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Günstig mit Wärmepumpen heizen

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Wie aus Energie Strom und Wärme entsteht

Das moderne Alltagsleben lebt schon immer von Energie, die erzeugt, genutzt und zugeführt wird. Geräte, Maschinen und Motoren verrichten mechanische Arbeit. Auch elektrische Energie wird dafür genutzt. Neben dem Strom stehen vielfältige Energieformen und Gewinnungsarten von Wärme im Mittelpunkt des Lebens. Beim Ausbeuten und Erzeugen von Energie jeglicher Art entsteht keine neue Kraft. In der Gesamtbetrachtung handelt es sich um eine Umverteilung. In einem Nullsummenspiel wird die Erscheinungsform und Nutzbarkeit umgewandelt. Jede Energie liegt in anderer Form bereits vor. In einem geschlossenen System bleibt die Gesamtenergiemenge immer gleich. Ganze Gesellschaften und die Welt stellen eine Art geschlossenes System dar. Das Energievorkommen bleibt gleich, wird allerdings lokal und regional in sehr unterschiedliche Energieformen umgewandelt. Ziel jeder technischen Anlage, die mechanische Arbeit verrichten und Wärmelieferung erzeugen soll ist ein hoher Effizienzgrad, mit der die "angepasste" Energie ausgenutzt wird. Der Energieverbrauch für die gleiche Leistung lässt sich beispielsweise durch Kraft Wärme Kopplung reduzieren. Im Arbeitsprozess, bei dem elektrische Energie und kinetische Energie aus Bewegung entstehen, senkt sich der Anteil ungenutzter "Abfallenergie".

Energie und Effizienz unterliegen äußeren Einflüssen

Energie und Effizienz unterliegen äußeren Einflüssen

Die vielfältigen Erscheinungsformen der Energie hängen vom ausgebeuteten Energieträger, der Nutzungsmethode und den äußeren Bedingungen ab. Direkte Energie entsteht beim Verbrennen von Erdgas. Der Brennwert des Gases wird ausgebeutet. Wenn das Gas beschleunigt wird oder in einer unterschiedlichen Verdichtung durch Druck verbrennt, ändert sich der Ausnutzungsgrad. Im Ergebnis entsteht potentielle Energie, die je nach Anlage und Methodik mehr oder weniger vollständig zu Wärme umgewandelt wird. Bewegungsenergie wird als kinetische Energie bezeichnet. Sie beschreibt die notwendige Menge an Energie, um eine mechanische Arbeit in Gang zu setzen. Die variable potentielle Energie entsteht aus Faktoren wie Fallhöhen und sich verändernden Einflüssen von externen Energieformen. Typisches Beispiel ist das Einwirken der Erdanziehung auf mechanische Vorgänge. Sie erhöht die Ausbeutungsfähigkeit, wenn sie die Bewegung durch den gleichen Richtungsverlauf unterstützt. Wasser in einer Talsperre fällt stärker, wenn der Wasserspiegel und damit auch die entstehende Leistung steigt. Umgekehrt verliert Ausgangsenergie beim mechanischen Ausnutzen entgegen der Erdanziehung durch höheren "Kraftbedarf" an Effizienz. Statt sich ebenerdig und waagerecht ausbeuten zu lassen, muss sie zusätzliche Kraft "bergauf" leisten.

Energie wird zu Bewegung

Energie wird zu Bewegung

Die Energien, aus denen Bewegung entsteht, definieren sich als kinetische Energie. Es handelt sich um die Energiemenge, die aufgewendet wird, um mechanische Arbeit in Gang zu setzen. Anschaulichstes Beispiel ist ein Motor, der mit einem Brennstoff oder Elektrizität gespeist wird. Aus dem Energieträger wird eine Antriebskraft gewonnen, die über Bauteile wie Hebel und Wellen konkrete Bewegungen übertragen. Elektrische Energie stammt in von Drittstoffen angetriebenen Turbinen, aus chemisch-physikalischen Vorgängen wie molekularen Reaktionen, Atomladungen, Magnetismus und elektrische Spannung. In Turbinen wie in einem Wasserkraftwerk wird kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die Veränderung der Energieformen ist in beide Richtungen möglich. Auf chemisch-physikalische Art funktioniert die Ausnutzung des Sonnenlichts. Die im Licht und in der Wärmekraft enthaltenen Energien werden als erneuerbare Energien genutzt, um in Solarzellen und Panels abzapfbare elektrische Spannung zu erzeugen. In fast allen Umwandlungsprozessen der Energieformen entsteht immer auch Wärme. Ein elektrisch betriebener Motor wir warm oder heiß. Um diese automatisch bei Bewegung entstehende Abwärme nicht als Energieverlust rechnen zu müssen, wird die Kraft Wärme Kopplung eingesetzt.

Reibungsverluste in den Prozess einbeziehen

Reibungsverluste in den Prozess einbeziehen

Bei der Kraft Wärme Kopplung erweitert sich die physikalische Ausbeutung. Außer den chemischen, kinetischen, potentiellen Energiearten erweitert sich der Umwandlungsprozess auf thermische Energie. Elektrische Energie und mechanische Arbeit werden zusätzlich abgeschöpft. Der Anteil, der durch die potentielle Energie als stille Reserve verloren geht, erhöht sich. In einem Heizungssystem, das seine eigene Abwärme nutzt, senkt den Energieverbrauch im eigentlichen Umwandlungsprozess.

Ein Automotor liefert die Wärmeabschöpfung für das Heizen im Winter gleich mit. Im Sommer geht diese Energiereserve einfach verloren, wenn sie nicht technisch eingefangen wird. In der Kraft Wärme Kopplung wird diese Wärmeenergie in den Kreislauf einbezogen und wiederum verwertet. Auf diese Weise reduzieren sich die Mengen im primären Kreislauf und schon aus geringen und ungleichmäßigen Liefermengen durch erneuerbare Energien entstehen ausreichende Energiemengen für die benötigten Energieformen. Neben der Aufgabe der direkten Ausbeutung und Umwandlung einer Energieform in eine andere, sind die Verluste in und während dieses Prozesses der entscheidende Faktor für die Effizienz, den Energieverbrauch und die Wirtschaftlichkeit bei der Energiegewinnung.

Jeder Transport und jede Umwandlung kostet Energie

Erneuerbare Energien wie Erdwärme, Sonnen-, Wasser- und Windkraft lassen sich nur mit schwankender Intensität und unregelmäßig ergiebig ausbeuten. Ökostrom muss oft aus akut geringen Einspeisungsmengen gewonnen werden. Umso wichtiger ist es, zumindest alle Energieformen, die enthalten sind, auszunutzen.

Mit der Kraft Wärme Kopplung sind auch Speichereinheiten auffüllbar. Sie überbrücken die Zeiten, in denen der primäre Energiefluss sinkt und aussetzt.

Energieverbrauch setzt sich auch aus den Umwandlungswegen zusammen. Hohe Verluste entstehen, wenn elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Abgesehen von Infrarotheizungen sind elektrische Heizkörper in ihrer Energiebilanz unrentabel. Der Energieverbrauch für benötigte und relevante Heizergebnisse ist in vielen Fällen durch Ökostrom aus Anlagen, die erneuerbare Energien nutzen, schon technisch kaum bereitzustellen. Um Strom zum Heizen zu benutzen, muss der erst aus Bewegung oder chemisch-physikalischen Vorgängen gewonnen und produziert werden.

Die Wege der Energieformen, von der Erzeugung bis zum Verbrauch
  • Eine Turbine im Wasserkraftwerk erzeugt durch mechanische Arbeit elektrische Spannung und elektrische Energie und Ökostrom
  • Im Kohlekraftwerk entsteht aus Verbrennungshitze als kinetische Energie Elektrizität
  • Die elektrische Energie wird in Stromform durch Leitungen zur Verbrauchsstelle geleitet. Auf dem Weg verliert der Stromfluss Energie, beispielsweise durch die Wärmeabgabe in Kabeln
  • An der Steckdose wird der Strom und die elektrische Spannung in einem Heizgerät unter weiteren Energieverlusten in thermische Energie umgewandelt
Kleine Kraft auf kurzen Wegen

Weite Wege erhöhen jeden Energieverbrauch für eine fest definierte Leistung beim Strom abzapfen. Eine technisch vorteilhafte Lösung ist das Begrenzen von Wegen. Die Umwandlung der Formen zum größten Teil oder idealerweise sogar vollständig am Ort des Verbrauchs erhöht den Ausbeutungsgrad jeder der Energien, ob elektrische Spannung, kinetische Energie, mechanische Arbeit, potentielle Energie oder thermische Energie. Dieser Ansatz ist bei Ökostrom nicht zwingend gegeben. Ökostrom wird nicht aus fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas und Erdöl gewonnen. Auch erneuerbare Energien lassen sich weit transportieren. Der Energieträger ist erneuerbar, hat aber in der Gesamtbilanz eine gegenüber der lokalen Erzeugung reduzierte Effizienz. Strom und Wärme, die auf dem Dach des Gebäudes, wo es genutzt wird, erzeugt wird, reicht wegen der geringeren Verluste bereits in kleineren Mengen aus. Wenn erneuerbare Energien zusätzlich ohne brachliegende potentielle Energie mittels Kraft Wärme Kopplung optimiert ausgebeutet werden, sind ökologische und ökonomische Vorteile problemlos kombiniert.

Die Energieträger und deren Eigenschaften

Die Energieträger und deren Eigenschaften

Unter den Erzeugungs- und Umwandlungsformen, die technisch auf dem Stand sind, Gebäude in einer gemäßigten Klimazone ausreichend mit Strom und Wärme zu versorgen, ist zwischen endlichen fossilen und erneuerbaren regenerativen zu unterscheiden.

Aus diesen drei fossilen und einem atomaren Brennstoff wird sowohl Elektrizität als auch Wärmekraft gewonnen beziehungsweise umgewandelt:

  • Erdgas
  • Erdöl
  • Kohle
  • Kernenergie

Diese erneuerbaren Energien liefern Elektrizität und Wärmekraft

  • Erdwärme
  • Sonnenlicht
  • Wasserkraft
  • Windkraft

An allen Energieerzeugungs- und Heizsystemen lässt sich technisch und theoretisch eine Kraft Wärme Kopplung realisieren. In der Verhältnismäßigkeit führt das in vielen Fällen zu einem unwirtschaftlichen Betrieb. Erdgas ist meist Tausende von Kilometern unterwegs, bevor es an der Abzapfstelle ankommt. Aus Kohle produzierter Strom hat im Herstellungs- und Transportprozess ein Vielfaches von der Effizienz eingebüßt, die durch aufwendige lokale Rückumwandlung wieder "hereingeholt" werden kann. Die Bezeichnung Ökostrom kann vielleicht mit der Rolle ökologischer Lebensmittel veranschaulicht werden. Auch wenn die Quelle gesund ist, führt ein Transport rund um den Globus nur eingeschränkt zu einem ökologischen Vorteil.

Strom- und Wärmeerzeugung auf dem Dach

Strom- und Wärmeerzeugung auf dem Dach

In der öffentlichen Diskussion und Wahrnehmung wird häufig die Verfügbarkeit von Ökostrom thematisiert. Neben der den Bedarf abdeckenden Gleichmäßigkeit der Energiequelle hat auch das Spannungsfeld zwischen zentraler und dezentraler Versorgung eine Auswirkung auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Große Bevölkerungsgruppen brauchen Strom und Wärmezuführung zu ähnlichen Zeiten. Morgens vor Arbeitsbeginn und abends danach steigt der Energiebedarf der Privathaushalte drastisch. Die Netze der Versorger müssen diese Spitzen ausgleichen können und brauchen daher Reserven und die Möglichkeit, die Verfügbarkeit jederzeit zu steigern. Dezentral erzeugte und umgewandelte Energie fällt aus diesem Regulierungsbedarf heraus. Sogenannte Oasenlösungen orientieren sich an den individuellen Einheiten, die vom Einfamilienhaus bis zum Wohngebiet reichen. Ausgleichs- und Speichersysteme passen sich den Bedürfnissen direkter an. Bei Kombinationen beispielsweise von elektrischer Stromproduktion und thermischer Energie durch in Dachtanks aufgeheiztem warmen Wasser sinkt der primäre Energiebedarf. Thermisch erzeugte Wärme ersetzt die ohnehin weniger effiziente Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme.
Perspektiven der Energiesituation

Perspektiven der Energiesituation

Eine sichere Versorgung mit Energie ist die Basis moderner Dienstleistungs-, Industrie- und Kommunikationsgesellschaften. Durch das absehbare Ende der Verfügbarkeit fossiler Energieträger und dem mutmaßlichen politischen Ende der Kernenergie bieten erneuerbare Energien die zukunftsträchtigsten Lösungen. Die Technik entwickelt sich rasant. Neben der Optimierung der Energiegewinnung schaffen ständig verbesserte Entwicklungen und Technologien für die gleiche Leistung einen geringeren Energieverbrauch.

Die Energiewirtschaft ändert sich von beiden Seiten

Effizientere Systeme treffen auf geringeren Bedarf bei gleichbleibender Leistung. Einzelne Geräte beispielsweise die Brennwerttechnik im Heizbereich besitzt schon heute Effizienzgrad, die hundert Prozent übertreffen. Die Brennwerttechnik nutzt ihre eigenen Abgase, um frische Energie umzuwandeln.