Solare Prozesswärme

Entgegen der öffentlichen Diskussion spielt Wärme bei der Energiewende eine entscheidende Rolle. Während meist nur über grünen Strom diskutiert wird, macht Wärme in Deutschland über die Hälfte des Energieverbrauchs aus, während der Anteil für Strom in Deutschland lediglich bei etwa 20 % liegt. In Abhängigkeit der jeweiligen Sektoren ist der Wärmebedarf unterschiedlich stark ausgeprägt. In Haushalten wird ca. 90 % der Endenergie für Wärme benötigt, im Sektor Industrie liegt dieser Anteil bei knapp 75 % und im Sektor Gewerbe, Handel, Dienstleistung (GHD) werden noch gut 60 % für die Wärmebereitstellung eingesetzt. Damit ist der Prozesswärmebedarf in Industrie und GHD für das Gelingen der Energiewende von besonderer Bedeutung.

Die Nutzung von Solarwärme, die sich bereits im Wohnbereich als verlässliche Technologie etabliert hat, bietet auch in Industrie und Gewerbe sehr gute Möglichkeiten, Prozesswärme emissionsfrei bereitzustellen. Denn gut ein Fünftel des industriellen Wärmebedarfs fallen in einem Temperaturbereich unter 100 °C an, was sehr gute Möglichkeiten zur Nutzung von Solarwärme bietet. Weitere 10 % fallen in den Temperaturbereich zwischen 100 und 250 °C, die in Abhängigkeit der Solarstrahlung ebenfalls mit Solarwärme gedeckt werden können.

Solare Systemtechnik
Das Herzstück einer thermischen Solaranlage ist der Kollektor, der zusammen mit einem Wärmespeicher insbesondere im Sommerhalbjahr einen erheblichen Teil des Wärmebedarfs CO₂-frei bereitstellen kann. Dabei können unterschiedliche Kollektortechnologien genutzt werden, je nachdem, welche Temperaturen benötigt werden und an welchem Standort man sich befindet. Am häufigsten werden in Deutschland Flach- und Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt.
Bei Flachkollektoren ist der metallische Solarabsorber zwischen einer transparenten Abdeckung und einer Wärmedämmung eingefasst. In Abhängigkeit der Bauart kann Wärme bis 120 °C effizient bereitgestellt werden. Das Spektrum reicht von kompakten Kollektormodulen mit ca. 2 m² bis hin zu Großflächenkollektoren mit über 10 m² Fläche.
Bei Vakuumröhrenkollektoren können die Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung deutlich reduziert werden, wodurch bei höheren Temperaturen die Erträge des thermischen Solarsystems relevant gesteigert werden können. Je nachdem ob diese Kollektorbauart mit einem rückseitigen Spiegel versehen ist (CPC-Kollektor) oder nicht, liegt der sinnvolle Einsatzbereich dieser Kollektoren bei bis zu 80 bis 130 °C.
Luftkollektoren verzichten auf ein flüssiges Wärmeträgermedium und verwenden stattdessen Luft. Daher eignen sich diese Kollektoren insbesondere für Trocknungsanwendungen. Sie sind als Flach- (bis 80 °C) oder Röhrenkollektoren (bis 180 °C) erhältlich.
Für südliche Regionen mit hoher Direktstrahlung können konzentrierende Kollektoren verwendet werden, die mittels Spiegelflächen die eintreffende Sonneneinstrahlung auf einen Absorber konzentrieren. Hierzu müssen die Spiegelflächen für eine exakte Fokussierung kontinuierlich der Sonne nachgeführt werden. Der Temperaturbereich dieser Kollektorbauart liegt typischerweise bei 150 bis 400 °C, sodass mit derartigen Systemen auch Prozessdampf bereitgestellt werden kann.
Neben dem Kollektor wird meist ein Pufferspeicher benötigt, da das Solarangebot nicht immer mit dem Wärmebedarf der zur versorgenden Wärmesenke zeitlich übereinstimmt. Neben sogenannten Schwachlastphasen innerhalb eines Produktionstages können so auch ganze Tage ohne Wärmebedarf, z. B. am Wochenende, abgepuffert werden. In der Regel kommen Wasserspeicher zum Einsatz, die drucklos bis 95 °C oder druckbehaftet bis zu 150 °C betrieben werden und mit quasi beliebigem Speichervolumen am Markt verfügbar sind.
Je nach Kollektorfläche, Temperaturbereich und Lastprofil der Wärmesenke können für einen effizienten Anlagenbetrieb unterschiedlich große Speichervolumina erforderlich sein. Es sollte stets angestrebt werden, das erforderliche Volumen mit einem einzelnen Speicher innerhalb des Gebäudes zu realisieren, um neben der optimalen Be- und Entladung und geringeren Wärmeverlusten auch die Systemkosten so gering wie möglich zu halten. Falls z. B. aufgrund des vorhandenen Platzes mehrere Speicher notwendig sind, sollten diese zwingend in Reihe und nicht parallel geschaltet werden. Auf dem Markt gibt es einige Hersteller, die vorkonfigurierte, ortsgeschweißte oder modular aufgebaute Speicher beispielsweise aus Stahl, Kunststoff oder GFK anbieten.

Geeignete Anwendungen solarer Prozesswärme
Die Nutzung von Solarwärme für Prozesse und Anwendungen in Industrie und Gewerbe wird dadurch begünstigt, dass in diesen Sektoren auch in den Sommermonaten viel Wärme benötigt wird. Dadurch kann die Solaranlage auch in den Monaten mit hoher Einstrahlung kontinuierlich Wärme abgeben, wodurch sich im Vergleich zu Kombisystemen im Wohnbereich der Nutzungsgrad der Anlage und damit auch die Wirtschaftlichkeit verbessert.
Die Einsatzmöglichkeiten solarer Prozesswärme sind sehr vielfältig. Das Spektrum kann unterschiedlichste, teils auch kombinierte Anwendungen beinhalten, wobei in Deutschland Wärmesenken unter 100 °C besonders gut geeignet sind, um Solarwärme einzubinden. In Industrie und Gewerbe finden sich sehr viele Anwendungen in diesem Temperaturbereich, wie beispielsweise das Reinigen und Waschen von Produkten, Transportbehältern oder Produktionseinrichtungen, die Beheizung raumlufttechnischer Anlagen sowie von (Wasser-)Bädern oder das Aufwärmen von Kesselzusatzwasser. Neben diesen branchenübergreifenden Nutzungsmöglichkeiten gibt es auch eine Vielzahl branchenspezifischer Anwendungen wie bspw. Blanchieren, Galvanisieren oder Färben, die sich sehr gut für eine solare Beheizung eignen. Weitere geeignete Anwendungsgebiete sind bspw. gewerbliche Großküchen oder Textilreinigungen, aber auch landwirtschaftliche Betriebe zur Tier- oder Pflanzenaufzucht. Trocknungsanlagen, die Luftkollektoren verwenden, finden insbesondere in der Landwirtschaft verstärkte Anwendung. Insgesamt ergibt sich für Industrie und Gewerbe ein Kollektorpotenzial von 140 Mio. m² bzw. 60 TWh/a.

Einbindung von Solarwärme
Im Vergleich zu den standardisierten Solarkonzepten in Haushalten, gibt es bei der Bereitstellung von solarer Prozesswärme weit mehr technische Möglichkeiten. Grundsätzlich lässt sich dabei die Einbindung der Solarwärme auf Versorgungs- oder Prozessebene unterscheiden. Die Versorgungsebene umfasst die zentrale Wärmeerzeugung und -verteilung. In den meisten Industrie- oder Gewerbebetrieben gibt es hierzu ein Kesselhaus, wo die Wärme erzeugt und von dort aus an die jeweiligen Verbraucher verteilt wird. Oberhalb einer Nutztemperatur von 100 °C werden oft Dampfnetze mit 140 bis 200 °C (Druckniveau 4 bis 15 bar) verwendet. Die Bereitstellung von solar erzeugtem Dampf ist jedoch nur für süd­europäische Standorte bei ausreichender direkter Solarstrahlung zu empfehlen Bei der Verwendung von Warm- oder Heißwassernetzen als Verteilsystem kann eine Solaranlage seriell zur Rücklaufanhebung oder parallel zur Bereitstellung der Vorlauftemperatur eingebunden werden.
Bei der dezentralen Einbindung wird Solarwärme direkt für eine oder mehrere Wärmesenken auf Prozessebene genutzt. Diese Art der Integration macht sich zunutze, dass die Prozesstemperatur ggf. deutlich unterhalb der Temperatur des Wärmeverteilsystems liegt, was sich positiv auf den Ertrag der Solaranlage auswirkt. Die vorhandene Beheizung des potenziell solar zu versorgenden Prozesses spielt hier eine entscheidende Rolle. Je nachdem, ob dieser Prozess mit einem internen oder externen Wärmetauscher, einer elektrischen Heizpatrone oder mittels direkter Dampfinjektion beheizt wird, kann sich die zusätzliche Einbindung von Solarwärme als einfach bis kompliziert erweisen, was sich in der Folge auch auf die Kosten auswirkt. Am einfachsten ist in der Regel eine nachträgliche Einbindung eines externen, solarbeheizten Wärmetauschers. Es können aber auch zusätzliche interne Wärmeübertrager solar beheizt werden, was beispielsweise häufig bei Bädern, Maschinen oder Tanks erforderlich ist.

Markt und Wirtschaftlichkeit
Trotz des noch verhältnismäßig neuen Anwendungsgebietes, gibt es weltweit über 1000 Anlagen, die in Industrie und Gewerbe solare Prozesswärme bereitstellen. Allein in Deutschland sind bereits über 200 Solaranlagen zur Bereitstellung von Prozesswärme in Betrieb, Bau oder Planung. Ein Großteil dieser Anlagen wurde in Gewerbe und Landwirtschaft mit eher kleineren Kollektorflächen (durchschnittlich 60 m²) installiert. Ein Viertel der installierten Kollektorfläche wird zur Trocknung eingesetzt, wobei vor allem die Biomassetrocknung eine wichtige Rolle spielt. Zudem ist die Fahrzeugreinigung und Tierzucht ein beliebtes Anwendungsgebiet für solare Prozesswärme. Im industriellen Sektor wird Solarwärme beispielsweise bei Brauereien, Galvanikbetrieben oder der Gas-Druckregelung genutzt.
Im Gegensatz zu konventionellen Wärmeerzeugern fallen bei der Nutzung solarer Prozesswärme zu Beginn höhere Investitionskosten für die Solaranlage an, die sich jedoch über die Folgejahre rentieren, da nahezu keine Betriebskosten entstehen. Die Jahresarbeitszahl großer Solaranlagen kann bis zu 100 betragen, was bedeutet, dass für die Bereitstellung von 100 kWh Wärme lediglich 1 kWh Strom benötigt wird. Somit können niedrige und über 20 bis 25 Jahre konstante Wärmepreise mit den einhergehenden CO₂-Einsparungen erreicht werden.

Finanzielle Förderung durch BAFA und KfW
Da sich die solarthermische Anlagentechnik je nach Anwendung deutlich unterscheiden kann, gibt es im Gegensatz zur Photovoltaik keine allgemeingültigen Angaben zu den zu erwartenden Inves­titionskosten. In Abhängigkeit von Kollektortyp, Systemverschaltung, Einbindung, aber auch des gewählten Anbieters können die Investitionskosten solarer Prozesswärmeanlagen stark variieren. Marktübliche Turnkey-Kosten etwas größerer solarer Anlagen (> 100 m²) liegen zwischen 350 und 900 €/m². In der Regel finden sich bundes- oder länderspezifische Förderprogramme, die diese Investitionskosten reduzieren. In Deutschland sind bspw. das BAFA oder die KfW die erste Anlaufstelle für eine solche Förderung, die aktuell im Rahmen des Marktanreizprogramms die Bereitstellung von Prozesswärme mit 50 % der gesamten Investitionskosten für Planung, Hardware, Installation und Einbindung fördern.
Mit Inanspruchnahme dieser Förderung lassen sich in Deutschland Amortisationszeiten im oberen einstelligen Bereich realisieren. Eine Amortisation unter 5 bis 7 Jahren ist bei den derzeit sehr niedrigen fossilen Brennstoffkosten jedoch meist schwer zu erreichen. Da bei Solaranlagen von einer Anlagenbetriebsdauer von mehr als 20 Jahren auszugehen ist, sind jedoch auch mit den aktuell niedrigen Energiepreisen Renditen von über 5 % zu erzielen. Die solaren Wärmegestehungskosten größerer Anlagen können unter Berücksichtigung aktueller Förderprogramme unterhalb von 5 Cent/kWh liegen, im idealen Fall sind sogar 3 Cent/kWh erreichbar. Dieser Wärmepreis bleibt dann für mindestens 20 Jahre konstant, womit die solare Prozesswärmebereitstellung bereits heute günstiger sein kann als die fossile Wärmebereitstellung. Mit dem perspektivischen Anstieg der Preise für fossile Energieträger wird dieser Kostenvorteil immer größer. Werden Prozesse elektrisch mit Wärme versorgt, stellt sich die Wirtschaftlichkeit bei einer Umstellung auf eine wassergeführte Heizung in Kombination mit einer Solaranlage noch besser da.

Vorauslegung
Für eine erste Abschätzung, wie groß eine Solaranlage in etwa sein sollte und mit wie viel Ertrag zu rechnen ist, wird der tägliche Wärmebedarf der ausgewählten Wärmesenke an einem Sommertag benötigt. Je nachdem, welche Temperatur die Solaranlage bereitstellen muss und welche Laufzeit die Wärmesenke innerhalb einer typischen Woche hat, kann damit die benötigte Kollektorfläche errechnet werden. Dabei wird die Solaranlage derart ausgelegt, dass sie an einem sonnigen Sommertag den Wärmebedarf der Wärmesenke vollständig decken kann. Dies vermeidet Überschüsse, sodass hohe spezifische Erträge erzielt werden, was für die Wirtschaftlichkeit entscheidend ist. Je nach Rahmenbedingungen liefert ein Quadratmeter Kollektorfläche in Deutschland etwa 3 bis 4 kWh Wärme pro Tag. Soll ein Flachkollektor beispielsweise Warmwasser von 15 auf 60 °C aufwärmen, liegt dieser Auslegungsfaktor bei etwa 4 kWh/(m² d). Bei einer Vorwärmung von 50 auf 80 °C sind es mit einem Flachkollektor hingegen nur noch 3 kWh/(m² d). Teilt man den täglichen Wärmebedarf der Wärmesenke durch diesen Auslegungsfaktor, ergibt sich die erforderliche Kollektorfläche.
Um nun den Ertrag abzuschätzen, wird der Nutzungsgrad der Solaranlage benö­tigt. Dieser besagt, wie viel Prozent der im Jahresverlauf eingestrahlten Energie tatsächlich als solare Nutzwärme in einen Prozess oder Heizkreis eingespeist wird. Multipliziert man diesen Nutzungsgrad mit der Solareinstrahlung am jeweiligen Standort, erhält man den Ertrag der Solaranlage. Auch der Nutzungsgrad hängt vom Temperaturniveau, dem verwendeten Kollektortyp sowie dem Lastprofil der Wärmesenke ab. Typische Werte liegen zwischen 25 bis 55 %.

Weiterführende Informationen
Grundlegende Informationen und Hintergründe zur Nutzung von Solarwärme in Industrie und Gewerbe finden sich auf der herstellerunabhängigen Website www.
solare-prozesswärme.info. Neben aktuellen Informationen zum deutschen Markt werden auch regelmäßig neue Best Practice Anlagen aus unterschiedlichen Sektoren vorgestellt. Zudem stehen relevante Veröffentlichungen zum Download bereit. Zudem wird ab Sommer auch ein Vorauslegungstool verfügbar sein, mit dem eine schnelle und einfache Abschätzung von benötigter Kollektorfläche und resultierendem Ertrag ermöglicht wird. Perspektivisch wird auf der Website auch eine Datenbank etabliert, in der solare Prozesswärmeanlagen, Projektentwickler und Planer in Deutschland gelistet werden.
Aufgrund der Relevanz solarer Prozesswärme befindet sich derzeit auch eine VDI-Richtlinie in Endredaktion. Die vermutlich Ende 2017 als Gründruck verfügbare Richtlinie VDI 3988 „Solarthermische Prozesswärme“ soll zukünftig Klarheit bei den erforderlichen Schritten bei Planung und Umsetzung geben. Die Richtlinie richtet sich damit nicht nur an Planer und Projektentwickler, sondern auch an Handwerker und Installationsbetriebe, um zukünftig die bislang bei der Umsetzung aufgetretenen Fehler zu vermeiden.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die solarthermische Bereitstellung von Prozesswärme in Industrie und Gewerbe ein aufstrebendes und aussichtsreiches Anwendungsgebiet ist. Es gibt sehr viele gut geeignete Anwendungen auf einem niedrigen Temperaturniveau, die eine kostengünstige Bereitstellung erneuerbarer CO₂-freier Wärme ermöglichen.

Autor: Dr.-Ing. Bastian Schmitt
und M.Sc. Felix Pag

Bilder: Uni Kassel

www.solar.uni-kassel.de