Solarthermie in der Industrie

Solarthermie in der Industrie

Solarthermie nutzt Sonne als Primärenergiequelle und wandelt ihre Strahlung in Wärme um. Damit ist sie insbesondere von Photovoltaik abzugrenzen, welche die Sonnenenergie direkt in elektrischen Strom umwandelt.

Der Inhalt dieser Publikation entstand im Rahmen der Arbeit des Industriepakts. Es wird damit die Diskussion im Industriepakt abgebildet, wobei dies nicht zwingend die Position einzelner IN4climate.NRW-Partner oder des Ministeriums für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen wiedergibt.

Technologie-Übersicht: nichtkonzentrierende und konzentrierende Solarthermie

Neben konzentrierenden Systemen, die die Direktstrahlung der Sonne mit Reflektoren bündeln, existieren auch nicht-konzentrierende Systeme, die die Strahlung ohne Aufkonzentrierung direkt absorbieren. Erstere werden auch CSP (Concentrated Solar Power) oder CST (Concentrated Solar Thermal, siehe Bild links) genannt, letztere umfassen Flachkollektoren oder Vakuumröhren (siehe Blid rechts).

Konzentrierende Parabolrinnen zur Bereitstellung von Wärme

Vakuumröhrenkollektoren zur Bereitstellung von Wärme

Anwendungsfelder

Die möglichen Anwendungsfelder sind je nach Kollektortyp breit gefächert. Flachkollektoren oder Vakuumröhren ermöglichen die Warmwassererzeugung im Haushaltsbereich sowie die Versorgung von Wärmenetzen. Mittels Parabolrinnensystemen kann in Kombination mit Tages- oder Saisonalspeichern darüber hinaus sowohl die Bereitstellung von Nah- und Fernwärme als auch die Prozesswärmeerzeugung zur industriellen Anwendung bis zu 430 °C1 erfolgen (siehe Abschnitt „Hybridisierungsmöglichkeiten“).

Abgrenzung zu Photovoltaik (PV)

PV mit EEG Umlage

PV ohne EEG Umlage

Parabolrinne Maximalkosten

PV Maximalkosten

PV Maximalkosten + EEG-Umlage

Parabolrinne Minimalkosten

PV Minimalkosten

PV Minimalkosten + EEG-Umlage

Mittlere Betriebstemperatur in [°C]

Abb. 1: Vergleich der Wärmegestehungskosten von Solarthermie oder PV in Kombination mit Elektrodenheizer (Standort Potsdam)

Kennzahlen3

Flächenbedarf und Wirkungsgrad5 Abhängig von Aufstellung, Kollektortemperatur und Einstrahlung

Investitionskosten5 [€/m2]

Neigungswinkel [°] 25 – 45 25 – 45 –

Abb. 2: Gegenüberstellung relevanter Kennzahlen verschiedener Kollektortypen

Im Unterschied zu PV-Anlagen wird mit Solarthermie die Sonnenergie nicht in Strom umgewandelt, sondern primär Wärme bereitgestellt. Je nach Anwendung bzw. Bedarf (Wärme oder Strom) kann somit die Nutzung von PV oder von Solarthermie zu bevorzugen sein. Bei dem hier betrachteten Fall zur Prozesswärmebereitstellung ist die direkte Wärmeproduktion mittels Solarthermie vorteilhaft, auch aufgrund der deutlich höheren Flächeneffizienz solarthermischer Anlagen. Ein Vergleich der Wärmegestehungskosten für die Produktion von Wärme mittels Solarthermie oder mittels PV in Kombination mit Elektrodenheizer findet sich in Abb. 1 für den Standort Potsdam.2

Die Wärmegestehungskosten (engl. Levelized Cost of Heat, LCOH) bieten einen nach der Kapitalwertmethode berechneten Vergleichspreis für die Erzeugung von Wärme. Je nach gewünschtem Betriebstemperatur bereich sowie den spezifischen Investitionskosten ergeben sich für die drei Kollektortypen unterschiedliche Wärmegestehungskosten (siehe Abb. 3).3

Vakuumröhren,

Abb. 3: Abhängigkeit der Wärmegestehungskosten von der Betriebstemperatur für verschiedene Kollektortypen

Anwendungsbeispiele für konzentrierende Solarthermie

Antwerpen (Belgien), Chemie ADPO –Chemikalien-Distributeur a Leistung der Solaranlage: 0,5 MW a Produzierte Solarwärme: 0,47 GWh/a a Spiegelfläche: 1.107 m²

Oostende (Belgien), Proviron –Hersteller chemischer Produkte a Leistung der Solaranlage: 0,5 MW a Produzierte Solarwärme: 0,47 GWh/a a Spiegelfläche: 1.107 m²

Sevilla (Spanien), Heineken Brauerei a Leistung der Solaranlage: 30 MW a Produzierte Solarwärme: 30 GWh/a a Spiegelfläche: 43.414 m²

Turnhout (Belgien), Verpackungsmittelhersteller a Leistung der Solaranlage: 2,5 MW a Produzierte Solarwärme 2,7 GWh/a a Spiegelfläche 5.540 m²

Weitere Projekte finden sich z.B. unter www.solare-waermenetze.de

Kollektortypen

Diese Auflistung beinhaltet die am häufigsten vertretenen Typen an konzentrierenden und nichtkonzentrierenden Kollektoren. Weitere finden sich z. B. unter www.solar-payback.com.

Konzentrierende Solarthermie4

PARABOLRINNE

Abb. 4: Parabolrinne

Reflektor

Absorberrohr

Solarfeldverrohrung

LINEAR-FRESNEL-REFLEKTOR (LFR)

Parabolrinnenkraftwerke sind die bisher kommerziell am häufigsten realisierte Variante unter den konzentrierenden Technologien und können sowohl zur Prozesswärmebereitstellung als auch zur Stromproduktion eingesetzt werden. Parabolisch geformte Spiegel fokussieren das Licht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr, in dem i. d. R. ein spezielles Thermoöl die Wärme aufnimmt. Die aktuell kommerziell eingesetzten Thermoöle erlauben eine Betriebstemperatur bis 430 °C. Weitere Wärmeträgermedien sind Wasser, Dampf oder flüssiges Salzfluid. Die Kollektoren sind bis zu sieben Meter breit, bis zu 200 m lang und werden mit Hilfe einer hydraulischen Antriebseinheit der Sonne nachgeführt.

Sekundärreflektor

Absorberrohr

Konkav gewölbter Spiegel (Hohlspiegel)

Abb. 5: Linear-Fresnel-Reflektor (LFR)

Fresnel-Kollektoren arbeiten ähnlich wie Parabolrinnen und können zur Wärmebereitstellung in einem niedrigeren Temperaturbereich genutzt werden. Die Spiegelfläche ist in langgestreckte, horizontal angeordnete und einzeln nachgeführte Facetten zerlegt, in deren Mitte das Absorberrohr ortsfest installiert ist. Wegen der geringen Windlasten können diese Kollektoren auf Flachdächern aufgestellt werden. Dem aufgrund der Kollektorgeometrie geringeren optischen Wirkungsgrad stehen rund 20 Prozent niedrigere Kollektorkosten als bei Parabolrinnen gegenüber.

SOLARTURM

Receiver

Heliostate

Abb. 8: Solarturm

Nicht-konzentrierende Solarthermie5 6

NIEDERTEMPERATUR-ABSORBER

Abb. 6: Niedertemperatur-Absorber

STANDARDFLACHKOLLEKTOR

VAKUUMFLACHKOLLEKTOR

Abb. 7: Flachkollektoren

LUFTKOLLEKTOR

Abb. 8: Luftkollektoren

Kältemittel3,7

Bei Solarturmkraftwerken lenken nachgeführte Spiegel (Heliostate mit bis zu 200 m² Fläche) die Sonnenstrahlung auf einen zentralen Strahlungsempfänger (Receiver), der auf einem Turm angebracht ist. Mehrere tausend im Halbkreis oder kreisförmig angeordnete Heliostate erzeugen so am Receiver Temperaturen von über 1000 °C. In der Praxis werden die Anlagen je nach eingesetztem Wärmeträgermedium bei circa 300 bis 700 °C betrieben. In der Regel werden Solarturmkraftwerke zur Stromproduktion eingesetzt.

Niedertemperatur-Absorber nutzen Absorbermatten aus Kunststoff oder Edelstahl, um das Solarfluid auf bis zu 40 °C zu erwärmen.

Bei Flachkollektoren ist der metallische Absorber zwischen einer transparenten Abdeckung und einer Wärmedämmung eingefasst. In Abhängigkeit von der Bauart können Nutztemperaturen bis 100 °C effizient bereitgestellt werden. Das Spektrum reicht von Kompaktmodulen von 2 m² bis hin zu Großflächenkollektoren mit 10-12 m².

Luftkollektoren: Sowohl die Flachkollektoren als auch die Vakuumröhrenkollektoren können direkt mit Luft durchströmt werden und so auf ein flüssiges Wärmeträgermedium verzichten. Diese Ausführungen eignen sich besonders für Trocknungsanwendungen.

Bei Vakuumröhrenkollektoren werden durch ein außen angelegtes Vakuum die Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung deutlich reduziert. Dies ermöglicht bei höheren Temperaturen teils deutlich höhere Erträge. Kollektoren mit einem rückseitigen Spiegel (CPC-Kollektor) können Temperaturen bis zu 130 °C erreichen.

STANDARDRÖHRE

Abb. 9: Vakuumröhrenkollektoren

Jahresertrag in kWh/(m2*a)

In Deutschland erzielbare Temperaturbereiche3 Parabolrinne

Flachkollektor

Vakuumröhre mit CPC

Mittlere Kollektorbetriebstemperatur in °C

Abb. 10: Mittlere Kollektorbetriebstemperatur in °C

Tages- und Jahresertrag3

Parabolrinne

Flachkollektor

Je nach Kollektortyp lassen sich in Abhängigkeit von der gewünschten Betriebstemperatur unterschiedliche Jahreserträge erzielen. Im niedrigen Temperaturbereich < 100 °C sind mit Flach- respektive Vakuumröhren höhere spezifische Jahreserträge realisierbar, bei höheren Temperaturen bieten Parabolrinnensysteme höhere Ausbeuten. Konzentrierende Systeme erreichen dabei auch in Mitteleuropa trotz der geringeren Direktstrahlung im Vergleich zu Südeuropa höhere Jahresertragswerte als herkömmliche Systeme. Demgegenüber stehen die je nach Anlagengröße möglicherweise höheren Investitionskosten der CSTAnlagen (siehe Abschnitt „Kennzahlen“). Abb. 13 bildet die Jahreserträge in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur für den Standort Potsdam ab.

Vakuumröhre mit CPC

Aufgrund des Schattenwurfes des Absorberrohres weisen die idealerweise nach Nord-Süd ausgerichteten Parabolsysteme eine Leistungsminderung zur Tagesmitte auf, während bei einer Ausrichtung nach Ost-West zu dieser Zeit das Leistungsmaximum erreicht wird. Der Zeitpunkt mit maximaler Leistung unterscheidet sich entsprechend je nach Ausrichtung, die oft an Grundstücke angepasst werden muss. Eine Ausrichtung mit Nord-Süd-Achse optimiert somit den Jahresertrag, eine mit Ost-West-Achse erreicht eine bessere Verteilung der Wärme über das Jahr.

Flachkollektor

Vakuumröhre mit CPC

Generell ermöglicht die automatische Nachführung von Parabollrinnen zur Sonnenposition im Vergleich zu den anderen Kollektortypen ein früheres Erreichen und längeres Halten des Leistungsniveaus sowie zusätzlich die Regelung der Wärmeerzeugung. Der Jahresgang unterscheidet sich lediglich hinsichtlich des maximalen Ertrags, die monatliche Verteilung ist bei allen Systemen ähnlich. Naturgemäß wird das Maximum in den Sommermonaten erreicht.

Hybridisierungsmöglichkeiten

Eine wichtige Komponente solarthermischer Wärmeerzeugung ist der Wärmespeicher. Im Hochtemperaturbereich werden meist Zweitank-Systeme mit Flüssigsalz als Speichermedium eingesetzt. Diese dienen normalerweise der (Mehr-)Tagesspeicherung. Im niedrigeren Temperaturbereich < 100 °C sind (Druck-)Wasserspeicher sowie, insbesondere in Dänemark, wasserhaltige Erdbeckenwärmespeicher (Pit Thermal Energy Storage, PTES) als Saisonalspeicher etabliert. Hier bietet sich die Kombination mit Wärmepumpen an, um die Nutztemperatur auf ein höheres Niveau zu heben.

Eine weitere Nutzungsmöglichkeit liegt in der Kälteerzeugung durch Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen. Diese Nutzung bietet sich hinsichtlich des Jahresertrags (siehe Abschnitt „Tages – und Jahresertrag“) an, da meist insbesondere im Sommer ein höherer Kältebedarf besteht.

Darüber hinaus ist auch die Elektrifizierung der Wärme möglich. Aufgrund des niedrigeren Wirkungsgrades in Deutschland ist hier jedoch meist die direkte Stromerzeugung aus Sonnenenergie mithilfe von Photovoltaik zu bevorzugen. Wärme lässt sich zudem einfacher und kostengünstiger speichern als Strom.

Bezugsquellen

Über die Seite www.solar-payback.com lassen sich weltweit Anbieter verschiedener Kollektortypen finden. Außerdem listet die Seite des Deutschen Industrieverbands Concentrated Solar Power (DCSP) unter www.deutsche-csp.com/mitglieder einige Anbieter für CSP-Technologien auf.

Eine Übersicht der im Rahmen der Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz förderfähigen Kollektoren und Solaranlagen findet sich unter www.bafa.de

Abb. 12: Monatsertrag in kWh/m2

Technologie-Implementierung: Konzentrierende Solarthermie

Im Rahmen des Industriepakts sind Technologien zur Prozesswärmeerzeugung von besonderer Relevanz, daher werden im Folgenden wichtige Aspekte bei der Implementierung solarthermischer Anlagen in industriellen Prozessen behandelt. Aufgrund des geringeren Bekanntheitsgrads, der höheren Komplexität sowie der erzielbaren Temperaturen beziehen sich die nachfolgenden Angaben primär auf konzentrierende Kollektoren. Viele der aufgeführten Aspekte sind jedoch auch für nicht-konzentrierende Kollektoren relevant und sollten beachtet werden.

Umsetzungsstrategie

Für die Auslegung einer solarthermischen Anlage zur Prozesswärmebereitstellung müssen zunächst u. a. diese Daten erhoben werden:

a Wärmemengen und zugehörige Temperaturangaben

a Stündliche Wärmebedarfskurven über ein Jahr

a Wärmeschaltbild

a Bedarfe wie z. B. elektrische Kühlung und Hallen-/Gebäudeheizung.

Darüber hinaus müssen mögliche Grundstücke in max. 3 km Entfernung und unter Berücksichtigung folgender Punkte identifiziert werden:

a Lageplan und Liegenschaftskarten

a Möglicher Energieübergabepunkt

a Behördliche Vorgaben der Liegenschaften

a Ausrichtung der Liegenschaft

Dabei ist zu beachten, dass eine Aufständerung mit Co-Nutzung (landwirtschaftlich oder infrastrukturell) möglich ist, wodurch sich das Angebot an Liegenschaften möglicherweise erweitern lässt (siehe Abschnitt „Akzeptanz“).

Anhand dieser Angaben sowie der öffentlich verfügbaren Daten zur Sonneneinstrahlung können Anbieter von solarthermischen Kollektoren (siehe Abschnitt „Bezugsquellen“) eine Erstauslegung (Basic Engineering) durchführen.

Es bietet sich an, an dieser Stelle mögliche weitere Abnehmer in der Nachbarschaft, d. h. weitere Industrieunternehmen, Fern- und Nahwärmenetze, zu identifizieren und zu kontaktieren, um ggf. gemeinsam eine größere Anlage mit geringeren Wärmegestehungskosten zu ermöglichen (Cluster-Bildung). In diesem Zusammenhang muss auch die Einbindung von Saisonal- oder Tagesspeichern sowie die Nutzung von Wärmepumpen mitbedacht werden (siehe Abschnitt „Hybridisierungsmöglichkeiten“).

Check-Liste

a Daten sammeln

a Cluster bilden

a Fläche(n) identifizieren

a Hersteller kontaktieren

a Basic Engineering mit Verfahrensvarianten

a Fördermittel identifizieren

a Detailed Engineering der bevorzugten Variante

a (Bau-) Genehmigungen einholen

Fördermöglichkeiten

Ressourcen

Zur Einbindung solarthermischer Anlagen in einen Produktionsprozess werden zahlreiche Ressourcen benötigt. Besonders relevante Punkte sind:

a die notwendige Fläche für die Anlage selbst, aber auch für Infrastruktur, Speicher und ggf. das benötigte Leitungsnetz zum Anschluss abgelegener Liegenschaften,

a die Investitionskosten zur Errichtung der Anlage (siehe Abschnitt „Fördermöglichkeiten“),

a die Operational Expenditures (OPEX)-Kosten zum Betrieb der Anlagen,

a Beratungsunternehmen,

a Fachfirmen zur Auslegung der Anlagen und

a Baumaterialien und Bauunternehmen.

Das Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie (MWIKE) fördert über das NRW-Landesprogramm „progres.nrw“ umfangreiche Fördermaßnahmen.

Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) bietet über das Programm „Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft“ ebenfalls Fördermaßnahmen unter www.bafa.de

Darüber hinausgehende sowie teilweise zu diesen Förderprogrammen passende Kreditangebote bietet die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) unter www.kfw.de

Ein weiteres passendes Kreditangebot gibt es von der NRW.Bank unter www.nrwbank.de.

Eine aktuelle Übersicht über alle Fördermöglichkeiten findet sich unter www.foerderdatenbank.de

Einschränkungen

a Ungenügende Dachlasten sowie Dächer, die nicht auf die auftretenden Windlasten ausgerichtet sind.

Lösungsansätze

a Die Anlagen lassen sich aufständern. Ggf. das Dach für PV-Anlagen nutzen und die Solarthermieanlagen in benachbarte Flächen auslagern.

a Nutzungsprofil und Erzeugungsprofil divergieren. a Produktionsprozess zeitlich anpassen, so dass mehr im Sommer/tagsüber produziert wird.

a Saisonal- und Tagesspeicher nutzen.

a Flächenverfügbarkeit ist nicht gegeben.

a Aufständern und Co-Nutzung. Insbesondere die landwirtschaftliche Nutzung unter den Systemen (Vieh, Acker, Weinbau etc.) sowie das Aufständern über industrielle Nutzflächen (Parkplätze, Zuwegungen etc.) bieten viele Möglichkeiten.

a Suchradius für Flächen auf 3 km erhöhen.

a Flächen pachten.

a Fehlende Akzeptanz durch Unwissenheit beteiligter Akteure. a Round-Table mit allen Akteuren (Projektpartner und relevante Ämter) einrichten.

a Fehlender Platz für Speicher.

a Betonspeicher/Feststoffspeicher und darüber die Parabolrinnen aufständern.

Akzeptanz

Ein Großteil der Vorbehalte gegen die Technologie ist auf Informationsdefizite zurückzuführen. So existieren

Fehlinformationen hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften der Kollektoren, bspw. im Kontakt mit Genehmigungsbehörden oder Grundbesitzern, deren Land angefragt wird. Ein häufig genannter Kritikpunkt liegt bei der Kollektortemperatur. Allerdings werden die Kollektoren entgegen einigen Befürchtungen auch im Sommer nicht so heiß, dass bei Kontakt außerhalb des Brennpunkts Verletzungen auftreten können, da die Strahlung in das Absorberrohr geleitet wird. Gleichermaßen sorgt diese Bündelung dafür, dass keine umfassende Reflektion des Sonnenlichts auftreten kann, sodass z. B. keine Beeinträchtigungen in Einflugschneisen oder der Nachbarschaft erfolgen kann.

Zur Erhöhung der Akzeptanz müssen die Informationen gemeinsam mit den positiven Aspekten der Technologie in der Kommunikation mit allen Stakeholdern über Informationskampagnen vermittelt werden. Zu den positiven Aspekten gehört auch die mögliche Nutzung der Rinnen zum Auffangen von Niederschlägen. Ebenso ergeben sich aufgrund der dem Sonnenverlauf folgenden Spiegelausrichtung potenzielle Vorteile bei der landwirtschaftlichen Nutzung des darunterliegenden Geländes durch den sich verändernden Schattenwurf.

Multiplikatoren/Promotoren

Um die Implementierung einer solarthermischen Anlage zu beschleunigen, können mehrere Strategien verfolgt werden. Als besonders hilfreich hat sich die Einrichtung eines „Round Table“ erwiesen, an dem alle Stakeholder und insbesondere auch alle zu berücksichtigen Ämter teilnehmen. Auch die Einbindung von Stadtwerken und von Nah- und Fernwärmenetzbetreibern hilft dabei, Informationsdefizite schnell zu beheben.

Eine weitere Möglichkeit liegt in der Einbindung von regionalen oder kommunalen Entwicklungs- und Wirtschaftsförderungsgesellschaften sowie von Verbänden.

Innerbetriebliche Widerstände lassen sich ggf. durch das Aufzeigen kundenseitlicher Dekarbonisierungsanfragen beheben.

Quellenangaben

1 Expertenbefragung (DLR, DCSP) Stand Juni 2023

2 www.dlr.de

3 elib.dlr.de

4 www.dlr.de

5 www.solare-prozesswärme.info

6 www.e-genius.at

Kontakt

industriewaerme@energy4climate.nrw industriepakt@energy4climate.nrw

Diese Publikation entstand im Rahmen des Industriepakts. Sie dient der Orientierung, erhebt aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Richtigkeit. Der Industriepakt ist Teil der Landesinitiative IN4climate.NRW. IN4climate.NRW ist als Initiative der Landesregierung Nordrhein-Westfalens eine zentrale Arbeitsplattform rund um Klimaneutralität in der Industrie. Unter dem Dach der Landesgesellschaft für Energie und Klimaschutz NRW.Energy4Climate bringt der Thinktank Wirtschaft, Wissenschaft und Politik zusammen, um die klimaneutrale Transformation der produzierenden Branchen voranzutreiben. Mittlerweile engagieren sich mehr als 70 Industriepartner in verschiedenen Arbeitsformaten in der Bearbeitung der zentralen Transformationsthemen.

IN4climate.NRW lebt von der Diskussion und den verschiedenen Standpunkten der beteiligten Unternehmen, Verbände und Forschungseinrichtungen. Diese Diskussionen werden in unterschiedliche Arbeitsprodukte überführt und können innerhalb von Arbeitsgremien der Initiative von einzelnen Mitgliedern zur Veröffentlichung ausformuliert werden. Die Geschäftsstelle von IN4climate.NRW stellt Transparenz und Beteiligungsmöglichkeiten sicher.

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Stand: 3/2024

Bildnachweis:

Titel: NRW.Energy4Climate Seite 2: NRW.Energy4Climate Seite 2: NRW.Energy4Climate