Erneuerbare Energie ~ renewable energy
Die erneuerbare Energien werden aus der Umwelt gewonnen und haben, wie der Name schon sagt, eine positive Eigenschaft dem Nutzer wiederholt zur Verfügung zu stehen, obgleich nicht zu jeder Zeit und im selben Umfang. Sie dienen der Einsparung von CO² Ausstoß in die Luftatmosphäre durch Verwendung der fossilen Energieträger oder sind dort im Einsatz, wo Gebäude autark und unabhängig mit Energie versorgt werden müssen.
Photovoltaik
Da die Wärmepumpen- und Solarkollektorensysteme für ihren Betrieb eine Stromzufuhr als Hilfsenergie benötigen, kann das Energieversorgungssystem erst dann als nachhaltig bezeichnet werden, wenn auch ihre Stromversorgung aus regenerativen Ernergiequellen mit umweltverträglichen CO² Bilanz stammt. Das gleiche Thema kennen wir am Beispiel der Stromproduktion für die Elektroautos, die nicht mehr Kohlendioxid ausstoßen darf, als die Verbrennungsmotoren für das Autoantrieb verursachen würden. Als eine gute Möglichkeit den Bedarf an Hilfsenergie für die Stromversorgung zu decken bietet sich die Verwendung von gebäudeintegrierten Photovoltaikmodulen an, deren Hauptbestandteil die Solarzelen darstellen.
Die Erzeugung von Strom beruht auf dem sogenannten photovoltaischen oder photoelektrischen Effekt. Die Leitung des entstehenden Stromflusses übernehmen die Solarzellen. Trifft das Sonnenlicht auf die Halbleiterwerkstoffe in einer Solarzelle, werden Elektronen angeregt, sodass sie sich bewegen. Die Bewegungsenergie erzeugt Strom. Je mehr die Sonne scheint, desto mehr Solarstrom wird erzeugt.
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen kristalinen und neueren Dünnschichtzellen. Kristalline Zellen können als einzelne Scheiben nahezu beliebig im Modul angeordnet werden. Aus Isolationsgründen müssen sie mit einem Mindestabstand zueinander verlget werden. Dünnschichtzellen sind produktionsbedigt fest mit dem Trägermaterial verbunden und vom optischen Erscheinungsbild in der Regel vollflächig angeordnet. Ein wesentliches Auswahlkriterium für Solarzellen ist ihr elektrischer Wirkungsgrad, der angibt wie viel Prozent der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird. Handelsübliche Solarzellen erzielen Werte von etwa 8 % (amorphes Silizium) bis zu 17% (monopolykristallines Silizium).
Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung und Witterungseinflüßen werden die Solarzellen zwischen einer vorder- und Rückseitigen Abdeckung eingebettet. Dieser Glas-Glas- oder Glas-Kunststoff-Verbund wird dann als Photovoltaikmodul bezeichnet. Für die Stromaufbereitung wird bei netzgekoppelten photovoltaischen Systemen ein Wechselrichter installiert, der vom Generatorfeld (= Summe der Photovoltailmodule) erzeugten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umwandelt.
Im Mittelpunkt der Photovoltaikanwendung im Gebäudekontext steht die baukonstruktive und gestalterische Integration in die Gebäudehülle. Ziel der Entwicklung sind harmonische Gesamtkonzepte, bei denen der nach außen verlagerte Teil der Gebäudetechnik als Bauelement wichtige funktionale und ästhetische Funktionen übernimmt.
Solarkollektoren
Der Sonnenkollektor wandelt die kurzwellige Sonnen- in langwellige Wärmestrahlung um, die in Kombination mit Speicher und Reglungstechnik dem Heizungs- und Warmwasser-versorgungssystem des Gebäudes hinzugefüht wird. In der Praxis kommen unterschiedliche Kollektortypen zum Einsatz:
offene Absorber: sie stellen die einfachste Art der solarthermischen Wandler dar. Aufgrund hoher Wärmeverluste bleibt ihr Wirkungsgrad jedoch gering. Sie werden bei der solaren Schwimmbaderwärmung eingesetzt oder dienen als Wärmequelle für Wärmepumpen.
Flachkollektoren: Sie sind die meist verwendete Kollektorart für die Wärmeversorgung von Gebäuden. Hier wird der Absorber rückseitig gedämmt und erhält auf der sonnenzugewandten Seite eine spezielle Solarglasabdeckung. Durch ihren Aufbau läst sich eine Integration in die Gebäudehülle sehr gut realisieren.
Vakuumröhrenkollektoren: Hier befindet sich der flächige oder runde Absorber in einer evakuierten Glasröhre. Der luftisolierter Aufbau sichert diesem Systen die besten Wirkungsgrade und die höchsten Betriebstemperaturen.
Innovative Solarkollektoren: Die Entwicklungsarbeit der Forscher wie z.B. von Frauenhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE bleibt nicht stehen und es werden neue inovative Ansätze der Gebäudeintegration untersucht, wobei die neuen Kollektorsysteme mit deutlich mehr Flexibilität und in größere Fassadenflächen eingesetzt werden können.
Die Effizienz einer Solaranlage wird wird neben dem Nutzlastprofil und der Kollektorausrichtung haupsächlich vom örtlichen Solarstrahlungsangebot beeinflußt. So steht bei der thermischen Solarenergienutzung an erster Stelle die Überlegung mit welchem solaren Deckungsgrad der
vorhandene Heizwärmebedarf eines Gebäudes gedeckt werden kann. Typische Anlagengrößen im Einfamilienhausbereich mit vier Personenhaushalt sind ca. 10 bis 20 m² Kollektorfläche bei einem
Speichervolumen von 0.7 bis 2,0 m³. Damit lassen sich bei energieeffizienten Gebäuden zwischen 20 und 30 % des Gesamtenergiebedarfs über solarthermischeEnergie abdecken.
Aufgrund unterschiedlicher Einstrahlungsverhältnisse unterscheiden sich Dach- und Fassadenkollektoren in ihren solaren Erträgen. Fassadenkollektoren müssen in Europa gegenüber ideal ausgerichteten Dachkollektoren etwa 20 bis 25% größer dimensioniert werden, um die gleiche jährliche Energiemenge zu erzeugen. Da der Energieertrag und Nutzung der gewonnen Wärme zu unterschiedlichen Zeiten stattfindet, werden zur zeitlichen Entkoppelung zusätzliche Speicher in Kombination mit Regelungstechnik verwendet.
Wärmepumpen
Mit Hilfe einer Wärmepumpe kann die im Boden, im Grundwasser oder in der Luft gespeicherte regenerative Energie für Heizzwecke nutzbar gemacht werden. Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ist identisch mit dem eines Kühl- oder Gefrierschranks. Beim Kühlschrank wird der Effekt des Wärmeentzugs genutzt, und die aus dem Kühlgut entzogene Wärme wird an den Raum abgegeben. Bei der Wärmepumpe wird die aus der Umgebung gewonnene Wärme zur Beheizung des Gebäudes genutzt.
Wärmepumpen arbeiten umso effizienter, je höher die Quellentemperatur ist. Deshalb lohnt es sich, eine Wärmequelle mit möglichst hoher und konstanter Temperatur nutzbar zu machen. Moderne Wärmepumpen heizen, erwärmen auf Wunsch das Trinkwasser und lassen sich je nach Modell zusätzlich zum Lüften und Kühlen eines Gebäudes einsetzen. Wenn der Antriebsstrom der Wärmepumpe aus erneuerbaren Quellen wie der Windkraft oder Photovoltaik bezogen wird, arbeitet sie außerdem emissionsfrei und trägt noch mehr zum Klimaschutz bei.