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Technisches Seminar

Solarthermische Anlagen in Gewerbe & Industrie 18. April 2013 - Technisches Seminar – GBE FACTORY: Einsatzmöglichkeiten erneuerbarer Energiequellen in Gewerbe- und Industrie www.gbefactory.eu DI Josef Buchinger S.O.L.I.D. Gesellschaft für Solarinstallation und Design mbH

S.O.L.I.D. Aktivitäten Großsolaranlagen (>100m²) • Projektentwicklung • Planung • Anlagenbau • Betrieb & Wartung • Finanzierung (ESCo) • Forschung & Entwicklung

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18. April 2013


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S.O.L.I.D. Gruppe Stammsitz in Graz Büros in USA & Singapur

Partner in vielen Ländern Jüngste Referenzanlagen rund um den Äquator

Graz, Austria Phoenix, AZ Harvard DOC Lanta DMHS Hyatt Beverage

SOLID Office KFU Graz KVK Körner SDH Graz Pristina

CGD

Qingdao Al-Ain

DigiCel Hyatt UWC Singapore

Office

Partners

Solar Cooling Heating Process Heat

Anwendungen

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Mögliche Applikationen

WÄRME

WARMWASSER & HEIZUNG

SPEICHER

SOLARERTRAG

PROZESSWÄRME

WARME LUFT

KÜHLWASSER THERM. ANGETR. KÜHLMASCHINE

WÄRMENETZE

SOLARES KÜHLEN

KALTLUFT KÜHLBEDARF

Kollektortechnik

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Übersicht: Art von Kollektoren • Konzentrierende Kollektoren – Parabolrinnen Kollektor – Fresnel Kollektor

• Nichtkonzentrierende Kollektoren – Flachkollektor – Vakuumröhrenkollektoren – Schwimmbadabsorber – Luftkollektoren

Konzentrierende Kollektoren ++ bieten sehr hohe Temparaturen + bis zu 400°C + Dampfproduktion möglich Trackingsystem notwendig wartungsintensiv Reinigung notwendig (ca. 1 x pro Monat) nutzen keine diffuse Strahlung (ca. 12% diffuse Strahlung in Indien 47 % in Österreich) architektonische Integration kaum möglich

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Nichtkonzentrierende Kollektoren ++ bieten höchst-mögliche Effizienz + bis zu 70°C für einfache Typen + bis zu 120°C für bessere Modelle + kein Trackingsystem notwendig + fast wartungsfrei + nutzen auch diffuse Strahlung + einfache architektonische Integration (nicht so gut bei Röhren) - nicht passend für Dampfproduktion

Nichtkonzentrierende Kollektoren Luftkollektor Einfaches System, Speicherung kaum möglich >> sofortige Verwendung, z.B.: Trocknung von Früchten, Hackschnitzel, etc.

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Nichtkonzentrierende Kollektoren Vakuumröhrenkollektoren Direkt durchströmt

Heat-Pipe

Quelle: Solarplanerausbildung; klima:aktiv

• Nichtkonzentrierende Kollektoren Typischer Flachkollektor

Source: Harvard University, SOLID

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Hocheffizienz Flach-Kollektor Standard Flachkollektor

<>

Hoch-Effizienz Flach-Kol.

 bessere Isolierung  höhere Leistung bei hohen Temperaturen

Kollektor-Leistungen im Vergleich Collector Performance at G=1000 W, gross area as reference 800 SOLID HT 700

SOLID GS FP (Germany) FP large (Denmark)

600

FP large (Denmark) FP large (Austria) 500

FP (USA)

Q, W

FP (Austria) FP (USA)

400

CPC (Austria) FP (Australia) FP (China)

300

FP large (Austria) ETC (UK) 200

CPC (Germany) ETC (Germany) ETC (Germany)

100

ETC (Switzerland) ETC (China) 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Linear (FP (Austria))

tm - ta, K

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Kollektorfeldhydraulik bei Großsolaranlagen

Anforderung Kollektorverschaltung • Möglichst guter Wärmeübergang zwischen Absorber und Wärmeträger

• Möglichst „geringer“ Druckverlust durch die Kollektordurchströmung • Möglichst wenig Verrohrungsanteil um Materialkosten, Montagekosten und Wärmeverluste zu reduzieren • Berücksichtigung von Dehnungskompensation • Serienschaltung von Kollektoren erwünscht (bis zu 170 m² möglich) • Betriebsweise „Low Flow“ (15-20 kg/m²h)

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Anforderung Kollektorverschaltung • Einsatz von Absperrarmaturen bei parallelen Kollektorfelder • Getrenntes Spülen der Kollektorfelder sollte möglich sein

• Teilbetrieb muss gewährleistet sein • Sicherheitseinrichtung bei komplett absperrbaren Kollektorfelder einbauen • Hydraulischer Abgleich der unterschiedlichen Massenströme Strangregulierventile • Möglichst gleiche hydraulische Längen der Kollektorfelder

Low Flow Betrieb • Geringere Rohrdimensionen  niedrige Investitionskosten • Ermöglicht große thermische Längen geringerer Druckverlust • Kleinere elektrische Pumpleistungen • Reduktion des Verrohrungsaufwandes

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Einsatz Großflächenkollektoren • Vorteile – Höherer Energieertrag • Interne Hydraulik wird an Anwendung angepasst

– Einfache und schnelle Installation – Weniger Anschlüsse und Rohre • Geringerer Druckverlust, kleinere Pumpenleistung

Einsatz Großflächenkollektoren Kleinflächenkollektor versus

Großflächenkollektor:

• Kleinere Effizienz • Niedriger Energieausbeute • Nicht kontinuierlicher Durchfluss

• Höhere Effizienz +10% • Hohe Energieausbeute +30% • kontinuierlicher Durchfluss bis +50%

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Pufferspeicher • Pufferspeicher generell als Wasserspeicher drucklos oder druckbeaufschlagt ausgeführt • Trinkwasserspeicher oder Energiespeicher zur Heizungsunterstützung • Materialien: Schwarzstahl bzw. Edelstahl / Email (Trinkwasser) • Wärmedämmung: ca. 15…30 cm Steinwolle • Durchmesser : Höhe >= 1:2

Marktpotential & Situation Österreich

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Marktpotential EU 28 % des gesamten Primärenergieanteils in EU25 wird im Industrie Sektor verbraucht 75 % der Energie wird für Heizanwendungen gebraucht 21 % der Heizanwendungen sind unter 100°C

Kann durch standardisierte/geprüfte ST Technologie bereitgestellt werden Quelle: IEA Task 33/IV and research of AEE Intec

Marktpotential Österreich Solarwärmemarkt in Österreich 1990-2011 400.000

jährl. installierte Kollektorfläche in m²

350.000

300.000

250.000

200.000

150.000

100.000

50.000

2011

2010

2009

2008

2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

0

Quelle: Austria Solar, 2012

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Solare Kühlung Technologie

Solare Kühlung – der Vorteil maximaler Kühlbedarf tritt gleichzeitig mit maximaler Solar-Verfügbarkeit ein • Wir nutzen die gleiche Strahlung, die den Kühlbedarf erzeugt • Vermeidet Spitzenlasten und assoziierte Netzprobleme • Spart die teuersten Stromtarife

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Warum Solare Kühlung? • Elektrische Energieeinsparungen – Elektrischer COP Solare Kühlung inkl. Kühlturm – Elektrischer COP Kompressionskälte inkl. Kühlturm  Reduzierter Stromverbrauch um 70-80%

• • • • •

~10 ~2.4

Stabilere Energiepreise CFC frei – Keine Ozonschicht-zerstörende Substanzen LEED Zertifizierung – bis zu 10 zusätzliche Punkte möglich Ruhiger Betrieb – keine Vibrationen Verlässlicher Betrieb – keine Abnutzung auf Kolben und Verdichter, da es solche beweglichen Teile nicht gibt

Lange Lebensdauer

Absorptionskältemaschinen haben keine stark bewegten Teile. Diese Kältemaschine ist über 70 Jahre alt!

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LiBr Absorption Chiller & LST Temperaturen und Leistungen

Solare Kühlung - Anlagenschema Back-up Compressor Chiller

Cooling Tower Solar Plant Temperature ~90 ⁰ C

Hot Water Storage Tank

Absorption Chiller

Cold Water Storage Tank

AHUs

Air Diffuser

(Local) Control Unit Legend: Very Hot Water Piping Control Circuit

Internet

Live Monitoring

Cold Very Cold Warm

Cogeneration

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Dimensionierung

• • • •

Spitzenlast bestimmt die Auslegung des Kühlsystem. Die gesamte installierte Kühlleistung soll der Spitzenlast des Gebäudes entsprechen. Teillast- Bedingungen bestimmen die Anzahl und Größe der Kühlaggregate. Elektr. Kühlsystem sind meist überdimensioniert! Zur Regelung werden KKM abgeschaltet. Die Sonne kann man nicht abschalten! Daher verwendet man nie die Spitzenlast zur Auslegung von Solarer Kühlung!

Typical load profile of an office building 800 700 600

Hours per year

500 400 300 200 100 0 10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Percent of Chiller Load

Solar Cooling Überblick Referenzen

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Solar cooling references Location/Project

Cooling Machine

EAR Tower, Pristina, Kosovo

LiBr-Chiller

Wine Cooling , Leutschach, Austria

Constr.

Cooling Power

Collector Area

2002/3

90 kW

226 m²

Ammonia

2003

10 kW

100 m²

Graz – office, Test Plant

Ammonia

2003

2 kW

8 m²

Stadtwerke, Crailsheim, Austria

LiBr-Chiller

2004

15 kW

500 m²

Renewable Energy House, Brussels, Belgium

LiBr-Chiller

2005/7

35 kW

60 m²

Desert Outdoor Center, Phoenix, USA

LiBr-Chiller

2006

70 kW

126 m²

Olympic Village, Qingdao, China

LiBr-Chiller

2006

512 kW

638 m²

Estellas Restaurant, Tampa, USA

LiBr-Chiller

2007

70 kW

210 m²

CGD Office Building, Lisbon, Portugal

LiBr-Chiller

2008

545 kW

1579 m²

Warehouse, Lanta, Phoenix, USA

LiBr-Chiller

2008

130 kW

504 m²

Service Center Municipality, Gleisdorf, Austria

LiBr Chiller & DEC

2008

35 kW

260 m²

Office, Graz, Austria

Li Br Chiller

2008

17.5 kW

58 m²

Metro MAN, Istanbul, Turkey

LiBr Chiller

2009

Study

Sheikh Zayed Desert Learning Center, UAE

LiBr Chiller

2010/12

400 kW

1108 m²

United World College, Singapore

LiBr Chiller

2010/11

1400 kW

3900 m²

Desert Mountain High School, Scottsdale, USA

LiBr Chiller

2011/12

1700 kW

5000 m²

DigiCel, Kingston, Jamaica

LiBr Chiller

2012

600 kW

982 m²

Anwendungen in der Prozesswärme

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Anwendungsbereiche mit hohem Potential für solare Prozesswärme •

Lebensmittelindustrie – Milch, Gemüse, Fleisch, Obst, Bier etc. – Reinigung, Pasteurisierung, Sterilisierung, Aufkochen benötigt 100°C oder weniger – Auftauen hat Potenzial da niedrige Temperaturen gefordert sind

Chemie – In der Pharmaindustrie gibt es Biochemische-Prozesse die ausschließlich mit niedrigen Temperaturen arbeiten

Kunststoff-Verarbeitung – Verbinden und Laminieren

Textilindustrie – Waschen, Bleichen, Bügeln,…

Baustoffindustrie – Trocknung von Ziegelsteinen und Gipskarton-Platten – Wärme zum Beschleunigen des Aushärteprozesses für Betonsteine

Vorläufige Analysen K.O Kriterien: • Braucht das Unternehmen Prozesswärme mit Temperaturen unter 100°C? • Ist genug Platz um Sonnenkollektoren zu Verbauen? • Ist der Platz Süd/Süd-Ost/Süd Westlich ausgerichtet oder auf einem Flachdach? • Benützt das Unternehmen fossile Brennstoffe um die Prozesswärme im Sommer bereitzustellen?

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Vorläufige Analysen O.K. Kriterien • Braucht das Unternehmen Prozesswärme in den Sommermonaten?

• Wird Prozesswärme mindestens 5 Tage die Woche gebraucht? • Ist die benötigte Temperatur der Prozesswärme Großteils unter 50°C? • Sind Änderungen oder Erweiterungen der Gebäude in nächster Zeit geplant? • Ist genug Platz vorhanden um einen großen Speicher aufzustellen?

Vorläufige Analysen Thermische Prozesse – Offene oder Geschlossene Prozesse – Kontinuierliche oder unstetige Prozesse

 Augenmerk auf Kontinuierlich laufenden, offenen Prozessen ohne Wärmerückgewinnung

System Integration – Direkte Integration in die verschiedensten Prozesse – Indirekte Integration in das wärme-Verteilungsnetzwerk

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Vorheizen ist die einfachste Lösung • Wärme bis 100°C • Entweder direkt zu den einzelnen Prozessen oder in ein Verteilnetz • Konstantes Vorheizen mit Temperaturen unter 60°C liefert die besten technisch-wirtschaftlichen Ergebnisse Black Box Vorheizen

Wärme

Heizen

SOLAR ERTRAG

Kaltwasser/ Prozesswasser

0-90°C

< 100°C

Kosten Benchmarks 100, 500, 1.000, 2.000 kW

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Kosten Benchmarks • •

Investitionskosten ohne Förderung Stark abhängig von – Unterkonstruktion – Rohleitungslängen – Kollektortype

Leistung [kW]

Solare Wärme (Prozess, Heizen, WW, Desiccant SC) [€/m² ]

SC mit Absorptionskältemaschine [€/kW Kälteleistung ]

100

500 - 600

3800

500

450 - 500

2900

1.000

400 - 450

2700

2.000

300 - 400

2500

Wirtschaftlichkeitsvergleich Solar Prozesswärme 100 – 1.000 kW Inkl. Referenzbeispiele

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Wirtschaftlichkeitsvergleich Solare Prozesswärme - Ausgangsdaten 100 kW

1.000 kW

m² Kollektorfläche

170

1700

Investitionskosten

93.500 €

714.000 €

480 kWh/m²*a

480 kWh/m²*a

Wartung & Betriebskosten (3% Strom v. Solarertrag)

1190 €/a

5338 €/a

Ölpreis (Heizöl leicht)

0,74 €/l

0,74 €/l

Kollektorertrag Graz 30° süd HT Kollektor (Tm=70 °C)

Strompreis

0,12 €/kWh

0,12 €/kWh

Preissteigerung Energie

4%

4%

Wirkungsgrad Ölkessel

0,7

0,7

Langfristiger Zinssatz

4%

4%

Eigenkapital

30%

30%

Förderung KLIEN

42%

42%

Wirtschaftlichkeitsvergleich Solare Prozesswärme – Ergebnisse 100 kW

1.000 kW

Energie Einsparungen pro Jahr

9.376 €

93.763 €

Energie Einsparungen nach 25 Jahre

390.489

3.904.886

ROI (Return on Investment) nach 25 Jahre

39 %

59 %

ROE (Return on Equity) nach 25 Jahre

130 %

197 %

7,1 Jahre

5,1 Jahre

Pay Back Period

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Solare Prozesswärme Überblick Referenzen

Überblick – Referenzen von SOLID Name

Kollektorfeld, m²

Körner KVK Wies

Status

86 In Betrieb seit 2007

Weingut Peitler

100 In Betrieb seit 2003

Gatorade, Phase 1

893 In Betrieb seit 2008

Gatorade, Phase 2

2600 In Betrieb seit 2010

Stonyfield dairy

3118 Machbarkeits Analyse

CB Chicken Slaughtery

1050 Machbarkeits Analyse

Fleischwaren Berger

1200 Bauphase

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Körner KvK, Wies, Austria • Produzent von Beizbehälter für Galvanisierungs-prozesse • Produktion von Beizblechen auf einem „Produktionstisch“ welcher mit Heizschlagen beheizt wird  Produktionstemperatur: der Tisch wird auf 30°C gehalten

Körner KvK, Wies, Austria Prozesswärme Kollektoren (GS): 86 m² In Façade montiert Speicher: 10 m³ Ertrag: ~ 41,7 MWh/a Solaranteil: ~60% In Betrieb seit 2007

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Körner KvK, Wies, Austria Wirtschaftliche Kennzahlen Solarertrag: 485 kWh/m²/a Gaspreis: 47.3 €/MWh Strompreis: 120 €/MWh Wirkungsgrad Gaskessel: 0,8 Preissteigerung Energie: 4 % Investment: 35.500 € Förderung: 30% Payback Period: 10,5 Jahre

Fleischwaren Berger, Sieghartskirchen • • • • •

1125 m² HT Flach Kollektoren (Leistung: 790 kW) 60 m³ Speicher Garantierter solar Ertrag: 500 kWh/m²/a EU Förderung für Forschung und Demonstrationsanlage Inbetriebnahme der Anlage ist geplant für Q2/2013

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Fleischwaren Berger, Sieghartskirchen • 80 – 90 tonen/Tag an Fleisch und Wurstwaren • Energiebedarf für solare Anwendung 1. Wärme für die Entfeuchtung der Reifungskammer – 160 m³ tägliche Abnahme – Verbrauch von Abwärme bis 40°C – Solarthermie wärmt bis 60°C

2. Vorerhitzen der Einspeisung für die Dampf Produktion (Schinken Kochen) – 25 m³ tägliche Abnahme – Verbrauch von Abwärme bis 40°C – Solar wärmt bis 98°C

Fleischwaren Berger, Sieghartskirchen Wirtschaftliche Kennzahlen Solarertrag: 500 kWh/m²/a Ölpreis: 0,74 €/l Strompreis: 120 €/MWh Wirkungsgrad Ölkessel: 0,7 Preissteigerung Energie: 4 % Investment: 735.000 € Förderung: 52 % Payback Period: 7,3 Jahre

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Gatorade (Pepsi Cola) Phoenix , AZ Vorwärmung von Prozesswasser für Umkehrosmose Speicher: 38 m³ 2008: 893 m² 2010: Erweiterung auf 2600 m² 2012: Erweiterung auf 3700 m² Nächster Schritt: Solarwärme für Pasteurisierung

Gatorade (Pepsi Cola) Phoenix , AZ

2007

2009

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2011

© Google Earth

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Gatorade (Pepsi Cola) Phoenix , AZ

Inbetriebnahme & Wartung

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Voraussetzung Inbetriebnahme • Anlagenbetreiber (Kunde) für die Übergabe ist anwesend, ist schon übergeben • Druckprobe wurde durchgeführt (mit Luft oder Stickstoff) • Bei größeren Anlagen und Vakuumkollektoren Wetter berücksichtigen

Wartung • Sichtprüfung – Kollektoren – Solarkreis und Speicher

• Überprüfung des Frostschutzes • Kontrolle der Anlagenparameter • Betriebs- und Wartungsanleitung gemäß anlagenspezifischem Wartungsplan

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Ertragsüberwachung • Genügend Wärmemengenzähler einbauen, um Verlustgrößen des Gesamtsystems transparent zu machen • Telemonitoring- System muss aus Wirtschaftlichkeitsgründen zum Standard werden • Garantierte Erträge für Betreiber möglich; Rückerstattung bei Nichteinhaltung

Ertragsüberwachung • Alle relevanten Parameter der Anlage werden regelmäßig abgespeichert  ermöglicht eine kontinuierliche Datenaufzeichnung • Störungen werden sofort gemeldet und verhindert damit einen hohen Ertragsausfall • Zukünftige Entwicklung:

Automatische Anlagenüberwachung Sollwerte werden automatisch kontrolliert Programm greift automatisch in die Regelung ein Früherkennung von möglichen Fehlern möglich

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Telemonitoring

MĂśgliche Garantien

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Mögliche Garantien • Je nach Anbieter unterschiedlich – 10 Jahre Garantie auf Kollektoren gegen Leckagen ist Standard – Solar Keymark (EU Produkt Zertifikat) – Umweltzeichen

• SOLID – Ertragsgarantie möglich – ESCO Anlagen möglich (je nach Wirtschaftlichkeit)

Rechtsvorschriften

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Baugesetz Stmk. • Anzeigepflichtige Vorhaben: Solaranlagen bis zu einer Kollektorfläche von insgesamt 100 m² und einer Höhe von Anlagenteilen über 3,50 m

• Baubewilligungspflichtige Vorhaben: Solaranlagen über einer Kollektorfläche von insgesamt 100 m²

• Baubewilligungsfreie Vorhaben: Pufferspeicher bis 100 m³ Volumen

• Info: http://www.technik.steiermark.at/cms/ziel/58813874/DE/

Förderungen Österreich

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Förderungen für Solarwärme in Österreich • KLIEN Große Solarthermische Anlagen – Bis 50 % Zuschuss auf Investition – Einreichfrist September 2013 – www.klimafonds.gv.at

• KPC UFI – Bis 35 % Zuschuss auf Investition, rollierend – www.umweltfoerderung.at/kpc/de/home/umweltfrderun g/fr_betriebe/

• Länderförderungen – www.solarwaerme.at... –Förderungen

• Forschungsförderungsfreibetrag (10%, bis 1 Mio €)

KLIEN Große Solarthermische Anlagen • Investitionsförderung - Förderung von Anlagen zwischen 100 m und 2.000 m² • Innovationscharakter & Multiplizierbarkeit wesentlich – solare Prozesswärme in Produktionsbetrieben – solare Einspeisung in netzgebundene Wärmeversorgungen (Mikronetze, Nah- und Fernwärmenetze) – hohe solare Deckungsgrade (über 20 % am Gesamtwärmebedarf) in Gewerbe- und Dienstleistungsbetrieben – solar unterstützte Klimatisierung und deren Kombination mit solarer Warmwasseraufbereitung und Heizung in Zeiten ohne Kühlbedarf – neue Technologien und innovative Ansätze

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KLIEN Große Solarthermische Anlagen • Förderquote: 40% der UMIK (UIK minus Vergleichsanlage fossil) • Zuschläge: – 5% KMU; – 5% Innovationsbonus Begleitforschung;

• insgesamt max. € 450.000 – Solare Prozesswärme: Maßnahmen zur Prozessintegration können gefördert werden (max. 50% d. Solarsystems) – solare Klimatisierung max. 750 Tsd., auch Kühlanlage wird voll gefördert

UFI - Klimatisierung und Kühlung für Betriebe • bis zu 35 % der förderungsfähigen Kosten! Gefördert werden Adsorptions- und Absorptionskältemaschinen bis zu einer Kälteleistung von 750 kW mit Antriebsenergie aus erneuerbaren Energieträgern, industrieller Abwärme oder Fernwärme, Free CoolingSysteme sowie Prozesskälteanlagen unter Verwendung von alternativen Kältemitteln.

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UFI - Thermische Solaranlagen für Betriebe • bis zu 35 % der förderungsfähigen Kosten! Gefördert werden Solaranlagen zur Versorgung von Betriebsgebäuden mit Wärme oder Kälte. < 100 m² • •

€ 100 / m² (max 30%) Nach Umsetzung

> 100 m² • • • • • •

Max € 675 / Tonne CO2 Min 4 T/a CO2 Einsparung Vor Errichtung 20% + 5% Kombi + 5% EMAS oder UZ

Danke für die Aufmerksamkeit! S.O.L.I.D. Gesellschaft für Solarinstallation und Design mbH Puchstrasse 85, 8020 Graz, Austria CEO: Christian Holter & Franz Radovic Tel: +43 316 292840-0 Fax: +43 316 292840-28 Email: office@solid.at http://www.solid.at

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18. April 2013


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