green tech report 2013 - umwelttechnik.at

Solarthermie
Einleitung
Die Nutzung der Sonnenenergie für die Produktion
von Warmwasser mittels solarthermischer Anlagen
ist eine bewährte Technologie und seit vielen Jahren
in unterschiedlichsten Anwendungen erprobt.
Neben der Nutzung im Wohnbereich zur Raumheizung
und zur Warmwasserbereitstellung kann
Solarthermie darüber hinaus einen wesentlichen
Beitrag für die Energiebereitstellung in Betrieben
leisten (Warmwasserbereitstellung, Heizung,
Prozesswärme). In diesem Report liegt der Fokus
auf der Anwendung von Solarthermie zur Bereitstellung
von Prozesswärme, die trotz des enormen
Potentials im Gewerbe- und Industriebereich noch
selten eingesetzt wird [3].
Was ist Solarthermie
Solarthermie ist die Nutzung der in der Sonnenstrahlung
enthaltenen Energie mittels Kollektoren
unterschiedlichster Bauart (siehe Kapitel zu
Technologische Aspekten von Solarthermieanlagen).
In der Regel wird mittels Solarthermie
Warmwasser erzeugt, das wiederum unterschiedlichsten
Verwendungen zugeführt werden
kann. Dazu zählen beispielsweise die aus dem
Wohnbau bekannte Raumheizung, die Warmwasseraufbereitung
sowie Wärme, die für betriebliche
Produktionsprozesse eingesetzt wird.
Technologische Aspekte
Für die Nutzung von Solarthermie stehen unterschiedliche
Kollektortypen zur Verfügung.
Nichtkonzentrierende Kollektoren
Zu diesen Kollektortypen zählen die „klassischen“,
von vielen Häuserdächern bekannten Flachkollektoren
sowie die Vakuumröhrenkollektoren. Auch
Schwimmbadabsorber und Luftkollektoren zählen
zu diesem Kollektortyp [1]. Dabei trifft Sonnenlicht
auf einen Absorber, der die Wärmeenergie an ein
Transportmedium (Wasser, Luft, Wasser-Sole-Gemisch
etc.) weitergibt und der weiteren Verwendung
zuführt [1].
Aufgrund der ausgereiften Technik und vielfach
erprobten Anwendung bieten nichtkonzentrierende
Kollektoren die höchst-mögliche Effizienz.
Im Gegensatz zu konzentrierenden Kollektoren wird
auch diffuse Strahlung genutzt, es ist kein Nachführsystem
notwendig und die Anlagen sind in der Regel
wartungsarm. Mit Vakuumröhrenkollektoren können
Temperaturen von bis zu 120 °C erzeugt werden.
Vor allem Flachkollektoren haben den Vorteil, dass
sie relativ einfach architektonisch integriert werden
können. Sofern es die örtlichen Gegebenheiten zulassen,
können Großflächenkollektoren eingesetzt
werden, die aufgrund optimierter Hydraulik höhere
Effizienz und Energieausbeute aufweisen [1].
Konzentrierende Kollektoren
Dazu zählen sogenannte Parabolrinnen und Fresnel
Kollektoren. Bei dieser Technologie wird die direkte
Sonneneinstrahlung auf ein zentral im Brennpunkt
verlaufendes Wärmeträgermedium (aufgrund
der hohen Temperaturen meist Öle) übertragen und
die verfügbar gemachte Energie in weiterer Folge
mittels Wärmetauscher dem späteren Verwendungszweck
zugeführt [1].
Durch die Konzentrierung der Strahlung sind
Temperaturen bis zu 400 °C und dadurch auch
die in vielen betrieblichen Prozessen notwendige
Dampfproduktion möglich. Diese Anlagen
sind jedoch wartungsintensiver (Reinigung), ein Trackingsystem
ist notwendig und es wird nur die direkte
Strahlung genutzt [1].
© iStockPhoto/fotolinchen
Um die Qualität einer Solarthermieanlage zu gewährleisten
sind kontinuierliche Überprüfungen
sowie Erneuerung des Frostschutzes und eine
Kontrolle der Anlagenparameter notwendig. Ein
elektronisches Telemonitoringsystem erlaubt
eine umfassende Analyse der Wirtschaftlichkeit
und Störungen können sofort identifiziert werden
[1].
Vorteile von Wärmebereitstellung
durch Solarthermie
Durch die Wärmebereitstellung mittels Solarthermie
ist es möglich, die Preise für die Wärmegestehungskosten,
bzw. den durch die Solarthermieanlage
produzierten Anteil, für die nächsten Jahre
bzw. Jahrzehnte einzufrieren und somit konstant zu
halten. Dadurch ergibt sich vor allem bei steigenden
Energiepreisen ein finanzieller Vorteil.
Für die Installation einer Solarthermieanlage ist
es unverzichtbar, sich intensiv mit der Betrachtung
der Energieverbraucher im Unternehmen
auseinanderzusetzen. Im Rahmen dieser Untersuchung
kann es bereits zu Erkenntnissen kommen,
die zu Optimierungsaktivitäten führen, die
ursächlich nicht mit Solarthermie in Verbindung
stehen und dem Unternehmen einen nachhaltigen
Nutzen bringen können. In diesem Bereich
hat sich in den letzten Jahren die Simulationssoftware
laufend verbessert, detailliertere Betrachtungen
sind möglich.
Voraussetzungen für
solarthermische Anlagen
Für den Betrieb einer solarthermischen Anlage muss
ein entsprechender Wärmebedarf gegeben sein,
der mittels Solarthermie gedeckt werden kann. Solarthermische
Anlagen müssen aber nicht in jedem
Fall so ausgelegt sein, dass sie den gesamt Prozesswärmebedarf
eines Betriebes abdecken, auch
eine Teilabdeckung ist in vielen Fällen sinnvoll. Da
das Sonnenenergiedargebot nicht immer mit dem
Lastprofil des Unternehmens übereinstimmt, muss
meist ein Pufferspeicher im System integriert werden,
dessen Platzbedarf ebenfalls in die Planung mit
einbezogen werden muss [6].
Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit und die technische
Realisierung ist das Temperaturniveau der
Arbeitsprozesse. Je niedriger dieses ist, umso effizienter
kann die Anlage arbeiten. Für den Einsatz
von Flachkollektoren ist ein Temperaturniveau
von rund 50 °C optimal. Ein niedriges Niveau der
benötigten Temperatur gewährleistet einen hohen
Temperaturhub durch die Anlage und damit einen
hohen solaren Ertrag [2][7]. Durch den Einsatz einer
Wärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage
kann die bereitzustellende Temperatur
weiter erhöht werden (à Umgebungswärme).
Die Leistung, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit
einer solarthermischen Anlage hängen stark von einer
umfassenden Analyse der Prozesscharakteristik
im Vorfeld ab [7]. Für die Planung einer Anlage
müssen Tages-, Monats- und Jahresprofile der thermischen
Lasten bekannt sein. Dabei ist es sehr hilfreich,
wenn der Wärmebedarf aller Anlagen, die sich
für eine Unterstützung durch eine Solaranlage eignen,
an einem typischen Arbeitstag gemessen und
aufgezeichnet werden. Für eine optimale Nutzung
einer Solarthermieanlage sollten folgende Punkte
erfüllt sein [1][7].
• Der Wärmebedarf muss in mehr als drei Vierteln
des Jahres gegeben sein, darin inkludiert
müssen die Sommermonate sein
• Der Wärmebedarf muss an mindestens fünf
Tagen der Woche gegeben sein
• Der tägliche Wärmebedarf im Sommer soll
nicht geringer sein der jener im restlichen
Jahr
• Es wird Prozesswärme mit unter 100 °C
benötigt
An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich Anlagen,
die diesen Vorgaben nicht entsprechen in manchen
Fällen auch wirtschaftlich rechnen können.
Solarthermische Anlagen werden in der Regel auf
Dächern angebracht. Da bei Anwendungen im betrieblichen
Bereich aufgrund des in vielen Fällen hohen
Wärmebedarfs große Kollektorflächen von über
100 m² notwendig sind, müssen entsprechende
Flächen vorhanden sein. Neben der Fläche an sich
muss eine Ausrichtung der Solaranlage nach Süden
und/oder Südost/Südwest möglich sein [1][6].
© TiSUN
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