Grundlagen des Energieeffizienten Bauens - Entwerfen und ...

Grundlagen des Energieeffizienten Bauens 

Einführung - Was ist Energie 

17. April 2013 | Fachbereich Architektur | Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen | Prof. Manfred Hegger | 1 

Semesterablauf 

Studienleistung 

V 

Ü 

Vorlesung 

jeweils mittwochs / 08:00 – 09:30 h 

Hausübung 

“Energieoptimiertes Gebäudekonzept” für den 

“Hochbauentwurf” (HBE) | [B10] 

Ausgabe der Übung 03.07.2013 

Abgabe der Übung 14.08.2013 


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Termine 

mittwochs 8:00 - 9:30h 

17.04.2013 Smart Building Technologies: Einführung FG ee 

24.04.2013 Stadtraum und Energie Techno 

08.05.2013 Freiraum und Mikroklima FG ee 

15.05.2013 Aktive und passive Strategien FG ee 

22.05.2013 Energiequellen, Netze und Speicher Techno 

05.06.2013 Licht 2 Techno 

12.06.2013 Gebäudehülle FG ee 

19.06.2013 Intelligente Gebäudesteuerung und Regelung Techno 

26.06.2013 Aktive Systeme 1 FG ee 

03.07.2013 Aktive Systeme 2 FG ee 

10.07.2013 Integrale Planung 2 Techno 



Studienleistung und Anerkennung 

Bachelor: 

Vorlesung mit Übung 2CP 

als Teil des Modul B14c “Konstruktion und Technik III” 

Gewerbelehrer: 

Vorlesung mit Übung 2CP 

als Teil des Modul 12 “Energieeffizientes Bauen” 


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Download Vorlesungsfolien 

Handout als pdf immer am Vortag ab 12h 

http://www.architektur.tu-darmstadt.de/ee 

Semesterprogramm 

Bachelor 

> Grundlagen des 

energieeffizienten Bauens 


Literaturempfehlung zur Vorlesung 

Behling, Sophia und Stefan: 

Sol Power. Die Evolution der solaren 

Architektur. 

München 1996 

Schittich, Christian (Hrg.): 

Im Detail. Solares Bauen. Ökologisches 

Bauen. Strategien, Visionen, Konzepte. 

München 2003 

Daniels, Klaus: 

Technologie des ökologischen Bauens. 

Grundlagen und Maßnahmen, Beispiele 

und Ideen. 

Basel 1999 

Hausladen, Gerhard: 

Innovative Gebäude-, Technik- und 

Energiekonzepte. 

München 2001 


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Literaturempfehlung zur Vorlesung 

Glücklich,Detlef (Hrg.): 

Ökologisches Bauen. Von 

Grundlagen zu Gesamtkonzepten. 

München 2005 

Hausladen, Gerhard; de Saldanha, 

Michael; Liedl, Petra; Sager, Christina: 

Clima Design. Lösungen für Gebäude, die 

mit weniger Technik mehr können. 

München 2004 

Hegger, Manfred: 

Energieatlas. Nachhaltige 

Architektur. München 2007 

Luebkeman, Dr. Chris: 

Drivers of Change 2006. ARUP 2006 



Ansprechpartner 

Dipl. Ing. Ruben Lang 

rlang@ee.tu-darmstadt.de 

cand.arch. Amelie Breitenbach 

ameliebreitenbach@gmx.de 


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Einführung 


Einführung 

• Autochthones Bauen 

• Geschichtlicher Abriss 

• Globaler Wandel 

• Klimawandel 

• Nachhaltigkeit 


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Einführung 







Autochthones Bauen 

“Dritte Haut” 


Bauformen und Bauarten der naturnahen Bevölkerungsgruppen 

wurden ursprünglich als "dritte Haut" -hauptsächlich zum Schutz 

gegen die Witterung- über Generationen den jeweiligen 

klimatischen, geographischen und geologischen Gegebenheiten 

bestmöglich angepasst. 

Von einfachen Menschen erbaute und auf ihre natürliche Umwelt 

abgestimmte Gebäude nennt man autochthone Gebäude 

[griechisch >chthon


Gebäudeperformance 

Randbedingungen 

Gebäude 

Anforderungen 



Autochthone Gebäudekonzepte 


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Autochthone Gebäude + Mikroklima 

Für die alten Baumeister war es selbstverständlich, bei der Planung von Gebäuden die unterschiedlichen jahreszeitlichen 

Zyklen von Sommer und Winter, Tag und Nacht sowie die Einflüsse von Sonne, Wind und Niederschlägen zu 

berücksichtigen. 

Ein Blick auf die traditionellen Bauweisen zeigt, dass sich aus geographisch-klimatischen Verhältnissen und lokalen 

Gegebenheiten spezielle Haustypen und Gebäudekonstruktionen entwickelten. Die Menschen verstanden es, durch Kenntnis 

und richtige Handhabung klimatischer sowie physikalischer Gesetzmäßigkeiten bei einem Minimum an zugeführter Energie 

hinreichend behaglich zu wohnen. 

Jahrelang wurden solche Bauten von der etablierten Architekturszene mehr oder weniger ignoriert. 



Traditionelle Gebäudekonzepte 


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Traditionelle Wohnhaus- und Dachformen 

Typische, traditionelle Wohnhaus- und 

Dachformen verschiedener Regionen 


Einführung 







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Geschichtlicher Abriss 

Die Griechen – Das Megaron 



Die Römer – Das Pantheon 

Im Pantheon mit seiner kreisrunden Cella, seinen Nischen und seiner 

Kuppel wurden mit Hilfe des Sonnenlichtes dramatische Effekte erzielt. 


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Christliches Frühmittelalter – Die Hagia Sophia 

Für die Christen wird das Sonnenlicht zu einem Symbol für ihren 

Erlöser. Mit Hilfe dieses Themas wurden die neuen Kirchenbauten 

theatralisch inszeniert. Die Hagia Sophia wurde 538 n. Chr. in 

Konstantinopel erbaut. Die Kuppel war für fast ein Jahrtausend die 

größte, bis sie im Jahr 1589 vom Petersdom übertroffen wurde. 



Die Gotik 

Die Gotik mit ihrer Helligkeit, Transparenz und Dramatik stand im 

völligen Gegensatz zur Romanik. 

Neue Bautechnologien und Verarbeitungsmethoden in Verglasung 

und Tragkonstruktion lassen die gotischen Kirchen und Kathedralen 

in einem „neuen Licht erstrahlen. Das inszenierte Sonnenlicht löst 

die Schwerkraft der Wände auf. 


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18. Jahrhundert – die Epoche der Aufklärung 

Das Schloss Sanssouci in Potsdam wurde im 18. Jh. - ganz im 

Sinne der Aufklärung - als Sommerresidenz Friedrichs des Großen 

erbaut. 

Die Sonnenenergie stellte eine unverkennbare Planungsgröße dar, 

die Lebensqualität und Komfort bringen sollte, aber auch Aufklärung 

und Achtung der Natur. Potsdam hat ein kühles Kontinentalklima, 

doch indem die Treibhäuser auf einem nach Süden weisenden 

Hang angelegt wurden, konnte Friedrich dort Weinstöcke pflanzen 

und sich mit seinem eigenen Wein versorgen. 



Industrielle Revolution – Kristallpalast, Paxton 1858 

Die Industrielle Revolution begründet einen bedeutenden 

weltgeschichtlichen Wandel; viele zuvor vornehmlich 

landwirtschaftlich geprägte Länder entwickelten sich zu 

Industrienationen. Neue Technologien versetzen die Architekten 

und Bauingenieure in die Lage, die durch das menschliche Maß 

gesetzten Grenzen zu überwinden. 

In zunehmenden Maße repräsentieren die Gebäude weniger die 

Anwendung der Technologie als Instrument der Architektur als 

vielmehr eine Unterwerfung der Architektur unter die Technologie 

selbst. Viele der architektonischen Errungenschaften dieser Zeit – 

z.B. Paxtons Kristallpalast für die Londoner Weltausstellung von 

1851 – stellen denn auch eher konstruktionstechnische als 

architektonische Meisterleistungen dar. 


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Industrielle Revolution – Arbeiter-Wohnquartiere 

Der Glaube an den Fortschritt und die damit verbundene 

Steigerung der Lebensqualität ließ die politisch und wirtschaftlich 

Verantwortlichen zunächst die Augen vor den unübersehbar 

werdenden negativen Auswirkungen der Industriellen Revolution 

verschließen. Es kam zu einem explosionsartigen Anstieg des 

Energieverbrauches. 



Moderne – Von der Wand zur Haut 

Die Erschütterung des ersten Weltkrieges und die wachsenden 

urbanen Probleme führten zu einer der radikalsten und visionärsten 

Zeitströmungen des 20 Jh. Die Moderne als Architekturstil hielt in 

öffentlichen und industriellen Gebäuden Einzug. 

Die Sonne wurde zu einem Schlüsselelement für Gesundheit und 

Erziehung. 

Das angestrebte Lebensgefühl sowie die neue Wohnmaßstäbe 

dieser Zeit wurde von Sigfried Giedions 1929 mit den Begriffen: 

„Licht, Luft und Öffnung beschrieben. Die Entwicklung des Eisens 

als konstruktives Material im Zuge der industriellen Revolution und 

die Erfindung der eisernen Skelettkonstruktionen eröffnet für die 

Behandlung der Außenwand ganz neue Möglichkeiten, bis letztlich 

nur noch eine gläserne Haut als Grenze zwischen innen und außen 

vor die Konstruktion gehängt wird. Die Energiefrage bleibt ungeklärt 


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Das gläserne Wohnhaus 

Der radikalste Einsatz von Glas findet in den 1940er-Jahren bei 

einigen privaten Wohnhäusern statt. Eine puristische Umsetzung 

der Glasarchitektur gelingt Mies mit dem Farnsworth House in 

Illionois. Diese Projekt mit seinem idealisierten Raum – der nur 

durch horizontale Ebenen definiert wird – und der vollkommenen 

Reduzierung der Konstruktion wird schnell zur Ikone der modernen 

Architektur. 

Es ist gleichzeitig aber auch ein Produkt des begrenzten Energieund 

Umweltbewusstseins und des geringen bauphysikalischen 

Verständnisses seiner Zeit. Die minimalistische Detailausbildung 

wird durch massive Bauschäden, die sich schon nach dem Bezug 

einstellen, erkauft 



Der Glaskasten – Baustil multinationaler Konzerne 

Mit dem Zeitalter der Industrialisierung wurde auch die Effizienz und 

vor allem die ökonomische Effizienz im Bauwesen bedeutend. 

Dabei beschäftigte man sich hier vor allem mit modularisierten 

Konstruktionen. Stahl und Glas schufen die Grundlage für die 

Curtain-Wall-Gebäude. Im inneren wurde durch technisches Kühlen 

und Heizen ein Klima erschaffen, indem der Mensch nicht mehr 

interagieren musste. 


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Öko – Architektur 

Die »Shelter-Bewegung« der 1960er-Jahre gilt als Wegbereiter, 

bestehende Architekturauffasungen zu hinterfragen. Das Konzept 

des autonomen Wohnens (»autonomous-dwelling«) wurde 

vornehmlich in wüstenartigen Gegenden der USA erprobt. Erstmals 

seit der Industrialisierung wurden wieder autarke Energie-, Wasser-, 

und Entsorgungskonzepte erprobt. Das experimentelle Potential der 

Bewegung spielte auch mit der Lust an der Modifikationen von 

Standards. Der erhebliche Einfluss des Errichtens und Betreibens 

von Gebäuden auf den nationalen Energieverbrauch rückte mit der 

Ölkrise von 1973 erstmals ins Bewusstsein. 



High-Tech Architektur 

»High-Tech-Architektur« stellt seit den 1980er- Jahren einen 

weiteren Ansatz dar, den Energieverbrauch von Gebäuden zu 

reduzieren. International bekannte Architekten (Norman Foster, 

Richard Rogers, Renzo Piano, u.a.) nahmen innovative 

Konstruktionsmethoden und technologische Entwicklungen zum 

Gegenstand des architektonischen Ausdrucks. 


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Energieeffizientes und nachhaltiges Bauen 

Der Ansatz des Nachhaltigen Bauens stellt sich umfassender dar. 

Die Gesamtheit der architektonischen Produktion; d.h. 

ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Aspekte sind in 

ihren wechselseitigen Abhängigkeiten zu betrachten 


Einführung 







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Globaler Wandel 

Verstädterung / Landflucht 

+ 60 % 

(2030) 



Urbane Bevölkerung nach Kontinenten 


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Verstädterung / Landflucht 



Grad der Verstädterung / Entwicklung der Städte 


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Urbane Agglomerationen seit 1950 



Megastädte 


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Historische Entwicklung Londons 



Historische Entwicklung Londons 


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Flächenverbrauch 

129 ha/d 



Entwicklung des Wohnflächenbedarfs in Deutschland 

19,0 m² 41,2m² 


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Energieaufwand und urbane Dichte 



Urbane Dichte 


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Urbane Dichte 


Einführung 







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Klimawandel 

Langfristige Temperaturentwicklung 


Klimawandel 

Langfristige Entwicklung C02-Konzentration 


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Klimawandel 

CO2-Ausstoß einiger Industrie- und Entwicklungsländer 


Klimawandel 

CO2-Ausstoß pro Kopf 


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Klimawandel 

Prognosen globaler Erderwärmung bis 2100 

+ 1,5 bis 5,8 C 


Klimawandel 

„tipping points 


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Klimawandel 

2C-Grenze 


Klimawandel 

Primärenergie - Rohölförderung 


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Klimawandel 

Klimaschutz Mitigation - Adaption 

Klimawandel 

Temperaturanstieg 

Meeresspiegelanstieg 

Niederschlagsveränderung 

Trockenheit + Überschwemmungen 

Adaption 

Auswirkungen auf 

Mensch und Natur 

Ernährungsressourcen 

Ökosystem und Biodiversität 

Lebensraum + Gesundheit 

Adaption 

Emissionen und 

Konzentrationen 

Treibhausgase 

Aerosole 

Mitigation 

Sozioökonomische 

Entwicklung 

Wirtschaftswachstum 

Technologie 

Bevölkerung 

Regierung 


„Grundlagen 







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Nachhaltigkeit 

Definition, allgemein 

Begriff „Nachhaltigkeit 1713 von Oberberghauptmann Hans Carl 

von Carlowitz geprägt in Bezug auf die „nachhaltende 

Nutzung der Wälder 

1983 Gründung der „Weltkommission für Umwelt und 

Entwicklung (WCED) 

1987 Abschlussbericht der Brundtland-Kommission „Unsere 

gemeinsame Zukunft (dt. HAUFF 1987) 

„Nachhaltigkeit ist eine Entwicklung, die den Bedürfnissen 

der heutigen Generation entspricht, ohne die Möglichkeiten 

künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen 

Bedürfnisse zu befriedigen und ihren Lebensstil zu wählen 



Brundtland-Bericht 

Als Brundtland-Bericht wird der 1987 veröffentlichte Bericht der 

Weltkommission für Umwelt und Entwicklung bezeichnet. 

Kommissionsvorsitzende war die ehemalige norwegische 

Ministerpräsidentin Gro Harlem Brundtland 

1."Dauerhafte Entwicklung ist Entwicklung, die die 

Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne zu riskieren, dass 

künftige Generationen ihre eigenen Bedürfnisse nicht 

befriedigen können.„ 

2."Im wesentlichen ist dauerhafte Entwicklung ein 

Wandlungsprozess, in dem die Nutzung von Ressourcen, das 

Ziel von Investitionen, die Richtung technologischer 

Entwicklung und institutioneller Wandel miteinander 

harmonieren und das derzeitige und künftige Potential 

vergrößern, menschliche Bedürfnisse und Wünsche zu 

erfüllen." 


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Drei-Säulen-Modell 

Definition der Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages 

„Schutz des Menschen und der Umwelt: 

„Nachhaltigkeit ist die Konzeption einer dauerhaft zukunftsfähigen 

Entwicklung der ökonomischen, ökologischen und sozialen 

Dimension menschlicher Existenz. Diese drei Säulen der 

Nachhaltigkeit stehen miteinander in Wechselwirkung und 

bedürfen langfristig einer ausgewogenen Koordination. 

Umwelt 

Ökologische Nachhaltigkeit: Sie orientiert sich am stärksten 

am ursprünglichen Gedanken, keinen Raubbau an der Natur 

zu betreiben. Ökologisch nachhaltig wäre eine Lebensweise, 

die die natürlichen Lebensgrundlagen nur in dem Maße 

beansprucht, wie diese sich regenerieren. 

Ökonomische Nachhaltigkeit: Eine Gesellschaft sollte 

wirtschaftlich nicht über ihre Verhältnisse leben, da dies 

zwangsläufig zu Einbußen der nachkommenden Generationen 

führen würde. Allgemein gilt eine Wirtschaftsweise dann als 

nachhaltig, wenn sie dauerhaft betrieben werden kann. 

Soziale Nachhaltigkeit: Ein Staat oder eine Gesellschaft 

sollte so organisiert sein, dass sich die sozialen Spannungen 

in Grenzen halten und Konflikte nicht eskalieren, sondern auf 

friedlichem und zivilem Wege ausgetragen werden können. 

Gesellschaft 

Wirtschaft 



Drei-Säulen-Modell 

drei Säulen im Bauwesen, Abschlussbericht der Enquête-Kommission 1998 


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Traditionen des nachhaltigen Bauens 

Gesellschaft 

1900 

1920 1940 1960 1980 2000 




Gesellschaft 

1900 

1920 1940 1960 1980 2000 


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Gesellschaft 

1900 

1920 1940 1960 1980 2000 



Definition für das Bauwesen 


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Internationale Zertifizierungssysteme 

DGNB 

LEED CA 

BREEAM 

LEED 

HQE 

TQ 

MINERGIE-ECO 

CASBEE 

SICES 

LEED VAE 

EEWH 

LEED IN 

LEED BR 

Green Star 

Green Star NZ 



DGNB 

Deutsche Gesellschaft für nachhaltiges Bauen e.V. 

Organisation, die die Aufgabe hat, Maßnahmen, Wege und 

Lösungen zu Planung, Bau und Nutzung von Gebäuden 

aufzuzeigen und zu fördern, die Ziele des nachhaltigen Bauens 

verwirklichen. 

Deutsches Gütesiegel Nachhaltiges Bauen wurde mit dem 

Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung 

entwickelt 

Lebenszyklusbetrachtung, die ökonomische, ökologische, 

soziokulturelle und funktionale Aspekte bewertet 

Nachhaltigkeitszertifikate für Bauwerke in Gold, Silber oder Bronze 


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Grundlagen des Energieeffizienten Bauens 

Was ist Energie 



• Begriffsdefinition 

• Energieformen 

• Energieträger 

• Richtwerte, Richtlinien 

• Gebaute Beispiele 


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Begriffsdefinition 

Aristoteles, „énérgeia (dt. Tätigkeit, Wirksamkeit): 

= die Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht 

naturwissenschaftliche Definition „Energie: 

= die im System gespeicherte Arbeit 

oder 

= die Fähigkeit des Systems zur Verrichtung von Arbeit 


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Energieformen 



1. Hauptsatz der Thermodynamik - Energieerhaltung 

1. Hauptsatz der Thermodynamik: 

(Energieerhaltungssatz von Hermann Helmholtz 1847) 

Energie wird im physikalischen Sinn nicht verbraucht , 

sondern nur umgewandelt, z. B. in Maschinen 

Energie = Exergie + Anergie = konstant 

Exergie: arbeitsfähige Energie 

Anergie: nicht arbeitsfähige Energie 

Beispiel: Heizung 

Die Gesamtenergie bei der Verbrennung eines 

Brennstoffes setzt sich dabei aus dem nutzbaren Anteil 

(Exergie) sowie dem durch Abwärme und 

Umwandlungsverluste nicht nutzbaren Anteil (Anergie) 

zusammen. 


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2. Hauptsatz der Thermodynamik - Entropie 

2. Hauptsatz der Thermodynamik: 

(Entropiesatz von Rudolf Claudius 1865) 

Bei der Hervorbringung von Ordnung erfolgt eine mehr als 

gleichwertige Erzeugung von Unordnung. Die 

Entropiebilanz ist noch immer in der Gewinnzone, selbst 

wenn einige Bestandteile ein höheres Maß an Ordnung 

annehmen 

Brian Greene: „Der Stoff, aus dem der Kosmos ist 

Entropie = Wendung, Umwandlung 

Ein Gas dehnt sich nach Entfernen der Zwischenwand 

(oberes Bild) spontan aus (unteres Bild), 

wobei die Entropie erhöht wird. 

Beispiel: 

„Wenn du deinen Reispudding rührst, Septimus, dann 

verteilt sich die Marmelade herum und macht dabei rote 

Spuren wie in dem Bild eines Meteors in meinem 

astronomischen Atlas. Aber wenn du rückwärts rührst, 

kommt die Marmelade nicht mehr zusammen. Tatsächlich 

merkt der Pudding davon nichts und wird weiterhin rosa 

wie zuvor 

Tom Stoppard: Arcadia, 1.Akt, 1.Szene, Dialog zwischen 

Thomasina und Septimus. 

Mischungsentropie 









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Energieformen 

Energieangebote der Erde 

Kernenergie Solarstrahlung Erdwärme Gravitation 


Energieformen 

Energieangebote der Erde 

solare Strahlung > 99,9 % 

(Solarkonstante 1367 W/m 2 ) 

Erdwärme 0,02 % 

Gezeiten 0,002 % 


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Energieformen 

Energiebilanz der Erde 


Energieformen 

Verluste der Energiebereitstellungskette 


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Energieformen 



vergangene Strahlung 

aktuelle Strahlung 


Energieformen 





• Atomenergie 

• Kohle 

• Globalstrahlung 

• oberflächenferne 

• Gezeitenenergie 

• Erdöl 

• oberflächennahe 

Erdwärme 

• Erdgas 

Erdwärme 

• Atmosphärenwärme 

• Wind 

• Meereswärme 

• Meeresströmung 

• Wellenbewegung 

• Laufwasser 

• Biomasseproduktion 


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Energieformen 






• Kohle 




• Erdöl 


Erdwärme 

• Erdgas 

Erdwärme 


• Wind 




nicht 

erneuerbar 



erneuerbar 



• Energiedefinition 






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Energieträger 

Systemtechnische Analyse 





• Kohle 




• Erdöl 


Erdwärme 

• Erdgas 

Erdwärme 


• Wind 




nicht 

erneuerbar 



erneuerbar 



Nicht erneuerbare Energie – fossile Energieträger 

Fossile Energieträger sichern 80% 

der weltweiten Energieversorgung 


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endliche Reserven 

• Mineralöl: 41 Jahre 

• Erdgas: 62 Jahre 

• Kohle: 200 Jahre 

Versorgungsunsicherheit 

zunehmende Verteilungskonflikte 




CO 2 -Problematik / Klimawandel 


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bisherige Preissteigerung - Vergleich 




Bei der Kohlendioxidsequestierung wird CO 2 aus Abgasen 

von Kraftwerken und Industrieanlagen technisch 

abgeschieden, komprimiert und schließlich unter hohem 

Druck in etwa 1000 Meter tiefe salzwasserhaltige Schichten 

(»Aquifere«) verpresst. 

•Bis 2015 zwölf Demonstrationsanlagen in Europa geplant 

•Sicherheit und Wirtschaftlichkeit ist noch fraglich 

•Gefahr der Grundwasserverseuchung 

•Gefährliche Emissionen bei Leckagen 

•Durch CO 2 -Sequestierung Effizienzverluste der Kraftwerke 

von ca. 20 % (erhöhter Ressourcenverbrauch, 

Importabhängigkeit und Kosten) 


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• Kohle 




• Erdöl 


Erdwärme 

• Erdgas 

Erdwärme 


• Wind 




nicht 

erneuerbar 



erneuerbar 



Nicht erneuerbare Energie – Atomenergie 

~ 17 % 

%-Anteil an der weltweiten Stromerzeugung 

< 7 % 

%-Anteil an der weltweiten Energieversorgung 


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Nicht erneuerbare Energie – Atomenergie 

Kernreaktorkatastrophe in Tschernobyl 1986 

Ressourcenproblem: Preiswertes Uran für 

Leichtwasserreaktoren reicht noch etwa für 40 Jahre 

Brutreaktoren (»Schnelle Brüter«): Neben der 

Stromproduktion wird weiteres spaltbares Material erzeugt. 

Es gibt in keinem Land einen Dauerbetrieb. 

Plutonium: Es ensteht als Abfallprodukt und erhöht die 

atomare Bedrohung (waffentechnische Verwendung). 

Uran 235 : Die Halbwertszeit beträgt über 700 Millionen Jahre 

- hoher Aufwand für dauerhafte Abschirmung - hochgradige 

Gesundheitsgefahren 



Nicht erneuerbare Energie – Atomenergie - Kernfusion 

Kernfusion 

+ bei niedrigem Brennstoffverbrauch und geringem radioaktiven Abfall große Mengen elektrischer Energie 

- enorme Investitionen; kommerzielle Nutzung – wenn überhaupt realisierbar – in frühestens 50 Jahren 


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Nicht erneuerbare Energie 



Nicht erneuerbare Energie – Reserven 

Quelle: BMWi, Abteilung III, 2006; Energie Atlas; Hegger et. al.; 2007 


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• Kohle 




• Erdöl 


Erdwärme 

• Erdgas 

Erdwärme 


• Wind 




nicht 

erneuerbar 



erneuerbar 



Erneuerbare Energie - Globalstrahlung - Solarthermie 

Zur aktiven Nutzung der Globalstrahlung bestehen generell 

zwei Möglichkeiten: Die Umwandlung in Wärme oder 

Strom. 

Kollektorflächen 

o frei aufgestellt 

o in die Gebäudehülle integriert 

Trotz des unterschiedlich hohen Strahlungsanteils 

verschiedener Standorte ist die Solarthermie heute in 

Deutschland nahezu überall rentabel. 

konischer Reflektor, Augustin Mouchot, 1878 


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Erneuerbare Energie - Globalstrahlung - Nutzung 

Globalstrahlung 

Transparente 

Gebäudehülle 

Solarthermie 

Photovoltaik 

Luftkollektor 

Warmwasserkollektor 

Solarthermisches 

Großkraftwerk 

Photozelle 

Warmluft 

Warmwasser 

Strom 




• Wärmebereitstellung: 

Solarthermische Kleinanlagen Außenlufterwärmung 

(Luftkollektor) 


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Beispiel eines Luftkollektors 

(hier: Grammer - Solar - Luftkollektor) 





Solarthermische Kleinanlagen für Trinkwasser und zur 

Heizungsunterstützung 


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• Flachkollektor 

• Vakuumröhrenkollektor 




• Flachkollektor 

• Vakuumröhrenkollektor 

Beispiele 


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17.04.2013 ee-Vorlesung 01/2013 | 52






• Stromerzeugung: 

Solarthermische Kraftwerke in Ländern mit besonders hoher Sonneneinstrahlung 


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Erneuerbare Energie - Aufwindkraftwerke 

Pilotanlage in Manzanares / Spanien, 1989 

Funktionsprinzip 

200-MW Kraftwerk Mildura / Australien, 

geplant 

von Schlaich, Bergermann und Partner 



Erneuerbare Energie - Globalstrahlung - Nutzung 

Globalstrahlung 

Transparente 

Gebäudehülle 

Solarthermie 

Photovoltaik 

Luftkollektor 

Warmwasserkollektor 

Solarthermisches 

Großkraftwerk 

Photozelle 

Warmluft 

Warmwasser 

Strom 


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Erneuerbare Energie - Globalstrahlung - Photovoltaik 

Auch Photovoltaikmodule lassen sich direkt in die 

Gebäudehülle integrieren. 

Die Systemtechnik basiert auf Entwicklungen seit Mitte des 

20. Jahrhunderts und befindet sich auf einem hohen 

technischen Niveau. 

In Deutschland wurden bereits über 300 MW installierter 

Leistung realisiert, dies entspricht etwa einer Fläche von 

drei Millionen Quadratmetern. 

Raumstation MIR 





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Stand 

2008/09 18-20% bis 20% bis 10% 12-20 % bis 16% 

Stand 

2012/13 bis 24% bis 20% bis 13% bis 20,3 % bis 16% 

Quelle: Energieatlas 





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• Kohle 




• Erdöl 


Erdwärme 

• Erdgas 

Erdwärme 


• Wind 




nicht 

erneuerbar 



erneuerbar 



Erneuerbare Energie - Erdwärme 

In den oberen Erdschichten und im Grundwasser gespeicherte Sonnenenergie kann über Erdreichwärmetauscher und 

Brunnenanlagen mit Hilfe von Wärmepumpen zur Gebäudeheizung und zur Trinkwassererwärmung herangezogen werden. 

Erdreichwärmetauscher sind überall in Europa einsetzbar. Inzwischen werden europaweit pro Jahr über 300000 

Wärmepumpensysteme installiert. 


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Erneuerbare Energie – Erdwärme - Erdkollektor 



Erneuerbare Energie – Erdwärme - Erdsonden 


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Erneuerbare Energie - Atmosphäre 

In der Außenluft enthaltene Wärmeenergie eignet sich über Wärmepumpen ebenfalls zur Gebäudeheizung sowie zur 

Trinkwassererwärmung. 

- gleiche Systemtechnik wie bei erdreichgekoppelten Wärmepumpen hier mit Luftwärmetauscher 

- Effizienz von Wärmepumpen sinkt mit zunehmender Temperaturdifferenz 



Erneuerbare Energie - Wind 

2010 

7.000 kW 

127 m 

135 m 

ca. 20.000.000 kWh 


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Harold and Margot Schiff Residences 

2007, Chicago, Illinois 

Murphy Jahn Architects 




520H Aeroturbine 

Aerotecture 

Harold and Margot Schiff Residences 

2007, Chicago, Illinois 

Murphy Jahn Architects 


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Erneuerbare Energie - Meereswärme 

Funktionsprinzip OTEC, (Ocean thermal energy conversion) 

Temperaturunterschiede zwischen der 

Oberfläche und 1000m Tiefe in den Ozeanen 

Meerwasser speichert Energie, die bei geeigneten Temperaturdifferenzen ab etwa 20 Kelvin von oberflächennahem und 

tiefem Wasser über ein Meereswärmekraftwerk zur Stromerzeugung genutzt werden kann. 

Neben Problemen der Energiespeicherung und des Transports bestehen jedoch noch zahlreiche technische 

Fragestellungen, die einen Dauerbetrieb in absehbarer Zeit nicht erwarten lassen. 



Erneuerbare Energie - Meeresströmung & Meeresbrandung 

Die Ausgleichsströmungen der Weltmeere infolge Temperaturdifferenzen, 

unterschiedliche Salzkonzentrationen oder Gezeitenwechsel lassen sich 

über einen unter Wasser angetriebenen Rotor zur Stromerzeugung 

nutzen. 

Den Abschätzungen des technischen Potentials zufolge könnte 

Großbritannien 10–20 % seines Elektrizitätsbedarfs aus 

Meeresströmungskraftwerken decken. 

Auch die Meeresbrandung eignet sich prinzipiell in Kombination mit 

geeigneten Kraftwerken zur Stromgewinnung. 

Eines der einfacheren Systeme wandelt beispielsweise die kinetische 

Energie der Brandungswellen durch einen entsprechend konstruierten 

Kollektor in potenzielle Energie um. 

Die eigentliche Stromerzeugung erfolgt dann auf die gleiche Weise, wie 

sie bei Speicherwasserkraftwerken zum Einsatz kommt. 


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Erneuerbare Energie - Wellen 

Wellenkraftwerk vor Dänemark 

Wellenenergie ist in erster Linie durch Windenergie 

induziert. 

Berechnungen des internationalen Weltenergierates (World 

Energy Council, WEC) zufolge verfügt diese 

Kraftwerkstechnologie über ein beträchtliches 

Leistungspotenzial. 



Erneuerbare Energie - Wasserkraft 

Anlagentypen 

-Niederdruckanlagen 

(Laufwasserkraftwerke) 

-Mittel-/Hochdruckanlagen 

(Speicherwasserkraftwerke) 

Installierte Anlagen 

-knapp 6000 Laufwasserkraftwerke in 

Betrieb (ca. 4 % der 

Nettostromerzeugung in Deutschland) 

-Kleinwasserkraftwerke im 

Leistungsbereich unter 1 MW (private 

Hand) 

Laufwasserkraftwerk 

Speicherkraftwerk 


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Erneuerbare Energie – Wasserkraft - Laufwasserkraftwerk 



Erneuerbare Energie – Wasserkraft - Speicherkraftwerk 


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Erneuerbare Energie - Biomasse 

- Prinzipiell kann feste, flüssige und gasförmige Biomasse zur Wärmegewinnung, verfeuert oder über motorisch betriebene 

Blockheizkraftwerke, zur kombinierten Wärme- und Stromerzeugung eingesetzt werden. 

- Die ausgereifte Systemtechnik erzielt hohe Wirkungsgrade bei zugleich niedrigen Emissionswerten. Der Leistungsbereich 

reicht vom Kilowatt- bis in den Megawattbereich. 



Erneuerbare Energie - Holzhackschnitzel-BHKW 

BHKW im Scharnhäuser Park 

2003, Ostfildern 

Blattmann und Oswald 


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Erneuerbare Energie - Biogasanlage 

Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien; http://www.unendlich-viel-energie.de 








• Kohle 




• Erdöl 


Erdwärme 

• Erdgas 

Erdwärme 


• Wind 




nicht 

erneuerbar 



erneuerbar 


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Erneuerbare Energie – oberflächenferne Erdwärme 

• Entzug geothermischer Energie aus einem künstlich 

geschaffenen Reservoir zur Produktion von Wärme 

und Storm 

• sog. „Hot-Dry-Rock-Verfahren 

• Aufschluss der Bohrung steht im Verdacht, 

Erdbeben zu verursachen 



Erneuerbare Energie – oberflächenferne Erdwärme 

Geothermie Kraftwerk, ENEL Bagnore 3 

1997, Mailand, Italien 

Stefano Boeri Architetti 


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• Kohle 




• Erdöl 


Erdwärme 

• Erdgas 

Erdwärme 


• Wind 




nicht 

erneuerbar 



erneuerbar 



Erneuerbare Energie - Gezeiten 

Gezeitenkraftwerk bei St. Malo, Frankreich 

Die in erster Linie durch Gravitation verursachten Gezeiten können – vergleichbar mit der Brandungsenergie – energetisch 

umgewandelt werden. 

Dies erfordert allerdings einen mittleren Tidenhub von mindestens 3 m, der an deutschen Küsten nicht erreicht wird. 

Weltweit gesehen bestehen bereits einige dieser Kraftwerke, allerdings schätzt man das Gesamtpotenzial als eher gering ein. 


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Energiespeicher - Übersicht 

Energiespeicher werden nach der gespeicherten (Haupt-)Energieform klassifiziert. 

Thermische Energie: 

Chemische Energie: 

Mechanische Energie: 

Elektrische Energie: 

Wärmespeicher, Fernwärmespeicher 

anorganisch: galvanische Zelle (Akkumulator, Batterie), Redox-Flow-Zelle, 

Wasserstoff, Batterie-Speicherkraftwerk 

organisch: Glykogen, Kohlenhydrate, Fette 

Kinetische Energie (Bewegungsenergie): Schwungrad, bzw. Schwungradspeicher 

Potentielle Energie (Lageenergie): Feder, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk 

Kondensator, Supraleitender Magnetischer Energiespeicher 

Behälter, die selbst keine Energie, sondern Brenn- oder Kraftstoffe aufnehmen: 

Kavernenspeicher für Rohöl, Erdgas und Druckluft 

Porenspeicher für Erdgas 

Lagertank und Kraftstofftank 

Adsorptionsspeicher 



Energiespeicher - Wasser zur Wärmespeicherung 

Thermische Energie 

Als Speichermedium dient in vielen Fällen Wasser, zum Teil in 

Kombination mit anderen Materialien. Es stellt auch ein 

hervorragendes Wärmeträgermedium dar, da es durch seine 

hohe spezifische Wärmekapazität und seine relativ niedrige 

Viskosität akzeptable Anforderungen an die Technik stellt. 

Bsp. Pufferspeicher für eine Zentralheizung 


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Energiespeicher - Wasser zur Wärmespeicherung 

Energiepfahlsysteme 

Tiefen- oder Pfahlfundationen, die mit Rohrleitungen – als 

Wärme- tauscher – zur Energiegewinnung ausgerüstet sind, 

werden als Energiepfahlsysteme bezeichnet. Das Besondere 

an Energiepfahlsystemen ist die ökologisch und wirtschaftlich 

interessante Doppelnutzung von erdberührten Betonteilen für 

Fundation und gleichzeitiger Wärme- oder Kälte- 

Energiegewinnung. 

Legende 

1 Energiepfähle 2 Pfahlanschlussleitungen 3 Sammelkästen 

Pfahlanschlüsse 4 Hauptleitung 5 Kältezentrale 



Energiespeicher – Galvanische Zelle 

Chemische Energie 

Ein Akku bzw. Akkumulator ist ein mehrfach nutzbarer Speicher 

für elektrische Energie, meist auf der Basis eines elektrochemischen 

Systems, und damit eine Ausführungsform 

galvanischer Zellen. 

Bsp. Autobatterie 


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Energiespeicher – Schwungradspeicher 

Kinetische Energie 

Schwungradspeicherung ist eine Methode der Energiespeicherung, 

bei der ein Schwungrad (in diesem Zusammenhang auch „Rotor 

genannt) auf eine sehr hohe Drehzahl beschleunigt wird, und somit 

die Energie als Rotationsenergie gespeichert wird. Die Energie wird 

zurückgewonnen, indem der Rotor abgebremst wird. 

Bsp. NASA G2-Schwungrad 



Energiespeicher – Schwungradspeicher 

Bsp. Schwungrad eines Walzwerkes 


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Energiespeicher – Pumpspeicherkraftwerk 

Potentielle Energie 

Ein Pumpspeicherkraftwerk (auch Pumpspeicherwerk (PSW) 

genannt) ist eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes und 

dient der Speicherung von elektrischer Energie durch Hochpumpen 

von Wasser. 

Bsp. Pumpspeicherkraftwerk Koepchenwerk Herdecke 



Energiespeicher – Gasspeicher 

Kavernenspeicher 

Ein Gasspeicher (auch Gasometer genannt) ist ein Reservoir, der 

zur Speicherung von brennbaren Gasen wie Stadtgas (Leuchtgas), 

Erdgas (Erdgasspeicher), Flüssiggas, Biogas und Klärgas 

eingesetzt wird. 

Bsp. Gasometer Zwickau 


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Strukturelle Entwicklung der Energieträger 

Die Nutzung verschiedener 

Energieträger durchläuft Zyklen. 



Entwicklung des Energieverbrauchs 

Vergleich zwischen Bevölkerungswachstum, 

Energieverbrauch und CO2-Emissionen 

von 1870 bis 2000. 


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Anteile der Energieträger am Primärenergieverbrauch in D 

Der Anteil erneuerbarer Energiequellen 

steigt seit 1995 deutlich an, besonders 

durch den Ausbau der Windenergie 



Entwicklungsszenario des weltweiten Energiemixes bis 2100 

D 2008: 3966 TWh/a 


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Potential erneuerbarer Energieträger 

Energieverbrauch 

Technisches Potenzial, Sachstand 2005 

Theoretisches Potenzial 

Erde 

Wellen 

und Meer 

Weltenergieverbrauch 

2005 

Sonne 

Wind 

Biomasse 

Wasser 


Quelle: Energie Atlas; Hegger et. al.; 2007 


Technisches Potential & Nutzung erneuerbarer Energie in D 

Stand 2005 


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Entwicklungsszenario des Primärenergieverbrauchs der EU 



Entwicklung erneuerbarer Energieträger zur Stromerzeugung in D 


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Wirtschaftlichkeit Erneuerbarer Energieträger 

Gestehungskosten für erneuerbare Energien nehmen 

aufgrund der sinkenden Technikkosten (»economies of 

scale«) beständig ab. 

Daher dürfte es lediglich eine Frage der Zeit sein, wann 

erneuerbare Energien weniger Betriebskosten verursachen 

als Energien aus erschöpflichen Quellen. 

Die »Leitstudie 2007« des BMU kommt zu dem Schluss, 

dass bei einem weiterhin deutlichen Preisanstieg der 

herkömmlichen Energieversorgung voraussichtlich im Jahr 

2025 die erneuerbaren Energien das Preisniveau der 

erschöpflichen Energiequellen erreichen. 



Idealszenario einer nachhaltigen globalen Energieversorgung 


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Richtwerte, Richtlinien 

Wie viel Energie verbraucht ein Haus 

Endenergieverbrauch Haushalte 


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Wie viel Energie verbraucht ein Haus 

Anteile der Wärmeverluste eines Wohnhauses 



WSchV, EnEV 

seit 1. November 1977 

Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz 

bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung - WärmeschutzV) 

erstmals als Folge des 1976 vom Bundestag beschlossenen 

Energieeinsparungsgesetzes (EnEG) 

Zielsetzung: Reduzierung des Energieverbrauchs durch 

bauliche Maßnahmen, wegen steigender Energiepreise 

1. Januar 1984 2. Wärmeschutzverordnung 

1. Januar 1995 3. Wärmeschutzverordnung 

seit 1. Februar 2002 

Die Energieeinsparverordnung löste die Wärmeschutzverordnung 

(WSchV) und die Heizungsanlagenverordnung 

HeizAnlV) ab und fasste sie zusammen 

2004 2. Fassung (EnEV 2004) 

1. Oktober 2007 3. Fassung (EnEV 2007) 

1. Oktober 2009 4. Fassung (EnEV 2009) 

Ziel ist es, den Energie-, Heizungs- und Warmwasserbedarf 

um zirka 30 Prozent zu senken. Ab 2012 sollen in einem 

weiteren Schritt die energetischen Anforderungen nochmals 

um bis zu 30 Prozent erhöht werden. 


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EEG 

Das deutsche Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien, in der geläufigen 

Kurzfassung Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) genannt, soll gemäß der 

Legaldefinition seines 1 Abs. 1 „die Weiterentwicklung von Technologien zur 

Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen fördern. 

Es dient dem Klima- und Umweltschutz und gehört zu einer ganzen Reihe 

gesetzlicher Maßnahmen, mit denen die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern 

wie Erdöl, Erdgas oder Kohle und Kernkraft verringert werden soll. 

Das EEG garantiert den Betreibern der zu fördernden Anlagen über einen Zeitraum 

von 15 bis zu 20 Kalenderjahren einen festen Vergütungssatz für den erzeugten 

Strom und verpflichtet die Netzbetreiber zu dessen vorrangiger Abnahme (21 und 

8 Abs.1 EEG vom 25. Oktober 2008). 

Gefördert wird die Erzeugung von Strom aus: 

- Wasserkraft 

- Deponiegas, Klärgas und Grubengas 

- Biomasse 

- Geothermie 

- Windenergie 

- solarer Strahlungsenergie (zum Beispiel Photovoltaik) 



Erneuerbare-Energien-Richtlinie (EG) 

Die Richtlinie setzt für jedes Mitgliedsland gesondert den 

Anteil der erneuerbaren Energien am gesamten 

Endenergieverbrauch fest 

Jedes Mitgliedsland muss bis 2020 diesen Anteil erreichen 

Der für die gesamte EU zu erreichende Anteil beläuft sich auf 

20 % 

EU Mitgliedstaaten Anteil 2005 Zielwert Anteil 2020 

Schweden 39,80% 49,00% 

Lettland 32,60% 40,00% 

Finnland 28,50% 38,00% 

Österreich 23,30% 34,00% 

Portugal 20,50% 31,00% 

Dänemark 17,00% 30,00% 

Estland 18,00% 25,00% 

Slowenien 16,00% 25,00% 

Rumänien 17,80% 24,00% 

Frankreich 10,30% 23,00% 

Litauen 15,00% 23,00% 

Spanien 8,70% 20,00% 

Griechenland 6,90% 18,00% 

Deutschland 5,80% 18,00% 

Italien 5,20% 17,00% 

Irland 3,10% 16,00% 

Bulgarien 9,40% 16,00% 

Polen 7,20% 15,00% 

Vereinigtes Königreich 1,30% 15,00% 

Niederlande 2,40% 14,00% 

Slowakische Republik 6,70% 14,00% 

Tschechische Republik 6,10% 13,00% 

Ungarn 4,30% 13,00% 

Zypern 2,90% 13,00% 

Belgien 2,20% 13,00% 

Luxemburg 0,90% 11,00% 

Malta 0,00% 10,00% 


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Energieausweise 



Entwicklung der rechtlichem Parameter im Wärmeschutzbereich 

2009 2014 

-30% -% 

2020 

beinahe Netto Null- 

Energie-Haus 


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Ausblick 

POLITISCHE DIMENSION 

Europäische Kommission„ 20/20/20 2020 

Europäisches Parlament „ 0-Energiehäuser 2020 

2010 2020 

EnEV 

2009 

EnEV 

2014 

GESETZLICHE DIMENSION 



Ausblick Gebäudeenergieverbrauch 


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Gebaute Beispiele 

Akademie Mont-Cenis 

Fortbildungsakademie Mont-Cenis 

1999, Herne 

Hegger Hegger Schleiff, Kassel 

in Zusammenarbeit mit Jourda & Perraudin Architectes, Paris 


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Jourda+Perraudin/ HHS Planer & Architekten; Fortbildungsakademie 


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HHS Architekten, Grubengas-BHKW Herne 2000 


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Schulungsgebäude SMA 

2009, Niestetal 

Hegger Hegger Schleiff, Kassel 



Schulungsgebäude SMA, Niestetal, HHS 


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Schulungsgebäude SMA, Niestetal, HHS 


V Energieeffizientes Bauen 

Nächste Vorlesung: 

24.04.2013 

Stadtraum und Stadtklima 

Prof. Anett-Maud Joppien 


17.04.2013 ee-Vorlesung 01/2013 | 89

Grundlagen des Energieeffizienten Bauens - Entwerfen und ...

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