Solarthermie - Grosse Systeme für Raumheizung und Prozesswärme

Transkript

1 Solarthermie - Grosse Systeme für Raumheizung und Prozesswärme Einführung Anwendungsfelder für Solarthermie Marktentwicklung 1 Klaus Vajen, Kassel,

2 Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik 2 HochschullehrerInnen (Ulrike Jordan, Klaus Vajen) ca. 20 MitarbeiterInnen + HiWis + DiplomandInnen + IdE-Abteilung + Ausgründung (Maschbau-, Elektro-, Bau-, Wirtschafts-Ings, Physik, Chemie, Mathe) Forschungsschwerpunkte: Solarthermie Thermische Energiesysteme Energieeffizienz in Gebäuden Koordination: Masterstudiengang Regenerative Energien und Energieeffizienz Projektstudium Solarcampus EU-weit die DoktorandInnenausbildung im Bereich Solarthermie Fachausschuss der deutschsprachigen Hochschullehrer zu RE Solar World Congress in Kassel

3 Endenergieverbrauch nach Anwendungen DE: 40% der Endenergie für Wärme <100 C von IfE TU-München, 2003 IfE TU-München, 2003

4 Bauarten von Solarkollektoren Vakuumröhren- Kollektoren (bis 120 C) Flachkollektoren (bis 80 C) Absorber (bis 30 C) PV

5 Wirkungsgrade Brennwertkessel Solarstrahlung Flachkollektor Rücklauftemperatur in C Niedriges Temperaturniveau entscheidend, Mischvorgänge möglichst vermeiden => Solar völlig anderes Engineering erforderlich

6 Hauptanwendungsfelder der Solarthermie Trinkwarmwasserbereitung EFH (EFH: 90% des Marktes in DE) Warmwasser + Raumheizung (Kombisysteme, EFH)

7 Solare Raumheizungsunterstützung kwh/monat Gesamtwärmebedarf= TWW+RH Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec TWW ca. 25% des Gesamt-Wärmebedarfs für Solarnutzung zugänglich

8 Solare Raumheizungsunterstützung für EFH Fotos: H. Drück (ITW), G. Stryi-Hipp (BSI)

9 Solare Raumheizungsunterstützung kwh/monat Gesamtwärmebedarf= TWW+RH Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec TWW Ohne saisonalen Speicher: Höherer Solarbeitrag: ca. Größere 25% des Kollektorflächen Gesamt-Wärmebedarfs und leistungsfähige für Solarnutzung Speicher zugänglich erforderlich

10 Solare Raumheizungsunterstützung für EFH Solare Deckung 35m²/10m³ 25m²/30m³ Simulationsstudie: Uni Stuttgart, EFH in Würzburg ENEV 2005, Folie: H. Drück

11 Das Konzept Solarhaus 50+ solarer Deckungsanteil > 50% große Kollektorflächen ( m²) große Warmwasserspeicher ( m³) Voraussetzungen: sehr gute Wärmedämmung Niedertemperaturheizsystem Quelle: Sonnenhausinstitut e.v.

12 Das Konzept Solarhaus 50+ nach Süden geöffnete Fassade hohe passive solare Gewinne (Wintergärten) Flächenheizung Süddach als Kollektorfläche große Warmwasserspeicher auch als Fertighaus Quelle: Sonnenhausinstitut e.v.

13 Solarhaus 50+ : Altbausanierung Zweifamilienhaus 273 m² vorher Liter Öl/a Sanierung Wärmedämmung Kollektor 42 m² Speicher 4,4 m³ solarer Deckungsanteil ca. 55% Quelle: Sonnenhausinstitut e.v.

14 Kombisystem vs. Solarhaus 50+ Solarhaus m² Kollektor Solare Kombianlage m² Kollektor Quelle: Sonnenhausinstitut e.v.

15 Solarhaus 100 in der Schweiz 8 Mietwohnungen, 100% Solar 276 m² Solardach 210 m³ saisonaler Speicher 15

16 Neue Entwicklungen Speicher > 10 m³ Einsatz neuer Materialien (Beton, Kunststoffe) Neue Konstruktionsansätze (nicht zwingend zylindrisch)

17 0.85 Solarhaus 50+ : Kollektorausrichtung Einfluss der Kollektorausrichtung Kollektorneigung [ o ] Kollektorausrichtung [ o ] Ost 0.7 West Referenzanlage WS 50/30

18 Hauptanwendungsfelder der Solarthermie Trinkwarmwasserbereitung EFH Warmwasser + Raumheizung (Kombisysteme, EFH) Mehrfamilienhäuser, Hotels etc.

19 Wohneinheiten nach Gebäudeklassen in DE aus /GroSol 2007/

20 Solare TWW-Bereitung für Mehrfamilienhäuser Crailsheim (DE)

21 Solare TWW-Bereitung für Mehrfamilienhäuser 21

22 VDI

23 VDI 6002: Auslegung Kollektorfläche wirtschaftliches Optimum bei ca. 20% Solardeckung des TWW-Bedarfs KS; Kosten Solarwärme [ /kwh] 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, m² Kollektorfläche Verbrauch und Anbindung an Verbraucher fest; Systemgröße variiert; optimales System mit sehr guten Flachkollektoren; Ort mit mittlerer Einstrahlung KS N DZ DG % 60% 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% N, DZ, DG KS: Kosten der solaren Nutzwärme (Schrägdach) N: Nutzungsgrad Solarsystem DZ: Deckungsanteil am Zapfverbr. Warmwas. DG: Deckungsanteil am Verbrauch WW- System Auslastung [l/(d m²)] Randbedingungen: (Warmwasserbedarf in der Schwachlastperiode: ca. 7 m³/d; Zirkulation nicht in das System eingebunden; Standort mit mittleren deutschen Wetterbedingungen) 23

24 VDI 6002: Auslegung Kollektorfläche Empfehlung für die Auslegung Kostenminimum bei ca. 70 bis 100 l/(m²d) bei einer Solltemperatur von 60 C (für Kleinanlagen in EFH und ZFH eher weniger: 40 l/m²d) und einer Kaltwassertemperatur von 12 bis 14 C (mit T 47 K) Einstrahlung (an einem sonnigen Sommertag): 7 bis 8 kwh/(m²d) Systemnutzungsgrad: ca. 50 bis 55 % solare Nutzenergie: kwh/(m²d) Beispiel: Warmwasserbedarf in der Schwachlastperiode 7 m³/d empfohlene Kollektorfläche: 7 m³d/ 70 l/(m²d) = 100 m² solare Nutzenergie insgesamt dann kwh/d solarer Deckungsanteil (Verbrauch inkl. Systemverluste) ca. 20 % 24

25 VDI 6002: Verbrauchsprofile Mehrfamilienhäuser Studentenwohnheime Hallenbäder Campingplätze 25

26 Solarhaus 50+ : Altbausanierung solare Renovierung eines Apartmenthauses 18 Wohneinheiten 350 m² Kollektorfläche solare Kombianlage Crailsheim, Quelle: ITW

27 Hauptanwendungsfelder der Solarthermie Trinkwarmwasserbereitung EFH Warmwasser + Raumheizung (Kombisysteme, EFH) Mehrfamilienhäuser, Hotels etc. Solare Fernwärme

28 Solare Fernwärme: Anlagentypen 0) Stilllegung eines Wärmenetzes im Sommer und dezentrale solare Wärmeversorgung bei geringem sommerlichen Wärmebedarf und hohen Netzverlusten Beispiel: Universität Kassel Solaranlagen für Mensa und Wohnheime Stilllegung des Wärmenetzes im Sommer Einsparungen 100 k /a 28 Sommerliche Wärmebilanz Uni KS, Campus Holländischer Platz

29 Solare Fernwärme: Anlagentypen 0) Stilllegung eines Nahwärmenetzes im Sommer und dezentrale solare Versorgung bei geringem sommerlichen Wärmebedarf und hohen Netzverlusten 1) Direkte Rücklaufanhebung in einem Fernwärmnetz sehr günstig, da kein Speicher erforderlich solare Deckung begrenzt auf Last im Sommer mittags, ca. 5% Beispiel: UPC Arena Graz m² Flachkollektoren Einspeisetemp.: C Ertrag: 385 kwh/m²a 29

30 Solare Fernwärme: Anlagentypen 0) Stilllegung eines Nahwärmenetzes im Sommer und dezentrale solare Versorgung bei geringem sommerlichen Wärmebedarf und hohen Netzverlusten 1) Direkte Rücklaufanhebung in einem Fernwärmnetz sehr günstig, da kein Speicher erforderlich solare Deckung begrenzt auf Last im Sommer mittags, ca. 5% 2) Einspeisung in Fernwärmenetz mit Tag/Nacht-Speicher, Volldeckung relativ günstig, da viele Speicherzyklen solare Deckung begrenzt auf Last im Sommer ganztags, ca. 15% 30

31 Beispiel Typ 2: Neubausiedlung Speyer 61 Wohneinheiten (ca m² WF) 554 m² Flachkollektoren, 100 m³ Pufferspeicher 309 kwh/m²a solare Deckung ca. 22% Heizzentrale Pufferspeicher Kollektoren 31

32 Beispiel Typ 2: Neubausiedlung Speyer 61 Wohneinheiten (ca m² WF) 554 m² Flachkollektoren, 100 m³ Pufferspeicher 309 kwh/m²a solare Deckung ca. 22% 32

33 Solare Fernwärme: Anlagentypen 0) Stilllegung eines Nahwärmenetzes im Sommer und dezentrale solare Versorgung bei geringem sommerlichen Wärmebedarf und hohen Netzverlusten Solarer Deckungsanteil Solare Wärmekosten 1) Direkte Rücklaufanhebung in einem Fernwärmnetz sehr günstig, da kein Speicher erforderlich solare Deckung begrenzt auf Last im Sommer mittags, ca. 5% 2) Einspeisung in Fernwärmenetz mit Tag/Nacht-Speicher, Volldeckung relativ günstig, da viele Speicherzyklen solare Deckung begrenzt auf Last im Sommer ganztags, ca. 15% 3) Einspeisung in Fernwärmenetz mit Jahreszeiten-Speicher relativ teuer, da nur ca. zwei Speicherzyklen ca. 50% solare Deckung möglich, theoretisch sogar mehr 33

34 Beispiel Typ 3: Marstal (DK) Kollektorfläche: m² Saisonspeicher m³ m³ 180 kwh/m²a solare Deckung ca. 35% Reihenhäuser mit Solarer Nahwärme in Neckarsulm (Photo: Solites) 34

35 Perspektiven solare Fernwärme DE: Installierte elektr. RE-Leistung bereits höher als Sommer-Höchstlast KWK kommt im Sommer bald nicht mehr in den Strommarkt! Dänemark 2009: 25% des Stroms aus Wind (DE 2011: 17% Wind und PV) zeitweise hohe Windstrom-Überschussproduktion, insbesondere im Sommer Strompreis im Sommer sehr sehr niedrig KWK lohnt sich im Sommer nicht mehr sehr starker Ausbau von Solarthermie für Fernwärmenetze mit Tag/Nacht-Speicher (Typ 2) ohne jegliche Förderung

36 Solare Fernwärme - Dänemark von /Furbo 2011/

37 Hauptanwendungsfelder der Solarthermie Trinkwarmwasserbereitung EFH Warmwasser + Raumheizung (Kombisysteme, EFH) Mehrfamilienhäuser, Hotels etc. Solare Fernwärme Solare Prozesswärme

38 Industrieller Wärmebedarf 21 % des Endenergieverbrauchs > Stromverbrauch in DE Potential für solare Prozesswärme 16 TWh/a (3,1 %) 25 GW th 38

39 Solare Prozesswärme Sehr großes Potential zur Substitution fossiler Energieträger Viele Industriezweige eignen sich hervorragend Ernährungsgewerbe, Chemische Industrie, Metallverarbeitung, Bisher jedoch kaum zehn Anlagen in DE realisiert Kein standardisiertes Vorgehen Hoher Planungsaufwand Fehlendes Know-how bei Planern und Beratern Wirtschaftlichkeitserwartungen der Industrie Finanzierung!

40 Charakteristika geeigneter Prozesse Hoher Wärmebedarf auch im Sommer niedriges Temperaturniveau (bis 100 C) möglichst kontinuierlicher Verbrauch should be Bedarfsmaximum im Sommer Wasser als Prozessmedium prozessinterne Speicher vorhanden nice to have 40

41 Möglichkeiten der Systemintegration Versorgungsebene Prozessebene 41

42 Integration auf Versorgungsebene Solarwärme geht direkt in einen Heizkreis => einfache Systemintegration aber hohe Solltemperaturen => niedrige Solarerträge 42

43 Einflussfaktoren bei der Systemintegration Versorgungsebene: Wärmeträgermedium Rücklauftemperatur Lastprofil Prozessebene: offen o. geschlossen Temperatur Wärmebedarf Aufheizraten Prozessmedium vorhandene Speicher Wärmerückgewinnung Randbedingungen Prozess Integrationskonzept Kollektoren 43

44 Kollektoren für Prozesswärme bis 80 C Flachkollektoren C Vakuumröhren Hochleistungs Flachkollektoren C CPC-, Fresnel-, Parabolrinnenkollektoren 44

45 Anlagen in Deutschland bisher nur sehr wenige Solaranlagen für industrielle Prozesswärme: 1) Schiffer Metallveredelung 2) Lackiercenter Schulte 3) Laguna Wäscherei 4) Solare Dampferzeugung ALANOD GmbH 5) Galvanik Steinbach & Vollmann 6) Feinkost Merl 7) Hofmühl-Brauerei 8) Hütt-Brauerei 9) Gasdruck-Regelanlage Großseelheim 45

46 Galvanik Steinbach & Vollmann 400 m² Vakuumröhrenkollektoren 5 x 1,5 m³ Pufferspeicher Rücklaufanhebung der Beheizung von Galvanikbädern (70 C) Zusätzlich: Warmwasserbereitstellung und Heizungsunterstützung Planung und Installation: Soltec Solar 46

47 Galvanik Steinbach & Vollmann 47

48 Galvanik Steinbach & Vollmann Identifizierte Probleme: Ungleichmäßige Durchströmung der Speicher Unterschiedliche Temperaturprofile Kühlung der Speicher bei Beladung Aufheizen und Kühlen untereinander Lange Dauer zur Aufheizung der Speicher vor Prozessbeheizung Verbesserungsmaßnahmen: Serielle Verschaltung der Speicher (zwei Vorrangspeicher) Neue Steuerung für Be-/Entladung der Speicher Hydraulische Veränderungen 48

49 Hütt-Brauerei Baunatal mittelständische Brauerei m³ Bier/a ( Krombacher/90) Endenergieverbrauch: 5 GWh/a (80 % Gas) Projektinhalte Bilanzierung der Energie- und Stoffströme Optimierung der Energieverwendung innerhalb des Betriebes -> neues Kochverfahren, Umstellung der Wärmerückgewinnung 155 m² Flachkollektoren, 10 m³ Speicher)

50 Solaranlage der Hütt-Brauerei Lessons learned Hoher Zeitaufwand für Planung Aufwändige und teure Integration Manueller Eingriff durch Personal Große Öffentlichkeitswirkung

51 Gas-Druck-Regel-Anlage in Großseelheim Gasdruck 90 bar 15 bar T 30 K (Joule-Thomson-Effekt) Wärmebedarf 1,7 TWh/a Mai 2012: Thermische Solaranlage mit 320 m² Flachkollektoren Prozessintegration Wärmecontracting Spezielle Komponenten, z.b. Container-Speicher

52 Forschungsschwerpunkte Integration thermischer Solarenergie in bestehende Prozesse Kombination Solarenergie und Energieeffizienz Vereinfachung von Planung und Einbindung Bisherige Ergebnisse Uni KS Umfassende Studie zum Potential solarer Prozesswärme in DE Zwei Demonstrationsprojekte Leitfaden zur Nutzung thermischer Solarenergie in Brauereien

53 Fazit Solare Prozesswärme Großes Potential Meist konstanter Wärmebedarf Höhere Erträge als bei Kombianlagen Potentiell sehr niedrige solare Wärmepreise Hessen bundesweit führend Sehr ambitionierte Wirtschaftlichkeitserwartungen Mangelnde Kenntnis innerhalb der Industrie Fehlende Fachplaner 53

54 Hauptanwendungsfelder der Solarthermie Trinkwarmwasserbereitung EFH Warmwasser + Raumheizung (Kombisysteme, EFH) Mehrfamilienhäuser, Hotels etc. Solare Fernwärme Solare Prozesswärme Marktentwicklung

55 Regenerative Energien weltweit Quelle: IEA-SHC 2011

56 Wärmemarkt Trends Strom und Wärme wachsen immer mehr zusammen KWK und Wärmepumpe werden zunehmend stromgeführt betrieben Günstige thermische Speicher können Stromnetz stabilisieren Pufferung für KWK und Wärmepumpen Aufnahme überschussigen Stroms Doppelnutzung auch für Solarthermie? Wärmepumpen und Solar langfristig Hauptwärmequelle für Raumheizung Wärmepumpen großflächig sinnvoll aber erst, wenn mit regenerativem Überschussstrom betrieben

57 Solarthermie Installationen nach Ländern DE global insgesamt Nr. 3 pro Einw. Nr. 6 AT pro Einw. 3 * DE Quelle: IEA-SHC 2011

58 Solarthermie Marktentwicklung in EU Solarthermiebranche in DE Umsatz 1,5 Mia /a, Arbeitsplätze Hessen europaweit führend (Viessmann, Wagner, Roth, Bluetec, fsave, Uni Kassel, )

59 Solarthermie Technische Potenziale in DE Trinkwarmwasserbereitung und Raumheizung Einfamilien- und Reihenhäuser > 80 GW th Mehrfamilienhäuser > 80 GW th Produzierende Industrie 25 GW th Nah- und Fernwärmenetze, solarthermische Kühlung, Schwimmbaderwärmung, Mittelfristig realistisch für DE 3 kw th (4 m²) pro EinwohnerIn 240 GW th 10 GW th + 25 GW el Solar installiert in DE bis einschl GW th + 7,5 GW el installiert im Jahr 2011

60 Große thermische Solaranlagen solare Wärmekosten sinken stark mit der Anlagengröße Halbierung der Kosten bei 10 kw th 50 kw th bei größeren Anlagen fast immer solare Wärmekosten <12 ct/kwh (brutto, ohne Zuschüsse) erreichbar z.zt. 30% Förderung von der KfW Solarthermie konkurrenzfähig fast immer bei Elektro- oder Ölheizung meist bei Gasheizung und Holzhackschnitzeln oft bei Fernwärme Wichtige Unterstützungsmaßnahmen Wärme-EEG Recht auf Fernwärmeeinspeisung Demo-Anlagen, Contracting 60

61 Solarthermie Alleinstellungsmerkmale Solarthermie ist überall da auch langfristig die günstigste regenerative Energie, wo hoher Wärmebedarf auch im Sommer besteht, also insbesondere Trinkwarmwasserbereitung Mehrfamilienhäuser, Hotels, etc. Raumwärmebedarf in Altbauten, Altenheimen, etc. Fernwärmeversorgung Industrielle Prozesswärme Strom ist einfach zu transportieren, aber schlecht zu speichern Wärme ist schlecht zu transportieren, aber einfach zu speichern Wärme muss da erzeugt werden, wo sie gebraucht wird Immer erst Solarthermie auf s Dach, dann Rest mit PV auffüllen!