Erneuerbare Energien: Alternativen zu Öl und Gas im privaten Haushalt

Von: Peter Pospischil, überarbeitet von Jochen Klonner - VerbraucherService Bayern

Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen, Pelletkessel - es gibt viele Möglichkeiten, um regenerative Energiequellen in den eigenen vier Wänden zu nutzen. Außerdem bieten viele Energielieferanten mittlerweile die Möglichkeit, Wärme und Strom aus erneuerbaren Energien zu beziehen. In diesem Artikel erfahren Sie, welche Technologien es gibt und wie Sie diese im Haushalt nutzen können.

Rechtlicher Hintergrund: Das Gebäudeenergie Gesetz (GEG)

Regenerative oder erneuerbare Energien sind Energiequellen, die sich nicht durch ihre Nutzung erschöpfen. Die Energieressource steht also nachhaltig zur Verfügung oder sie wird neu nutzbar gemacht. In Deutschland erreichen regenerative Energien einen Anteil von 17,2% am Primärenergieverbrauch (Stand 2022). Der Anteil an der Bruttostromerzeugung liegt bei rund 44% (Zahlenmaterial von 2022, Quelle: Statistisches Bundesamt.).

Welche Energien aus rechtlicher Sicht dazugehören, wird im Gebäude-Energie-Gesetz (GEG) festgelegt. Dazu zählen: Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse, Umwelt- und Erdwärme. Das GEG verpflichtet Eigentümer/-innen erneuerbare Energien in festgelegtem Maß zur Beheizung, Warmwasserbereitung und auch Kühlung eines Gebäudes einzusetzen. Am 1. November 2020 hat das GEG in verschärfter Form das bis dahin geltende Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz abgelöst. 

Anmerkung: Eigentlich gibt es physikalisch keine erneuerbare Energie. Laut Energieerhaltungssatz kann immer nur eine Energie in eine andere umgewandelt werden. Energie kann auch nicht verbraucht werden, oder verlorengehen. Bei der Umwandlung entstehen oft unerwünschte Energien, in Form von nicht nutzbarer Wärmeenergie. Man bezeichnet diese unerwünscht entstehenden Energiemengen Verlustenergie.

Förderung erneuerbarer Energien

Erneuerbare Energien werden überwiegend vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gefördert. In einigen Orten wird eine zusätzliche Förderung von der Stadt oder der Gemeinde angeboten.

Wie kann ich regenerative Energie in meinem Haushalt nutzen?

Nah- und Fernwärme aus regenerativer Erzeugung

In einigen Städten und Gemeinden Bayerns ist der Anschluss an ein regeneratives Fernwärmenetz möglich. Über eine Übergabestation, bestehend u.a. aus Wärmetauscher und Messeinrichtung, wird die Wärme gebrauchsfertig ins Gebäude geliefert. Erzeugt wird sie aus Geothermie, Biomasse, d.h.in biomassebefeuerten Heizkraftwerken oder in Blockheizkraftwerken nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Dort wird aus Biomasse Strom erzeugt, die Abwärme aus der Stromerzeugung wird in das Wärmenetz geliefert. Derzeit werden viele Fernwärmekraftwerke (besonders im Norden) noch mit fossilen Energieträgern wie Kohle, Gas oder Öl betrieben. Zunehmend kommen aber auch umweltfreundliche Varianten wie Hackschnitzel, Biogas, Pflanzen und Hausmüll zum Einsatz. Später soll auch Wasserstoff dazu kommen, welcher aber wegen der froßen Umwandlungsverluste derzeit noch sehr umstritten ist.

Kraftwärmekopplung (Gas, Öl, Biogas, Pflanzenöl, Wasserstoff)

Bei der Erzeugung von Strom entstehen über die Hälfte Verluste in Form von Wärme. Diese Wärme geht bei einer Kraft-Wärme-Kopplung nicht nutzlos verloren, sondern wird über das Fernwärmenetz allen angeschlossenen Gebäuden zur Verfügung gestellt. Möglich ist diese Kopplung durch die Verwendung von Generatoren, welche durch Gas Motoren oder Turbinen angetrieben werden. Eine Alternative zum Einsatz von mechanischen Krafterzeugern stellt der Einsatz von Brennstoffzellen dar. Hierbei erfolgt die Strom- und Wärmeerzeugung durch einen chemischen Prozess. Auch hierbei entstehen etwa 50% Wärme. Die Kraftwärmekopplung wird in großem Maßstab für Nah- und Fernwärmenetze betrieben (s.o.). Zukünftig soll dabei auch Wasserstoff eine Rolle spielen.

In kleinerem Maßstab erfolgt deren Einsatz am wirtschaftlichsten in Nutzungen mit hohem ganzjährigem Warmwasserverbrauch wie Wohnheimen oder Schwimmbädern. Für Wohngebäude sollte der Einsatz kleinster KWK- Anlagen unbedingt im Vorfeld (wirtschaftlich) geprüft werden. Grundsätzlich gilt: Eine Kraftwärmekopplungsanlage, die wirtschaftlich betrieben werden soll, ersetzt nicht den bisherigen Wärmeerzeuger, sondern wird in seiner Größe nach dem ununterbrochenen Warmwasserbedarf dimensioniert und deckt den Gesamtwärmebedarf etwa zur Hälfte. Es wird also stets ein Spitzenlastkessel zusammen mit der Kraftwärmekopplungsanlage installiert sein. Nur thermisch geführte Anlagen bringen eine Einsparung an Primärenergie.

Solarthermie zur Warmwasserbereitung, zur Heizungsunterstützung oder für das Schwimmbad

Seit den 80er Jahren auf Siegeszug ist die inzwischen in unzähligen Varianten verfügbare Solarthermie. Auf eine meist geneigte Dachfläche werden Kollektoren installiert. In ihnen erwärmt die Sonnenstrahlung ein Trägermedium, das die Wärme in einen solarfähigen Speicher, im Innern des Gebäudes aufgestellt, abgibt. Die gespeicherte Wärme genügt bei richtiger Dimensionierung für die Warmwasserbereitung während des Sommerhalbjahres bis in die Übergangsjahreszeiten hinein, deckt also rund 60% der Warmwasserwärme. Sind Flächenheizungen im Gebäude vorhanden, kann die Anlage, größer dimensioniert, die Heizung zu rund 10 bis 20% unterstützen.

Es handelt sich um eine gut erprobte, einfache und robuste Technik. Für Anlagen mit Heizungsunterstützung ist eine gute Steuerung unerlässlich. Thermische Solaranlagen sind mit praktisch allen Wärmeerzeugern kombinierbar. Eine gute Anlagenplanung berücksichtigt gestalterische Aspekte (Kollektoren auf den Dachflächen) ebenso wie technische. Dazu zählen u.a. die richtige Dimensionierung von Kollektorfläche, Speicher und Pumpe, großzügige und vollständige Leitungsdämmung aus hochhitzebeständigem Material, Auswahl des passenden Speichers, an die örtlichen Gegebenheiten und Nutzergewohnheiten angepasste Steuerung. Die Solarthermie wird zunehmend von PV-Anlagen verdrängt, weil man Strom besser nutzen kann als Wärme, die bei thermischen Kollektoren besonders im Sommer im Überfluss zur Verfügung steht, aber dann meist nur wenig gebraucht wird.

Photovoltaikanlagen zur Stromgewinnung

In fast allen Gemeinden Bayerns sind bereits Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) mit einer Gesamt- Anlagenleistung über 7, in vielen bereits über 15 Megawattstunden installiert (Stand 2020, beinhaltet sind in dieser Rechnung auch Freiflächenanlagen). In PV-Modulen entsteht durch Sonneneinstrahlung Gleichstrom, der durch die Wechselrichter in den üblichen Netz-Wechselstrom umgewandelt wird. Die optimale Ausbeute wird bei einer Neigung von rund 38° und Südausrichtung erreicht. Der erzeugte Strom wird je nach Vertragsart entweder komplett ins Netz eingespeist oder vorrangig selbst verbraucht und nur der Überschuss eingespeist.

Der eingespeiste Strom wird nach den Sätzen des zur Inbetriebnahme gültigen EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) für das Jahr der Inbetriebnahme und 20 weitere Jahre in gleicher Höhe vergütet. Für den selbstverbrauchten Strom erhält der Betreiber zwar keinen Eigenverbrauchsbonus mehr, spart jedoch den Preis für den bisherigen Strombezug, der inzwischen die Einspeisevergütung deutlich übersteigt. Die Vergütungssätze wurden in den vergangenen Jahren stark beschnitten, in 2022 aber wieder leicht erhöht. Durch die stark gefallenen Anlagenpreise bleibt die Installation einer PV-Anlage auch für den privaten Haushalt dennoch meist wirtschaftlich. Ein hoher Anteil selbstverbrauchten Stroms ist lukrativ. Er wird bei kleineren Anlagen leichter erreicht. Neben der Windenergie handelt es sich bei der Photovoltaik um die am wenigsten flächenintensive regenerative Energie. Auf 6 m² Süd-Dach werden jährlich grob 1.000 kWh erzeugt. Neigung, Lage, PV-Module und Anlagentyp haben Einfluss auf die Stromausbeute.

Durch Nutzung eines Batteriespeichers kann Überschussstrom vom Tag für die Nacht genutzt werden. Damit wird der Anteil des Eigenverbrauchs gesteigert. Die Kapazität des Batteriespeichers wird dabei für einen Nachtzyklus ausgelegt. Eine einfache PV-Anlage ohne Batteriespeicher kann die Stromrechnung um etwa 30% senken, ohne dabei gezielt die Stromverbrauchszeiten nach der Sonne auszurichten. Mit durchdachten Einschalten von Verbrauchern nach Sonnenstand, kann die Stromrechnung sogar bis zu 40% gesenkt werden. Mit einem Batteriespeicher kann dieser Anteil durchaus auf 50-60% gesteigert werden. Mit einem gut programmierten Energiemanager noch etwas mehr. Die Nutzung von noch mehr selbst erzeugten Strom sind durch die Elektromobilität möglich. Die genannten %-Werte sind Erfahrungswerte. Sie hängen stark von der PV-Anlagengröße, der Ausrichtung und der Größe des Batteriespeichers ab. Zu große Batteriespeicher sind jedoch unwirtschaftlich und bringen nur eine geringe Steigerung vom Eigenstromanteil. Eine wirtschaftliche Batteriespeichergröße sollte nicht bedeutend größer sein, als Ihr Jahresstromverbrauch geteilt durch 1000.

Windanlagen im privaten Bereich

Kleinstwindanlagen werden bisher hauptsächlich bei Insellösungen, also fernab vom Stromnetz genutzt. Bei derzeit stark steigenden Strompreisen werden sie zunehmend interessant. Bedenkt man, dass eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit eine Verachtfachung der Windenergie bewirkt, ist die exponierte Lage vom Aufstellungsort mit viel Wind entscheidend, dagegen ist aber auch die Sturmsicherung sehr wichtig.

In Bayern ist die Windenergienutzung jedoch an den meisten Orten schwierig, weil einfach zu selten und zu wenig Wind geht. Grob überschlagen kann man nur ein Achtel der Zeit mit Strom aus der Windkraftanlage rechnen. Folglich stehen in Bayern Windkraftanlagen die überwiegende Zeit still. Man müsste sie extrem hoch bauen, um damit effektiv Strom zu erzeugen. Hier sind PV-Anlagen effektiver, als im Norden von Deutschland, dafür bläst im Norden der Wind öfter und stärker als hier.

Eine Windanlage kann eine PV-Anlage in den Nachtstunden und im Winter gut unterstützen. Meist laden Kleinstwindanlagen den vorhandenen PV-Anlagen-Batteriespeicher zusätzlich auf. Für den Privathaushalt einfacher verfügbar ist Strom aus großen Windkraftanlagen. Der genossenschaftliche Betrieb einiger solcher Anlagen ermöglicht jedem Einzelnen in diese Energieform zu investieren und so Anteil zu haben an dem Ausbau erneuerbarer Energien. Die Windenergie ist die am wenigsten flächenintensive regenerative Energie.

Wärmepumpe mit Quellen aus Wasser, Erdreich, Luft)

Unter Einsatz von elektrischem Strom wird mit Hilfe einer Wärmepumpe Wärme aus der Umwelt für Heizzwecke nutzbar gemacht. Die Effizienz steigt mit der Wärmekapazität der Wärmequelle. Deshalb sind Grundwasser-Wasser-Wärmepumpen mit einer Jahresarbeitszahl von 4 bis 7 (Verhältnis zwischen erhaltener Wärme und eingesetzter Energie) die effizientesten, gefolgt von Erdreichwärmepumpen mit einer Jahresarbeitszahl um 4 bis 6. Schlusslicht sind Luftwärmepumpen mit einer Jahresarbeitszahl von 3 bis 4,5.

Grundwasser-Wärmepumpe

Wichtig dabei ist, dass die Temperaturdifferenz zwischen Quellentemperatur und erzeugter Temperatur möglichst gering ist. Eine Grundwasserwärmepumpe ist daher so effektiv, weil auch im kalten Winter das Grundwasser etwa +10°C hat und die Vorlauftemperatur für die Fußbodenheizung maximal 35°C. Die Temperaturdifferenz ist folglich nur 25 Grad. Daher ist es möglich, dass diese Wärmepumpe aus einer kWh Strom bis zu 7 kWh Wärme produziert. Wird diese Grundwasserwärmepumpe mit Heizkörpern betrieben, welche 60°C benötigen, dann ist die Temperaturdifferenz bereits 50°C und die Effektivität sinkt, sodass aus einer kWh Strom nur noch etwa gut 3 kWh Wärme erzeugt werden.

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Verwendet man die am häufigsten eingebaute Luft-Wasser Wärmepumpe, so ist die Quellentemperatur, also Außenluft, im Winter schon mal -10°C. Werden hiermit Heizkörper mit Vorlauftemperaturen von 60°C versorgt, dann ist die Temperaturdifferenz 70 Grad, wodurch die Effizienz der Wärmeerzeugung stark sinkt. Dadurch kann diese Wärmepumpe in diesem Fall aus einer kWh Strom nur noch etwa 1,5 kWh Wärme produzieren und ist damit wenig effizient. Gleichzeitig reduziert sich Ihre Wärmeleistung beträchtlich. Sinkt die Außentemperatur noch weiter, wird sie den Wärmepumpenbetrieb einstellen und nur noch auf das eingebaute Heizschwert umschalten (arbeitet wie ein Tauchsieder, 1 kWh Strom erzeugt 1 kWh Wärme). Bedenkt man den Wirkungsgrad der derzeitigen Stromherstellung, so ist das nicht nur sehr teuer, sondern auch umweltschädlicher, als z.B. sogar direkt mit Gas zu heizen.  

In der Praxis zeigt sich eine hohe Bandbreite der tatsächlich erreichten Effizienz von Wärmepumpenanlagen. Die richtige Einstellung der Heizungsregelung ist hier entscheidend und erfordert viel Wissen vom Heizungsbauer.

Luft-Luft-Wärmepumpe und Heizungs-Wärmepumpe

Abweichend von Heizungswärmepumpen können auch Klimaanlagen nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Heizen genutzt werden. Es gibt Klimaanalgen, die z.B. bei +7°C Außentemperatur aus einer kWh Strom mehr als 6 kWh Wärme erzeugen können. Wieder ist hier die Temperaturdifferenz entscheidend, weil die an den Raum abgegebene Luft nur eine Temperatur von etwa 25°C hat und die Quellentemperatur +7°C, also eine Temperaturdifferenz von nur 18 Grad. Sinkt hier die Außenlufttemperatur auf -10°C so sinkt auch hier die Effizienz, so dass auch effiziente Klimaanlagen bei diesem Betriebspunkt nur noch etwa 3,5 kWh Wärme aus 1 kWh Strom erzeugen können.

Vorteilhaft sind hierbei die geringeren Kosten der Anlagen und der Installation. Diese Luft-Luft-Anlagen gehen nicht den Umweg über das Heizungswasser, sondern erwärmen die Raumluft direkt. Häuser, die bisher nur mit Heizkörper beheizt wurden, können dadurch auch mit hoher Effizienz die Energie der Außenluft nutzen. Sehr effiziente Klimaanlagen werden derzeit mit Recht von der BAFA genauso gefördert, wie die Luft-Wasser-Heizungswärmepumpen, welche momentan eine sehr lange Lieferzeit bis zu 2 Jahren haben. Die effizientesten Klimaanalagen sind den Luft-Heizungswärmepumpen sogar in der Effizienz überlegen, jedoch ist die Luftheizung der Klimaanalgen nicht so angenehm wie z.B. eine Fußbodenheizung.

Bei Heizungs- Wärmepumpen ist der Einsatz von Flächenheizsystemen dringend angeraten, weswegen sie im Bestand mit überwiegend Heizkörpern kaum ainnvoll Verwendung finden. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Heizleistung bei sehr kalten Außentemperaturen kann das eingebaute Heizschwert zum regelrechten Stromfresser werden, denn es wird genau dann aktiviert, wenn die Heizung am dringendsten gebraucht wird.

Biomasse: Heizen mit Pellets, Scheitholz und Hackschnitzel

Wärme entsteht durch Verbrennung des Energieträgers in einem Heizkessel. Man unterscheidet Biogas und feste Biomasse. In privaten Haushalten kommen vor allem Pelletkessel und Scheitholzkessel, in größeren Gebäuden auch Hackschnitzelkessel zum Einsatz. Biogas wird in der Regel nicht direkt geliefert. Vielmehr wird es ins Erdgasnetz eingespeist und vom Verbraucher eine adäquate Menge bezogen, ähnlich wie regenerativer Strom.

Pelletkessel werden aus einem Lager gespeist, aus dem die Pellets über Gebläse oder Förderschnecken zum Kessel transportiert werden. Die Systeme sind seit langem ausgereift. Neben den fest eingebauten Lagern mit schrägem Schüttboden und Klappe für Wartungsarbeiten im Inneren sind einfach aufstellbare Sacksilos aus textilem Kunststoff erhältlich. Diese werden schneller und einfacher eingebaut, schließen die Pellets staubsicher ein und Verstopfungen der Pellets können leichter wieder beseitigt werden, als wenn tonnenweise Pellets auf den Entnahmestellen liegen, da sie von unten zugänglich sind.

Wenig bekannt sind ins Heizungssystem integrierte Pelletöfen oder Holzöfen, die im Wohnraum aufgestellt werden und eine Wassertasche haben. Je nach Modell geben sie 20 – 50 % der Wärme direkt an den Aufstellraum ab, der Rest erwärmt das Heizungswasser in einem Pufferspeicher und steht somit für die Raumbeheizung und die Warmwasserbereitung zur Verfügung. Die Verteilung erfolgt also über das herkömmliche Wasser-Heizsystem. Ohne Strom können derartige Pellet- oder Holzöfen jedoch nicht betrieben werden, da im Betrieb das erwärmte Wasser in der Wassertasche ständig mit elektrischen Pumpen zum Pufferspeicher gepumpt werden muss.

Förderung erneuerbarer Energien

Erneuerbare Energien werden überwiegend vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gefördert. In einigen Orten wird eine zusätzliche Förderung von der Stadt oder der Gemeinde angeboten.

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