Berlin: Solar Energy 2001: Neue Konzepte für die Energieversorgung

Bis zur Mitte dieses Jahrhunderts werden wir eine nachhaltige Energieversorgung haben, die sich vor allem auf erneuerbare Energiequellen stützt. Das sagen Politiker mit Blick auf das Klima, das sagen Analysten der Mineralölkonzerne angesichts der begrenzten Reserven von Kohle, Öl und Erdgas - und das sagen Solarforscher in Kenntnis der technischen Möglichkeiten. Eine nachhaltige Energieversorgung nutzt übrigens nicht nur dem Klima: Sie ersetzt importierte Energierohstoffe durch Know-how. Die Wertschöpfung bleibt im Land, Arbeitsplätze werden geschaffen.

Sehen wir uns einmal einige Entwicklungen im Bereich der Gebäude an, um zu veranschaulichen, was "nachhaltige Energieversorgung" bedeutet: In den vergangenen 25 Jahren entstanden beeindruckend viele Techniken, von denen die kostengünstigsten bereits häufig eingesetzt werden, zum Beispiel die Solarthermie. Ölpreis, Know-how und Stückzahlen steigen weiter und werden immer mehr Anwendungen vom Forschungslabor auf den Markt bringen.

Eine wesentliche Erkenntnis der Ingenieure und Wissenschaftler war, dass der rationelle Umgang mit Energie die Basis aller Solarwirtschaft ist. Sie setzen auf "leise" Lösungen, die natürliche Gegebenheiten und technische Kniffe verbinden. Die gewünschte Energiedienstleistung wie Wärme, Kühlung und Licht soll mit möglichst geringem Energieeinsatz erbracht werden.

Je wirtschaftlicher die einzelnen Vorgehensweisen werden - solare Warmwasserbereitung, Niedrigenergiebauweise oder Photovoltaik - desto intensiver können sich die Solarforscher um die Struktur einer nachhaltigen Energiewirtschaft kümmern. Nicht eine Einzeltechnik wird "die" Lösung der Zukunft sein, sondern ein Konzert aufeinander abgestimmter und miteinander kommunizierender Erzeuger und Verbraucher. Insofern ähnelt die Aufgabe des Wissenschaftlers der eines Komponisten, der die solaren Orchestermitglieder zur harmonischen Sinfonie zusammenführen muss.

In Mitteleuropa werden für Heizung, Kühlung, Lüftung und Beleuchtung von Gebäuden 30 Prozent des Endenergiebedarfs aufgewendet. Energiespar-Neubauten zeigen heute oft nur noch ein Drittel jenes Heizungsbedarfs, den wir an zehn Jahre alten Gebäuden messen. Bei steigenden Energiepreisen, schärfer werdenden Vorschriften zum Klimaschutz und staatlichen Zuschüssen für Umbauten werden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz zunehmend attraktiv.

Was sich im privaten Wohnungsbau seit Jahren vollzieht, setzt sich auch im gewerblichen Bereich immer mehr durch. Hier steht der Nutzwert für die Menschen im Vordergrund, denn die Ausgaben für Energiekosten betragen nur ein Prozent der Summe für Gehälter. Ein gutes Raumklima und viel Tageslicht ohne Blendung jedoch steigern das Wohlbefinden und damit die Produktivität.

Zukunftsfähige Gebäudekonzepte müssen zeigen, dass hoher Komfort auch mit geringer Inanspruchnahme von Ressourcen erreicht werden kann. Neue Gebäudekonzepte aber brauchen eine neue Energieversorgung. Bei einem Wohnhaus mit guter Solartechnik geht es nur noch darum, einen Restwärmebedarf bereitzustellen - ein herkömmliches Heizungssystem lohnt sich oft gar nicht. Bei Bürogebäuden hingegen rückt die Heizwärme gegenüber dem Strombedarf für Geräte, Beleuchtung, Lüftung und Kühlung in den Hintergrund.

Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg arbeiten wir daran, die dezentrale Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte in Gebäuden sinnvoll miteinander zu verknüpfen. Wir entwickeln Energieversorgungsmodule, die für jeden Gebäudetyp zu einem maßgeschneiderten Gesamtkonzept zusammengefügt werden können. Dabei beziehen wir bewusst auch Techniken ein, die noch nicht völlig ausgereift sind, aber schon für den Praxistest geeignet sind.

Lüftungsgeräte mit integrierter Abluftwärmepumpe und rund 300 Watt elektrischer Anschlussleistung sind bereits auf dem Markt erhältlich. In Verbindung mit thermischen Kollektoren versorgen sie Solar-Passivhäuser mit erwärmter Frischluft, Überschüsse werden der Warmwasserbereitung und der Heizanlage zugeführt. Alle Komponenten können in einem Gehäuse untergebracht werden, dessen Größe einer Gefrierkombination entspricht. In einer Reihenhaussiedlung in Neuenburg (Baden) und anderen Solar-Passivhäusern im In- und Ausland zeigte sich die Technik alltagstauglich.

Ein neuartiger Sorptionsspeicher kann Wärme verlustfrei und auf kleinem Raum über längere Zeit speichern. Mehrere Prototypen sind bereits im Praxistest. Damit können zum Beispiel Sonnenwärme oder Abwärme "zwischengelagert" und zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden. Das Prinzip arbeitet mit einem Silicagel. Und das ist kein Gel, sondern besteht aus jenen Körnchen, wie man sie als Trockenmittel in Verpackungen feuchteempfindlicher Geräte kennt. Wird diesem Granulat Wasser zugeführt, setzt es Wärme frei, der Speicher wird entladen. Will man ihn laden, führt man ihm Wärme etwa aus Solarkollektoren zu - das Material trocknet dabei, bis der Ursprungszustand erreicht ist.

Solche Sorptionssysteme können aber auch Kälte erzeugen. Das Prinzip: Außenluft wird am Granulat vorbeigeleitet und dabei getrocknet, denn die Körnchen adsorbieren das Wasser der Luft. Nimmt man nun diese getrocknete Luft und befeuchtet sie wieder bis zum normalen Wert, kühlt sie ab - die Feuchtigkeit benötigt Wärme zum Verdunsten, und die holt sie sich nun aus der Luft, die dabei gekühlt wird.

Auch diese Kältemaschine wird von Sonnenkollektoren angetrieben. Denn es ist ihre Wärme, mit der das Granulat wieder getrocknet wird. Und damit es im Kreislauf genutzt werden kann, ist das Silicagel nicht statisch in einem Behälter untergebracht, sondern auf Sorptionsrädern, deren Segmente beim Drehen im Gehäuse getrennt voneinander genutzt werden können: Wasseraufnahme hier, Wasserabgabe dort.

Ist diese Technik schon anwendungsreif, müssen Polymermembran-Brennstoffzellen im Leistungsbereich weniger Kilowatt noch weiter entwickelt werden. Als Mini-Blockheizkraftwerke ohne bewegliche Teile werden sie Strom und Wärme effizient und ohne bewegte Teile liefern. Der Vorteil bei ihnen - wie auch bei den großen Brennstoffzellen: Sie erzeugen im Prinzip mehr Strom als Wärme. Damit passen sie in das veränderte Energiebedarfsprofil, wobei überschüssiger Strom ins Stromnetz eingespeist wird.

Zwar benötigen Brennstoffzellen reinen Wasserstoff für ihre Arbeit, aber dieser lässt sich mit Hilfe eines Reformers auch aus handelsüblichem Erdgas (Methan, CH4

) beschaffen. Methan lässt sich freilich auch über Vergärungsprozesse aus Biomasse gewinnen. Zudem gibt es Überlegungen, den Wasserstoff in großen Mengen durch Elektrolyse von Wasser zu produzieren. Dafür braucht man allerdings elektrischen Strom, der wiederum aus erneuerbaren Energiequellen beschafft werden könnte. Neben solchen Energietechniken spielt die Regelung des Gesamtsystems eine wichtige Rolle. Die vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten der Module erfordern eine ausgeklügelte Regelung, die vorausschauend sein muss. Die Elektronik merkt sich den Energieverbrauch, kennt die Wetterprognosen, errechnet den wahrscheinlichen Bedarf der nächsten Tage und optimiert daraus die Gesamtenergieversorgung des Gebäudes.

All diese Entwicklungen werden das bisherige System von Energieversorgung und -konsum einschneidend verändern. Schließlich werden die Gebäude der Zukunft keine reinen Verbraucher sein. Über modulare Haustechnikkomponenten werden sie als dezentrale Energieerzeuger in einem intelligenten, sich selbst regelnden Netz Teil einer nachhaltigen Energiewirtschaft sein.

Joachim Luther