Solarthermie bei den Kölner Verkehrsbetrieben

Solarthermie als Prozesswärme (Teil 5): Die Kollektoren

Wie angekündigt, stehen in Teil 5 meiner Serie zur solaren Prozesswärme die Wärmeerzeuger im Mittelpunkt: die Solarthermie-Kollektoren. Je nach Prozesswärme-Anwendung kommen unterschiedliche Kollektoren mit unterschiedlicher Technologie zum Einsatz – welche, das gucken wir uns jetzt an.

Wie schon für Teil 2 dieser Artikelreihe beziehe ich mich im Folgenden vor allem auf die kürzlich veröffentlichte Analyse „Solare Prozesswärme“ des BINE Informationsdienstes, die ihr euch hier aus dem Internet herunterladen könnt (PDF, 8 Kapitel).

Konfiguration und Dimension – in Abhängigkeit von der zu erzielenden Prozesstemperatur

Demnach bestimmten die spezifischen Anforderungen im jeweiligen Unternehmen buchstäblich maßgeblich, wie die zum Einsatz kommende Solarthermie-Anlage in der Industrie konfiguriert (Komponenten) und dimensioniert (Leistung) werde. Bei den gängigen Anwendungstemperaturen von Prozesswärme, die zwischen 20 und 250 Grad Celsius (°C) liegen, kämen recht unterschiedliche Kollektortechnologien in Frage und die Planer müssten individuell entscheiden, welcher Typ am besten installiert werde.

Entscheidend für die Wahl des passenden Kollektortyps seien dem BINE-Papier zufolge in erster Linie

  • die Kosten
  • und die Leistung

bei der Betriebstemperatur, die erzielt werden soll.

Hinzu kämen als weitere Auswahlkriterien:

  • die baulichen Gegebenheiten vor Ort
  • sowie gegebenenfalls daraus resultierende Einschränkungen bei der Installation, unter anderem: Platzbedarf, Dachstatik und Dachneigung.

Um die Leistung der Solarthermie-Anlagen zu bewerten, könnte man demnach Bruttowärmeerträge heranziehen. Das seien Ideal-Erträge angegeben in der Einheit Kilowattstunde pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m2a) bei einer übers Jahr steten Kollektortemperatur und einem unendlich großen Speicher. An die Idealwerte komme man bei geprüften und entsprechend zertifizierten Kollektoren über die sogenannte Solar-Keymark. Man beachte: Die Erträge in der Solar-Keymark umfassen nur bei 25, 50 und 75 °C Fluidtemperaturen für fest definierte, repräsentative europäische Standorte und Kollektororientierungen ermittelte Werte. Das heiße laut BINE, dass die realen Systemerträge von diesen idealen stark abweichen können, wenn die tatsächlichen Lastprofile und Anlagekonfigurationen berücksichtigt würden.

Die Kollektoren für solare Prozesswärme im Überblick

Auf der oben verlinkten Internetseite mit dem BINE-Papier fand ich eine Grafik Der SHC Task 49, einer Arbeitsgruppe der internationalen Energie-Agentur, die 200 weltweit installierte solare Prozesswärme-Anlagen in einer Datenbank erfasste und analysierte, der ich die folgenden Zahlen zur Aufteilung der Anlagen nach Kollektortechnologie entnommen habe. Demnach seien:

  • 10 Prozent Flachkollektoren (Luft)
  • 49 Prozent Flachkollektoren (Wasser)
  • 20 Prozent Vakuumröhrenkollektoren
  • 12 Prozent Parabolrinnen
  • 1 Prozent Fresnel-Kollektoren
  • 7 Prozent Dish-Kollektoren
  • 1 Prozent sonstige

Heiße Typen im Vergleich: Kollektortypen – Grundlagenwissen für Einsteiger

Flachkollektoren sind in Prozesswärme-Anlagen am weitesten verbreitet

Flachkollektoren für 100 bis 110 Grad Celsius Prozesswärme

Die aufgelisteten Prozentanteile zeigen, dass zur Erzeugung von Prozesswärme Flachkollektoren am weitesten verbreitet sind. Die flachen Kollektoren könnten laut BINE sowohl abgedeckt als auch nicht abgedeckt zur Erzeugung von Temperaturen bis circa 100, 110 °C eingesetzt werden. Flachkollektoren seien demnach einfach, kompakt und robust aufgebaut, könnten direkte wie diffuse Strahlung optimal nutzen und seien günstiger als andere Technologien. Neben flüssigkeitsbetriebenen Kollektoren hätten laut BINE-Einschätzung auch Luftkollektoren einen signifikanten Marktanteil. Diese kämen in Prozessen zum Einsatz, die Luft als Wärmeträger nutzen würden, allen voran die Trocknung von Holzhackschnitzeln und anderer Biomasse.

Flachkollektoren für 70 bis 80 Grad Celsius Prozesswärme

BINE schreibt weiter, dass zur Erzeugung von 70 bis 80 °C ausschließlich hocheffiziente Flachkollektoren in Frage kämen. Die Effizienz der Flachkollektoren ließ sich demnach steigern, indem man die Wärmeverluste an die Umgebung durch die Frontscheibe, die den großen Anteil der Gesamtverluste ausmache, reduziere. Einige Hersteller würden dafür eine Zweifach-Abdeckung, die aus Gläsern mit Antireflex-Beschichtungen bestehe, nutzen. Der Scheibenzwischenraum sei meistens offen zur Atmosphäre. Noch leistungsfähiger seien flache Kollektormodelle, die eine angepasste Wärmeschutzverglasung mit niedrig emittierenden (low-e) Beschichtungen und Edelgasfüllung besäßen.

Als alternative Konvektionsbremse und Wärmestrahlungsschirm könne laut BINE die zweite Glasscheibe mit einer hoch transparenten Polymerfolie ersetzt werden, die zwischen Glasabdeckung und Absorber eingespannt werde. Die langfristige Stabilität sei allerdings geringer als bei Glas und die Folie könne Falten werfen. Deshalb würden aktuelle Entwicklungen in Industrie und Forschung auf eine sogenannte Vierseiteneinspannung der Folie setzen. Dies reduziere zusätzlich thermische Verluste, da die Folie plan und somit mit optimierten Abständen zur Glasscheibe und zum Absorber eingespannt bliebe.

Das Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE) Bayern habe bespielweise eine neue Einspannungsvorrichtung untersucht (BMWi gefördertes Forschungsprojekt, FKZ 0328957A), wo die Folie nicht im Kollektorgehäuse eingespannt werde, sondern in einem Glas-Folie-Verbundelement, das prinzipiell in jeden üblichen Kollektorrahmen integriert werden könne. Unabhängig davon, ob Folie oder Glasscheibe, die Zweifach-Abdeckung reduziere BINE zufolge die thermischen Verluste im Schnitt um 25 bis 30 Prozent im Vergleich zu einem einfach verglasten Flachkollektor (bei TFluid– TUmgebung = 80 °C). Damit erweitere sich der Einsatzbereich für diese Kollektortypen um circa 30 Kelvin (K).

Die Wärmedämmung der Kollektorabdeckung könne verstärkt werden, indem man Wabenstrukturen aus Zellulose unter der Glasscheibe einsetze. Die optischen Eigenschaften des Materials und die besondere Wabengeometrie würden demnach eine sehr hohe Strahlungsdurchlässigkeit bei gleichzeitiger Unterdrückung der Verluste aus Konvektion und Wärmestrahlung garantieren. Als praktische Einsatzbeispiele für diese Kollektorart führt das BINE-Papier die solare Unterstützung von Prozessen zum Waschen von Weinfässern und Behältern in einer Weinkellerei sowie in einer Wäscherei bei Temperaturen bis 85 °C an.

Flachkollektoren für bis zu 180 °C Prozesswärme

Sogenannte hochevakuierte Flachkollektoren würden demnach noch deutlich leistungsstärker sein und könnten Prozesstemperaturen von bis zu 180 °C erzeugen. Wegen ihrer hohen Preise seien laut BINE allerdings bislang nur wenige Demonstrationsanlagen damit realisiert worden, unter anderem in der Bitumenindustrie. BINE schreibt dazu, dass in diesem Temperatur-/Technologie-Bereich für die kommenden Jahre mit starken Kostensenkungen zu rechnen sei.

Vakuumröhrenkollektoren in Prozesswärme-Anlagen auf Platz 2 der Beliebtheitsskala

Vakuumröhrenkollektoren sind der Kollektortyp, der am zweithäufigsten zur Erzeugung von Prozesswärme zum Einsatz kommt. Dank ihres evakuierten Aufbaus gäbe es bei Vakuumröhrenkollektoren deutlich geringere Wärmeverluste als bei herkömmlichen Flachkollektoren. Vakuumröhrenkollektoren könnten BINE zufolge bei effizientem Betrieb Prozesstemperaturen bis zu 160 °C bereitstellen.

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Aqua-Plasma-CPC-Vakuumröhrenkollektor von Paradigma.

Hochleistungs-CPC-Vakuumröhrenkollektoren

In der oberen Leistungsklasse lägen laut des BINE-Papiers die sogenannten CPC (Compound Parabolic Concentrator)-Kollektoren (die auch Paradigma herstellt – Anmerkung der Redaktion), bei denen ein schwach konzentrierender parabolischer Reflektor hinter den Glasröhren positioniert sei. So würden sie die einfallende Strahlung besser nutzen.

Solche Vakuumröhrenkollektoren würden sich in Aufbau und Art

  • der Glasröhre (einfach oder doppelwandig),
  • des Absorbers (flach oder zylindrisch)
  • und des Wärmeübertragers (U- und Koaxialrohr)

unterscheiden.

Heat-Pipe-Vakuumröhrenkollektoren

Besondere Vorteile auch in Bezug auf Prozesswärmeanwendungen würden demnach die Kollektormodelle mit sogenannten Gravitationswärmerohren (auf Englisch: heat pipes) bieten. Im Vergleich zu direkt durchströmten Systemen, stelle das Wärmerohr einen extra Wärmewiderstand im Nutzpfad dar, der zu leichten Leistungseinbußen führe. Die Trennung vom Kollektor- und Solarkreis ermögliche andererseits eine einfachere Hydraulik und die Minimierung der Temperaturbelastung im System bei Stagnation. Da der Wärmetransport vom Absorber zum Solarkreis in einem zweiphasigen Prozess im Wärmerohr (Verdampfung und Kondensation) erfolge, lasse sich die maximale Prozesstemperatur mit gezielter Auswahl und Dosierung des Wärmeträgerfluids im Rohr festlegen. Dies gewährleiste BINE zufolge einen zuverlässigen Betrieb, insbesondere bei Anlagen die auf maximale solare Deckung ausgelegt seien.

Hochkonzentrierende Kollektoren für hohe Temperaturen in Prozesswärme-Anlagen

Sogenannte hochkonzentrierende Kollektoren für hohe Temperaturen kämen dem BINE-Papier zufolge für industrielle Prozesse zum Einsatz, die Wärme bei noch höheren Temperaturen bis über 250 °C benötigten.

Als typischen Anwendungsbereich nennt BINE hier die direkte oder indirekte Dampferzeugung. Sie eigne sich am besten für sonnenreiche Gebiete wie Südamerika, Indien oder die sogenannte MENA-Region (MENA stehe für Middle East / North Africa). Diese Kollektoren würden demnach nur  mit direkter Sonnenstrahlung arbeiten, die mit Spiegelsystemen auf einen Wärmeübertrager gebündelt würden. Als Wärmeträger kämen neben Wasser und Dampf auch Thermoöle zur Anwendung.

Hochkonzentrierende Kollektoren seien Mitte der 1980er-Jahre für solarthermische Kraftwerke zur Erzeugung von Strom entwickelt worden und an Anwendungen in der Prozesswärme angepasst. Sie seien kleiner dimensioniert und leichter aufgebaut, um in modularer Bauweise auch auf Dächern von Industriehallen installiert werden zu können. Die Kollektoren ließen sich prinzipiell nach Anordnung des konzentrierenden Spiegels unterscheiden.

Parabolrinnenkollektoren für Prozesswärme

Am meisten verbreitet seien sogenannte linienfokussierende Systeme, insbesondere  sognannte Parabolrinnenkollektoren. Sie würden die einfallende Strahlung entlang der Brennlinie einer verspiegelten Rinne mit parabelförmigem Querschnitt auf ein Receiver-Rohr konzentrieren. Hier werde die Strahlung in Wärme umgewandelt und an das strömende Wärmeträgermedium übertragen. Das Stahlrohr sei selektiv beschichtet und von einem evakuierten Glashüllrohr umgeben. Die Einzelmodule würden in Reihe auf Montagesysteme aufgebaut und torsionssteif miteinander verbunden werden.

Fresnel-Kollektoren für Prozesswärme

Die linienfokussierende Alternative zu Parabolrinnenkollektoren seien laut BINE sogenannte Fresnel-Reflektoren. Anstelle eines parabelförmigen Konzentrators hätten sie bodennah liegende Spiegellamellen aus Glas. Diese würden der Sonne nachgeführt werden, während das Receiver-Rohr ortsfest sei. Über den Receiver werde zudem ein Sekundärspiegel angebracht, der die nicht perfekt fokussierte Strahlung auf das Absorber-Rohr zurückreflektiere. Wegen des schlanken Aufbaus und der Position des Primärspiegels, der niedrigeren mechanischen Belastungen ausgesetzt sei, sowie der Verwendung einfacherer Standardkomponenten, seien Fresnel-Reflektoren sowohl in der Herstellung als auch in der Wartung kostengünstiger als Parabolrinnenkollektoren, heißt es im BINE-Papier weiter. Wegen der konstruktionsbedingten höheren optischen Verluste würden aber bei vergleichbarer Größe auch etwa 30 Prozent niedrigere Jahreserträge erzielt.

Dish-Kollektoren für Prozesswärme

Zu den hochkonzentrierenden Kollektoren gehören auch punktfokussierende Systeme verwendet, Großteils sogenannte Dish-Konzentratoren. Das seien laut BINE rotationssymmetrisch parabolisch gekrümmte Hohlspiegel mit kurzen Brennweiten, die die Strahlung mithilfe einer zweiachsigen Nachführung auf einen „punktförmigen“ Receiver bündeln würden. Je nach Größe des Spiegels und Anzahl der Module würden damit Prozesstemperaturen bis zu 300 °C erzeugt. Diese Systeme seien besonders in Indien verbreitet, wo sie zum Kochen, Backen, zur Milchproduktion sowie in der Papier- und Textilindustrie eingesetzt würden.

Praxisbeispiel: Solare Prozesswärme in der Automobilindustrie

Solarenergie kann BINE zufolge beim Betrieb raumlufttechnischer (RLT) Anlagen eingebunden werden. Deren Aufgabe sei es, während der Automobil-Produktion Temperatur und Feuchte konstant zu halten. Auf der Versorgungsebene würden Warm- und Heißwassernetze innerhalb der Betriebe mögliche Integrationspunkte bieten. In Lackierstraßen kämen RLT-Anlagen und beheizte Bäder zum Einsatz. Diese ließen sich auch in Galvanikbetrieben bei der Vorbehandlung zur kathodischen Tauchlackierung sowie bei Bauteilwaschanlagen finden.

Fotos: Paradigma / Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG