Solar thermie + thermische Speicher - Energieforschung
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2017
Solar
thermie +
thermische
Speicher
Cover Illustration: Stefanie Hilgarth
Inhaltsverzeichnis
VORWORT Seite 03
Begleitforschung Solarthermie - Solare Großanlagen Seite 05
Die Begleitforschung analysiert die Ergebnisse des im Jahre 2010 gesetzten Förderschwerpunkts „Solare Groß-
anlagen“. Dabei wurden mehr als 280 Beratungsgespräche durchgeführt und 88 Projekte gemonitort. Diese
Ergebnisse fließen in die zukünftige Entwicklung von hocheffizienten solaren Wärmeversorgungsystemen ein.
Solare Prozesswärme für die AVL List GmbH Seite 15
Eine solare Großanlage mit einer Fläche von mehr als 1.500 m² und einer Energiegewinnung von etwa 600 MWh
jährlich ist das Ergebnis dieses Projektes. Neben einer umweltfreundlichen und sicheren Wärmeversorgung wurde
Österreichs erste industrielle Contracting-Anlage im Bereich Solarthermie realisiert.
SolPol-4/5: Solarthermal Systems based on Polymeric Materials: Novel Pumped/Non-Pumped Collector-Systems Seite 21
Um die Kosten von Solarthermie zu verringern wurden neuartige polymere Materialien erforscht. Dadurch wird
das Kollektorgewicht reduziert und eine einfache Montage ermöglicht. Ein vermehrter Einsatz von Kunststoffen
in der Solarthermie kann eine Belebung des Marktes bewirken.
TES4SET: Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Technology Seite 29
Dieses Leitprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuen thermischen Speichermaterialien. Neben der
stationären Anwendung in Einfamilienhäusern stehen mobile Anwendungen im Fokus. Ziel ist die Erhöhung der
Energiedichte von sorptiven Speichermaterialien sowie die Systemintegration von Wärmespeichern.
MH4HeatStorage: Metallhydrid-Technologien für verlustfreie übersaisonale Wärmespeicherung Seite 41
In diesem Projekt wurde ein autarkes Metallhydrid-Wärmespeicherkonzept erforscht. Neben der grundsätzlichen
Funktionstauglichkeit konnten auch große Optimierungspotentiale aufgezeigt werden. In zukünftigen Projekten
sollen die Optimierungspotenziale ausgenutzt werden.
Offene Sorptionstechnik für Langzeit-Wärmespeicher Seite 51
Bei diesem Projekt steht die dezentrale Wärmespeicherung im Vordergrund. Dabei wurde ein Prototyp eines Sorp-
tionsspeichers realisiert. Es zeigt sich, dass ein Energiespeicher mit offener Sorptionstechnik kosteneffizient und
umweltfreundlich arbeiten kann. Für die Marktreife sind aber noch weiterer Entwicklungsschritte notwendig.
Alle geförderten Projekte im Überblick Seite 62
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5 Mio. €
4
3
2
1
0
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Solarthermie
Thermische Speicher
Z I TAT
„Neue innovative Entwicklungen im Bereich Solarthermie und thermische
Speicher sind von enormer Bedeutung für unsere Enerigezukunft.
Sie helfen uns die ambitionierten Klima- und Energieziele zu erreichen
und schaffen neue Exportchancen für Österreich“
THERESIA VOGEL, GESCHÄFTSFÜHRERIN DES KLIMA- UND ENERGIEFONDS
Vorwort
Mit Solarthermie und thermischen Speichern
die Klimaziele erreichen
Das große Potenzial von Solarthermie und thermischer Energiespeicherung
Die Europäische Kommission hat im Winterpaket beschlossen, den Anteil der erneuerbaren Energien am
Gesamtenergieverbrauch bis 2030 auf mindestens 27 % zu erhöhen, ganz nach dem Motto „Saubere Energie
für alle Europäerinnen und Europäer“. Österreich hat dadurch eine Chance, seine technologische Führungs-
rolle im Bereich erneuerbare Energien auszubauen und neue Exportchancen zu gewinnen.
Seit der Gründung des Klima- und Energiefonds im Jahre 2007 wurde die Weiterentwicklung von kosten-
effizienten solarthermischen Anlagen und thermischen Energiespeichern mit mehr als 40 Millionen Euro
Förderung unterstützt. Die Gesamtprojektkosten belaufen sich im Bereich Solarthermie auf rund
30 Millionen Euro und im Bereich Thermische Speicher auf gut 27 Millionen Euro.
Schwerpunkte der Forschungsagenda sind dabei im Bereich Solarthermie die Kostensenkung und
die verbesserte Installierbarkeit. Auch soll die Effizienz durch neue Innovationen erhöht werden.
Im Bereich thermische Speicher wird der Schwerpunkt auf die Erhöhung der Energiedichte, der
verbesserten Zyklenbeständigkeit und Kosteneffizienz gelegt.
Eine aufschlussreiche Lektüre wünscht Ihnen
Ihr Klima- und Energiefonds
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Projektleitung: CHRISTIAN FINK
AEE INTEC - Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE
Institut für Nachhaltige Technologien
Anzahl der Anlagen je Kategorie, Status Quo in der wissenschaftlichen Begleitung ABBILDUNG 1
und durchschnittliche Messergebnisse
12 600
spezifischetr Solarertrag [kWh/m2a]
10 500
8 400
Anzahl, SPF
6 300
4 200
2 100
0 0
Erdspeicher unter Tiefensonde Pufferspeicher Sole-WP Luft-WP
dem Gebäude
Anlagen mit Anlagen ohne
Saisonalspeicher Saisonalspeicher
Komplexes Konzept Paralleles Konzept
Abgeschlossen
Monitoring
Umsetzungs- bzw.
Detailplanungsphase
Ertrag indirekt
Ertrag direkt
SPF
Spezifischer Solarertrag aufgeteilt in direkte und indirekte Anteile,
Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe SPF (Bildquelle AEE INTEC)
PROJEKTNUMMER: B179115
Begleitforschung Solarthermie - Solare Großanlagen
Hintergrund durchgeführt. Von den insgesamt 282 Projekten
Mehr als 50 % des weltweiten Endenergiebedarfs wurden 88 Projekte für die einjährige Monitoring-
(rund 160 EJ) entfällt auf die Wärmebereitstellung in phase ausgewählt, wobei diese aktuell bei 37 Projekten
Gebäuden und Industriebetrieben. Auch in Europa bereits abgeschlossen und bei 13 weiteren Projekten
und Österreich macht der Wärmesektor etwa den gestartet wurde. Im Fokus steht dabei nicht die alleinige
gleichen Anteil aus. Im Zuge der Energiewende gilt Betrachtung des Solarsystems, sondern viel mehr die
es diese immensen Potenziale für effiziente, vor Ort gesamtsystemische Analyse, sprich die Analyse der
verfügbare erneuerbare Umwandlungstechnologien Einbindung in und die Interaktion mit einem gesam-
zugänglich zu machen. Große solarthermische Anlagen ten Wärmeversorgungssystem (andere Erzeugungs-
können hierzu aus technologischer Sicht erhebliche und Umwandlungstechnologien, Abwärmequellen,
Beiträge leisten. Gleichzeitig sind österreichische Verbraucherstrukturen, Verteilnetze, Wärmespeicher,
Unternehmen im Spitzenfeld der internationalen Regelung, etc.).
Technologieanbieter. Die Analyse und Beurteilung der gesamten Wärme-
Vor diesem Hintergrund definierte der Klima- und versorgungssysteme erfolgte anhand von Energie-
Energiefonds im Jahr 2010 erstmals einen Förder- bilanzen, Temperaturprofilen sowie dem Einsatz
schwerpunkt für große solarthermische Anlagen in von Kennzahlen und Benchmarks.
gewerblichen Anwendungen. Die Unterteilung erfolgte
in vier spezifischen Kategorien „Solare Prozesswärme Aggregierte Ergebnisse
in Produktionsbetrieben“, „Solare Einspeisung in Die 37 solarunterstützten Wärmeversorgungssysteme
netzgebundene Wärmeversorgung“, „Hohe solare mit abgeschlossener einjähriger Monitoringphase
Deckungsgrade in Gewerbe und Dienstleistungs- zeigten im Betrachtungszeitraum eine hohe Funktio-
gebäuden“ und „Neue Technologien“. nalität. Das bedeutet, dass die Anlagen zuverlässig
Parallel zum Förderprogramm wurde auch das Instru- und stabil auf vertretbarem Ertragsniveau arbeiten.
ment einer wissenschaftlichen Begleitung definiert. In Abhängigkeit von Dimensionierung, Anwendungs-
Zentrale Aufgaben dieses Instruments sind einerseits temperaturniveau, verwendeter Technologie sowie der
die Durchführung von verpflichtenden Beratungs- projektspezifischen Funktionalität liegt die Bandbreite
gesprächen mit den Förderwerbern und andererseits der spezifischen Jahressolarerträge bei 200 kWh/m²
eine messdatenunterstützte Analyse im ersten Betriebs- Apertura (Projekt mit sehr hohem solaren Deckungs-
jahr (einjähriges Monitoring). Innerhalb der sechs grad von 97 %) und 695 kWh/m² Apertura (Projekt
zwischen 2010 und 2016 ausgeschriebenen Förderpro- mit tiefem Arbeitstemperaturniveau aufgrund einer
gramme wurden insgesamt 282 Beratungsgespräche quellenseitigen Einbindung einer Wärmepumpe).
mit kumulierten 110.405 m² Solarkollektorfläche Im Durchschnitt aller 37 Projekte liegt der spezifische
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Ansicht des Projekts „Büro- und Fertigungsgebäudes TROTEC“.
Aufgrund der konsequenten Einbindung des Solarsystems auf der
Verdampferseite der Wärmepumpe konnte ein spezifischer Solarertrag
von 695 kWh/m² Apertura erreicht werden. (Bildquelle: EcoProjekt)
B179115
Ertrag bei 368 kWh/m²Apertura, was grundsätzlich ein gorie „Anlagen ohne Saisonalspeicher“ sind einerseits
zufriedenstellendes Ergebnis darstellt. Die berechneten Anlagen zusammengefasst, die keine solare Wärme als
solaren Deckungsgrade zeigen mit Werten zwischen Quelle für die Wärmepumpe nutzen und andererseits
97 % (Raumheizung und Warmwasserbereitung für ein Wärmepumpen, die solare Wärme als Quelle nutzen
Unternehmensgebäude) und 2 % (Einspeisung in ein und ohne saisonale Speicherung netzgekoppelt
kommunales Wärmenetz) eine enorme Bandbreite. arbeiten.
Daraus können sehr unterschiedliche Dimensionie- Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmepumpentechno-
rungsansätze in den verschiedenen Themengebieten logie grundsätzlich gut zur Kombination mit Solar-
sowie auch in den einzelnen Projekten abgeleitet thermie geeignet ist, um Raumwärme auf Niedertem-
werden. peraturniveau und Wärme zur Warmwasserbereitung
Die durchschnittliche solare Deckung des Gesamt- zur Verfügung zu stellen. Der durchschnittliche
wärmebedarfs betrug bei den 37 Projekten rund 21 %. spezifische Solarertrag wird „direkter“ und „indirekter“
Beispielhaft für die gesamten Ergebnisse der wissen- Nutzung zugeordnet. Der direkt genutzte Teil wurde
schaftlichen Begleitung werden nachfolgend drei direkt den Verbrauchern (Raumheizung, Warmwasser-
thematische Bereiche behandelt. bereitung) oder einem Kurzzeitspeicher zugeführt.
Der indirekt genutzte Teil diente der Wärmepumpe als
Solarthermie-Wärmepumpen Kombinationen Quelle oder wurde dem Saisonalspeicher zugeführt.
Die Kombination von Wärmepumpen mit Solarthermie Anhand der spezifischen Erträge kann man erkennen,
spielt im Programm „Solare Großanlagen“ eine wichtige welcher Anteil des Solarertrags direkt und welcher
Rolle. Die wissenschaftliche Begleitung wurde bereits Anteil indirekt genutzt wurde. Der direkte Anteil des
bei zehn Projekten dieser Kategorie abgeschlossen, Solarertrages wird jeweils auf höherer Betriebstem-
weitere 14 Projekte befinden sich in Umsetzung. Bei den peratur der Anlage generiert. Die durchschnittliche
zehn Projekten mit abgeschlossener wissenschaftlicher Kollektormitteltemperatur ist bei indirekter Nutzung
Begleitung können neun Projekte der Kategorie bei den meisten Anlagen um mehr als 25 K geringer,
„Komplexe Konzepte“ (Kombinationen aus seriellen, wodurch die Effizienz und damit der Solarertrag der
parallelen und/oder regenerativen Anwendungen) Solaranlage steigen. Das tiefe Temperaturniveau muss
und ein Projekt der Kategorie „Parallele Konzepte“ jedoch mit der Wärmepumpe unter Aufwand von
(Solarthermie und Wärmepumpe liefern parallel und elektrischer Energie wieder angehoben werden.
ohne Kopplung Wärme an den Verbraucher) zugeord-
net werden. Abbildung 1 zeigt die Anzahl der abge- Abbildung 2 zeigt hierzu beispielhaft die Gebäude-
schlossenen und der in Umsetzung bzw. im Monitoring ansicht des Büro- und Fertigungsgebäudes TROTEC.
befindlichen Anlagen jeder Kategorie. Außerdem sind In diesem Projekt speisen 160 m² Bruttokollektorfläche
die Mittelwerte des durchschnittlichen direkten und einen 3 m³ Wasserspeicher und 2.700 m² Erdspeicher
indirekten spezifische Solarertrags sowie der Arbeits- (angeordnet unter der Fundamentplatte), der als
zahl (SPF, engl. Seasonal Performance Factor) der Wärmequelle für eine Wärmepumpe fungiert. Der
jeweiligen Anlagenkategorie dargestellt. Die Kategorie im Betrachtungsjahr gemessene spezifische Solarertrag
„Anlagen mit Saisonalspeicher“ umfasst Anlagen, in lag mit 695 kWh/m² Apertur a vergleichsweise hoch,
denen Wärmepumpensysteme mit Flächenkollektoren kann aber aufgrund der konsequenten Einbindung des
oder Tiefensonden ausgestattet sind und solare Wärme Solarsystems auf der Verdampferseite der Wärmepumpe
in den Saisonalspeicher eingebracht wird, den das erklärt werden. Die gemessene Jahresarbeitszahl der
Wärmepumpensystem als Quelle nutzt. In der Kate- Wärmepumpe beträgt 4,4.08 | 09
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Ansicht des Projekts „Fertigungshalle HABAU“
mit 1.411 m² Bruttokollektorfläche
(Bildquelle: www.kuster.co.at)B179115 Solarthermische Bauteilaktivierung - Multifunktionale Nutzung von Gebäudebauteilen Das Konzept der solarthermischen Bauteilaktivierung für Solarkollektoren in der Heizperiode, wird nach- basiert auf der aktiven thermischen Nutzung von quasi folgend anhand von Messergebnissen vom Projekt sowieso verfügbaren Gebäudemassen als Wärmespei- „Fertigungshalle HABAU“ verdeutlicht. Die Firma cher. Gleichzeitig kann über den Bauteil auch gekühlt HABAU erweiterte in Perg, Oberösterreich ihre werden. Bisher wurde in drei Projekten mit thermisch Produktionsstätte für konstruktive Betonfertigteile aktivierten Bauteilen die einjährige Monitoringphase ua. um eine Halle mit einer Bruttogeschoßfläche von abgeschlossen. Zwölf weitere Projekte durchlaufen 7.315 m². Die Wärmeversorgung dieser Halle erfolgt aktuell die Detailplanungs- und Umsetzungsphase. mit 1.411 m² Bruttokollektorfläche, 80 m³ Wasserspei- Die Anwendungsbandbreite der insgesamt fünfzehn cher und mittels konsequenter Bauteilaktivierung der Projekte reicht von Handwerksbetrieben, Gärtnereien, 2.560 m³ umfassenden Fundamentplatte. Überschüssige Büros, Sportanlagen, Wohnungen, Schulen bis hin zu Solarwärme (insbesondere außerhalb der Heizperiode) Veranstaltungszentren. wird in einzelnen Prozessen (insbesondere der beschleu- Die Bandbreite der prognostizierten solaren Deckungs- nigten Trocknung der produzierten Betonfertigteile) grade liegt zwischen 50 und 100 % am gesamten Wär- genutzt. Ein Foto zu diesem Projekt kann Abbildung 3 mebedarf, wobei bei drei Projekten die Prognosewerte entnommen werden. Konkret wurden im Messjahr für mit gemessenen solaren Deckungsgraden von 52 % die Beheizung der Fertigungshalle 378 MWh Solarwär- (Pfarrzentrum Rif), 94 % (Fertigungshalle HABAU) me eingespeist, was einen solaren Jahresdeckungsgrad und 97 % (ETG-Sonnenhaus) ausgezeichnet bestätigt von rund 94 % alleine für die Hallenheizung bedeutet. werden konnten. Darüber hinaus konnten 186 MWh in die Trocknungs- Ein zentraler Vorteil solarthermisch aktivierter Bau- prozesse eingespeist werden. Der spezifische Solarertrag teile, nämlich das günstige Betriebstemperaturniveau betrug für das Messjahr 435 kWh/m² Apertura. „ Der festgelegte Standard der messtechnischen Untersuchung und die Analyse von Z I TAT komplexen, solarunterstützten Wärmeversorgungssystemen in gewerblichen Anwendungs- bereichen ermöglicht die detaillierte Analyse von einzelnen Komponenten, Systemabschnitten als auch von Gesamtsystemen. Dadurch werden vielschichtige Erkenntnisse gewonnen, die neben der Effizienzmaximierung der jeweiligen Anlagen die Basis für die Entwicklung energetisch hochoptimierter Wärmeversorgungssysteme der Zukunft bilden und deren Umsetzung beschleunigen. Gleichzeitig stärken die fundierten Erkenntnisse zum realen Betriebsverhalten die Wissensbasis der heimischen Solarindustrie und somit auch die technologische Positionierung im internationalen Umfeld.” PROJEKTLEITER CHRISTIAN FINK
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Wirkungsgradkennlinien der in 37 Anlagen zum Einsatz kommenden Kollektoren ABBILDUNG 4
efficiency curve: η = f (Tm)
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
eta
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340
mean collector temperature Tm [°C]
Flachkollektoren
2-fach abgedeckte Flachkollektoren
Vakuumröhrenkollektor
Hybridkollektor
Luftkollektor
Datenbasis: Solar Keymark (Einstrahlung: 1000 W/m²;
Umgebungstemperatur: 20°C; Bezugsfläche: Bruttokollektorfläche)B179115
Darstellung der vom Solarsystem übertragenen Wärmemenge bei unmittelbarer Zuordnung ABBILDUNG 5
zum Vor- bzw. Rücklauftemperaturniveau des Solarprimärkreislaufes (Q-T Diagramm).
35000
30000
Wärmemenge [MWh]
25000
20000
15000
10000
5000
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Temperatur [C°]
Deutlich sind jene Temperaturniveaubereiche erkennbar, bei denen große
Mengen an Wärme übertragen werden, sprich ein Funktionsmodus „Solare T-Solar-VL[°C]
Bauteilaktivierung“ (strichlierter Bereich) und ein Funktionsmodus T-Solar-RL[°C]
T-Solar-VL[°C]
„Solare Prozesswärme“ (durchgezogener Bereich). (Bildquelle AEE INTEC) T-Solar-RL[°C]
Die durchschnittlich gemessene mittlere Vorlauf- Dadurch kann alleine durch den Hallenheizungsbe-
temperatur betrug in der Heizperiode (Funktion trieb ein nutzbarer Solarertrag von rund 290 kWh/m²
Bauteilaktivierung) rund 28°C. Deutlich ersichtlich Apertura innerhalb der Heizperiode erreicht werden.
ist dies in Abbildung 5, in der alle Wärmemengen Die Nutzung von Solarwärme in den Sommermonaten
(fünf Minuten Mittelwerte) über den zugehörigen Vor- (bzw. auch in Wintermonaten mit reduziertem Heiz-
und Rücklauftemperaturen im Solarprimärkreislauf wärmebedarf), wie sie bei „Fertigungshalle HABAU“
aufgetragen wurden. Deutlich sind zwei Betriebsmodi mit der Nutzung in den Trocknungsprozessen der
zu erkennen und zwar ein Betriebsmodus in dem in Betonteilproduktion umgesetzt wurde, ist die sinnvolle
der Heizperiode die Bauteilaktivierung bedient wird Ergänzung dieses Wärmeversorgungskonzeptes und
(Solarvorlauftemperaturen von 15°C bis 50°C) und bringt zusätzlichen Nutzen im Solarertrag und somit
ein Betriebsmodus in dem in den Sommermonaten in der Wirtschaftlichkeit. Im Projekt „Fertigungshalle
(oder bei Überschüssen auch in der Heizperiode) HABAU“ konnte der spezifische Solarertrag dadurch
die Fertigungsprozesse versorgt werden (Solarvorlauf- noch um rund 145 kWh/m²Apertura gesteigert werden.
temperaturen von 60°C bis 95°C).12 | 13
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Im Zuge einer solaren Integration ins Grazer Fernwärmenetz werden
in einem Teilkollektorfeld mit 2.490 m² Bruttokollektorfläche fünf unter-
schiedliche 2-fach abgedeckte Flachkollektoren in parallelen Strängen
betrieben (Bildquelle: Picfly.at Thomas Eberhard).B179115 Einsatz von Mitteltemperaturkollektoren Insbesondere die Einspeisung solarer Wärme in Fern- Netzrücklauftemperaturen von 50 bis 70°C konnte für wärmenetze sowie in industrielle Prozesse erfordert das Teilkollektorfeld ein betreffend den spezifischen häufig sogenannte Mitteltemperaturkollektoren, die Solarertrag von 489 kWh/m² Apertura, ausgezeichnetes im Temperatur-segment zwischen 70 und 120°C eine Ergebnis erreicht werden. Integral zu diesem Ergebnis höhere Effizienz aufweisen als herkömmliche Flach- beigetragen haben die in diesem Temperaturbereich kollektoren. Im Zuge der wissenschaftlichen Beglei- deutlich leistungsstärkeren 2-fach abgedeckten Solar- tung werden hier sowohl Projekte mit Vakuumröhren- kollektoren. kollektoren (vier) als auch mit zweifach abgedeckten Kollektoren (sieben) untersucht. Insbesondere im Die Erkenntnisse aus der wissenschaftlichen Beglei- Segment der zweifach abgedeckten Kollektoren tung des Förderprogramms erfreuen sich nationalen konnten dabei zahlreiche Produktneuentwicklungen und internationalen Interesses, was 43 einschlägige festgestellt werden, die im Zuge der wissenschaftlichen Veröffentlichungen (Konferenzen, Fachveranstal- Begleitung auch sehr gute Betriebsergebnisse mit sich tungen und Publikationen) durch das Projektteam brachten. Im wissenschaftlich begleiteten Projekt demonstrieren. Darüber hinaus sind im Zuge der „Fernheizwerk II, Graz“ sind in einem 2.490 m² großen Projektbearbeitung bisher neun akademische Arbeiten Kollektorfeld fünf verschiedene 2-fach abgedeckte Kol- (Masterarbeiten), betreut durch das Team der wissen- lektorprodukte umgesetzt worden (siehe Abbildung 6). schaftlichen Begleitung, verfasst worden. Das Teilkollektorfeld ist Bestandteil der aktuell größten solarthermischen Anlage, die mit insgesamt 7.490 m² Detaillierte Ergebnisse zum Projekt „Wissenschaftliche Bruttokollektorfläche direkt in den Vorlauf des Begleitung zum Förderprogramm Solare Großanlagen“ Fernwärmenetzes in Graz einspeist. Angesichts können dem Ergebnisbericht unter der Website: der Netzvorlauftemperatur von 80 bis 120°C und www.solare-grossanlagen.at entnommen werden. DREI GUTE GRÜNDE FÜR DAS PROJEKT _ Erkennen und Benchmarking von vielversprechenden Solarthermieanwendungen TOP 3 sowie deren Systemintegration _ Identifikation von Optimierungs- und Technologieentwicklungspotenzialen in komplexen Wärmeversorgungssystemen _ Nachweis der Technologieleistungsfähigkeit und Rückkopplung der Ergebnisse in die Ausgestaltung des Förderprogramms
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Projektleitung: ROBERT SÖLL
Solar.nahwaerme.atPROJEKTNUMMER: B368386
Solare Prozesswärme für AVL List GmbH
Kurzfassung
Die AVL List hat eine solarthermische Prozesswärme- pro Jahr erzeugte Solarwärme für einen Teil des oben
anlage mit einer Fläche von 1.585 m² errichtet und beschriebenen Prozesswärmebedarfs zu nutzen. Mit
wird in das Wärmenetz der AVL voraussichtlich ca. dieser Lösung sollen Teile der derzeitig verwendeten
600 MWh einspeisen. Die solar erzeugte Wärme wird Energieträger Fernwärme und Gas umweltfreundlich
für die Konditionierung der Prüfstände sowie auch substituiert, und die Vorteile eines kostengünstigeren
für die Beheizung der Büroräume verwendet werden. und langfristig kalkulierbaren Preis genutzt werden.
Das Kollektorfeld dient gleichzeitig als Überdachung
der obersten Parkebene der Parkgarage. Die von der Das Projekt aus technischer Perspektive
Grazer Firma SOLID installierte solarthermische Groß- Am Grazer Firmengelände der AVL List wurde im
anlage ist das erste industrielle Contractingprojekt Jahr 2006 eine Parkgarage errichtet. Am obersten
und das 1. Projekt, welches aus dem erfolgreichem Parkdeck der Hochgarage wurde eine Stahlkon-
Bürgerbeteiligungsmodell „SOLID Invest“ cofinanziert struktion errichtet, die einerseits die Funktion einer
wurde. Diese Anlage ist Teil eines Gesamtkonzeptes. geschlossenen Überdachung erfüllt, andererseits die
Zusätzlich zu dieser Anlage wird noch eine solarther- Unterkonstruktion für die Solarkollektoren mit einer
mische Anlage auf dem Nebengebäude mit einer Gesamtkollektorfläche von 1.585 m² darstellt.
Kollektorfläche von voraussichtlich ca. 1000 bis 1200 m² Im Kellergeschoß der Parkgarage ist die Heizzentrale
installiert, welche Prozesskälte zur Verfügung stellen des Unternehmens situiert, die derzeit sowohl von der
wird. Des Weiteren ist es geplant Abwärme aus den Fernwärme mit einem Verrechnungsanschlusswert
Prüfständen zu nutzen und in das interne Wärmenetz von 800 kW als auch mit Erdgas über 2 Heizkessel mit
einzuspeisen. einer Gesamtleistung von 2.380 kW (930 + 1.450 kW)
versorgt wird.
Ausgangssituation und Zielsetzung In dieser Heizzentrale sind auch die notwendigen
Die AVL List GmbH (AVL List) benötigt Prozesswärme solartechnischen Komponenten untergebracht.
für die Entfeuchtung der Lüftungsanlagen für die Die Einbindung in die Heizungszentrale bestehend
Prüfzellenklimatisierung, welche derzeit durch Fern- aus Wärmemengenzähler, Drosselventil, Dreiwege-
wärme und Gas bereitgestellt wird. Durch die Tatsache, ventil und Absperrungen wurde bereits im Vorjahr
dass die im Jahr 2006 errichtete Parkgarage überdacht fertiggestellt. Für die großen Wassermengen musste
werden sollte, entstand die Idee solarthermische die automatische Ausdehnungsanlage mit einem
Kollektoren als Wärmequelle und als Überdachung Folgegefäß von 3.000 Liter erweitert werden.
der Parkgarage zu nutzen. Ziel war, die ca. 600 MWh16 | 17
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Der Pufferspeicher mit einer Größe von 70 m³ befindet der Prüfstandszellen verteilt. Die erzeugten Energie-
sich neben der Parkgarage im Freien. Die Solaranlage mengen können im kleinen Bereich variieren, da
wird ganzjährig Prozesswärme für die Entfeuchtung die Erzeugung von den Rücklauftemperaturen der
der Lüftungsanlagen für die Prüfzellenklimatisierung Verbraucher abhängig ist.
zur Verfügung stellen und wird auch teilweise die
Büroräume in den Übergangszeiten beheizen. Der Wenn keine Solarwärme zur Verfügung steht, speist
prognostizierte durchschnittliche Gesamtenergieertrag die Fernwärme der Energie Graz über den neu instal-
der Anlage beträgt ca. 600 MWh/Jahr. lierten Pufferspeicher in das interne Wärmenetz der
Die Steigleitungen werden in der Heizzentrale zusam- AVL List ein. Diese Betriebsweise führt dazu, dass die
mengeführt, welche sich im Keller der Parkgarage FW-Anschlussleistung reduziert werden kann, da die
befindet. Von dort aus wird mit dieser Solarwärme Spitzenlasten durch den Puffer abgedeckt werden
vorrangig ein ca. 70 m³ großer Pufferspeicher erwärmt. können.
Für den extra großen Pufferspeicher mit 70 m³
Fassungsvermögen musste eine Sonderlösung für die Das Geschäftsmodell – Solar Contracting
Fundamentierung geschaffen werden, da der Platzbe- Die AVL List gilt als eines der innovativsten Unterneh-
darf auf dem Firmengelände beschränkt ist. Hierfür men in Österreich. Der renommierte Industriebetrieb
musste man über einem bestehenden Schacht ein bekommt von der Solaranlage ganzjährig Prozesswärme
enormes Fundament gießen lassen, dass dem Gewicht zur Entfeuchtung der Lüftungsanlagen geliefert.
standhält. Das Solarsystem befindet sich im Eigentum der Solar.
nahwaerme.at, welche Betreibergesellschaft ist, die
Die Solar-Übergabestation, die sich in einem eigenen Finanzierung aufgestellt hat und Contractor ist.
Technikraum am Parkdeck befindet, und die Einbin- Geplant und umgesetzt wurde die Anlage von der
dung ins kundeninterne Netz, die im Technikraum SOLID GmbH. Die AVL List ist Energiekunde mit
der Gas- Übergabestation des Kunden integriert ist, einem Langzeitenergieabnahmevertrag, das Unterneh-
sind fertig installiert. men kauft die generierte Solarenergie zu vertraglich de-
Die Regelungstechnik und Sensorik wurde nach finierten und somit langfristig kalkulierbaren Preisen.
Standards des Kunden durchgeführt. Die Messdaten Österreichs erste industrielle Contracting-Anlage ist
der Solaranlage und des Pufferspeichers können nun seit Juni 2017 im Vollbetrieb und liefert der AVL List
von der zentralen Regelung des Kunden eingesehen saubere Energie für seine Prüfzellenklimatisierung.
und verwertet werden, sodass eine möglichst effiziente
Nutzung der Solarenergie als bevorzuge Wärme- Das Contractingmodell kommt in Österreich
quelle möglich ist. Hierfür müssen für den Winter- (und darüber hinaus) bereits vielfach zum Einsatz.
betrieb, die Übergangszeit und den Sommerbetrieb Insbesondere bei solaren Fernwärmeprojekten in Graz,
Lastzustände analysiert und erprobt werden, um die aber auch im Bereich Geschosswohnbau. Heute hat die
Gesamtregelung und die konventionelle Energie- Solar.nahwaerme.at in Österreich Anlagen mit mehr
bereitstellung auf eine optimale Nutzung der als 10 Mio EUR Investitionsvolumen im Contracting
Solaranlage abzustimmen. unter Vertrag. Die solarthermische Großanlage bei der
AVL List ist das erste industrielle Contractingprojekt
Die gesamte solar erzeugte Wärme wird an die zentrale und das 1. Projekt, welches aus dem erfolgreichem
Wärmeversorgungsanlage der AVL List geliefert und Bürgerbeteiligungsmodell „SOLID Invest“ cofinanziert
von dort zu den Lüftungsanlagen für die Entfeuchtung wurde.18 | 19
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„ Mit dem Grazer Projekt „Solare Prozesswärme für AVL List“ wird erfolgreich gezeigt,
wie Solarthermie ein Kernelement der zukünftigen Wärme- und Kälteversorgung für
Industriebetriebe sein kann. Österreichs größte Anlage mit solarer Prozesswärme
steht für das ökonomische und ökologische Zusammenspiel mit hohem Multiplikations-
potenzial für den Industriesektor und darüber hinaus. Wenn wir uns den Heraus-
forderungen des Klimaschutzes und der Energiewende erfolgreich stellen wollen,
braucht es weitere innovative Systemlösungen und Projekte wie dieses.“
PROJEKTLEITER ROBERT SÖLLB368386
Die Finanzierung
Die Entwicklungen der Finanzwelt mit Eigenkapital- Bei diesem Projekt kann die Solaranlage in der
anforderungen des Basler Ausschusses – bekannt als momentanen Ausbaustufe diese Anforderungen
Basel I-III – stellten damals wie heute mittelständische sehr gut erfüllen. Daher entschied sich der Kunden
Unternehmen vor große Herausforderungen. Um nach- für seine zukünftige Wärmeversorgung für Solar-
gefragte Projekte, wie das der AVL List, finanzieren thermie.
zu können, kam ein neues alternatives Modell zur Die gebaute Variante mit großem Pufferspeicher
Projektfinanzierung zum Einsatz. 2013 von der SOLID ermöglicht eine Lastverschiebung von Energie-
Gruppe entwickelt, ist SOLID Invest das weltweit produktion zu Konsumation. Auflage dafür war der
erste Bürgerbeteiligungs-Modell für solarthermische Platzbedarf für den Energiespeicher. In diesem Fall
Anlagen. Es zielt zusätzlich zu Bankkrediten auf die konnte der Speicher direkt neben der Energiezentrale
finanzielle Umsetzbarkeit von Solarwärmeanlagen ab. für Wärme aufgestellt werden, was die Wärmeverluste
Auch die Finanzierung der Groß-Solaranlage für die auf ein absolutes Minimum reduziert.
AVL List erfolgt über das Bürgerbeteiligungsmodell Herausfordernd war auch bei diesem Projekt der
SOLID Invest, gemeinsam mit Banken. SOLID Invest Kostenpunkt der Unterkonstruktion der Kollektoren,
trägt damit in der Bevölkerung einen Teil zur Bewusst- welche die Systemkosten der Solaranlage durch die
seinsbildung von Solarwärmeanlagen mit Contracting- notwendigen baulichen Maßnahmen – in diesem Fall
modell bei und fördert deren Verbreitung. eine Stahlkonstruktion die ein ganzes Parkdeck über-
Das Projekt wurde vom Klima- und Energiefond als spannt – stark beeinflussen.
besonders innovativ ausgewählt und wird auch aus
Mitteln des KLIEN-Fonds gefördert. Neben dem bereits realisierten Projekt ist ein
zusätzliches solarthermisches System geplant, welches
Schlussfolgerungen und Ausblick Prozesskälte zur Verfügung stellen wird. Bereits im
Solare Großanlagen sind speziell bei Industriebetrieben Sommer 2018 möchte das Unternehmen von solarer
mit zentraler Wärmeversorgung und hoher Grundlast Kälte zur Kühlung und Klimatisierung von Büro-
ein gutes Einsatzgebiet um den Anteil von Primär- und Laborgebäuden profitieren. Die Erweiterung des
energie und zugekaufter Heizenergie entscheidend zu Solarprojekts, welches dann Österreichs größte Anlage
senken und durch die vor Ort produzierte Solarenergie mit solarer Prozesswärme wäre, befindet sich derzeit
zu substituieren. am Beginn der Umsetzungsphase.
DREI GUTE GRÜNDE FÜR DAS PROJEKT
_ Österreichs erste industrielle Contracting-Anlage mit Solarthermie: TOP 3
Ökonomische und ökologische Energieversorgung
_ Stabile und langfristig gesicherte Energiepreise
_ Lange Lebensdauer der Solaranlagen mit mindestens 25 Jahren20 | 21
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L Projektleitung:
REINHOLD W. LANG, GERNOT M. WALLNER
Johannes Kepler Universität Linz
Institut für Polymerwerkstoffe und Prüfung (JKU-IPMT)
Positionierung der Arbeitspakete entlang der Wertschöpfungskette ABBILDUNG 1
WP-01: Kosteneffiziente gepumpte Systeme
WP-02: Hochqualitative nicht-gepumpte Systeme
Relative Markt-
durchdringung
Material und Verarbeitung, Solarthermischer Solarthermisches Ökonomische und
Prüfmethoden Kollektor System ökologische Perspektiven
WP-03:
Neue Materialien
und PrüfmethodenPROJEKTNUMMER: 840732
SolPol-4 /5
Solarthermal Systems based on Polymeric Materials: Novel Pumped /Non-Pumped Collector - Systems
Thermische Kollektoren und Kollektorsysteme werden Treibhausgasemissionen gesetzt werden, anderseits
derzeit in aufwändigen und kostenintensiven Prozessen soll gleichzeitig die Position der österreichischen
aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien mit Solarthermieindustrie am Weltmarkt gestärkt werden.
einem vergleichsweise geringen Kunststoffanteil gefer-
tigt und installiert. Während in Europa im Bereich der Konkret werden mit dem Projekt
Solarthermie die Marktentwicklung für die vornehm- zwei Hauptzielsetzungen verfolgt:
lich eingesetzten gepumpten Flachkollektorsysteme (1) Die konzeptionelle Entwicklung, Herstellung,
stagniert bzw. rückläufig ist, nimmt weltweit die Funktionsüberprüfung und Bewertung von
Bedeutung und der Anteil nichtgepumpter Systeme, hochintegrierten, gepumpten Kollektorsystemen
die als Thermosiphon- oder integrierte Speicherkol- in Vollkunststoff- oder Hybridbauweise mit dem
lektoren ausgeführt sind, zu. Ziel der Kostenreduzierung um 50 % im Vergleich
Die technisch-wissenschaftliche Hauptzielsetzung des zu marktüblichen Systemen.
gegenständlichen Projekts SolPol-4/5 liegt daher in der (2) Die Entwicklung von neuartigen nicht-gepumpten
Entwicklung von gepumpten und nicht-gepumpten Speicherkollektorsystemen in Kunststoff- oder
Systemen in Vollkunststoffbauweise bzw. mit einem Hybridbauweise, die die Vorteile hohen Komforts
hohen Kunststoffanteil, die sich durch folgende bei gleichzeitig hoher Qualität und Zuverlässigkeit
Merkmale auszeichnen: und moderaten Kosten verbinden.
_ hoher Vorfertigungsgrad und optimierte
Funktionsintegration, Zur Erreichung dieser Gesamtzielsetzung wird das
_ Reduzierung des Kollektorgewichts gegenständliche industrielle Forschungsprojekt von
und einfache Montage (plug&function), einem Partnerkonsortium bestehend aus 10 Unter-
_ hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer, nehmenspartnern und 7 wissenschaftlichen Partnern
_ attraktiveres Design, sowie durchgeführt. Die technologischen Hauptziele des
_ reduzierte Kosten/Preise bzw. besseres Projektes liegen einerseits in der Entwicklung von
Kosten/Nutzen-Verhältnis. neuartigen gepumpten und nicht-gepumpten Kollek-
torsystemen mit signifikant reduzierten Wärmegeste-
Als wirtschaftliche und ökologische Zielsetzungen sol- hungskosten und verbesserter Performance, andererseits
len dadurch einerseits neue Impulse für die Belebung in der Entwicklung von maßgeschneiderten Kunst-
des europäischen und insbesondere auch des österrei- stoffen für unterschiedliche Systemkomponenten
chischen Marktes für die solare Warmwasserbereitung und einem Portfolio von Test- und Prüfmethoden
und Raumheizung mit deutlicher Reduktion von zum effizienten Screening von Materialien und der22 | 23
Eine-Welt-Solar-System ABBILDUNG 2
leistbare Solarwärme aus Kunststoff für den Volumenmarkt
© Sunlumo Technology GmbH840732
Lebensdauervorhersage unter praxisrelevanten, system- wird durch dieses Projekt ein einzigartiges Potenzial
und standortabhängigen Beanspruchungsbedingungen. zur Stärkung der österreichischen Industrie im derzeit
Das Forschungsprogramm des Projektes ist in von China dominierten Solarthermie-Markt geschaffen.
insgesamt 3 Arbeitspakete gegliedert:
Folgende Ergebnisse bzw. Highlights wurden in den
WP-01: Kosteneffiziente gepumpte Systeme ersten 3 Jahren des insgesamt 4-jährigen Projektes,
WP-02: Hochqualitative nicht-gepumpte Systeme sowohl auf die Gesamtzielsetzungen von SolPol-4/5
WP-03: Neuartige Materialien und Prüfmethoden als auch auf die Zielsetzungen der einzelnen Arbeits-
pakete bezogen, erzielt.
Im Arbeitspaket WP-01 werden gepumpte Systeme
ganzheitlich betrachtet und grundlegend überarbeitet. 1. Neuartige gepumpte Systeme aus Polyolefinen
Neben der Systemdefinition und -optimierung liegt mit Temperaturbegrenzung und signifikant
besonderes Augenmerk bei der Entwicklung vollstän- reduzierten Wärmegestehungskosten
dig überhitzungsgeschützter Kunststoff-Kollektortypen
mit einer Maximaltemperatur im Stillstand um 100°C Aus mehr als 20 unterschiedlichen gepumpten
und bei der Entwicklung industriell vorgefertigter Systemtypen für unterschiedliche Standorte und
Systemkomponenten, die eine einfache und fehlerfreie Anwendungen wurden besonders hohe Kostenredukti-
Installation vor Ort erlauben. Bei den nicht-gepumpten onspotenziale für drucklose Solarkreise und maximale
Systemen werden sowohl Einkreis- als auch Zweikreis- Betriebstemperaturen von 95°C abgeleitet. Für die
anlagen in Vollkunststoffbauweise für den Massenmarkt Systemkomponenten wurden Belastungsbedingungen
der Warmwasserbereitung entwickelt, untersucht und simuliert und Leistungsanforderungen bzw. Eigen-
ökonomisch bzw. ökologisch bewertet. Durch den schaftsprofile abgeleitet und verwendet um spezifische
vollständigen Überhitzungsschutz wird der Einsatz Werkstoffe auszuwählen und zu entwickeln. Für die
kosteneffizienter Massenkunststoffe möglich, deren Fertigung der Systemkomponenten mit Stückzahlen
Dauergebrauchstemperaturen um 80°C liegen. In von mindestens 500.000 pro Jahr wurde die Extrusion
SolPol-4/5 soll die Temperaturbeständigkeit von Mate- für den Absorber, die Rohrleitung, den Speicher und
rialien wie Polyolefinen oder verstärkten Polyamiden den Wärmetauscher, der Spritzguss für die Sammler,
um weitere 10 bis 20°C gesteigert werden und die Per- die Hydraulikeinheit (inkl. Ventile) und den Boden/
formance unter kombinierten Belastungen (Heißluft, Deckel des Speichers und das Spiegelschweißen für
Heißwasser, korrosive Medien, UV-Bestrahlung oder die Verbindung von Absorber und Sammler sowie
mechanische Spannung) abgesichert werden. Speicherwand und -deckel identifiziert. Im Vergleich
Wesentliche Synergieeffekte entstehen aus der Mitein- zu den Referenzsystemen in Metall/Glas-Bauweise
beziehung und interdisziplinären Zusammenarbeit mit Wärmegestehungskosten (LCOH) zwischen 7 und
führender österreichischer Forschungseinrichtungen 14 €ct/kWhth wurden für die gepumpten Systeme aus
und Unternehmen auf dem Solarthermie-Sektor und Polyolefinwerkstoffen um 3 bis 6 €ct/kWhth niedrigere
auf dem Gebiet der Kunststoffe. Die Anwendungs- LCOH-Werte ermittelt. Als besonders kosteneffizient
und Markt-Kompetenz der industriellen Partner wird stellte sich das „One World Solar Collector System“
in idealer Weise mit dem wissenschaftlichen Ansatz von Sunlumo (mit 4 m2 Kollektor und 150 l Speicher)
und den wissenschaftlichen Kompetenzen der For- für die Warmwasserbereitung in warmen Klimazonen
schungseinrichtungen verknüpft. Basierend auf diesem mit mehr als 50 % niedrigeren Wärmegestehungs-
industriellen und wissenschaftlichen Hintergrund kosten im Vergleich zum Referenzsystem heraus.24 | 25
Lebensdauervorhersage für PP-Absorbermaterialien ABBILDUNG 3
10.000
150 2,4
1000/K [1/K]
120
2,6
1.000 ongoing
90 2,8
100 60
Frequencies [h/a]
3,0
Temperature [°C]
3,2
10
150
50 years
2,4
120
2,6
1
90 2,8
0,1 60 3,0
Pumped collector systems for hot
water preparation in single family houses (SFH) 3,2
0,01
0 20 40 60 80 100 1 10 100 1.000 10.000 100.000
Absorber temperature [°C] Time-to-embrittlement [days]
Location: experimental failure PPB
Antalya experimental failure PPB
Mumbai ongoing experiment PPB (95°C)
Phoenix Arrhenius extrapolation PPB
Arrhenius extrapolation PPB
Ramschak, 2017 Gugumus AO-1
Gugumus AO-7
Lebensdauervorhersage: predicted data PPB
i=n predicted data PPB
1/
tƒ = ∑ [(t /t )/t i
tot ƒi (Ti, σi)] Grabmann, 2017
i=1
Lebensdauer, Antalya, Mumbai, Phoenix,
Jahre TR IN US
PPB α
Gugumus
24 20 23
PPB β 34 29 32
Z I TAT
„ Kunststoffe bieten ein hohes Innovationspotenzial für Solartechnologien. Sie werden
zur bedeutendsten Materialklasse und treibenden Kraft künftiger solartechnischer
Entwicklungen und zum Motor ihrer steigenden Marktdurchdringung.”
PROJEKTLEITER GERNOT WALLNER840732
Für den Überhitzungsschutz von Flachkollektoren mechanisch-thermisch-chemischen Leistungsan-
wurden 2 Prinzipien ((a) mit Rückkühler; (b) mit forderungen wurden für die Hauptkomponente von
Hinterlüftung) untersucht und die Funktionsweise an Speicherkollektoren glasfaserverstärkte Kunststoffe
Modellkollektoren nachgewiesen. Besonders effizient ausgewählt und umfassend charakterisiert. Gleich-
erwies sich die Lösung mit Rückkühler, bei der über zeitig zeigten Strömungssimulationen und Thermo-
ein 3-Wege-Kugelventil automatisch und stromlos zwi- grafieaufnahmen an Modellkollektoren signifikante
schen Solarkreis und Rückkühlkreis geschaltet wird Abhängigkeiten der Performance von der geometri-
und eine Temperaturbegrenzung auf 95°C möglich ist. schen Auslegung und Form des Speicherkollektors.
Bei Kollektoren mit Temperatur-gesteuerter Hinter- Für ein optimiertes Design wurden geeignete Verfah-
lüftung wurden Standort-abhängige Stagnationstem- renstechniken zur zuverlässigen und kosteneffizienten
peraturen von bis zu 125°C erhalten. Eine weitere für Herstellung von Speicherhalbzeugen ausgelotet.
warme Klimazonen hochinteressante und kosteneffi- Dabei erwies sich die Kombination aus Direktcom-
ziente Variante stellte ein System mit einem Kollektor pounding, Thermoforming und Bonding als am viel-
mit beidseitiger transparenter Wärmedämmung dar, versprechendsten. Im Vergleich zu auf Rohren und
für das die niedrigsten Wärmegestehungskosten um Endkappen basierenden Konstruktionsweise ist eine
2 €ct/kWhth ermittelt wurden. Die ökologische Be- Reduktion der Einzelkomponenten eines Speicher-
wertung der neuartigen gepumpten Kollektorsysteme kollektors von über 100 auf unter 10 möglich, was
ergab energetische Amortisationszeiten zwischen neben der kosteneffizienteren Fertigung auch eine
0,5 und 1,5 Jahren. Die kürzeste energetische Rück- deutlich geringere Fehleranfälligkeit erwarten lässt.
zahldauer wurde für heiße Standorte wie Mumbai Für die transparente Abdeckung und die rückseitige
(IND) oder Phoenix (USA) erhalten, wobei hier auch Dämmung wurden unterschiedliche Varianten
die zu erwartende Gebrauchsdauer des Absorbers mit konzipiert, untersucht und gesamtheitlich bewertet.
25 Jahren am niedrigsten war. Als beste Alternativen stellten sich Stegplatten und
Vliesdämmungen heraus. Die Wärmegestehungskosten
2. Nicht-gepumpte Systeme mit Speicher- für die neuartigen nicht-gepumpten Systeme werden
kollektor aus faserverstärkten Kunststoffen derzeit ermittelt und Metall/Glasbasierenden Thermo-
siphonsystemen oder Speicherkollektoren gegenüber-
Bei den nicht-gepumpten Systemen für die Warmwas- gestellt. Vorläufige Ergebnisse zeigen deutliche Vorteile
serbereitung werden sowohl Thermosiphon- als auch für das neue System aus faserverstärkten Kunststoffen
Speicherkollektoren in Kunststoffbauweise eingehend bezüglich der Herstellkosten und der zu erwartenden
untersucht. Für den Großteil der Zweikreissysteme Lebensdauer.
ergab sich aufgrund des außenliegenden Speichers,
der Wärmetauscherverluste und der Überhitzungs- 3. Neuartige Olefin-basierende Polymerwerk-
problematik ein schlechteres Kosten/Performance- stoffe für Absorber von gepumpten Systemen
Verhältnis im Vergleich zu direkt durchströmten, und Liner von Speichern
druckbeaufschlagten Einkreissystemen. Bei diesen
wiederum stellt die Innendruckbelastung von bis Zur Bestimmung von Leistungsanforderungen an
zu 6 bar bei Umgebungstemperatur und 4 bar bei Kunststoffe in solarthermischen Anlagen wurden
maximaler Betriebstemperatur von 90°C sowie die Soft- und Hardwarepakete entwickelt und imple-
Verwendung von chloriertem Trinkwasser die wesent- mentiert. Neben den Temperaturstatistiken wurden
lichsten Herausforderungen dar. Aufgrund der hohen auch Druckbelastungsprofile für die untersuchten26 | 27
Kollektorarten ermittelt und die mechanischen Be- 4. Neuartige Methoden zum Screening von Werk
lastungen auf den Werkstoff abgeleitet. Für Absorber stoffen unter kombinierten mechanischen,
von gepumpten Systemen, Rohrleitungssysteme und thermischen und chemischen Belastungen
Liner von Wärmespeichern erwiesen sich Polyolefine,
insbesondere Polypropylen, als geeignet. Im Vergleich Bei 1-Kreis-Speicherkollektoren treten relativ hohe
zu kommerziell erhältlichen Typen war eine gezielte Drücke bis zu 6 bar auf, die je nach konstruktiver
Modifikation und Aufstabilisierung erforderlich, um Auslegung des Speichers Vergleichsspannungen
eine geforderte Gebrauchsdauer von 25 Jahren bei von etwa 20 MPa in der Bauteilwand hervorrufen.
Anwendungstemperaturen von 95°C zu erreichen. Für Bei mechanischen Belastungen größer 5 MPa ist die
den Absorber wurden insbesondere Ruß-modifizierte getrennte Betrachtung funktionaler (mechanisch oder
Polypropylen-Blockcopolymere mit immobilisierten thermische Last) und stofflicher (Wärmeträgermedium)
Antioxidantien entwickelt und bezüglich des Alte- Alterungsfaktoren unzulässig. Vielmehr müssen sämt-
rungsverhaltens in Heißluft, Heißwasser oder Wasser/ liche Einflussgrößen überlagert beaufschlagt werden.
Glykol-Gemischen charakterisiert. Im Gegensatz dazu Im Projekt SolPol-4/5 wurden daher neuartige
erwiesen sich für den Wärmespeicher Random-Copo- Methoden zur Beschreibung des Alterungsverhaltens
lymere auf Ethylen- oder Propylenbasis ohne Schwarz- unter überlagerten Lasten konzipiert, entwickelt und
pigment als maßgeschneidert. Für die neuartigen insbesondere für faserverstärkte, technische Kunst-
Polyolefin-Werkstoffe wurde eine Lebensdauervor- stoffe umgesetzt. Dazu wurden elektrodynamische
hersagemethode entwickelt und implementiert, die Prüfmaschinen mit temperierbaren Medienbehältern
auf der Simulation von Temperaturbelastungsprofilen, ausgerüstet und für die Detektion der Schädigung
der Extrapolation von Versagenszeiten bei erhöhten (Risslänge) ein kontaktloses, optisches Messsystem im-
Temperaturen von 95 bis 135°C auf niedrigere plementiert. Als Medien wurden sowohl Heißwasser
Gebrauchstemperaturen und die Kumulation von als auch feuchte Luft berücksichtigt. Eine besondere
Schädigungen basiert. Die Ermittlung der Versagens- Herausforderung stellt chloriertes Trinkwasser dar, das
zeiten erfolgt unter Verwendung und Auslagerung aufgrund des Ausfallens von Chlorionen bei erhöhten
von Mikroprüfkörpern mit reduzierter Dicke, was Temperaturen eine kontinuierliche Spülung des
eine zusätzliche Beschleunigung und Verkürzung der Medienbehälters erfordert. Die neuartigen Methoden
Testzeiten ermöglicht. Die neuartigen Absorber- und wurden zum Screening von unterschiedlichen faser-
Linerwerkstoffe zeigen im Vergleich zu kommerziell verstärkten Kunststoffen eingesetzt, wobei neben dem
eingesetzten Materialien (zB. für Schwimmbadkol- Polymertyp, der Stabilisierung auch der Fasergehalt
lektoren) eine signifikant bessere Performance (Faktor variiert wurde. Zudem wurde das Rissausbreitungs-
2 bis 3). Die quantitative Lebensdauerabschätzung verhalten in der Schweißnaht untersucht. Während
verdeutlicht eine starke Abhängigkeit vom Einsatzort. der Einfluss der Stabilisierung der Polyamide auf die
Je nach Standort, Kollektorsystem oder Speichertyp Ermüdungsrisskinetik in Heißwasser eher gering ist,
variieren die ermittelten Gebrauchsdauern zwischen zeigte sich eine starke Abhängigkeit vom Fasergehalt
20 und mehr als 50 Jahren. Von den Firmenpartnern und -orientierung und eine deutliche Abschwächung
Borealis und AGRU Kunststofftechnik werden die durch Binde- oder Schweißnähte. Kürzlich wurde klar
besten Formulierungen für den Absorber und den herausgearbeitet, dass Chlorgehalte von bis zu 5 ppm,
Liner von Speichern bereits aufskaliert und explora- wie in Trinkwasser maximal zulässig, eine nur geringe
torisch in den Markt übergeführt. spannungsrisskorrosive Wirkung haben. Damit wurde
erstmals die bessere Langzeitperformance von840732
glasfaserverstärkten Polyamiden im Vergleich zu _ Gabriel-Chemie: Vermarktung des Know Hows
Kupfer oder Edelstahl für direkt mit Trinkwasser zu Stabilisatorformulierungen und Flammschutz-
durchströmte Speicherkollektoren nachgewiesen. und Farb-Masterbatches für Kunststoffe in
Bauanwendungen
Ausblick _ GreenOneTec: Aufskalierung des im LFT-Verfahren
Im Rahmen der einzelnen Arbeitspakete wurden hergestellten Kunststoffspeicherbehälters und
deutliche Fortschritte in der Entwicklung von Bauartzulassung für Speicherkollektoren in
kosteneffizienten solarthermischen Systemen und Vollkunststoffbauweise
der Austestung neuartiger polymerer Materialien _ Lenzing Plastics: Weiterentwicklung und
für unterschiedliche Systemkomponenten erzielt. Im Vorqualifizierung von Kunststoff/Alu-Laminaten
abschließenden Projektjahr ist die Fertigstellung der für Heißwasser- und Solarthermieanwendungen
Modellkollektoren, die Vermessung der gepumpten _ Sunlumo Technology: Vergabe von Lizenzen für
und nicht-gepumpten Vollkunststoffsysteme und die das gepumpte „One World Solar Collector System“
weitere Absicherung des Langzeitverhaltens der neuen mit Fokus auf den Massenmarkt der solarther-
Absorber- und Linerwerkstoffe auf Laborebene vorge- mischen Warmwasserbereitung
sehen. Die künftigen Aktivitäten ausgewählter Unter-
nehmenspartner betreffend sind vor allem folgende Das Forschungskonsortium insbesondere die
Kommerzialisierungsbestrebungen zu nennen: wissenschaftlichen Projektpartner sind bestrebt die
_ APC: Vermarktung des Know Hows im Bereich
erarbeiteten Erkenntnisse in weiteren kooperativen
faserverstärkter Compounds und Blends aus Forschungsprojekten zu nutzen. Die thematische
Polyamiden für innendruckbelastete Bauteile Ausrichtung künftiger Projekte wird bei gekoppelten
für Warmwasseranwendungen Energietechnologien liegen. Darüber hinaus laufen
_ AGRU: Weiterentwicklung und Umsetzung der
Bestrebungen die erarbeiteten Kompetenzen auf dem
hochtemperaturbeständigen Linerhalbzeuge auf Gebiet der Absorber- und Linerwerkstoffe für Kollek-
Polyolefinbasis für saisonale Großwärmespeicher toren und Wärmespeicher in Anwendungsgebieten
_ Borealis: Bemusterung und Vorqualifikationstätig-
mit ähnlichem Anforderungsprofil zu nutzen.
keiten mit Kollektor- und Rohrleitungsherstellern
(neuartiges Polypropylenblockcopolymer für den
Absorber, Rohre und Fittinge)
DREI GUTE GRÜNDE FÜR DAS PROJEKT
_ Ein zentrales Problem der Solarthermie ist die Stagnation der für neue Technologien typischen
TOP 3
Kostendegression auf Kollektor- und Systemebene. Derzeit eingesetzte Verfahren der Kollektor-
herstellung und Systemimplementierung sind zu aufwändig und kostenintensiv.
_ Solarthermische Anlagen sind oft spezifisch angepasste Einzellösungen mit hoher Fehleranfälligkeit.
Die Solarthermie befindet sich nach wie vor in der Entwicklungs- und Einführungsphase.
_ Die Solarthermie wird mit Ausnahme von China von der Großindustrie noch nicht als erneuerbare
Energietechnologie mit hohem Entwicklungs- und Wachstumspotenzial wahrgenommen.28 | 29
U
EIT NG
L
Projektleitung: WIM VAN HELDEN
AEE INTEC - Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE
Institut für Nachhaltige Technologien
Arbeitspaket-Struktur im Leitprojekt ABBILDUNG 1
Work package Generated common knowledge
(not exhaustive)
WP1 Boundary conditions and system requirements Methods; standard configurations
WP2 Materials selection and development Materials database
WP3 Components development Components solutions and characteristics
WP4 Storage system development Modelling, measurement techniques
WP5 Integration and control Control strategies
WP6 Management Collaboration models and practice
Developed applicationsPROJEKTNUMMER: 845020
TES4SET
Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Technologies
Das Leitprojekt TES4SET (Thermal Energy Storage Entwicklungslinie A
for Sustainable Energy Technology) beschäftigt sich Ziel der Linie A ist die Entwicklung eines saisonalen
mit der Entwicklung: Solarthermie-Speichersystems für ein Einfamilien-
_ von neuen thermischen Speichermaterialien
haus auf Basis der Feststoffsorption. Die Optimierung
_ von Komponenten für thermische Speicher
des Systems konzentriert sich auf die Entwicklung
_ und der numerischen Simulation und Regelung
der „Charge Boost“ Technologie (Umladung). Dabei
zur Systemintegration dieser Speicher. werden zwei mit Sorptionsmaterial gefüllte Speicher
miteinander verbunden, wovon sich der Hauptspeicher
Die Einsatzgebiete reichen dabei von der Industrie auf hoher Temperatur und der Charge Boost Speicher
über mobile Anwendungen bis hin zur Verwendung auf niedriger Temperatur befindet. Der resultierende
in Gebäuden. Druckunterschied wird genutzt, um den Hauptspeicher
Bei der Materialentwicklung liegt der Schwerpunkt der noch weiter zu trocknen (zu beladen) und das auch
Projettätigkeit im Bereich der Steigerung der Energie- bei niedrigen Temperaturen. Auf dieser Basis gibt es
dichte von neuen sorptiven Speichermaterialien und zwei Neuentwicklungen während des Projektes: den
Composite-Materialien für Niedertemperaturanwen- sogenannte Sorptionskollektor und den Raumspeicher
dungen sowie die Erforschung neuer thermochemi- (siehe dazu auch Abbildung 2), die jeweils eine effizi-
scher Materialien und Phasenwechsel-Materialien für ente und kompakte Gestaltung des Sorptionsspeicher-
einen mittleren Temperaturbereich für industrielle systems ermöglichen.
Einsatzzwecke.
Daneben werden Speicherkomponenten und -systeme Für den Sorptionskollektor wird das Sorptionsmaterial
sowie Regelungsstrategien für die Integration in den direkt in den eigens dafür entwickelten Kollektor
jeweiligen Anwendungsgebieten (Gebäude, Industrie, gefüllt und über eine Vakuumleitung mit dem rest-
Mobilität) entwickelt. lichen Speichersystem im Haus verbunden. Durch
Die Technologieentwicklung für die einzelnen die hohen Temperaturen und der zyklischen Be- und
Einsatzgebiete wird durch branchen- und anwen- Umladung des Kollektormaterials wird die Energie-
dungsübergreifende Forschungstätigkeit und einem speicherdichte des Hauptspeichers im Haus deutlich
Interessensaustausch zwischen Industriebetrieben erhöht. Mit der richtigen Wahl eines geeigneten
und Forschungspartner begleitet. Kollektormaterials kann der Charge-Boost auch zum
Die Arbeit dieses Leitprojektes ist nach dem Aufladen eines bereits entladenen Sorptionswärme-
Anwendungsgebiet in 5 Entwicklungslinien (A bis E) energiespeichers im Winter verwendet werden.
unterteilt, wobei jede Linie die gleiche Grundstruktur Die zweite Neuentwicklung ist ein in die zu kondi-
der Arbeitspakete aufweist (Abbildung 1). tionierenden Räume integrierter SorptionsspeicherSie können auch lesen
