Innovationspreis gewonnen: Ritter macht jetzt Dampf!

Ich finde wir haben in den letzten Jahren viel zu wenig mit den Leuten aus der Ritter Energie selbst geredet. Nachdem es dort aber wirklich viel zu viele gute Leute und Projekte gibt, werden wir das etwas intensivieren. Ich freue mich heute mit Christoph Bühler zu sprechen. Dem Bereichsleiter von Ritter XL Solar. Er darf sich nach kurzer Zeit schon über einen sehr renommierten Preis aus Bad Staffelstein freuen. Ritter XL Solar hat den Innovationspreis für die „Dampfanlage“ gewonnen und wir finden das ist Grund genug mit dem Bereichsleiter von Ritter XL Solar mal zu reden.

Herr Bühler, erstmals herzliche Gratulation zu diesem Innovationspreis. Können Sie uns kurz erklären, wie es zu diesem Projekt gekommen ist und was dahintersteckt?

Vielen Dank Frau Daniel, allerdings würde ich diese Gratulation gerne an meine Kollegin Frau Irmgard Bauer (Projektingenieurin Solarsysteme Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co.) und meinen Kollegen Herrn Alex Jandrey (Projektmanager Ritter XL Solar GmbH) weiterreichen, die dieses Projekt von A bis Z geplant und umgesetzt haben. Beide haben hier eine tolle Arbeit geleistet und ein weiteres Mal gezeigt, welches Know-how in unserem Unternehmen und seinen Mitarbeitern steckt und welche Möglichkeiten unsere Technologie der solaren Dampferzeugung bietet.

Das Projekt wurde initiiert durch das Fraunhofer Umsicht in Oberhausen. Der Förderantrag wurde im Jahre 2009 gestellt. Motivation für das Projekt sind der Ausbau erneuerbarer Energiequellen mit dem Ziel der CO2 Einsparung. Wir sollten nicht vergessen, dass sich alle EU Mitgliedsstaaten im Jahr 2007 verpflichtet haben, bis 2020 20% Ihres Energieverbrauchs über erneuerbare Energien bereit zu stellen, Ihre Treibhausgase im Vergleich zu 1990 um 20% zu reduzieren sowie den Primärenergieverbrauch durch Effizienz steigernde Maßnahmen ebenfalls um 20% zu reduzieren. Im Jahre 2014 wurden zudem neue Ziele für das Jahr 2030 definiert, die da heißen: 27% Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch, Senkung der Treibhausgasemissionen um 40% gegenüber dem Jahr 1990. Die Richtlinie zur Energieeffizienz wird derzeit noch ausgearbeitet.

Projektteilnehmer sind:

• Firma GEA Wiegand, Ettlingen

Konstruktion von Dampfstrahlkälteanlagen sowie Anlagenbau

• Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik an der Hochschule Karlsruhe (Kompetenz in den Bereichen Kältetechnik und Latentwärmespeicher)
• Frauenhofer Umsicht, Oberhausen

Kompetenz in den Bereichen solares Kühlen mit Dampfstrahlkältemaschinen und Kältespeicherung mit Phase Change Slurries

• Firma Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH

Lieferant der Solarkollektoren und Planung solarthermische Anlage

Das individuelle Projektziel war hierbei, eine Pilotanlage zur solarthermischen Prozessdampf- und Kaltwassererzeugung zu errichten und deren Betrieb sicherzustellen. Des Weiteren wurden in das Gesamtsystem Latentwärme- und Kältespeicher zur Sicherstellung der Dampf- und Kälteversorgung miteingebunden. Gefördert wurde die Anlage durch das BMBF (Bundesministerium für Bildung & Forschung). Das Solarsystem besteht aus knapp 400 m² was einer Leistung von ca. 200 kW entspricht, das Dampfstrahlkältesystem besteht aus Kälteanlage mit zusammen knapp 100 kW.

Dampf ist ja eigentlich nicht so ein guter Freund der Solarthermie. Andere Hersteller versuchen manchmal die Felder eher kleiner zu dimensionieren, damit die Anlagen eben nicht „in Dampf“ gehen, warum ist das bei diesen Kollektoren weniger problematisch?

Die Bildung von Dampf im Kollektor hat nichts mit der Größe der Anlage zu tun. Auch bei einem System mit einem Kollektor wird bei Stagnation Dampf entstehen, und das bei unseren wie auch in allen anderen solarthermischen Systemen. Jeder Hersteller muss sich dieses Vorgangs bewusst sein und das System entsprechend auf diesen Sachverhalt auslegen (Rohrleitung, Dämmung, Ausdehnungstechnik, etc.).

Bei unseren Standardanlagen, die zum Ziel die Erzeugung von heißem Wasser haben, kann also auch Dampf im Kollektorfeld entstehen. Allerdings nur dann, wenn auf der Verbraucherseite keine Wärme abgenommen wird. Dann gehen die Pumpen aus und in den Kollektoren entsteht Dampf, was allerdings in einem begrenzten zeitlichen Rahmen stattfindet. Bei unseren Anlagen ist das technisch kein Problem, da diese ja bekanntlich mit dem Medium Wasser betrieben werden. Wasser ist unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen und auch gegenüber Dampfbildung.

Beim Stillstand können hier im Kollektor bis zu 350°C entstehen. Frostschutzmedien wie sie in der Branche üblicherweise eingesetzt werden (Propylenglykol), können solchen Temperaturen nicht dauerhaft Stand halten. Deswegen werden im Markt oftmals unsinnig große Speicher oder Notkühlsysteme vorgesehen, um den Zustand der Stagnation und Dampfbildung zu verhindern.

D.h. also, dass nicht nur der Kollektor sondern auch das genutzte Betriebsmedium gegenüber hohen Temperaturen und Dampfbildung geeignet sein muss.

Bei der Anlage an der Universität in Karlsruhe ist nun die Besonderheit, dass Dampf bewusst und kontrolliert erzeugt wird und keinen Nebeneffekt einer Solaranlagen-Stagnation darstellt. Das geht ausschließlich mit dem Medium Wasser als Solarflüssigkeit.

Blöde Frage: Aber wie kann man sich als Laie vorstellen, dass der Dampf in der Anlage erzeugt wird?

Nun, die Austrittstemperatur einer Kollektorreihe, unabhängig dessen aus wie viel Kollektoren diese Reihe besteht, wird primär über den Volumenstrom reguliert. Zudem müssen die Parameter Einstrahlung und Druck berücksichtigt werden. Je geringer der Volumenstrom desto höher die Austrittstemperatur (bei gleicher Einstrahlungsstärke). Reguliert man diesen immer weiter herunter, so können natürlich auch Temperaturen oberhalb von 100°C entstehen. Dampf entsteht oberhalb von 100°C aber nur bei atmosphärischem Druck.

Was nun für ein Dampf erzeugt (zu welcher Temperatur und welchem Druck) wird durch den Prozess (Dampfverbraucher) vorgegeben. Es gibt auch unterschiedliche Dampfzustände (Nassdampf, Sattdampf, überhitzter Dampf, Dampf mit X °C bei Ybar, etc.). Je nach Prozessanforderung wird nun die Regelung der Anlage so eingestellt, dass in den Kollektoren der Dampfzustand generiert wird, die der Prozess dann final benötigt. Mit unseren Solarsystemen können wir Dampf von bis zu 150°C mit sehr hohen Wirkungsgraden erzeugen. Auch überhitzter Dampf mit Temperaturen von bis zu 300°C ist möglich, dann allerdings unter einer entsprechenden Reduzierung des Systemwirkungsgrades.

Bei der Anlage in Karlsruhe wird 140°C heißer Dampf bei 2,7 bar Überdruck erzeugt, um eine Dampfstrahlkältemaschine anzutreiben, und das mit einem Nutzungsgrad von ca. 40%!

Was unterscheidet diese Technologie von der herkömmlichen Solarthermietechnologie?

Wie oben bereits erwähnt unterscheidet sich die Anlage in Karlsruhe darin, dass diese kontrolliert Dampf erzeugt und kein heißes Wasser. Bei unseren Standardanlagen entsteht Dampf nur bei unzureichender Wärmeabnahme im Anlagenzustand „Stagnation“, während dem sich die Kollektoren einmalig bei ausgeschalteten Pumpen mit Dampf füllen. Bei der Anlage in Karlsruhe wird der Dampf im Betrieb kontrolliert erzeugt. Unterschiede kann es dann noch bei der Rohrleitungsdimensionierung und der Dämmung sowie der Gestaltung der Pumpen und Ausdehnungstechnik geben.

Dampferzeugung wäre mit Flachkollektoren nur bedingt möglich, weil nur ein Vakuumröhrenkollektor durch das Vakuum in den Röhren auch eine ideale Dämmung gewährleistet und damit einen sehr hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Flachkollektorsysteme arbeiten aufgrund deutlich schlechterer Wärmeverlustkoeffizienten (wesentlich größere Wärmeverluste bedingt durch schlechtere Dämmung) mit deutlich niedrigeren Wirkungsgraden und sind damit zur Dampferzeugung nicht geeignet (und wenn dann natürlich auch nur unter dem Einsatz von Wasser als Betriebsmedium).

Wichtig ist mir noch zu erwähnen, dass sich der Wirkungsgrad und damit auch der Ertragsvorteil der Wasser betriebenen CPC Vakuumröhrentechnologie nicht nur auf die Erzeugung von Dampf, sondern auch schon bei der Erzeugung von heißem Wasser deutlich herausstellt, und das auch schon bei moderaten mittleren Kollektortemperaturen von 50 … 70°C.

Der hohe Wirkungsgrad unserer Technologie ergibt auch sich dadurch, dass wir neben den minimierten Wärmeverlusten auch diffuses Licht effizient zur Erzeugung von Dampf nutzen können. Konzentrierende Systeme können hier nur die direkte Strahlung nutzen, was wiederum das nutzbare Strahlungsaufkommen in Deutschland schon auf ca. 60% reduziert.

Aufgrund der minimierten Wärmeverluste der CPC VR Technologie als auch aufgrund der Nutzung der diffusen Strahlung erreichen wir auch noch bei der Dampferzeugung Jahres-Nutzungsgrad (Erzeugte Wärmemenge / Strahlungsenergie auf die Kollektorfläche) von bis zu 40% ! Und das bei deutlich reduziertem Betriebsstrom.

Welche neuen Anwendungsfelder eröffnen sich durch diese Technologie?

2% der Endenergie in Deutschland werden als Dampf benötigt (~ 200 PJ/Jahr). Durch die Möglichkeit der kontrollierten Dampferzeugung könnten wir dieses Potential in der Zukunft angehen. Kurzfristig werden wir uns allerdings auf Anlagen zur Bereitung von heißem Wasser anstatt Dampf konzentrieren, weil hier schneller zu hebendes Potential liegt, was auf die wirtschaftliche Darstellung der Anlagen zurück zu führen ist. Um solche Dampf erzeugenden Anlagen wirtschaftlich attraktiv darstellen zu können, muss der Preis für Wärme erst noch ansteigen.

Was waren die größten Herausforderungen bei der Entwicklung?

Ein Projekt dieser Art hat es bis dato noch nicht gegeben, also mit solarthermischer Anlage zur Dampferzeugung im Verbund mit einem Dampfstrahlkältesystem und dem Einsatz von Latentwärmespeichern. Das bringt eine nicht unerhebliche Systemkomplexität mit sich. Alle besagten Komponenten mussten zu einem aufeinander abgestimmten System zusammengefügt werden. Eine am Markt verfügbare Standardregelung ist hier natürlich auch nicht verfügbar gewesen. Es mussten alle relevanten Schnittstellen definiert und ein Systemübergreifendes Regelungskonzept entwickelt werden. Zudem mussten alle Besonderheiten berücksichtigt werden, die das Thema Dampf eben mit sich bringt. Solar erzeugter Dampf im Kollektor muss natürlich auch als solcher noch bei der Kältemaschine ankommen. Das bedingt zum Beispiel auch eine entsprechend gut gedämmte Vorlaufleitung um die Wärmeverluste so gering als möglich zu halten. Effiziente Einzelkomponenten allein reichen hier also nicht aus. Nur wenn alle Besonderheiten einer jede Komponente berücksichtigt werden kann am Schluss ein effizientes Gesamtsystem herauskommen.

Wann wird das Produkt „serienreif“ sein?

Die Anlage zur Dampferzeugung wird über eine eigens für dieses Projekt entwickelte SPS Steuerung geregelt. Sicherlich wäre diese Regelungstechnik auch standardisier bar, was allerdings nicht kurzfristig vorgesehen ist. Unser Hauptgeschäft sind Heißwasseranlagen bis ca. 120°C. Dampfanlagen sind bei den aktuellen Energiepreisen wirtschaftlich schwer darstellbar. Daher wird eine Entwicklung zur Serienreife aktuell auch nicht weiter vorangetrieben.

Was sind Ihre Pläne? Wo sehen Sie die größten Chancen?

Ich denke, dass der langfristige Erfolg eines Unternehmens von mehreren Faktoren abhängt.

Da ist zum einen die Standardisierung der Solaranlagen zur Dampferzeugung, um den individuellen Planungsaufwand kontinuierlich zu reduzieren und die Komplexität für den Kunden zu minimieren. Hier haben wir bereits erhebliche Fortschritte erzielt.

Zum anderen wollen wir gezielt verschiedene Anlagengrößen vorantreiben. Nicht jede Großanlage wird über denselben Vertriebskanal vertrieben und einen Innovationspreis erhalten. Wir sehen hier noch große Chancen in allen Anlagengrößen, denen wir uns individuell nähern wollen.

Flexibilität ist ein wichtiges Thema. Der Kunde hat oft ein Energieproblem, dieses wollen wir lösen. Das kann der Kauf einer solarthermischen Anlage sein, aber auch eine andere Lösung, eine andere Dienstleistung. Hier sind wir bereits am Entwickeln entsprechender Lösungen. Mehr möchte ich an dieser Stelle aber noch nicht verraten.

Wer ist Ihr perfekter Kunde, bzw. wer sollte sich sofort bei Ihnen melden?

Ein Kunde, der Wärme benötigt, so einfach ist das. Die Ritter Energie liefert effiziente und nachhaltige Lösungen für den Kunden, seine Wärme bereitzustellen. Für die solarthermische Anlage ist aus wirtschaftlichen Aspekten natürlich immer von Vorteil, wenn der Kunde auch Wärme im Sommer benötigt. Dann haben wir die richtige Lösung für ihn.

Wie immer am Ende des Interviews: Ihr Wunsch an das solare Christkind. Was braucht die Branche um wieder zu wachsen?

Eine intelligente und langfristig ausgelegte Energiepolitik, und das nicht nur für die solarthermische Branche. Für alle in der Energiebranche tätigen Unternehmen ist Planbarkeit wichtig, das hat die deutsche Energiepolitik bis zum heutigen Tage einfach nicht erreicht, das muss man leider in dieser Deutlichkeit feststellen. Die Lösung der Energiewende liegt im Zusammenspiel vieler Technologien, das bedingt ein entsprechend abgestimmtes Fördersystem, auf das wir auch bis zum heutigen Tage warten.

Für die Branche selbst wünsche ich mir auch eine höhere Transparenz und Vergleichbarkeit der Technologien, die wir auch weiterhin mit allen uns zur Verfügung stehenden Mitteln vorantreiben werden, dazu gehört auch in großem Maße die Förderung des Ertrags, und nicht der Fläche, was wir zumindest schon im Ansatz in den neuen Förderrichtlinien der Bafa und der kfW umsetzen konnten.