Solarthermie als Prozesswärme, Teil 2 – Potenziale

Kölner Verkehrsbetriebe Solare Prozesswaerrme

Ich rede derzeit hier auf dem Blog über Prozesswärme im Allgemeinen und solare Prozesswärme im Besonderen. Mit dem vorliegenden Teil 2 meiner kleinen Reihe zeige ich euch das Potential von Solarthermie als Prozesswärme auf. Schaut her, was Solarthermie in Gewerbe und Industrie alles kann!

Ich beziehe mich im Folgenden vor allem auf die kürzlich veröffentlichte Analyse „Solare Prozesswärme“ des BINE Informationsdienstes. Ihr könnt euch das Info-Papier (8 Kapitel) hier aus dem Internet herunterladen.

Allgemeines Einsatzpotential von Solarwärme

Werfen wir zunächst auf die grundsätzlichen Einsatzmöglichkeiten von Solarthermie:

  • Da wäre zuerst zu nennen, dass die Technologie Solarthermie solare Wärme für die Heizung und die Bereitung von Warmwasser in Wohngebäuden liefert. Die BINE-Analyse schreibt diesem Einsatz einen Anteil von 90 Prozent aller Solarthermie-Anlagen zu (Stand 2015).
  • Des Weiteren gehören demnach die Einbindung von Solarthermie-Anlagen in Nah- und Fernwärmenetze,
  • die solare Klimatisierung
  • und eben die hier im Fokus stehende solare Prozesswärme für Industrie und Gewerbe zu den Einsatzmöglichkeiten.

Potential solarer Prozesswärme

Laut den Autoren der BINE-Analyse würden rund drei Viertel des Endenergieverbrauchs der Industrie in Deutschland für Prozess- und Raumwärme anfallen. Vor allem im Niedertemperaturbereich böten sich demnach sowohl im industriellen Sektor als auch im Sektor Gewerbe, Handel & Dienstleistung vielfältige Einsatzgebiete für Solarthermie.

Welche Vorteile bringt solare Prozesswärme?

Die beiden Pluspunkte, die der Einsatz von Solarthermie Unternehmen bringt, seien laut BINE diese:

  • Energiekostenersparnis (langfristig)
  • und Verbesserung der CO2-Bilanz

Wobei angemerkt wird, dass die Antwort auf die Frage, inwiefern mit einer Solarthermie-Anlage Kosten eingespart werden könnten, von vielen Faktoren abhänge, darunter:

  • vom Umfang der Maßnahmen,
  • von den gewählten Techniken
  • und von der künftigen Entwicklung der Energiepreise.

Sicher sei, dass eine Solarthermie-Anlage zur Reduktion des CO2-Ausstoßes beitrage.

Welche Voraussetzungen müssen für solare Prozesswärme erfüllt sein?

Wichtig: Weil sich Wärme nicht verlustarm über weite Strecken transportieren lasse, würden sich laut BINE zur Nutzung solarer Prozesswärme nur die Standorte eignen,

  • wo günstige Einstrahlbedingungen herrschen würden
  • und wo ausreichend Platz für Solarthermie-Kollektoren sei.

In Zeiten geringer solarer Einstrahlung müssten dann konventionelle Wärmeerzeugungs-Anlagen den Wärmebedarf komplett decken können. Diese Voraussetzungen für solare Prozesswärme sprächen demnach vor allem für Unternehmen mit reinem Tagesbetrieb und mit Prozessen, für die eine vergleichsweise geringe Temperatur erforderlich sei.

Deshalb sehen die BINE-Analysten insbesondere die Lebensmittelindustrie als ein Einsatzgebiet für Solarthermie mit ordentlichem Potential.

Wann rechnet sich solare Prozesswärme?

Der Anspruch, CO2-Emissionen in Industrie und Gewerbe langfristig zu reduzieren, impliziere, dass in diesen Sektoren

  • einerseits der Wärmebedarf sinken
  • und andererseits der Einsatz erneuerbarer Energien zunehmen

müsse. Die Unternehmen hätten daher zunächst zu prüfen, ob es Sinn mache, Maßnahmen zur Effizienzsteigerung oder Wärmerückgewinnung zu ergreifen. Zum Beispiel falle in Produktionshallen und Werkstätten häufig Abwärme an, schreiben die BINE-Analysten, die man für Heiz- oder Trocknungszwecke wiederverwenden könne. Erneuerbare Energien könnten demnach eine Menge industrieller Abläufe fördern. Zugleich eröffne solare Prozesswärme vielfältige Wege, um den Bedarf an fossilen Energieträgern zu senken.

Wichtig: Solare Prozesswärme rechne sich laut BINE insbesondere dann gut, wenn

  • Temperaturen unter 100 Grad Celsius gebraucht würden,
  • sich keine Abwärme nutzen lasse
  • und der Wärmebedarf – zumindest in den sonnenreichen Monaten April bis September – vergleichsweise konstant sei.

Wärmebedarf der Sektoren Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen begründet theoretisches Potential von Solarthermie

Das theoretische Potenzial für den Einsatz von Solarthermie könne man am Wärmebedarf der einzelnen Sektoren ablesen: Spitzenreiter sei hier der Sektor Industrie, der 73 Prozent der Endenergie für Wärme benötige. Ihm folge der Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD) mit 55 Prozent.

Allerdings, so heißt es im BINE-Infopapier weiter, reiche es nicht, nur auf den Bedarf an Prozesswärme und Raumwärme zu schauen, wenn man Potentiale für solare Prozesswärme identifizieren wolle. Ein wesentliches Auswahlkriterium sei demnach auch das benötigte Temperaturniveau. Für den technologisch realisierbaren Temperaturbereich von maximal 300 Grad Celsius könne solare Prozesswärme nach Berechnungen der Universität Kassel rund 3,5 Prozent des industriellen Wärmebedarfs decken. Dies entspreche etwa 16 Terrawatt jährlich (TWh/a). Eine solche Wärmemenge könnte, vorausgesetzt, der jährliche Systemertrag betrage im Schnitt 400 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/(m2a)) –  von einer rund 40 Millionen m² großen Kollektorfläche geliefert werden. Zum Vergleich: Diese Fläche entspreche in etwa 5.600 Fußballfeldern. Weil die Direktstrahlung in Deutschland vergleichsweise gering sei, konzentriere man sich hierzulande jedoch auf den Temperaturbereich unter 150 Grad Celsius.

Im GHD-Sektor gebe es laut der BINE-Info kaum Prozesse, die Hochtemperaturen bräuchten. Das spreche dafür, dass ein wesentlich größerer Anteil des Wärmebedarfs als bislang – zumindest theoretisch – mit Solarwärme gedeckt werden könne. Mit einer Kollektorfläche von gut 100 Millionen m2 (zum Vergleich: derzeit sei in Deutschland eine Kollektorfläche von etwa 20 Millionen m2installiert) könnte die Solarthermie in diesem Sektor Schätzungen der Uni Kassel zufolge 40 TWh/a Prozesswärme zur Verfügung stellen. Aber: Im Unterschied zum Sektor Industrie sei der Wärmebedarf im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen  deutlich stärker saisonal geprägt. Der Grund dafür: Der Anteil des Raumwärmebedarfs sei größer. Im Sommer reduziere sich der Wärmebedarf entsprechend.

Prozesse mit Wärmebedarf unter 100 Grad seien demnach besonders gut geeignet, um Solarwärme zu nutzen. Temperaturen dieses Niveaus seien für viele Abläufe in Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistung nötig, darunter:

  • das Aufwärmen von sogenanntem Kesselspeise- oder Kesselzusatzwasser, mit dem industrielle Prozesse beheizt würden,
  • sowie das Waschen, Reinigen oder Trocknen.

Ein signifikanter Teil des Niedertemperaturwärmebedarfs ließe sich demnach an Anlagen der Raumlufttechnik festmachen. Diese kämen laut BINE in diversen Branchen zum Einsatz, um Produktionsbedingungen zu garantieren, für die eine bestimmte Luftfeuchte und Temperatur vorgegeben seien. Grundsätzlich könnten die Prozesstemperaturen jedoch in Abhängigkeit von der  Branche und hergestelltem, verarbeitetem oder veredeltem Produkt stark differieren.

Großes Potential für solare Prozesswärme in der Lebensmittelindustrie

Verglichen mit anderen Industriesektoren sei der BINE-Analyse zufolge der Wärmebedarf in der  Chemie- und der Lebensmittelindustrie besonders hoch. Auf dieser Tatsache begründe sich das Potential für den Einsatz solarer Prozesswärme. Allerdings fielen bei der chemischen Industrie mehr als 60 Prozent des Wärmebedarfs oberhalb einer Temperatur von 500 Grad Celsius an. Daher gebe es dort bedeutende Abwärmemengen, die sich für Niedertemperaturprozesse wiederverwenden ließen – was das Potential für Solarthermie einschränke. Aus diesem Grund sei die Lebensmittelindustrie die vielversprechendste Branche für die Nutzung solarer Prozesswärme. Die relativ hohe Zahl bisher weltweit eingesetzter Solarthermie-Anlagen zur Wärmelieferung für die Herstellung und / oder Verarbeitung von Lebensmitteln würde das bestätigen.

Die meisten Prozesse bei Herstellen und / oder Verarbeiten von Lebensmitteln fänden laut BINE bei Temperatur von unter 100 Grad Celsius statt. Wegen der in der Lebensmittelindustrie strengen Hygienevorschriften, seien Reinigungsvorgänge dort von großer Bedeutung. Je nach Verfahren ergebe sich daraus ein hoher Wärmebedarf, um die automatisierten Reinigungsanlagen zu beheizen sowie ein sehr großer Warmwasserbedarf. Neben der Reinigung von Produktionsanlagen betreffe dies übrigens auch die (wieder)verwendeten Behältnisse, darunter Flaschen, Kisten, Gläser oder Formen, die das Zwischen- und / oder Endprodukt enthielten.

Ein weiterer Prozessschritt von großer Relevanz sei das Trocknen. Es ist oft der letzte Schritt innerhalb der thermischen Prozesskette mit maßgeblichem Einfluss auf den Energieverbrauch eines Unternehmens. Produktschonendes Trocknen heißt in der Regel:

  • Trocknen bei niedrigen Temperaturen.
  • Trocknen über einen längeren Zeitraum hinweg.

Beides begründe das Potential von Trocknungsprozessen für solare Prozesswärme.

Noch ein Beispiel: Zur Haltbarmachung von Lebensmittel, pasteurisiere man diese häufig: Dazu  erwärme man das Produkt auf etwa 70 bis 100 Grad Celsius. Bei höheren Temperaturen sei die Rede von Sterilisation. Auch diese Abläufe könnten der BINE zufolge solar unterstützt werden, gleichwohl sie sich komplizierter erschließen ließen.

Weitere Branchen mit Potential für solare Prozesswärme

Neben der Lebensmittelindustrie hätte laut BINE auch der klassische Maschinenbau Potential für den Einsatz solarer Prozesswärme. So verbrauche man beim Fertigen von Kraftwagen und Metallerzeugnissen sowie im Maschinenbau einen Großteil des Wärmebedarfs für Warmwasser, Raumheizung und raumlufttechnische Anlagen. Das dazu nötige Temperaturniveau spreche für einen Einsatz von solar erzeugter Prozesswärme. Aus diesem Bereich kommt auch unser Titelfoto: Es zeigt die Solarthermie-Anlage mit 237 Quadratmetern Vakuumröhrenkollektoren von Ritter XL Solar, wie Paradigma ein Unternehmen der Ritter Gruppe, die dort solare Prozesswärme zum trocknen von Lacken erzeugt. Einen ausführlichen Bericht dazu findet ihr im Blog.

So, meine Lieben – das reicht für heute. Beim nächsten Mal geht es um eine Bestandsaufnahme zur solaren Prozesswärme. Ich werde euch einen Überblick darüber liefern, wo und wie viel solare Prozesswärme heute schon genutzt wird. Bleibt dran!

Foto: Ritter XL Solar – Solarthermie-Anlage der Kölner Verkehrsbetriebe: Solare Prozesswärme zur Lacktrocknung. 

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