Photovoltaik (PV) und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Elektrische Energie wird im Allgemeinen in Kraftwerken unterschiedlicher Art erzeugt (z.B. Kohle- und Kernkraftwerke, Wasser- und Windkraftanlagen u.v.m.) und über mehrere Zwischenstationen (Umspannwerke) von den Energieversorgern bzw. Stadtwerken meist über Erdkabel, gelegentlich noch über Freileitungen, frei Haus geliefert. Das ist die „klassische“, auch heute noch mit Abstand am weitesten verbreitete Methode der Elektroenergieversorgung.

Doch es gibt noch andere Möglichkeiten und seit der ersten großen Ölkrise in den 1970er Jahren setzte eine lebhafte Suche nach alternativen Energiequellen ein. Man erinnerte sich lange bekannter physikalischer Prinzipien zur Nutzung regenerativer Energien (Sonne, Wind, Erdwärme etc.), die wieder aufgegriffen und zu ausgereiften technischen Lösungen weiter entwickelt wurden. Für die direkte Stromerzeugung unmittelbar am oder im Gebäude haben sich im Wesentlichen zwei Technologien durchgesetzt, die derzeit schon weit verbreitet sind:

  • Photovoltaik (PV) und
  • Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Anmerkung: Auf Grund des bevorstehenden Ausstiegs aus der Kernenergie und der daraus folgenden aktuellen Energiediskussion, werden sich rasch weitere Technologien für die dezentrale Energieerzeugung zur Marktreife entwickeln, z.B. die Brennstoffzelle, der neben der Nutzung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen eine große Zukunft in der Gebäudetechnik als Mini-Kraftwerk im Keller vorausgesagt wird. Experimentiert wird auch mit Kombinationen bekannter Technologien, wie z.B. von Solarthermie und Photovoltaik und vieles andere mehr.

Photovoltaik (PV)
Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom mit Hilfe von Solarzellen. Physikalische Grundlage ist der sogenannte photoelektrische Effekt. Durch Lichteinstrahlung in einem Halbleitermaterial (Solarzelle) werden positive und negative Ladungsträger freigesetzt, sodass in einem geschlossenen Stromkreis ein Stromfluss generiert wird (Gleichstrom). Mehrere Solarzellen werden zu Solarmodulen oder Solarpanelen zusammengeschaltet, die meist auf nach Süden ausgerichteten Dächern montiert oder in die Fassade von Gebäuden integriert werden (ggf. auch auf einem Freigelände). Alle Solarmodule werden wiederum miteinander verbunden und bilden den Solargenerator. Da der entstehende Gleichstrom im Haushalt nicht unmittelbar verwendet werden kann, muss er mit Hilfe eines Wechselrichters zuerst in Wechselstrom – üblicherweise 230 V / 50 Hz – umgewandelt werden.

Der erzeugte Wechselstrom kann direkt im Haus verbraucht werden. Solche autarken, netzunabhängigen Systeme sind üblich bei entfernt gelegenen Gebäuden, z.B. Ferienhäuser, wo sich der Aufwand bzw. die Kosten für eine Netzkopplung nicht lohnen. Der direkte Eigenverbrauch stößt rasch an Grenzen, weil die Sonnenenergie nicht kontinuierlich in gleichbleibender Menge zur Verfügung steht, sondern tageszeitlichen und wetterbedingten (Bewölkung etc.) Schwankungen unterliegt. Deshalb muss die gewonnene Energie zunächst gespeichert werden. Dazu dienen in der Regel nicht Batterien o. ä., sondern üblicherweise das öffentliche Stromnetz. Das heißt der Strom wird über einen Einspeisezähler vom netzgeführten Wechselrichter ins Netz eingespeist. Man spricht hier von netzgekoppelten Systemen. Die eingespeiste Energie wird vergütet. Die Höhe der Vergütung ist gesetzlich festgelegt und richtet sich u. a. nach den Festlegungen der aktuellen, sich jährliche ändernden Fördersätze. Wie alle anderen Stromverbraucher auch bezieht der Hausbesitzer den benötigten Strom aus dem Netz über einen Bezugszähler. Die verbrauchte Menge kann mit dem eingespeisten Strom verrechnet werden. Ergänzt werden PV-Anlagen durch Abschalt- und Schutzvorrichtungen, z.B. gegen Blitzschlag etc.

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) oder auch als Blockheizkraftwerk (BHKW) wird die gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme in einem Gerät bezeichnet, das mit Gas betrieben wird. Das Prinzip: Ein spezieller Gas-Verbrennungsmotor treibt einen Generator an, der elektrischen Strom liefert – vergleichbar mit einem Dynamo beim Fahrrad. Die bei diesem Prozess zwangsläufig entstehende Wärme geht nicht etwa verloren, sondern wird ganz konsequent für die Heizung und die Warmwasseraufbereitung verwendet. Größter Vorteil dieser dezentralen Technologie ist die hocheffiziente, weitgehend verlustfreie Nutzung des Energieträgers Gas, denn die eingesetzte Energie wird quasi doppelt genutzt. Die bei der Stromerzeugung entstehende Prozesswärme wird in räumlicher Nähe unmittelbar für die Wärmeversorgung verwendet. Übertragungsverluste entfallen daher, sodass KWK-Anlagen unübertroffen hohe Wirkungsgrade von bis zu 92% erreichen – ganz wesentlich höher als in den modernsten Großkraftwerken.

Umweltschonende Blockheizkraftwerke haben sich in den vergangenen Jahren etabliert, allerdings aufgrund der Größe bisher hauptsächlich für Mehrfamilienhäuser und Gewerbebetriebe. Sogenannte Mini-BHKW gibt es schon seit etwa dem Jahr 2000. Mit elektrischen Leistungen zwischen 3 kW und 5 kW sowie 4 kW bis etwa 12 kW thermischer Leistung waren diese für einen wirtschaftlichen Betrieb in Ein- und Zweifamilienhäusern jedoch zu groß. Seit dem Frühjahr 2011 gibt es sogenannte Mikro-BHKW, diese schließen mit 1 kW elektrischer Leistung und 2,5 kW thermischer Leistung eine Technologielücke, sodass es erstmalig möglich wird, diese Strom produzierenden Heizungen auch im Eigenheim einzusetzen.

Das Gesamtsystem einer Mikro-KWK-Anlage für ein Einfamilienhaus (siehe Bild 1) besteht aus den Komponenten: Mikro-BHKW, Wärmeauskopplungsmodul, Systemregler, Multifunktionsspeicher mit Trinkwasserstation und Zusatzheizgerät.

Ähnlich wie Photovoltaikanlagen werden auch KWK-Anlagen nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG) vom 01.01.2009 vielfältig gefördert (Einspeisevergütung, KWK-Zuschuss, Entgelt für vermiedene Netzkosten, Erstattung der Energiesteuer, KfW-Förderprogramme).