Solare Wärme für gewerbliche und industrielle Anwendungen

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1 Solare Wärme für gewerbliche und industrielle Anwendungen Dr. Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT) Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, Stuttgart, Germany Internet: \SHIP_Aalen_HD1.PPT

2 TZS Das größte Prüfzentrum und das größte universitäre Forschungszentrum für thermische Solartechnik in Europa 2

3 Vorstellung TZS Übersicht Vortragsinhalte Was ist solare Wärme für industrielle Prozesse bzw. solare Prozesswärme? Motivation - Warum solare Prozesswärme Sonnenkollektoren für Prozesswärme Integration Solarwärme Beispiele realisierter Anlagen Kosten, Förderung, Wirtschaftlichkeit, Contracting Zusammenfassung und Ausblick 3

4 Fotovoltaik Arten der Solarenergienutzung Solarthermie Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Sonnenkollektoren wandeln Sonnenlicht in Wärme um, für Warmwasserbereitung, Heizung, Industrie und Kühlung 4

5 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Was ist solare Prozesswärme? Wärme, die in der Industrie benötigt wird Hochtemperaturbereich: C Metallurgie (Eisen- Stahlherstellung, Aluminium) Glas/Steine/Erden (Zement/Feuerfestprodukte) Mitteltemperaturbereich C Wärmebehandlung von Stahl Erdölindustrie (Cracken, Coken) Niedertemperaturbereich C Lebensmittel, Papierindustrie, chemische Industrie, Textilindustrie, Warmwasser,(z.B. für Duschen) Heizung und Kühlung von Gebäuden 5

6 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Was ist solare Prozesswärme? Prozess - Verdampfen Solarsystem Destillation Wärmerückgewinnung Konventionelles Heizsystem Quelle: Werner Weiss, AEE INTEC 6

7 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Bauformen von Sonnenkollektoren (1/3) Wärmeträger flüssig Vakuum- röhren- Kollektor Flachkollektor Sydney- Kollektor mit CPC- Refelktor 7

8 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Bauformen von Sonnenkollektoren (2/3) Wärmeträger flüssig Fresnel-Kollektor Parabolrinnen-Kollektor 8

9 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Bauformen von Sonnenkollektoren (3/3) Wärmeträger gasförmig (Luft) Vakuumröhren-Kollektor Flachkollektor Quellen: (links) (rechts) 9

10 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Wirkungsgradkennlinien von Sonnenkollektoren Source: ELSE15\KOL_WKL1.CDR 10

11 Wie kommt die Sonne in den Prozess? 11

12 Möglichkeiten der Integration Ebene Wärmebereitstellung Vorlauf 130 C Rücklauf 110 C 85 C 110 C 50 C Source:Schmitt, Uni Kassel Ebene Prozess (Wärmeverbraucher) 12

13 Integration auf Ebene der Wärmebereitstellung Warmwasser für Reinigung 50 C Kaltwasser 10 C Einspeisung von Solarwärme in Heizkreis Hohe Betriebstemperaturen Einfache Systemintegration Relativ wenig verschiedene Konzepte Source:Schmitt, Uni Kassel 13

14 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Integration auf Ebene der Wärmeverbraucher/Prozess Solarwärme wird direkt im Prozess verwendet Solarwärme auf niedrigeren / verschiedenen Temperaturniveaus nutzbar Meist mehrere Realisierungskonzepte für einen Prozess möglich Komplexe Systemintegration Source:Schmitt, Uni Kassel 14

15 Konstanter Bedarf 7 Tage / Woche Wechselnder Bedarf 7 Tage / Woche Wechselnder Bedarf 5 Tage / Woche Notwendigkeit eines Speichers Kein Speicher notwendig Speichervolumen l/m 2 Koll abhängig vom Bedarfsprofil Speichervolumen l/m 2 Koll abhängig vom Bedarfsprofil 15

16 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Aspekte für Integration Auf Ebene der Wärmebereitstellung Wärmeträgermedium Wärmebedarf (Menge, Leistung, Zeit) Auf Ebene des Prozesses bzw. der Wärmeverbraucher offener oder geschlossener Prozess Temperaturniveau Wärmebedarf (Menge, Leistung, Zeit) Wärmeträgermedium Wärmerückgewinnung Speicher (ggf. bereits vorhanden) 16

17 Deutscher Solarwärmemarkt - bisherige Entwicklung Anteil solare Prozesswärme etwa 7-14 MW (etwa m 2 ) Quelle: ELSE18\Solmark1.cdr 17

18 Deutscher Solarwärmemarkt - zukünftige Entwicklung solare Wärme für industrielle Anwendungen 18

19 Quelle: Werner Weiss, AEE INTEC Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Beispiele realisierter Anlagen Trocknung von Kaffeebohnen, Coopeldos, Costa Rica Installierte Leistung: 595 kw th (850 m² Luftkollektor) 19

20 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Beispiele realisierter Anlagen Holzhackschnitzeltrocknung, Deutschland 143 m² Luftkollektoren Luftvolumenstrom: m³/h Projektierter Ertrag: 720 kwh/(m²a) Grammer Solar Quelle: B. Schmitt, IdE Kassel 20

21 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Beispiele realisierter Anlagen Sun Wash Gratkorn Quelle: Werner Weiss, AEE INTEC 21

22 Beispiele realisierter Anlagen Beheizung von Industriehallen 22

23 Daten Neubau: Brutto Gebäudefläche: m² Hallenhöhe 12 m Soll-Innentemperatur (Arbeitsbereich): 16 C Jährlicher Heizwärmebedarf: kwh, HWB/m²a: 45,6 kwh Täglich mehrmaliges Öffnen der Hallentore und LKW-Verkehr Quelle: Erich Temper, 23

24 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Sonnenkollektoren Energiespeicher: Wasser Kollektorfläche ca m² Typ: GASOKOL gigasol OR Kollektorneigung 60 Volumen m³ Ehemaliger Gastank von 1943 Wärmegedämmt & verkleidet Quelle: Erich Temper, 24

25 Energiespeicher: Beton Hallenboden m² Betonmasse m³ / To lfm Kunststoffrohre direkt im Beton Speicherkapazität kwh (bei T = 7 K) Quelle: Erich Temper, 25

26 Winterbetrieb: Sommerbetrieb: Hallenheizung Trocknung von Betonfertigteilen Quelle: Erich Temper, 26

27 108 m² Parabolrinnen- Kollektoren Erzeugung von gesättigtem Dampf Beispiele realisierter Anlagen Alanod Einspeisung in Dampfnetz mit 4 bar, 143 C Quelle Photo: Karim Said, Solitem 27

28 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Anlage zur solaren Heizungsunterstützung und solaren Kühlung eines Bürogebäudes 28

29 Bürogebäude Standort: Forchtenberg, Hohenlohekreis, 90 km nördlich von Stuttgart Gebäudedaten: Sandwich Modulbauweise, 120 mm Mineralwolle, 180 m² Bürofläche Fußbodenheizung / - kühlung 29

30 Komponenten der Anlage Kollektorfeld: 39 m² Flachkollektoren SolvisFera Leistung 27,09 kw th Neigung 30 Ausrichtung Süd Pufferspeicher: Pufferspeicher SolvisStratos SR-1856 Nennvolumen 1850 l 30

31 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Komponenten der Anlage Adsorptionskältemaschine: SorTech ACS 08 Wasser / Silikagel Nennkälteleistung 8 kw (max. 11 kw) COP therm, Nennpunkt 0,60 (max. 0,65) Rückkühler: SorTech RCS 08 EC-Ventilatoren (2x EC Ventilator 650) Frischwassersprühsystem (max. 4 m³/a) Leistung Rückkühlstrang 21 kw 31

32 Komponenten der Anlage Niedertemperatur-Heizkessel: Heizkessel: Buderus GE 315 Logano Ölbrenner: TZ G Leistung: 170 kw Brennstoff: Heizöl Fußbodenheizung / -kühlung: Nass-System Rohrdurchmesser: 17 x 2 mm Länge: 1130 m 32

33 Anlagenschema: Heizbetrieb 33

34 Anlagenschema: Kühlbetrieb 34

35 Anlagenschema: Freie Kühlung Bedingung: T Umgeb. < T Raum 35

36 Energiemenge [kwh] Auswertung 1. Betriebsjahr Energiemengen Energiemenge [kwh] Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz 0 Heizkessel Solar Elektrische Energie Fußbodenheizung Wärmeverluste Fußbodenkühlung Freie Kühlung 36

37 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik 300 m² CPC Vakuumröhrenkollektoren 15 m³ Speicher Konventionelle Wärmeerzeugung durch Strom und Ölkessel Beispiele realisierter Anlagen Metallbearbeitung Wärmenutzung für - Beheizung von Bädern - Trocknung von Bauteilen - Beheizung eines Luftwäschers - Beheizung der Produktionshalle C Source: Daurer 2015 Quelle: B. Schmitt, IdE Kassel 37

38 190 m² Flachkollektoren 20 m³ Speicher Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Gute Übereinstimmung zwischen Wärmebedarf & Solarstrahlung Konventionelle Wärmeerzeugung durch Ölkessel Beispiele realisierter Anlagen Bitumenverarbeitung Wärmenutzung für - Bitumenerwärmung - Wassererwärmung für Reinigung - Beheizung und Kühlung Bitumentank - Beheizung der Produktionshalle C Source: C. Aschoff Quelle: B. Schmitt, IdE Kassel 38

39 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Beispiele realisierter Anlagen Demeter Gewächshaus Singen-Bohlingen Entfeuchtung und Beheizung von neun Gewächshäusern 1,5 GWh Wärmebedarf pro Jahr 300 kw Hackschnitzelkessel, 350 kw Stückholzkessel, 30 m³ Speicher 960 m² Flachkollektoren; 50 m³ Solarspeicher T soll Beheizung: 70 C T soll Entfeuchtung: 40 C Quelle: B. Schmitt, IdE Kassel 39

40 Beispiele realisierter Anlagen Brauerei Hofmühl 8,000 m³ Bier pro Jahr 735 m² CPC Vakuumröhrenkollektoren, zwei 55 m³ Speicher Wasser als Wärmeträgerfluid (mit spezieller Frostschutzfunktion) Quelle: Schirmer, TU Chemnitz 40

41 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Das Ziel 1000 Liter Bier, gebraut mit 100 % Solarenergie 41

42 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik 1000 Liter Bier, gebraut mit 100 % Solarenergie + = Source: Stefan Abrecht 442 m 2 Gerste 0,7 m 2 Kollektoren (50%) 107 m 2 Rapsfeld (50%) Liter Bier Rohmaterial Energie Spass 42

43 Rechnen sich thermische Solaranlagen 43

44 Gaspreis [ /kwh] Kosten solarer Wärme für industrielle Anwendungen 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,

45 Strompreis [ /kwh] 1,00 0,90 0,80 0,70 Entwicklung der Strompreise Entwicklung bis 2017 (inflationsbereinigt) Entwicklung auf Basis der letzten 5 Jahre Entwicklung auf Basis der letzten 10 Jahre Entwicklung auf Basis der letzten 20 Jahre 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Quelle: 2018\Energiepreise1.xls 45

46 Fördermöglichkeiten: Basis MAP Anlagen ab 20 m² Kollektorfläche über Innovationsförderung (BAFA): - bis zu 50 % Investitionskostenzuschuss - keine Begrenzung der Kollektorfläche (seit MAP Novelle) Anlagen ab 40 m² Kollektorfläche zusätzlich über KfW- Programm erneuerbare Energien Premium - zinsgünstiger Kredit ab 1 % eff. Jahreszins - 50 % Tilgungszuschuss Voraussetzungen: 50 % der Solarwärme für industrielle Prozesse Anlagen müssen dem Stand der Technik entsprechen 46

47 Förderfähige Investitionskosten Planungskosten: Solaranlagen und Prozessanbindung Sonnenkollektoren mit Aufständerung und Unterkonstruktion Hydraulikbauteile, Solarkreis, Speicher (max. 3 Stück) Anbindung an Prozess Mess- und Regeltechnik für solare Prozesswärmeanlage Montage 47

48 Wärme - Contracting Kosten für die Errichtung der Anlage werden von einem eigenständigen Unternehmen getragen, dass die Wärme an den Nutzer bzw. Abnehmer verkauft. Vorteile (für den Wärmeabnehmer): Bessere Wirtschaftlichkeit Geringeres Risiko Konzentration auf Kernkompetenzen. Nachteile (für den Wärmeabnehmer): Kein Eigentum an der Anlage Abhängigkeit vom Contractor. 48

49 Status Zusammenfassung & Ausblick Solarwärmenutzung für industrielle Prozesse hat ein sehr großes technisches Potenzial (mehrere 100 GW th ) Einige realisierte Anlagen existieren bereits Geeignete Kollektoren und Systemtechnik (im niedrigen und mittleren Temperaturbereich) verfügbar Die Installation einer solaren Prozesswärmeanlage sollte immer mit Energieeffizienzmaßnahmen kombiniert werden Als Basis für die eine geplante Realisierung sollte eine Machbarkeitsstudie bzw. ein Energiekonzept erstellt werden Gegenwärtig sehr attraktive Förderung 49

50 Die Zukunft Es kommt nicht darauf an, die Zukunft exakt vorherzusagen, sondern für sie vorbereitet zu sein! Perikles, 500 v. Chr. Sie haben die Möglichkeit dazu. Tun Sie es! 50