Das Technologienentwicklungspotenzial fu r die Nutzung der Solarwärme

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1 Das Technologienentwicklungspotenzial fu r die Nutzung der Solarwärme Gerhard Stryi-Hipp Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling Gunter Rockendorf Institut für Solarenergieforschung Hameln Manfred Reuß Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung - ZAE Bayern FVEE-Jahrestagung Berlin, 12. Oktober 2010

2 Inhalt Stand der Niedertemperatur-Solarthermie Vision der Technologieplattformen für die NT-Solarthermie Forschungsbeispiele von Fraunhofer ISE, ISFH und ZAE Bayern

3 Ziel 2050: 100% erneuerbare Wärme/Kälteversorgung Technologien Effizienz hohes Potenzial, Restbedarf bleibt Biomasse speicherbar, begrenzte Resourcen Tiefen-Geothermie begrenzte Resourcen Niedertemperatur-Solarthermie großes Potenzial, Lösungen fehlen Wärmepumpen: viele Vorteile, wenn Antriebsenergie (Strom, Gas) aus EE Solarthermie hat höchstes Potenzial und wird eine große Rolle in der Wärmeund Kälteerzeugung spielen Verteilung Energieverbrauch Deutschland 2007 Source: BMU, Daten EE, Juni 2007 Source: Stiebel Eltron Source: Wagner & Co

4 Erneuerbare Energien weltweit 2009 Source: IEA-SHC Solar Heat Worldwide, Edition 2010,

5 Weltmarkt Solarthermie 2008: 39.5 Mio m 2 neu installiert Source: Werner B. Koldehoff China: Marktführer (einfache, billige Systeme) Europa: Technologieführer

6 Entwicklung deutscher Solarwärmemarkt Marktdaten 2009 Neu installiert: MW = 1,58 Mio m² Gesamt installiert: MW = 12,9 Mio m² Umsatz: ca. 1,2 Mrd Euro Arbeitsplätze: ca Anteil Vakuumröhren: ca. 12% Marktrückgang gegenüber Vorjahr: 25% Quelle: BSW-Solar/BDH, BMU

7 Solarthermie-Technologieplattformen in Deutschland und Europa Innovatives Konzept zur Beschleunigung der Technologieentwicklung Forschung Politik Industrie Solarthermie Vision 2030 Welche Rolle spielt die Solarthermie im Jahr 2030, welche Technologien stehen zur Verfügung? Forschungsstrategie Welche Forschungsschritte und Ressourcen sind erforderlich, um die Vision in die Realität umzusetzen Umsetzung Forschungsprogramme mit gestalten, Kooperationen zwischen Industrie, Forschung und Politik unterstützen

8 European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling hat Potenziale und Forschungsthemen identifiziert Aktivitäten: Vision 2030, Forschungsstrategie, Implementation Akteure: Industrie, Forschung and Politik Structure of RHC-Platform Solar Thermal Research Agenda wurde publiziert im Dez

9 Deutsche Solarthermie-Technologie-Plattform DSTTP Gegründet informiert über Solarthermie-Technologie Forschungseinrichtungen Förderprogramme DSTTP Deutsche Forschungsstrategie Solarthermie ist in Endabstimmung 2009 und 2010 fand jeweils eine Solarthermie- Technologiekonferenz in Berlin statt => Videos und Präsentationen: Gefördert von PTJ und Bundesumweltministerium

10 Vision Solarthermie 2030 der Solarthermie-Technologieplattform Bild: Solifer Neubau: Solaraktivhaus 100% solar beheizte Gebäude werden zum Baustandard Bestand: Solaraktive Sanierung Sanierung mit multifunktionalen Solarelementen, > 50% solarer Anteil in der Beheizung, kostengünstigste Sanierungsweise Bild: Schüco Industrielle Anwendungen / Solare Kühlung Prozesswärme, solare Kühlung etc. Solare Nahwärme/-kälte zu großen Anteilen solar unterstützt Bild: Solvis Gesamtziel: 50% des Wärmebedarfs bis 250 C wird mit Solarwärme gedeckt

11 Langfristziel: 50% des Wärmebedarfs mit Solarwärme Wärmebedarf EU25 Anstieg installierte Solarwärme- Leistung von 13 auf 2400 GWth = Faktor 185 in installierter Leistung und Wärmeproduktion Effizienz: -40% Herausforderungen: Kostenreduktion Kapazitätsaufbau Innovationen

12 Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials 1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen 2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100%

13 Von der Trinkwassererwärmung zum Solaraktivhaus Solare Trinkwassererwärmung 10%-20% Solare Kombianlagen 20%-30% Solarhaus 50+ Überwiegend solar beheizte Gebäude 50% % Anteil Solarthermie an der Wärmeversorgung eines Gebäudes

14 Konzept Sonnenhaus Solarwärmekollektoren 30m² - 60m² Saisonaler Wärmespeicher (Wasser) 6 10 m³ Solaranteil am gesamten Wärmebedarf für Brauchwasser und Raumheizung: 60% - 70%

15 Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials 1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen 2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100% 3) Erschließung neuer Marktsegmente z.b. Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser, Altenheime, Hotels,

16 Große Solarthermische Anlagen Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser, Wohnheime, Hotels etc. haben einen hohen Wärmebedarf und sind für Solarwärmeanlagen geeignet. Herausforderungen: Systemtechnik, effizienter Betrieb, Monitoring Image: Solvis

17 Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials 1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen 2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100% 3) Erschließung neuer Marktsegmente z.b. Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser, Altenheime, Hotels, 4) Entwicklung neuer Solarwärme-Anwendungen z.b. Solare Kühlung und Prozesswärme

18 Beispiel: Solarthermische Kühlung Kühlbedarf und Solarangebot stimmen gut überein Mehr als 400 Pilotanlagen in Europa installiert Aufgaben: Reduzierung Anlagen-größe und Kosten, Erhöhung Effizienz Adsorption cooling machine Bundespresseamt Berlin IHK Freiburg Source: Viessmann Source: Fraunhofer ISE

19 Solare Nahwärme/-kälte mit saisonaler Speicherung wird wichtig werden Reihenhaussiedlung mit Solarthermiedächern und solarer Nahwärme in Neckarsulm Solare Nahwärmeanlage in Marstal, Denmark 17,000 m² Kollektorfläche Arcon 12,000 m³ saisonaler Speicher, Friedrichshafen Solites Solites

20 Aktuelle Schwerpunkt-Forschungsthemen Solarthermie Kollektortechnologie Neue Materialien, niedrigere Kosten Integration in die Gebäudehülle Prozesswärme-, Photovoltaisch-Thermische (PVT) und Luftkollektoren Speichertechnologie Saisonale Speicher (groß und sehr groß) Hohe Wärmedichte (Latent- und chemische Speicher) Solar-Aktivhaus, hauptsächlich solar beheizt Systemtechnik, Kostenreduktion Prozesswärme Solare Kühlung Industrielle Prozesse Jenni KBB Kollektorbau Solaroffice Lambrecht

21 Beispiele Forschungsprojekte

22 Kollektorentwicklung Beispiel Aluminium-Rollbondabsorber mit Fractherm- Struktur CFD Simulation von Verzweigungen nach FracTherm - Algorithmus Absorber: Aluminium, Rollbond, 1,06 m x 1,82 m Entwicklung eines Aluminium basierten Absorbers auf Basis des FracTherm - Algorithmus, gefertigt mit Rollbond Verfahren Korrosionsbeständigkeit des Systems Fluiddynamische Untersuchungen (CFD Simulationen und Visualisierungen) Oberflächenbearbeitung

23 Multifunktionale Fassadenkollektoren Beispiel: Teiltransparenter Fassadenkollektor Öffnungen im Absorberblech Einbau zwischen Glasscheiben Winkelselektiver Sonnenschutz Durchsicht schräg nach unten 60 3 mm 4 mm 1.5 mm Visueller Eindruck (Montage) Konstruktion (Geometrie der Öffnungen) Simulation (IAM-Bestimmung durch Raytracing) Messung (Kollektorwirkungsgradfaktor F, Wirkungsgradkennlinie, Stagnationsverhalten)

24 Kollektoren: Projekt Stahlabsorber Möglicher Aufbau des Absorbers Produktions-Fluss beim Walzplattieren Substitution von Kupfer oder Aluminium durch günstige Stähle Korrosionsbeständigkeit Oberflächenveredelung (Walzplattieren, Sputtern, Galvanik) Produktionstechnologien (Umformtechnologie, Verbindungstechniken)

25 Prozesswärmekollektor: Projekt RefleC RefleC_3 GF trans RefleC_2 GG trans RefleC_1 G trans Flachkoll. 2 AR trans RefleC_3 GF long RefleC_2 GG long RefleC_1 G long Flachkoll. 2 AR long 1 IAMdir [-] longitudinaler oder transversaler Einfallswinkel [ ] Visualisierung des Reflec-Konzepts Einfallswinkelabhängigkeit verschiedener Kollektorgeometrien Entwicklung eines hocheffizienten Flachkollektors mit reduzierten Wärmeverlusten durch den Einsatz externer Spiegel Optimierung eines Standard-Flachkollektors Auslegung der optisch aktiven Bauteile (ray traycing)

26 Kollektor für solare Prozesswärme Prozesswärme 1/3 des industriellen Prozesswärmebedarfs T < 200 C Ziel: h = 50 % bei 150 C Evakuierter CPC Flachkollektor Strahlungskonzentration Verlustminimierung durch Evakuieren und Kryptonfüllung (0,01 bar) Zukunft: Entwicklung zur Produktionsreife superisolierter Wärmespeicher Freilassing

27 Hocheffiziente Flachkollektoren auf Basis von Wärmeschutzverglasungen Flachkollektoren für höhere Temperaturen durch den Transfer von Architekturverglasung in die Kollektorapertur AR ε niedrig, τ hoch Luft / Argon Absorber Optimierung Kollektorkonstruktion Low-e- Schichtentwicklung mit hohem τ Gebrauchstauglichkeit sicherstellen

28 Technologieschritte Neue Low-e Beschichtung auf TCO Basis: τ Solar 85% Gebrauchstauglichkeit erzielt 14 Monate Stagnation ohne Degradation Wärmeverluste deutlich reduziert bei hohem optischen Wirkungsgrad

29 Luftkollektoren: Projekt Luko-E Weiterentwicklung eines Teststandes für Luftkollektoren Optimierung Kollektoren und Systeme Entwicklung einer Norm für Luftkollektoren Dani Alu (F): verglaster Luko SolvarVenti (DK) Kollektorfabrik: Vakuumröhren Puren: dachintegrierter Luko Solarwall (CAN): Metallfassade Grammer Solar: Kleine und große Module Cona Solar (A): Trocknung

30 Photovoltaisch-Thermische Hybridkollektoren (PVT) Thermal efficiency [-] (b) (a) (c) (Tm - Tamb) / G [Km²/W] (a) Wirkungsgradkennlinie eines kommerziellen PV-T Kollektors im mpp-betrieb (b), rein thermischer, selektiver Flachkollektor (c), neu entwickelter PV-T Kollektor im mpp-betrieb PV-T Kollektor (Studie) Seiten und Rückwand Isolierung Metallrohre PVT Module mit optimierten Schichtaufbau Glasscheibe und Gehäuse Weiterentwicklung eines photovoltaisch-thermischen Kollektors Fertigungstechnologien (Lamination eines PV-T-Absorbers als eigene Komponente) Entwicklung von Systemkonzepten zur optimalen Nutzung von Strom und Wärme Testverfahren und Charakterisierung

31 PVT- Kollektoren in Wärmepumpensystemen Synergieeffekte PVT-Kollektor Wärme pumpe Erdsonde Höhere Wärmepumpen- Quellentemperatur Kühlung der PV-Zellen Pilotanlage Dreieich: 4% höherer PV-Ertrag 10% geringer WP-Bedarf

32 PVT- Kollektoren in Wärmepumpensystemen El. Energie Glasscheibe PV Zellen PVT- Kollektorkonzept Rohrsystem Wärme 25 Eingangstemperatur Inlet temperture of heat pump in C Apr.09 Jul.09 Oct.09 Time in month/year With PVT collector Without PVT collector Anstieg der WP-Eintrittstemperatur Apr 09 Apr 10 Jan.10 Apr.10 32

33 Projekt KES Neuartiges Konzept für kosteneffiziente erdvergrabene Heißwasserspeicher Entwicklung erdvergrabener Wärmespeicher von 3 bis 30 m³ solarer Deckungsanteil > 50% für energetisch sanierte 1-3 Familienhäuser Entwicklungsaufgaben Behälter Dämmstoffe interne Wärmeübertrager Systemtechnik Installation des 1. KES-Speichers am ISFH (Sommer 2009)

34 Konstruktionsprinzip Vorteile: ein großer Speicher statt vieler kleiner geringe Verluste geringer Verschaltungsaufwand kein zusätzlicher Platzbedarf kostengünstig neue Hochtemperaturbeständige EPS-Dämmung Regenwasserzisterne aus einer angepassten Betonmischung

35 Solare Nahwärmeversorgung Neubausiedlung am Ackermannbogen in München Wärmebedarf (Heizung & WW) MWh/a Kollektorfläche (Apertur): m² Saisonaler Heißwasserspeicher m³ Absorptionswärme (Fernwärmeantrieb) 550 kw Innovative Haustechnik mit Direktanschluss der Heizung an das Nahwärmenetz und Frischwasserstation in jeder Wohnung Netzvorlauf- / -rücklauftemperatur 60 C / 30 C Solarer Deckungsanteil (2008/2009) 45 % Zukunft: Solare Nahwärme im Gebäudebestand Entwicklung von angepasster Systemtechnik, Wärmeübergabestationen, niedrige Rücklauftemperatur Weiterentwicklung von Langzeitspeicherkonzepten Freilassing

36 Solar-Ertragsüberwachung: permanent und automatisch erhöht Vertrauen in die Technik senkt das Betreiberrisiko steigert die Jahreserträge seit 2007 Serien- Kontrollgerät verfügbar seit 2008 Web- basiertes Verfahren

37 Ertragsüberwachung Ertragskontrolle permanent und automatisch Methode: Vergleich von berechnetem Soll- mit gemessenem Ist-Wert erhöht Vertrauen senkt das Betreiberrisiko steigert die Jahreserträge kostengünstig mit guter Genauigkeit: 7% Standardabweichung Basis: Planungs- und Produktdaten Täglicher Ertrag QKK [kwh/(m² d)] Messwert Erwartungswert Störmeldung Tägliche Bestrahlung H Day [kwh/(m² d)] erprobt an > 30 Anlagen

38 Wärmespeicher Grundlagenforschung erforderlich Ziel: Verachtfachung der Wärmeenergiedichte im Speicher Sensible Wärme: (delta T = 70 K) Latentwärme (PCM): Thermo-Chemisch: 70 kwh/m³ kwh/m³ 650 kwh/m³ Forschungsaufgaben - Optimierung Wärmefluss - Bewertung chemische Speicher - Klassifizierung Speichersysteme - Implementierung Simulationswerkzeuge - Source: Harald Drück/Werner Weiss Bild: BASF SE

39 Solare Kühlung Mehr als 100 Anlagen zur solaren Kühlung mit einer Kühlleistung > 20 kw sind in Europa installiert 70% Absorption 10% Adsorption 20% offene sorptive Prozesse Jedes System ist individuell designed Forschungsthemen Standardisierung und Systemdesign Kostenreduktion Reduktion der Größe Ertragssteigerung Am Markt verfügbare solare Kühlmaschinen Quelle: Henning, Nuñez, Fraunhofer ISE

40 Solare Meerwasserentsalzung mit Membrandestillation: EU-Projekt Mediras Optimierung der Modulkonfiguration, (z.b. Salinität, Membranfläche und Permeat) Parallel verschaltete MD-Module zur Meerwasserentsalzung Entwicklung und Optimierung der Membrandestilaltionsmodule Entwicklung und Umsetzung einer (solar-)thermisch getriebenen Wasseraufbereitungsanlage Einbindung von direkt mit Sole beschickte solarthermischen Kollektoren

41 Zusammenfassung 50% des Endenergiebedarfs fällt im Bereich Wärme an, hierfür bedarf es neuer Lösungen Niedertemperatur-Solarthermie wird in der Wärmeversorgung eine wichtige Rolle spielen Die Solarthermie-Technologieplattformen haben die Vision, langfristig 50% des Wärmebedarfs mit Solarwärme zu decken Quelle: Schüco Das Technologie-Entwicklungspotenzial NT-Solarthermie wurde neu beschrieben und ist größer als allgemein vermutet Wichtige Elemente: Solaraktivhaus, solare Sanierung, solare Prozesswärme/Kühlung, solare Nah-/Fernwärme Quelle: Arcon

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Gerhard Stryi-Hipp, Gunter Rockendorf, Manfred Reuß,