Energiewende hausgemacht

Clevere Ideen zur Nutzung von Sonnen-, Wind- und Wasserkraft

Von Norbert Busche, Wolfratshausen – raum&zeit Ausgabe 180/2012

Mag der Bundesverband der Deutschen Industrie noch zögern und manch Politiker ziellos wirken: Die Umstellung auf regenerative Energie wird kommen. Die Deutschen experimentieren derweil schon fleißig, bedecken ihre Dächer mit Solarzellen, stellen sich ein Mini-Windrad in den Garten und vergraben Wärmeschlangen im Boden. Welche Methoden haben sich bisher bewährt? Produziert eigentlich die Solaranlage auf dem Dach Elektrosmog? Und kann nicht aus Wasserwirbeln Energie gewonnen werden? Norbert Busche gibt einen informativen Überblick.

Ein kleines Wasserkraftwerk

Gravitationswasserwirbelkraftwerk bei Ober-Grafendorf, Österreich.

Eigentlich wollte Franz Zotlöterer nur seinen Schwimmteich sauber halten. An mäandernden Fließgewässern beobachtete er, wie natürliche Wirbel entstehen, diese Luft ins Wasser speisen und damit Wasserpflanzen zur Reinigung des Wassers sprießen lassen. In stehenden und regulierten Gewässern dagegen entstehen weniger Wirbel, weshalb der österreichische Ingenieur ein künstliches Rotationsbecken für seinen Teich baute. „Wirbel sind ein zentrales Element des Selbstreinigungsprozesses von natürlichen Fließgewässern“, sagt Zotlöterer. „Als ich sah, wie sich das Wasser drehte, dachte ich an einen Rotor mit Generator.“ Was als Reinigungssystem gedacht war, wurde zu einem kleinen Wasserkraftwerk. 

Energie aus Wasserwirbeln

Das Prinzip ist einfach und erinnert an die Wirbelversuche von Viktor Schauberger. Bei einem Gravitationswasserwirbelkraftwerk wird das Wasser eines Flusses in ein Rotationsbecken geleitet. Es entsteht ein Wasserwirbel ähnlich wie beim Abfluss eines Waschbeckens und treibt damit die zentral im Becken stehende Turbine und diese einen Generator an. Die Pilotanlage entstand – wenig überraschend – in Zotlöterers Heimat Österreich, in Ober-Grafendorf, wo auch sein Unternehmen seinen Sitz hat. Nach Firmenangaben hat sie seit 2006 über 300 000 Kilowattstunden Strom produziert.

Auch in Winterberg in Deutschland sind seit Anfang 2012 zwei Anlagen in Betrieb, davon eine mit Doppel-Rotationsbecken. Die Anlagen erzeugen bei einer Fallhöhe von nur 1,4 Metern und einer Durchflussmenge von einem halben Kubikmeter Wasser pro Sekunde 15 000 beziehungsweise 30 000 Kilowattstunden.

Für Wirbelkraftwerke spricht auf jeden Fall, dass sie gute Chancen haben, überhaupt bewilligt zu werden. Die Anlagen benötigen keine hohen Staumauern – sie funktionieren bereits bei niedrigen Sohlschwellen ab einer Fallhöhe von 70 Zentimetern sowie einer Wassermenge von 100 Litern pro Sekunde. Zudem sollen sie fischfreundlich sein, ohne dass separate Auf- und Abstiege geschaffen werden müssten. Die Errichtungskosten belaufen sich auf rund 10 000 Euro pro Kilowatt – „vergleichbar mit denen herkömmlicher Wasserkraftwerke“, so der Hersteller. Die Preise für Anlagen, bei denen nur ein Propeller in fließendes Wasser gehängt wird, setzt die Bundesregierung in Berlin allerdings mit 4 000 bis 6 000 Euro pro Kilowatt deutlich niedriger an, wobei diese auch nur zwischen 0,1 und 1 Kilowatt leisten. 

Auch Professor Peter Rutschmann und Ingenieur Albert Sepp von der Technischen Universität München möchten mit ihrem Schachtkraftwerk 30 bis 50 Prozent billiger sein, weil keine Aushebung und Betonierung des Ufers notwendig wird. Zudem soll das Werk ausbaufähig sein: Wenn es die Breite des Flusses erlaubt, können später weitere Schächte eingehängt werden. Eine Pilotanlage soll spätestens 2014 an der Loisach in Betrieb gehen.

Viktor Schauberger (1885–1958), österreichischer Förster und Naturforscher

Windkraft

Was Viktor Schauberger für Wasserstrudel ist möglicherweise Georges Darrieus (1888–1979) für Windströmungen. Aus seinen Forschungen entstand der Darrieus-Rotor, eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse, die zuerst 1929 aufgestellt wurde. Gegenüber den üblichen Rotoren, die Propellern gleichen, hat die Bauform vor allem den Nachteil der geringeren Effizienz. Um diese zu erhöhen, dreht sich der Darrieus-Rotor oft zusammen mit einem Savonius-Rotor um einen Mast. Bei letzterem sind Metallblätter zu Schaufeln gebogen, hinter denen sich Wind verfängt. Für Privathaushalte bietet ein vertikal stehender Rotor erhebliche Vorteile: Weil ausladende Flügel fehlen, ist der Platzbedarf deutlich geringer, was auch für Schattenwurf und den Lärmpegel gilt. Zudem muss die Anlage nicht am Wind ausgerichtet werden und dreht sich bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten. 

Der Darrieus-Rotor ist eine Windturbine für Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse und, im Gegensatz zur persischen Windmühle, ein Schnellläufer. Er wurde von dem Franzosen Georges Darrieus erfunden und in den USA 1931 patentiert.

Kombination aus Darrieus-Rotor (Außenbereich) und Savonius-Rotor (Nahe der Achse)

Der Markt für Kleinwindanlagen ist unübersichtlich. Manche Anlagen sind kaum über die Pilotphase hinaus und sollen offenbar beim Kunden ausreifen. Umso wichtiger sind Zertifizierungen, insbesondere nach dem internationalen Standard IEC 61400-2, doch diese zu erlangen kostet bis zu 300 000 Euro – mehr als sich kleine Hersteller leisten kann. Anbieter sprechen auch gerne allgemein von „Leistung“, wenn die Windleistung gemeint ist, nicht die (geringere) Nennleistung der Anlage. Das führt zu der offenen Frage, warum in einer DIN-genormten Gesellschaft wie der deutschen sich die Leistungsangaben der Hersteller an keiner Norm orientieren müssen. Interessierte sollten daher stets auf die Nennleistung pochen und fragen, ab welchen Windgeschwindigkeiten diese erreicht werden. Auch hier ist man rasch bei über 10 000 Euro pro Kilowatt Leistung. Kleinere Anlagen zur Selbstmontage aus China gibt es ab 2 600 Euro, dazwischen liegt die Anlage des gebürtigen Walisers und Wahl-Allgäuers Neil Cook. 1,3 Kilowatt Nennleistung soll die Anlage WG 100 für mindestens 7 000 Euro leisten und so selbst bei für Bayern typischen Windgeschwindigkeiten von vier bis fünf Metern pro Sekunde helfen, die Stromrechnung einer vierköpfigen Familie zu halbieren. Andreas Scharli von der Stiftung „Energiewende Oberland“, die Bürger für regenerative Energien zu begeistern versucht, dämpft jedoch Erwartungen: „Für das bayerische Oberland lohnt sich eine private Windenergieanlage nicht.“ Bis zu einer Bauhöhe von unter 10 Metern ist die Errichtung einer Windanlage in manchen Bundesländern genehmigungsfrei. Aber auch hier schränkt Scharli ein: „Genehmigungsfrei bedeutet nicht auflagenfrei. Schattenwürfe und Lärm sollen keine Nachbarn stören.“ Und natürlich soll sie exponiert stehen, um den Wind gut nutzen zu können. Selbst Hersteller wie Envento empfehlen, über mindestens drei Monate die Windgeschwindigkeiten zu messen. 

Fotovoltaik und Solarthermie

Lieber spricht Scharli von Fotovoltaik: Ja, Sonnenenergie würde sich zumindest für Südbayern rentieren. Fotovoltaik oder Solarthermie? Seine Antwort kommt ohne Zögern: „Fotovoltaik!“ Bisher wurden in Deutschland Fotovoltaikanlagen mit einer Gesamtleistung von rund 27 Gigawatt errichtet. Für weitere 25 Gigawatt stellt die Bundesregierung noch Fördermittel zur Verfügung. Wie hoch die garantierte Zahlung jeder eingespeisten Kilowattstunde ausfällt, hängt einerseits von der Leistungsfähigkeit der Anlage, andererseits vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme ab: Je schneller die Einrichtung, desto höher die Vergütung, wobei haustypische Anlagen mit einer Spitzenleistung von bis zu 10 Kilowatt die höchste Vergütung erhalten. Wer im Oktober 2012 eine solche haustypische Solaranlage in Betrieb nimmt, erhält 18,36 Cent pro eingespeister Kilowattstunde. Deutschlandweit kann mit einer jährlichen Rendite von rund 4 Prozent gerechnet werden, wobei die Installationskosten etwa 2 000 bis 3 000 Euro netto pro Kilowattstunde betragen. Das entspräche eine Amortisationszeit von rund 12 Jahren, wobei die Einspeisevergütung für jeweils 20 Jahre nach Inbetriebnahme der Anlage garantiert wird. Der Eigenverbrauch wird seit April 2012 nicht mehr vergütet. Das liegt daran, dass der durchschnittliche Strompreis inzwischen höher ist als die Einspeisevergütung. Somit ist eine Anlage umso rentabler, je größer der Anteil an im Haushalt selbst verbrauchtem Solarstrom ist. Die zu erwartenden Kosten und Erträge können leicht kalkuliert werden. 

Technisch geht die Entwicklung bei Fotovoltaikanlagen weg von anorganischem Silizium zu organischen Kohlenwasserstoffverbindungen. Sie sollen die Zellen dünner, flexibler und nicht zuletzt billiger machen. Auch die Fertigungstechnik bekäme eine günstige Energiebilanz, sagt Dr. Jan Blochwitz-Nimoth von der Novaled AG in einem Interview für den Deutschen Zukunftspreis. Für diesen ist Blochwitz-Nimoth zusammen mit zwei weiteren Wissenschaftlern für ihre Arbeit an organischen Halbleitern nominiert. 

Auch Lebensmittelfarbstoffe sind zum Teil Kohlenwasserstoffverbindungen; ihre Farbe entsteht, weil Teile des Lichts absorbiert werden. Das ist die Funktionalität, die für Solarzellen gebraucht wird. Die Grätzel-Zelle, die nach ihrem Erfinder Michael Grätzel benannt ist, verwendet Chlorophyll, mit dem Pflanzen Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln. Voraussetzung für eine Kommerzialisierung organischer Solarzellen sind weitere Verbesserungen an Effizienz und der Langzeitstabilität. Die Firma Bosch verspricht für das Jahr 2015 biegsame Fotovoltaik-Folien, die entsprechend flexibel in der Anwendung sein sollen. In weiteren 10 Jahren könnten sie billig genug sein, um in Baumärkten auszuliegen.

Bei der Solarthermie liegen die Dinge etwas anders. Statt Strom wird Heizöl oder Gas gespart, und zwar bei heutigen Preisen rund 250 Euro jährlich. Als Modell gilt hier eine typische Anlage für einen Vierpersonen-Haushalt in Deutschland. Bei Installationskosten von 5 000 Euro, betrüge die Amortisationszeit 20 Jahre. Zudem entfällt die Möglichkeit der Einspeisevergütung. Im Winter reicht die Leistung der Solarheizung nur aus, um rund 20 Prozent des Wärmebedarfs einer Familie zu decken.

Solarthermie ergänzt daher eine herkömmliche Heizung, und von dieser hängt auch das Einsparpotenzial ab. Zwar gibt es Wärmespeicher, die im Sommer erzeugte überschüssige Wärme bis in den Winter hinein speichern, sie sind wegen ihres Volumens jedoch nicht für Einfamilienhäuser geeignet. Eine Absorptionskälteanlage kann überschüssige Wärme in Kälte umwandeln, Räume klimatisieren und so Leerlauf der Solaranlage vermeiden. Sie kostet aber auch rasch 30 000 Euro und ist für private Haushalte damit nicht interessant. Andreas Scharli gibt nicht grundlos Fotovoltaik den Vorzug. 

Fotovoltaikanlagen und Elektrosmog

Bei allem Positiven, das sich über Solaranlagen sagen lässt, beschäftigt viele die Frage, ob diese nicht elektromagnetische Belastungen für Bewohner des Hauses erhöhen. Knappe Antwort: Ja! Denn jedes elektrische Gerät erzeugt Felder.

Es gibt wenige Studien darüber, wie hoch die Belastung tatsächlich ausfällt. Eine kommt vom Fraunhofer Institut und hält fest, dass es bei transformatorlosen Wechselrichtern zu elektromagnetischen Störimpulsen kommen könne. Wechselrichter wandeln den von Fotovoltaik-Anlagen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und speisen ihn ins öffentliche Netz ein. Neue Schaltungen würden die Störimpulse jedoch deutlich reduzieren. Das Institut hebt hervor, dass beispielsweise Kühlschränke, Radiowecker oder Bügeleisen rund 10 mal höhere Feldstärken entwickeln würden als Wechselrichter, zudem meistens im Keller stehen.

Einige Landwirte, die Solaranlagen auf Ställen betreiben und von nervösen Tieren berichten, haben die für das menschliche Gehör nicht wahrnehmbaren Schaltfrequenzen der Wechselrichter als Ursache ausgemacht. Deshalb sollte ein Wechselrichter nicht direkt im Stall stehen. 

Die Paneele selbst sind laut Werner Bopp, Elektrotechniker von Solar Team B in Bad Mergentheim, kein Anlass zur Sorge:
„Stromleitungen, die von den Paneelen abgehen, führen Gleichstrom  und Gleichstromfelder wirken sich weniger stark auf den menschlichen Organismus aus als solche, die Wechselstrom erzeugen. Zudem müssen die Leitungen schon aus Blitzschutzgründen nahe beieinander verlegt werden. So führt ein Kabel den Plus-, das Kabel daneben den Minuspol. Beide die Kabel umgebenen Felder heben sich fast vollständig gegenseitig auf und lassen sich nur in unmittelbarer Nähe messen.“
Es gäbe viele Möglichkeiten, Elektrosmog bei Fotovoltaik-Anlagen zu reduzieren, so Bopp, der grundsätzlich eine baubiologische Messung empfiehlt. 

Bei richtiger Installation verursacht eine Fotovoltaikanlage nachts keine elektrischen Felder und tagsüber nur geringe. Im Schlafzimmer ist ein Radiowecker oder eine Halogenleuchte mit Trafo die wahrscheinlichere Störquelle, gerade wenn Metall im Bett das elektromagnetische Feld aufnehmen kann. Fazit: Fotovoltaik-Anlagen erhöhen den Elektrosmog, von Größe und Leistung der Anlage darf jedoch nicht auf die Erheblichkeit elektromagnetischer Störungen geschlossen werden. Auch kleine Haushaltsgeräte erzeugen häufig stärkere Felder.

Geothermie

Auch oberflächennahe Geothermie erzeugt Wärme, keinen Strom. Sie nutzt die Erdwärme, indem eine Sonde in rund 100 Metern Tiefe verlegt wird. Alternativ lassen sich auch Kunststoffröhren gut einen Meter tief im Garten verlegen. Anders als zuweilen behauptet, verwandeln solche Flächenkollektoren den Garten nicht in eine Wüste, allenfalls bleibt Schnee etwas länger liegen. Aber Bäume lassen sich wegen deren empfindlichen Wurzeln in der Tat nicht mehr pflanzen. In beiden Fällen wird die aufgenommene Wärme an eine Wärmepumpe geschickt und dort verdichtet. Eine Kilowattstunde Strom, die dafür eingesetzt wird, liefert laut der Agentur für erneuerbare Energien drei bis fünf Kilowattstunden Erdwärme. 

Das Nachrüsten einer Erdwärmeheizung ist mit erheblich mehr Aufwand verbunden, als wenn diese bei einem Neubau berücksichtigt wird, besonders wenn die Bohrungen wegen beengter Raumverhätnisse aufwendig werden und die alte Heizung gegen eine Fußbodenheizung ersetzt und entsorgt werden muss.

Aber auch bei Neubauten ist Erdwärme zunächst teuer, wobei die Kosten vor allem von der verwendeten Wärmepumpe abhängen, die rund 10 000 Euro der Rechnung ausmacht. Der Staat gibt für den Kauf einer Wärmepumpe bis 10 Kilowatt Leistung 2 800 Euro dazu und belohnt den Einbau eines Pufferspeichers ab 30 Litern pro Kilowatt Wärmeleistung mit zusätzlichen 500 Euro. Wer sich für eine Sonde entscheidet, muss abhängig vom Boden mit Bohrkosten von 3 000 bis 5 000 Euro für 100 Meter Bohrtiefe rechnen. Im Vorteil sind Bauherren, die ihr Haus aus statischen Gründen ohnehin auf Pfeiler stellen müssen.
Diese lassen sich mit wenig Aufwand in geothermisch aktivierte Energiepfähle umwandeln. Auch wer in der Schwäbischen Alp wohnt, hat Glück: Dort steigen Temperaturen bei 100 Metern Bohrtiefe um 10 Grad. Das ist mehr als das Dreifache des Bundesdurchschnitts. 

Nur rund die Hälfte der Fläche der Bundesrepublik lässt sich bisher geothermisch nutzen: Das Norddeutsche und Münsterländer Becken, der Oberrheingraben und das Nordalpine Molassebecken, zu dem auch das bayerische Oberland zählt, in dem Andreas Scharlis Stiftung sitzt: „Wenn es darum geht, die Wassertemperatur von 12 auf 30 Grad zu erhöhen, ist Geothermie interessant. Wenn Sie das Wasser aber auf 60 Grad erhitzen möchten, wird Geothermie ineffizient.“ Über zehn Jahre würde es dauern, bis sich 15- bis 20 000 Euro für die Anlage amortisiert hätten.

Schwacher Greenpeace-Plan zur Energiewende

Im April 2011 veröffentlichte Greenpeace ein mit  „Der Plan“ betiteltes Konzept, wie sich bis 2050 die Energiewende in Deutschland umsetzen ließe. Doch leider verdient „Der Plan“ seinen Namen nicht. Zum einen ist die nur 24 Seiten lange Schrift lediglich auf Deutschland bezogen. Ein europäischer Verbund aus regenerativen Energien und Speicheranlagen wird in nur einem Satz als Vision erwähnt. Zum anderen äußert sich Greenpeace, ehemaliger Vertreiber FCKW-freier Kühlschränke, nicht zu Technologien für Eigenheime und privaten Stiftungen und auch nicht dazu, wie eine Förderung aussehen könnte. Privathaushalte sollen demnach  a) Strom sparen und b) sich Solaranlagen aufs Dach setzen, und zwar 100 000 bis 170 000 Anlagen ungenannter Leistung jährlich alleine zwischen 2011 und 2015. Ansonsten sind es Staat und Unternehmen, die Windanlagen errichten, ab und zu auch Gaskraftwerke. Erdwärme wird mit rund 400 neuen Anlagen sparsam behandelt, und Wasserkraft taucht gar nicht erst auf „weil es hier, auch aus ökologischen Gründen, ein nur geringfügiges Zubaupotential“ gäbe. Dr. Albert Ruprecht vom Institut für Strömungsmechanik und hydraulische Strömungsmaschinen der Universität Stuttgart schätzt das Ausbaupotenzial dagegen auf 600 bis 800 Megawatt – umweltverträglich. Die Bundesregierung hält langfristig eine Leistungssteigerung um 3,5 Terawatt für möglich, ein großer Teil davon durch die Modernisierung bestehender Anlagen. Sämtliche Zahlen im „Plan“ sind zudem unbegründet, Prognosen zur Höhe von Energieerzeugung und Verbrauch fehlen völlig. Damit beeindruckt „Der Plan“ vielleicht einige Spendenwillige, sicher aber keine verantwortlichen Politiker. Letzteren liegen seit 2007 weitaus präzisere Studien vor.

http://www.greenpeace.de/fileadmin/gpd/user_upload/themen/energie/DerPlan.pdf 

Steuer und Versicherung 

Die Möglichkeit, den selbst erzeugten Strom selbst zu verbrauchen und nicht genutzte Energie in das öffentliche Netz zu speisen, ist eine Versicherung gegen steigende Strompreise und macht Hausbesitzer zugleich zu Kleinunternehmern. Denn wer nicht nur sporadisch Energie in das öffentliche Netz einspeist, gleichgültig aus welcher Quelle, macht sich zum dauerhaften Lieferanten von Elektrizitätswerken, die verpflichtet sind, den Strom abzunehmen. Zweiwegezähler messen, wie viel Strom selbst verbraucht und wie viel eingespeist wird. Als Unternehmer können Besitzer sich von der Umsatzsteuerpflicht befreien lassen oder die Kosten der Anlage über Jahre abschreiben. Auch hier gilt es, für jeden Einzelfall das optimale Modell zu finden, also mit einem Steuerberater oder dem Finanzamt zu sprechen.

Einfacher ist es bei der Versicherung. Hier ist es wichtig, die Fotovoltaik- oder Windanlage nicht in die bestehende Wohngebäudeversicherung einfließen zu lassen. Für eine Wohngebäudeversicherung bilden gleitende Neuwerte die Kalkulationsgrundlage. Das heißt, die Prämien steigen mit den Neubaukosten für Gebäude. Dagegen verringert sich der Wert zum Beispiel einer Fotovoltaik-Anlage durch Abschreibung und sinkende Herstellungskosten. In der Folge werden für einen am Anfang in vereinbarter Höhe versicherten Stromerzeuger später zu hohe Beiträge von der Gebäudeversicherung kassiert. Zudem sind für derartige Anlagen bedeutende Risiken wie Tierverbiss, Kurzschluss und Überspannung normalerweise nicht über die Wohngebäudeversicherung abgedeckt. Damit ist die Prämie nicht nur zu hoch, sondern auch die Absicherung unzureichend.

Für alle, die nicht tausende von Euro investieren möchten oder können, hat Andreas Scharli von der Energiewende-Stiftung einen Tipp parat: „Schaffen Sie sich eine neue Hocheffizienzpumpe für die Heizung an!“ Damit ist eine Heizungspumpe gemeint, die nur dann Wasser durch die Heizkörper pumpt, wenn tatsächlich geheizt wird. Ungeregelte Anlagen wälzen das Wasser auch im Sommer um und verbrauchen dabei Strom – viel Strom: 120 oder 150 Euro können das im Jahr auf der Stromrechnung ausmachen – gegenüber 20 Euro bei neuen Pumpen. „Die Pumpe kostet weniger als 300 Euro und amortisiert sich nach wenigen Jahren. Damit sparen Sie richtig Geld!“, so Scharli. Der Überblick zeigt also, dass keine pauschalen Aussagen möglich sind, welche alternative Energiequelle empfehlenswert ist. Dies kann nur anhand von individuellem Budget, Wohnort und persönlicher Energiebilanz berechnet werden. Prinzipiell aber kann jeder, der baut oder umrüstet, mittel bis langfristig Geld sparen und dabei seine eigene Energiewende vollziehen.

Der Autor 

Norbert Busche arbeitete nach einem Studium in Pädagogik und Kommunikation als Buchautor, Dozent und Produzent von Lernmedien. Für den Ehlers Verlag schreibt er seit März 2009.

Links

Unternehmensseite des Erfinders des Gravitationswasserwirbelkraftwerks:

http://www.zotloeterer.com/

Informationsportal zu Kleinwindanlagen

http://www.klein-windkraftanlagen.com

Kleinwindanlage von Neil Cook

http://www.mrt-wind.de

Einfacher Renditerechner für Fotovoltaikanlagen

http://www.photovoltaik-web.de/ertragsprognose/prognoserechner.html

Informationen und gesetzliche Regelungen der Bundesregierung

http://www.erneuerbare-energien.de

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