauscher erwärmt. Entsprechend seiner Dichte bzw. Temperatur entsteht im Speicher eine Schichtung. Das kälteste Wasser befindet sich im Boiler unten, wo eingespeist wird. Erwärmtes Wasser steigt nach oben und kann von dort aus angezapft werden. Gesteuert wird die Solaranlage über einen Solarregler (Temperaturdifferenzsteuerung). Sobald die Temperatur am Kollektor die Temperatur im Speicher um einige Grad übersteigt, schaltet die Regelung die Pumpenstation (Solarumwälzpumpe) ein und die Solarflüssigkeit transportiert die im Kollektor aufgenommene Wärme in den Warmwasserspeicher. Geregelt wird dies mittels Temperatursensoren am Kollektor und im Wärmespeicher.

Sollte die eingestrahlte Sonnenenergie in den sonnenarmen Monaten nicht ausreichen, so wird die zusätzlich erforderliche Wärme von der Heizungsanlage ergänzt. Besonders vorteilhaft ist in der Übergangszeit (Frühling, Herbst) die Heizungsunterstützung einer Solaranlage. Mit wenig Aufwand lässt sich mittels eines Dreiwege-Umschaltventils mit mechanischer Rückstellung nach Erreichen der Boilertemperatur die überschüssige Energie in groß dimensionierte Solarpufferspeicher einspeisen und so den Heizkreis vorwärmen.

Energieeinstrahlung bei Solarthermie

Aufgrund der jahreszeitlich unterschiedlichen Einstrahlung ist eine 100%ige Deckung für Warmwasser kostentechnisch nicht sinnvoll. Anstrebenswert ist eine Solaranlage mit Heizungsunterstützung. Hier kann ein Teil der überschüssigen Energie die im Sommer bereitgestellt wird, kurzeitig für Überbrückungstage im Pufferspeicher gehalten werden.

Photovoltaik und Stromspeicher

In der Fotovoltaik, auch Photovoltaik (PV) genannt, gibt es die verschiedenen Modultypen: monokristalline Zellen, polykristalline Zellen und amorphe Zellen. Monokristalline Solarzellen werden als großer Kristall aus einer Siliziumschmelze gezogen und in dünne Scheiben geschnitten. Der Wirkungsgrad liegt bei 18 bis 20 % und ist höher als bei polykristallinen und amorphen Zellen. Bei polykristallinen Zellen wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen. Diese Blöcke ergeben eine Struktur von vielen einzelnen Kristallen. Auch hier werden die Blöcke in dünne Scheiben geschnitten. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 15 bis 17 %. Amorphe Zellen gehören zur Familie der Dünnschichtzellen. Bei diesem Verfahren wird das Silizium als dünne Schicht auf das Trägermaterial aufgebracht. Schichtdicken von 1 µm sind für die Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie ausreichend. Nachteilig ist der geringe Wirkungsgrad von 6 bis 10 %.

Alle Modultypen haben ihre Berechtigung. Bei starker Direkteinstrahlung werden für reine Süddächer meist monochristalline Module verwendet. Die polychristallinen Module haben jedoch bessere Schwachlichteigenschaften, so dass diese auch bei Ost-West-Belegungen verwendet werden können. Dünnschichtzellen, wie etwa amorphe Zellen, haben bei diffusem Licht hingegen den Vorteil von wesentlich geringeren Ertragseinbußen sobald die direkte Sonneneinstrahlung entfällt.

Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird häufig im allgemeinen in kWp (Kilowatt Peak) angegeben und bezieht sich auf die Maximalleistung, welche bei Testbedingungen erzielt werden können. In der Praxis werden jedoch meistens nur ca. 80 % davon erreicht.

Für die Amortisation der Anlage ist jedoch der Jahresertrag ausschlaggebend. Dieser schwankt tages- und jahreszeitabhängig, sowie wetterbedingt. Die Grafik zeigt den Tagesverlauf bei wolkenfreier und nicht abgeschatteter Umgebung an einen Sommertag. Dies ist jedoch nicht täglicher Standard. Verschattungen, regnerische Tage sowie auch extrem heiße Sommertage führen zu weitaus geringeren Leistungen von Solaranlagen.

Aufgrund der fallenden Modulpreise und der niedrigen Einspeisevergütung ist die Bereitschaft zu PV-Anlagen in Ost-West-Ausrichtung stark gestiegen. Die Module erzeugen zwar gegenüber Südausrichtung eine um 19% reduzierte Peak-Leistung und bringen ca. 15 % weniger Ertrag, jedoch zeigt sich ein um bis 17 % längerer Lastzeitraum, sowie eine bessere Lastverteilung. Die Ost-West-Ausrichtung ist somit weitaus besser auf die täglichen Lastspitzen des Netzes abgestimmt. Die Module in Ost-West-Ausrichtung können über einen gemeinsamen Wechselrichter betrieben werden, weisen jedoch hierbei Mismatching-Verluste auf. Die Verluste sind jedoch sehr gering und werden dadurch kompensiert, dass der gemeinsame Wechselrichter meistens in einem höheren Wirkungsgradbereich arbeitet. Für den Eigenstromverbrauch mit Stromspeicher bietet eine Anlage mit Ost-West die Vorteile, dass der Batteriebetrieb später am Abend in den Entladebetrieb geht und schon wieder frühmorgens ein größerer Teil des eigenen Stroms von der PV-Anlage genutzt werden kann.

Die nachfolgende Grafik verdeutlicht den typischen Stromverbrauch eines berufstätigen Haushaltes in Verbindung mit einer Stromerzeugung durch PV in Südausrichtung der Module. Hier besteht der Nachteil, dass in den bedarfsintensiven Zeiten der Eigenstrom noch unzureichend vorhanden ist, während tagsüber bei verfügbarem PV-Strom kaum Bedarf besteht. Um den Eigenstrom intensiv zu nutzen, müssen große Stromverbraucher wie Waschmaschine, Trockner oder Geschirrspüler über Zeitschaltuhren programmiert werden. Komfortabler geht dies über einen Home Manager, der die Daten der PV-Anlage sowie die Online-Wetterdaten nutzt und daraus den optimalen Schaltzeitpunkt errechnet und für die Endgeräte auswählt. Durch die Nutzung der mittäglichen Sonnenstunden ist eine Steigerung der Eigenverbrauchsquote um bis zu 15% möglich.

Quelle: sonepar deutschland

In Deutschland kann eine Solaranlage im Juli gegenüber dem Dezember einen um bis zu 10fach höheren Ertrag aufweisen. In Süddeutschland ist ein Jahresertrag von ca. 1100 kWh/kWp zu erwarten. Dies entspricht einen durchschnittlichen Ertrag von 125 W je kWp.

An einen klaren Sommertag liegt der Tagesdurchschnittswert je Kilowatt/Peak maximal zwischen 250 und 300 Watt je Stunde. Auf ein sehr ertragreiches Monat bezogen sind dies im Schnitt 180 bis 200 Watt.

Bei einem vorhandenen Anschluss an die öffentliche Stromversorgung ist eine 100%ige Autarkie nicht erstrebenswert. Aus ökonomischer Sicht sollte das Ziel sein, den Eigenverbrauchsanteil durch einen Stromspeicher von 30% auf 60% zu verdoppeln. Bei höheren Batteriekapazitäten steigt der Eigenverbrauchsanteil nur noch geringfügig. Dies beruht darauf, dass der Speicher über Nacht nicht immer vollständig entladen wird und somit am nächsten Tag nicht die volle Kapazität zur Speicherung aufnehmen kann. Das oben aufgeführte Diagramm zeigt anschaulich den Zusammenhang zwischen Autarkie und Eigenverbrauchsanteil. Je höher die PV-Leistung und der Autarkiegrad vom öffentlichen Versorgungsnetz ist, desto geringer ist der Eigenverbrauchsanteil. Wie man dem Diagramm zudem entnehmen kann, tritt bei einer PV-Anlage mit Speicherbetrieb ab ca. 80% eine Sättigung ein. Ohne Stromspeicher würde die Autarkierate bei Südausrichtung bei ca. 30% bzw. bei einer Ost-West-Ausrichtung bei ca. 35% liegen. Um einen netzstabilen und ausreichenden Eigenstrom zu erzeugen, müsste zur Versorgungssicherheit ein Vielfaches in die PV-Anlage und in das Speichersystem investiert werden. Damit die Anlage möglichst günstig Strom erzeugt, muss die Speicherleistung an die Leistung der PV-Module angepasst werden.

Da der erzeugte Solarstrom im Winter teilweise nur ein Zehntel des Sommerertrages ausmacht, sollte der Speicher keinesfalls zu groß gewählt werden. In Haushalten empfielt sich eine um 20% größere produzierte Solarstrommenge gegenüber dem Jahresstromverbrauch (z.B. 4,2 kWp bei 3500 kWh). Um die Speichergröße für den Haushalt zu ermitteln dividiert man den Jahresverbrauch durch den Wert 730 und erhält so den mittleren Nachtverbrauch für Herbst und Frühjahr. In diesem Beispiel sind dies 4,8 kWh. Diese vereinfachte Formel gibt eine gute Annäherung für den Schnittpunkt ab dem die Eigenstromanlage in einen gesättigten Zustand übergeht. Aus Kostengründen sollte der Sättigungszustand nicht überschritten werden. Selbstverständlich können diese Berechnungen keine Detailplanung ersetzen. Jedoch hilft die Anwendung dieser Regeln, eine Abschätzung der nötigen Systemgrößen zu treffen, auf dessen Grundlage dann eine detailierte Planung durchgeführt werden kann.

Wie zuvor bereits erwähnt ist eine absolute Unabhängigkeit von der öffentlichen Stromversorgung aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht erstrebenswert. Anders sieht es jedoch für den Notstrombetrieb aus. Solange kein Drehstromnetz im Notbetrieb benötigt wird, macht es durchaus Sinn ein einfaches einphasiges Notstromnetz aufzubauen, bei denen in den meisten Haushalten eine Leistung von 2 bis 3 kW durchaus ausreicht um einen Spannungsausfall vom öffentlichen Netz für notwendige Verbraucher zu überbrücken. Viele Speicher bieten diese Option an. Ob eine einzelne Notstromsteckdose ausreicht oder das ganze Haus auf Notstrombetrieb ausgelegt wird, muss der Hausbesitzer selbst entscheiden.

Ob für einen stationären Speicher ein System auf Blei-Basis oder auf Lithium-Basis bestehen soll, ist eine Entscheidungsfrage, die jeder für sich zu treffen hat. Lithium-Batterien haben gegenüber Bleibatterien die höheren Wirkungsgrade, eine höhere Entladetiefe (DoD), sowie eine höhere Energiedichte. Außerdem wird ihnen eine höhere Lebensdauer und Zyklenzahl nachgesagt. Hingegen haben sich die Bleibatterien in der stationären Anwendung bereits seit Jahrzehnten mit ausreichend Betriebserfahrung etabliert. Die Bleibatterien sind kostengünstiger und recylclefähiger als die Lithium-Technik. Obwohl bei Bleibatterien der Wartungsaufwand größer ist und aufgrund der Batterieausgasung für eine ausreichende Raumbelüftung gesorgt werden muss, sollte man bei entsprechenden Platzverhältnissen auch diese Batterietechnologie bei der Entscheidung berücksichtigen und eine Wirtschaftlichkeitsberechnung durchführen.

Stromerzeugung bei Photovoltaik-Anlagen

Link zum Ertragsrechner auf www.pv.de

Windenergie

Für die Windenergie wird die kinetische Energie von Wind, das heißt die bewegten Luftmassen in der Atmosphäre, technisch genutzt. Zur Stromerzeugung kommen nur Gebiete mit ausreichender Windgeschwindigkeit in Betracht. Ab einer mittleren Windgeschwindigkeit von 4-5 m/s über das ganze Jahr gleichmäßig verteilt, kann eine gute Leistung erzielt werden und die Windkraft ist geeignet wirtschaftlich Elektrizität bereitzustellen.

Die Formel für die Leistungsberechnung der Windenergie lautet: Leistung = 0,5 x Luftdichte x Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz. Bezogen auf einen normalen atmosphärische Luftdruck auf Meereshöhe und einer Temperatur von 15°C liegt die Luftdichte bei 1,225 kg/m³. Vereinfacht lautet somit die Formel für die kinetische Leistung pro Quadratmeter in Watt: 0,5 x 1,225 x v³, wobei v die Windgeschwindigkeit in m/s ist.

Die in elektrische Leistung P umsetzbare Leistung lässt sich aus dem kinetischen Leistungsangebot errechnen, multipliziert mit dem Wirkungsgrad nach Betz, aus den Strömungsverlusten (Reibungsanteil in den Navier-Stokes-Gleichungen) sowie dem mechanischen (Reibungsverluste im Getriebe und den Lagern des Konverters) und elektrischen Wirkungsgrad des Systems:

Das Betzsche Gesetz besagt, dass eine Windkraftanlage höchstens 16/27 bzw. 59,3 % der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie umwandeln kann. Bislang erreichen moderne Windkraftanlagen mit horizontaler Achse ca. 85 % dieses Bestwertes. Anlagen mit vertikaler Achse bleiben aus physikalischen Gründen unter diesen Werten.

Die im Wind gespeicherte Energie nimmt in der dritten Potenz zu der Windgeschwindigkeit zu. So ist bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit die 8fache Energie zu erwarten. Für die Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage ist daher die Windgeschwindigkeit der wichtigste Schlüsselfaktor für die Nutzung.

Bevor ein Windrad montiert wird, sollte eine Windmessung über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden. Kleine Windmessgeräte sind hierzu unpassend und können das Ergebnis verfälschen. Durch Luftverwirbelungen kann ein kleiner Rotor bereits Strömungen anzeigen, die eine Windkraftanlage noch nicht einmal in Bewegung versetzen. Je größer der Rotordurchmesser ist, desto gleichmäßiger muss der Rotor angeströmt werden.

Unter den Kleinwindrädern erreichen horizontale LUV-Läufer die besten Wirkungsgrade. Die Strömungslehre zeigt im Gegensatz zu der vielfach verbreitenen Annahme, dass die vom Wind überstrichene Fläche nicht möglichst zahlreich von Rotorblättern bestückt sein sollte. Das typische Western-Windrad (amerikanisches Windrad) das bis heute noch an vielen Gegenden als Wasserpumpe aufgestellt ist, wird eher umströmt als durchströmt und erreicht daher nur einen gerinngen Wirkungsgrad. Nachteilig wirkt sich jedoch die Geräuschentwicklung aus, die drehzahlbedingt desto höher wird je geringer die Anzahl der Rotorblätter ist.

Für Kleinwindkraftanlagen (KWEA) eignet sich für die Standortsuche am besten eine lange Stange mit befestigten Flatterbänder. In der Höhe, wo das Windrad montiert werden sollte, befestigt man im Abstand des geplanten Rotordurchmessers zwei 3 m lange und 4 cm breite Plastikfolien wie z.B. ein Absperrband. Die Messung ist bei durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten durchzuführen, wenn der Wind aus der Hauptrichtung bläst. Nun muss das Verhalten der beiden Bänder beobachtet werden. Steht das obere Band lotrecht zur Stange ist der Standort ideal. Wellt sich das Band in einem Winkel von 30 Grad hin und her, ist dies noch aktzeptabel. Ist der Winkel größer oder wickelt sich das Flatterband um die Stange, so ist der Standort ungünstig für einen Betrieb für Windanlagen.

Leider versprechen Hersteller von KWEA häufig Erträge die weitab der Realität liegen. Die Peak-Leistungen wie sie bei PV-Anlagen zur Schätzung des Jahresertrages verwendet werden, dürfen hier keineswegs herangezogen werden. Das Jahresergebnis bezogen auf die Spitzenleistung ist hier nur ein Bruchteil. Aus diesem Grund sind KWEA's überwiegend nur für Idealisten geeignet.

kinetische Energie aus Windkraft

Windstärke

Bezeichnung

Erscheinung

Geschwindigkeit (m/s)

Energiegehalt (W/m²)

0

Windstille

Rauch steigt gerade empor

0 - 0,2

0 - 0,005

1

leichter Zug

Rauch zeigt Windrichtung, Windfahne bewegt sich nicht

0,3 - 1,5

0,02 - 2,0

2

leichte Brise

Wind im Gesicht fühlbar, Windfahne bewegt sich

1,6 - 3,3

2,5 - 20

3

schwache Brise

Blätter und Zweige bewegen sich, Wind streckt Wimpel

3,4 - 5,4

25 - 95

4

mäßige Brise

dünne Äste bewegen sich, Staub wird aufgewirbelt

5,5 - 7,9

100 - 300

5

frische Brise

kleine Laubbäume beginnen zu schwanken

8,0 - 10,7

310 - 740

6

starker Wind

starke Äste bewegen sich, Telefonleitungen pfeifen

10,8 - 13,8

760 - 1580

7

steifer Wind

ganze Bäume in Bewegung, Hemmung beim Gehen

13,9 - 17,1

1610 - 3000

8

stürmischer Wind

Wind bricht Zweige ab

17,2 - 20,7

3050 - 5350

9

Sturm

kleinere Sturmschäden, Dachziegel können herabfallen

20,8 - 24,4

5400 - 8750

10

schwerer Sturm

Windbruch, Baumentwurzelung

24,5 - 28,4

8850 - 13800

11

orkanartiger Sturm

größere Sturmschäden

28,5 - 32,6

13900 - 21000

12

Orkan

schwerste Verwüstung

größer 32,7

> 21000

Rauigkeitslängen für verschiedene Geländeklassen nach Davenport

Geländeklasse

Rauigkeitslänge

Oberflächenbeschreibung

auf See

0,0002 m

offene See

glatt

0,005 m

Küstengebiete

offen

0,03 m

offenes flaches Gelände

offen bis rau

0,1 m

landwirtschaftliche Flächen mit niedrigen Bestand

rau

0,25 m

landwirtschaftliche Flächen mit hohen Bestand

sehr rau

0,5 m

Parklandschaften mit Büschen und Bäumen

geschlossen

1,0 m

mit Hindernissen bedecktes Gelände wie Wälder, Dörfer, usw.

Berechnungstool zur Abschätzung der Windleistung und des Jahresertrages

Bei der Berechnung handelt es sich nur um eine sehr grobe Abschätzung, die keine genaue Planung und Analyse ersetzen kann. Alle Angaben erfolgen ohne Gewähr.

Wasserkraft

Wasserkraft ist derzeit immer noch die wichtigste Quelle für Strom aus erneuerbaren Energien. Die Energie aus Wasserkraftwerken ist grundlastfähig und unterliegt, anders als Windkraft und Photovoltaik, nicht so stark den Witterungseinflüssen. Die Wasserkraft ist stetig und zuverlässig, auch wenn es jahreszeitlich bedingte Schwankungen geben kann, die jedoch wesentlich sanfter verlaufen als die Windkraft. Wie der Windstrom ist die Wasserkraft in den kalten Monaten am kräftigsten und bringt deshalb während dieser Zeit den meisten Nutzen. Strom aus Wasser steht rund um die Uhr zur Verfügung und kann auch als Energiespeicher genutzt werden.

Die Energie aus Wasserkraft wird schon seit Jahrtausenden genutzt, um die Bewegungs- bzw. Lageenergie des Wassers in mechanische Arbeit umzusetzen. Im Gegensatz zu den gemächlich drehenden, alten Wasserräder wird heute in der Regel die elektrische Energie über schnelllaufende Turbinen erzeugt. Trotzdem sollten die primitiven Wasserräder nicht gegenüber ausgeklügelten Neuerfindungen unterschätzt werden. Die Mühlenräder drehen sich zwar langsam, jedoch entfällt hier die verlustintensive Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und wieder zurück zur mechanischen Energie. Es ist ein verbreiteter Fehler in unserem Stromzeitalter alle Kraft zuerst in Elektrizität zu verwandeln um sie später als Wärmeenergie oder mechanische Energie zu nutzen.

Bei Wasserturbinen liegt der Gesamtwirkungsgrad nach Abzug sämtlicher Verluste der Turbinen und des Generators über 80 %. Aus energiewirtschaftlichen Gesichtspunkten zählt Wasserkraft zur Primärenergie, da sie direkt aus einer natürlichen Energiequelle gewonnen wird.

Die Leistung P ist abhängig von der Durchflussmenge Q (in m³/s) und der Fallhöhe h (in m) des Wassers, der Dichte des Wasser, der Erdbeschleunigung g (9,81 m/sec²), sowie vom Wirkungsgrad der Anlage (u. a. Zulauf, Wasserturbine, Getriebe, Generator, Transformator).

Die Formel für die Leistungsberechnung der Wasserkraft lautet demnach: P = Q x h x ρ x g x η

Näherungsweise lautet die Formel für Berechnung bei einem Wirkungsgrad von ca. 85 %: P = Q x h x 8,5 kN/m3

Wie man 1 kWh aus Wasserkraft erzeugt, lässt sich am Beispiel Eifelturm veranschaulichen. Man müsste 100 volle 10-Liter-Eimer auf den Turm hochtragen und aus 300 m Höhe in ein Fallrohr schütten um damit einen Turbinengenerator anzutreiben. In der Praxis erzeugt ein Flusskraftwerk, das mit Kaplan-Turbinen bestückt ist, bei einer Durchflussmenge von 2000 m³/s und einer Fallhöhe von 8 m eine Leistung von 132.000 kW.

Heutzutage werden bei Kraftwerken überwiegend Kaplan-, Francis- oder Pelton-Turbinen eingesetzt. In Flusskraftwerken ist häufig die Kaplan-Turbine anzutreffen, da diese speziell für geringe Wasserdrücke entwickelt wurde. Durch das Verstellen der Leit- und Laufradschaufeln können Schwankungen der Wasserführung und des Gefälles ausgeglichen werden. Im Bereich zwischen 20 und 500 m Höhenunterschied findet die Francis-Turbine ihren Einsatz. Diese ist bis heute die verbreitetste und am universellsten verwendbare Turbinenart. Die Besonderheit bei der Francis-Turbine ist, dass sie sowohl als Turbine als auch als Pumpe eingesetzt werden kann und dadurch die Baukosten um bis zu 30 % verringert werden können.

Für Kraftwerke mit noch größeren Höhenunterschied wie beispielsweise im Hochgebirge eignet sich die Pelton-Turbine. Bei dieser Turbinenart hängt die kinetische Energie des Wasserstrahls von der Fallhöhe ab und kann somit die Lageenergie am besten ausnutzen.

Pelton-Laufrad
www.lingenhoele.at/de/turbinenbau/Peltonlaufrad

Francis-Turbine
www.tfd.chalmers.se/~hani/phdproject/francispicture.gif

Kaplan-Turbine
upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/S_vs_kaplan_schnitt_1_zoom.jpg

Methoden für die Nutzung der Wasserkraft

Typ

Bemerkung

Fallhöhe

Wirkungsgrad

unterschlächtiges Wasserrad

gerade Radschaufeln nutzen überwiegend Bewegungsenergie

30 %

mittelschlächtiges Kropfrad

gebogene Radschaufeln nutzen Bewegungs- und Lageenergie

60 %

oberschlächtiges Wasserrad

Kammern am Wasserrad nutzen überwiegend Lageenergie

bis 70 %

Banki-Turbine

Spezialdüsen treiben gebogene Radschaufeln an

4,5 bis 12 m

65 %

Propeller-Turbine

Antriebsprinzip einer umgekehrten Schiffsschraube

0,9 bis 6 m

75 %

Pelton-Turbine

durch Düsen angetriebene löffelförmige Radschaufeln nutzen Lageenergie

größer 12 m

bis 80 %

Francis-Turbine

Turbine mit Einlaufspirale und drehbaren Leitschaufeln am Einlauf

20 bis 500 m

bis 91 %

Kaplan-Turbine

Propeller-Turbine mit schwenkbarer Leit- und Radschaufel

2 m bis 80 m

80 bis 95 %

Erdwärme

Für die effiziente Nutzung von Erdwärme muss die Wärmepumpe richtig ausgelegt sein. In der Regel ist vom Hersteller der Wärmepumpe nur der COP-Wert als Leistungszahl angegeben. Für eine optimale Auslegung sollten die Jahresarbeitszahl (JAZ), die Arbeitszahl in den Heizmonaten, sowie der Jahresenergiebedarf der Heizungsanlage bekannt sein. Die Arbeitszahl d. h. Heizenergie pro Elektroenergieverbrauch liegt für eine Erdwärmepumpe bei ungefähr Faktor 4, bei einer Luftwärmepumpe bei etwa Faktor 3. Wird der Primärenergiefaktor des elektrischen Stromverbrauches zum Gesamtenergieverbrauch mit einbezogen, so ist der Unterschied in der Energieeffizienz zu anderen Heizsystemen nicht allzu groß. Eine moderne Gas- oder Ölheizung mit Brennwerttechnik kann bei Gebäudeheizungen durchaus zum Vergleich herangezogen werden.

Zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpen sollte im ersten Schritt eine Reduzierung des Jahresenergiebedarfes durch Wärmedämmung der Gebäudehülle erwirkt werden. Die Wärmepumpenheizung sollte neben der Leistungszahl COP, auch eine hohe Arbeitszahl vorweisen. Eine hohe Wärmequellentemperatur sorgt vor allem in der Heizperiode für Effizienz. Die Wärmepumpentechnik arbeitet besonders effektiv im Niedertemperaturbereich. Eine niedrige Wärmesenke zwischen Vorlauf und Rücklauf ist vorteilhaft. Sinnvoll ist die Verwendung von Fußboden- und Flächenheizungen, anstatt der in Altbauten üblichen Radiatoren. Bedingt durch die hohe Laufzeit der Anlage ist ein Einsatz von Hocheffizienzpumpen empfehlenswert.

Biogas

Biogas ist ein methanhaltiges Gas, das aus Biomasse in einer Biogasanlage gewonnen und anschließend für Ökostrom und Wärme genutzt wird. Bei Biogas handelt es sich um ein organisches Gas, das durch Gärung unter Luft- und Lichtabschluss entsteht. Die Hauptbestandteile sind Methan (50 bis 75%), Kohlendioxid (35 bis 55%) und Wasserdampf (bis 10%). Weitere Nebenprodukte sind Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammonik und Schwefelwasserstoff. Als Rohstoff für den Gärprozess dienen Bioabfall, Fäkalien, Pflanzen, Grünland, Fette usw.

Der Gärungsprozess wird durch Bakterien in Gang gesetzt, die am besten in einem Temperaturbereich von 37° Celsius oder 55° Celsius arbeiten. Bei der Biogasentstehung werden vier Vergärungsstufen durchlaufen: Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese. Der Vergärvorgang ist vergleichbar mit dem Magen-Darm-System eines Rindes. Damit die Vergärung ähnlich wie ein Verdauungsapparat funktioniert, spielt neben der geeigneten Futterzufuhr, die Einhaltung der Temperatur eine wichtige Rolle. Um den Prozess aufrecht zu erhalten muss der Fermenter (Gärbehälter) beheizt werden. Dies geschieht in der Regel über die Prozesswärme vom Blockheizkraftwerk. Rund ein Viertel benötigt die Biogasanlage selbst für die Beheizung. Die überschüssige Wärme kann zum Heizen von Gebäuden oder auch zum Trocknen der Getreideernte verwendet werden. Zudem muss ständig die Biomasse im Gärbehälter über eine Rührwerk bewegt werden. Die Destillation (Vergärungsprozess) dauert etwa 14 bis 35 Tage, abhängig von der im Gerät herrschenden Temperatur. Je nach Prozesszeit muss dem entnommenen Teil des Vergärungsprozesses täglich ein entsprechender Neuzugang zugeführt werden.

Die vergorenen Reststoffe in einer Biogasanlage werden als landwirtschaftlicher Dünger weiterverwendet. Dies hat den Vorteil, dass dieses Abfallprodukt chemisch weitaus weniger aggressiv als Rohgülle ist, kaum einen Eigengeruch besitzt und eine große Menge Stickstoff liefert. Soweit nur Substrat aus der Umgebung eingebracht wird, entsteht hier ein ökologisch und ökonomisch sinnvoller Kreislauf von Dünger und Nutzplanzen.

www.steckdose.de/tl_files/artikel/strom/biogasanlage.jpg

In Ergänzung anderer erneuerbaren Energien könnten die Biogasanlagen zur CO2-neutralen Strom- und Wärmegewinnung in bedarfsstarken Zeiten einen bedeutenden Beitrag leisten. Aufgrund von dezentralen Standorten kann der zusätzliche Ausbau der Überlandleitungen eingespart werden.

Nachteilig wirken sich die relativ kostenintensiven Stromgestehungskosten aus. Ein biogasbetriebenes Blockheizkraftwerk hat einen Nutzungsumfang von 60.000 Betriebsstunden. Weiterhin kann es bei der Verwendung von proteinhaltigen Rohstoffen aufgrund von Schwefelverbindungen zu einer Geruchsbelästigung der Anwohner kommen. Damit der Gärprozess einwandfrei funktioniert, darf nur Gülle und Mist von Tieren eingebracht wird, welche nicht mit Antibiotika behandelt wurden. Außerdem darf die Biomasse nicht angeschimmelt sein. Kommen Antibiotika in erhöhter Dosis oder Schimmelpilze in den Gärbehälter, werden dort die benötigten Bakterienstämme getötet.

Ein weiterer Nachteil sind die ungewissen Auswirkungen des gezielten Anbaus von Energiepflanzen auf das ökologische Gleichgewicht. Die Auswirkungen sind noch nicht abzuschätzen, es ist jedoch zu befürchten, dass wieder vermehrt Monokulturen entstehen.

Faustzahlen für Jahreserträge bei Biogas

Typ

Biomasse

Gasmenge

elektr. Energiegehalt

Milchkuh

17 m³ Gülle/anno

289 Nm³/anno

1.095 kWh_el/anno

Mastrind

2,8 t Festmist/anno

185 Nm³/anno

562 kWh_el/anno

Reitpferd

11,1 t Festmist/anno

388 Nm³/anno

1.472 kWh_el/anno

Legehenne

20 dm³ Festmist/anno

1,64 Nm³/anno

6,21 kWh_el/anno

Silomais 1 ha

40 bis 60 t/anno

4000 bis 6000 Nm³/anno

15.000 bis 22.500 kWh_el/anno

Zuckerrüben 1 ha

55 bis 75 t/anno

3500 bis 4800 Nm³/anno

13.500 bsi 18.000 kWh_el/anno

Getreide 1 ha

40 bis 60 t/anno

3000 bis 5000 Nm³/anno

10.000 bis 18.000 kWh_el/anno

Grünland 1 ha

23 bis 43 t/anno

2000 bis 3800 Nm³/anno

7.500 bsi 14.000 kWh_el/anno

Ein Kubikmeter Biogas hat je nach Biomassentyp einen Methangehalt 50 - 75 % bzw. einen Energiegehalt von 5,0 - 7,5 kWh. Dies entspricht einem Heizöläquivalent von ca. 0,6 Liter. Ein Kubikmeter Methan hat einen Energiegehalt von 9,97 kWh, das ist ein Heizwert von 36 MJ/m³. Im Vergleich zu Heizöl ist dies Äquivalent von einem Liter.

Faustzahlen für Biogaserträge pro Tonne^[1]

Biomasse

Biogasertrag

Methangehalt

Grassilage

172 m³ pro Tonne Frischmasse

54 %

Maissilage

202 m³ pro Tonne Frischmasse

52 %

Zuckerrüben

67 m³ pro Tonne Frischmasse

72 %

Bioabfall

100 m³ pro Tonne Frischmasse

61 %

Hühnermist

80 m³ pro Tonne Frischmasse

60 %

Schweinemist

60 m³ pro Tonne Frischmasse

60 %

Rindermist

45 m³ pro Tonne Frischmasse

60 %

Schweinegülle

28 m³ pro Tonne Frischmasse

65 %

Rindergülle

25 m³ pro Tonne Frischmasse

60 %

^[1] Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Biogas Basisdaten Deutschland Stand: Januar 2008