KOLLEKTORKONZEPTE JENSEITS DES STANDS DER TECHNIK

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1 KOLLEKTORKONZEPTE JENSEITS DES STANDS DER TECHNIK Möglichkeiten und Herausforderungen Dr.-Ing. Michael Hermann Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Gleisdorf SOLAR 2012 Gleisdorf, 14. September

2 Einleitung Quelle: 2

3 Einleitung? Quelle: 3

4 Einleitung Fertigung von Solarkollektoren wurde in den vergangenen Jahrzehnten stetig weiterentwickelt Deutliche Verbesserung hinsichtlich Effizienz, Fertigungsqualität und Langzeitbeständigkeit Konzentration heutiger Entwicklungen vor allem auf Kostensenkung durch Anpassung der Fertigung und Materialsubstitution (Kupfer Aluminium/Stahl, Kunststoff) Hohes Kostensenkungspotenzial auch bei der Systemtechnik Raum für neue Kollektorkonzepte jenseits des Stands der Technik? Möglichkeiten und Herausforderungen? 4

5 Neue Fertigungsverfahren und Materialien Trend: Kupfer Aluminium Zunächst wegen Korrosionsgefahr Aluminiumabsorber mit Kupferrohr, inzwischen auch mit Aluminiumrohr Bisher meist klassische Blech-Rohr-Konstruktionen, aber inzwischen auch neue Ansätze für integrierte Absorber (absorbierende Fläche und Fluidkanäle bilden Einheit) Blech-Rohr-Absorber Integrierter Absorber 5

6 Neue Fertigungsverfahren und Materialien Beispiel: Fa. Savosolar und Fa. Hydro Aluminiumabsorber Extrudierte Absorberstreifen Spektralselektive Beschichtung nach Absorberfertigung 6 Quelle: Quelle: Quelle:

7 Neue Fertigungsverfahren und Materialien Beispiel: EU-Forschungsprojekt BIONICOL Aluminium-Rollbond-Absorber mit bionischer FracTherm -Kanalstruktur Spektralselektive Beschichtung nach Absorberfertigung Auch nicht-rechteckige Formen möglich 7 Quelle: TiSUN

8 Neue Fertigungsverfahren und Materialien Beispiel: Deutsches Forschungsprojekt STAHLABS Stahlabsorber Partielles Walzplattieren und Innenhochdruckumformen (IHU) Zusätzliche dünne Kupferschichten (Korrosionsschutz, Substrat für spektralselektive Beschichtung) 8

9 Neue Fertigungsverfahren und Materialien Herausforderungen Randbedingungen von Fertigungsprozess und Material mit Anforderungen an Solarabsorber in Einklang bringen (F, Druckverlust, Innendruckstabilität, Entleerung bei Stagnation) Spektralselektive Beschichtung in der Regel nach Absorberfertigung Konzepte zur Einbindung von Sammelkanälen Minimierung der Gesamtkosten Absorberbauarten unterscheiden sich deutlich vom Stand der Technik und erfordern weitere Produktentwicklung Mögliche Änderungen für Endkunden und Installateure jedoch relativ gering, daher noch kein Paradigmenwechsel für die Branche Weitere Chancen für die Branche, wenn Gewohntes hinterfragt wird 9

10 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Muss ein Kollektor angesichts der heute erreichten Wirkungsgradkennlinien und Zuverlässigkeit neu erfunden werden? Nein, er muss nicht, aber er kann. Notwendig: Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und/oder der Attraktivität für den Kunden System: Wärmenetze und saisonale Speicher Kollektor: Multifunktionalität ist eine Möglichkeit, Attraktivität (Architektur) und Wirtschaftlichkeit (Synergieeffekte) zu erhöhen 10

11 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Robin Sun Solar Thermal Glass Teiltransparenter Fassadenkollektor Beidseitig gebogene Absorberstreifen zwischen Glasscheiben Spiegelstreifen auf innerer Glasscheibe 11 Quelle:

12 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: CPC Office/System WICONA Teiltransparenter Fassadenkollektor Vakuumröhrenkollektor mit perforiertem CPC-Spiegel 12 Quelle: Quelle: Quelle:

13 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: EU-Forschungsprojekt Cost-effective Teiltransparenter Fassadenkollektor COLOMBRA mit winkelselektivem Sonnenschutz (links) Vakuumröhren-Luftkollektoren (rechts) 13

14 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Deutsches Forschungsprojekt TABSOLAR Multifunktionales Bauelement aus Ultrahochleitungsbeton (Ultra High Performance Concrete, UHPC) Funktionen: statisch (tragende Wand) thermisch aktiv (von Fluid durchströmt) thermisch passiv (Wärmedämmung) gestalterisch (Struktur, Farbe) 14

15 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Deutsches Forschungsprojekt TABSOLAR Herstellverfahren I: Membran-Vakuumtiefziehen Formwerkzeug im evakuierten Zustand 15 Bauteil aus Gießkeramik (nicht aus UHPC)

16 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Deutsches Forschungsprojekt TABSOLAR Herstellverfahren II: Eingießen textiler 3D-Kanalstrukturen 16

17 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Deutsches Forschungsprojekt TABSOLAR Unbeschichtete und spektralselektiv beschichtete UHPC-Probe 17

18 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Deutsches Forschungsprojekt TABSOLAR Beton für Solarabsorber??? Stark vereinfachte, nur eindimensionale Prinzipberechnungen! 18

22 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Deutsches Forschungsprojekt TABSOLAR Numerische Simulationen zur Ermittlung des Kollektorwirkungsgradfaktors F (hier: 95,6 %) bei geeigneter Geometrie hohe F -Werte trotz geringer Wärmeleitfähigkeit erreichbar 22 Temperaturverteilung eines UHPC- Absorbers entlang der Oberfläche (links) und im Querschnitt (rechts)

23 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Freistehender Designkollektor Installationsort und Gestaltung des Kollektors: meist auf oder am Gebäude bzw. in unmittelbarer Nähe Warum wird Kollektor nicht in einer Designvariante freistehend installiert? Kommerzieller PV-Solarschirm (Quelle: 23

24 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Freistehender Designkollektor Überdachungselement als Alternative zum Sonnenschirm Installation z. B. auf Liegewiesen von Hotels Nutzung je nach Kollektorwirkungsgrad: Poolheizung Trinkwarmwasser für Duschen etc. Solare Kühlung für Hotelzimmer Entwurf eines freistehenden Designkollektors als Überdachungselement 24

25 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Beispiel: Freistehender Designkollektor Kosten zu hoch? Quelle: Richtiger Vergleich notwendig! Entwurf eines freistehenden Designkollektors als Überdachungselement 25

26 Gewohntes hinterfragen den Kollektor neu erfinden Solarthermiefassaden gewinnen u. a. aufgrund Flächenknappheit durch Wettbewerb mit PV an Bedeutung Große dunkle Glasflächen sind v. a. im privaten Wohnungsbau hinsichtlich architektonischer Qualität oft unerwünscht Alternative derzeit meist unabgedeckte Absorber mit niedrigeren Wirkungsgraden und Temperaturniveaus (z. B. für Nutzung mit Wärmepumpen) Welche Freiheitsgrade bieten sich, um beide Ziele hohe Effizienz und hohe architektonische Qualität in Einklang zu bringen? 26

27 Niedrigen Wirkungsgrad durch Fläche kompensieren? Wirkungsgrad und Leistung Anders als bei PV sind Wirkungsgrad und Qualität der Energie (Exergie bzw. Temperaturniveau) gekoppelt, daher Wirkungsgradkennlinie Nur begrenztes Temperaturniveau erreichbar! Wirkungsgradkennlinien eines abgedeckten und eines unabgedeckten Kollektors (links) und zugehörige Leistungskurven für zwei Einstrahlungen (rechts) 27

28 Niedrigen Wirkungsgrad durch Fläche kompensieren? Strukturierte Solarthermiefassade Unterscheidung zwischen Bilanzgrenzen des Kollektors und der Fassade Möglicher prinzipieller Aufbau einer strukturierten Solarthermiefassade (links) und zugehörige Flächendefinitionen (rechts) 28

33 Niedrigen Wirkungsgrad durch Fläche kompensieren? Strukturierte Solarthermiefassade Erreichbares Temperaturniveau bleibt gleich, nur Ertrag sinkt Leistungskurven mit Bezug auf die Aperturfläche A ap (links) und auf die architektonisch relevante Fläche A arch (rechts) 33

34 Niedrigen Wirkungsgrad durch Fläche kompensieren? Strukturierte Solarthermiefassade Kann man einen niedrigen Wirkungsgrad durch eine größere Fläche kompensieren? Es kommt darauf an. Maßgebend ist Wirkungsgradkennlinie innerhalb der Bilanzgrenze des Kollektors; sie bestimmt erreichbares Temperaturniveau Bezug auf A arch liefert geringeren Ertrag, der aber durch größere Fläche kompensiert werden kann 34

35 Herausforderungen Viele Ansätze für neue Kollektorkonzepte vorhanden Markt muss entsprechend gestaltet werden Gegenseitiges Lernen von Solarthermiebranche und Branchenfremden Gewerkeübergreifende Zusammenarbeit Systemorientierte Komponentenentwicklung im Gesamtkontext Beurteilung und Simulation müssen an neue Konzepte angepasst werden Ganzheitliche Betrachtung statt Substitution von Einzelkomponenten 35

36 Fazit und Ausblick I Solarkollektoren nach Stand der Technik weisen bezüglich Effizienz und Funktionalität hohe Qualität auf Unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung bzw. Kostenreduktion Kollektor kann neu erfunden werden, indem Gewohntes hinterfragt wird Spielregeln für Kollektoren bleiben gleich, nicht aber die Lösungsansätze Multifunktionale Kollektoren weisen hohes Potenzial bezüglich Kostensenkung und Attraktivität für den Kunden auf Designkollektoren stellen interessante Alternative dar 36

37 Fazit und Ausblick II Wärmepreis muss im Gebäudebereich nicht alleiniges Vermarktungskriterium sein Gebäudeintegrierte Systeme erfordern Zugang über Bau-, nicht nur über Heizungsbranche Schulung und Einbindung in die Prozesse für alle Akteure wichtig Vieles ist möglich, wenn Forschung und Industrie gemeinsam mit potenziellen Kunden Neues ausprobieren. Die Solarthermie ist noch lange nicht am Ende. 37

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Dr.-Ing. Michael Hermann 38