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Mittwoch, 12 Mai 2021 11:59

Rentabel und CO2-frei: Erneuerbare Prozesswärme in der Oberflächenverarbeitung – Teil 1

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Geschätzte Lesezeit: 6 - 12 Minuten

Der folgende Beitrag widmet sich der erneuerbaren Wärmebereitstellung in Unternehmen der Oberflächenbearbeitung, mit dem Fokus auf der Bereitstellung solarer Prozesswärme.

Ausgehend von der Darstellung der Notwendigkeit dieser Thematik, gehen die Autoren auf das Potential solarthermischer Wärmebereitstellung in Industrie sowie Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD) ein. Im Folgenden werden das breite Anwendungsgebiet und mögliche Wärmesenken diskutiert, bevor der technische Hintergrund über Aufbau und Funktionsweise einer thermischen Solaranlage dargelegt wird. Insbesondere die Integration der erneuerbaren Wärme stellt eine große Herausforderung dar, weshalb die Autoren auch hierauf vertieft eingehen. Neben den technischen Fragestellungen muss auch die Wirtschaftlichkeit stimmen. Die Informationen zu Förderung und Turn-Key-Kosten münden in der Berechnung von solaren Wärmegestehungskosten und dem Geschäftsmodell Contracting. Wie eine Anlage tatsächlich sinnvoll ausgelegt werden soll, erfährt der Leser in dem Abschnitt zur Vorauslegung und Machbarkeitsabschätzung, bevor die aktuelle Marktentwicklung sowie Best-Practice-Anlagen vorgestellt werden.

Einführung

Die Energieversorgung in Deutschland unterliegt seit der Jahrtausendwende einer massiven Transformation. In den kommenden Jahren und Jahrzehnten muss der bisherige Weg einer kohle-, gas- und atombasierten Energieversorgung grundlegend geändert werden, hin zu einer erneuerbaren Energieversorgung. Das bisherige Konzept der fossilen Energieversorgung weicht zunehmend einer dezentralen und regenerativen Energieversorgung. In den vergangenen Jahren haben sich die Diskussionen und Transformationsprozesse stark auf den Stromsektor fokussiert. Windturbinen und Photovoltaikanlagen prägen das Landschaftsbild. Trotz einer anhaltenden Diskussion um bspw. das Für und Wider einzelner Technologien sowie erreichte oder verfehlte Klimaschutzziele kann die Energiewende im Stromsektor bisher insgesamt als Erfolg angesehen werden. So konnte 2017 bereits ein Drittel des Stromes regenerativ bereitgestellt werden. Bei einer sek- torübergreifenden Betrachtung des deutschen Energieverbrauchs fällt jedoch auf, dass Strom nur rund 20 % des gesamten Energieverbrauchs ausmacht.

Wärmesektor verbraucht größten Teil der Energie

Abb. 1: Einstrahlungskarte für DeutschlandAbb. 1: Einstrahlungskarte für DeutschlandMit über 50 % ist der größte Teil des Energieverbrauchs in Deutschland auf die Wärmeversorgung zurückzuführen. Trotz dieser enormen Relevanz des Wärmesektors wurde der dringend notwendige Beginn der Wärmewende verschlafen. Diesen schlafenden Riesen nicht zu wecken, ist insbesondere vor dem Hintergrund fatal, dass Strom deutschland- oder gar europaweit erzeugt, transportiert und verteilt werden kann und somit alle Strombezieher ohne eigenes Zutun mehr und mehr grünen Strom verbrauchen. Wärme muss jedoch lokal erzeugt werden, was insbesondere Unternehmen aus Industrie und Gewerbe in die individuelle Verantwortung bringt, in den kommenden Jahren die eigene Wärmeversorgung möglichst CO2-arm zu gestalten. Allein in der deutschen Industrie werden mehr als 520 TWh Wärme im Jahr benötigt, was in etwa dem gesamten Stromverbrauch in Deutschland entspricht. Aktuell wird diese Wärme fast ausschließlich durch fossile Energieträger bereitgestellt. Die regenerative Wärmeerzeugung beschränkt sich zum Großteil auf den begrenzten Brennstoff Biomasse, der ein sehr breites Einsatzfeld besitzt, perspektivisch jedoch für anspruchsvollere Anwendungen (Verkehrssektor, Hochtemperaturwärme) genutzt werden sollte. Für die erneuerbare Prozesswärme stehen ausgereifte Technologien jedoch bereits in den Startlöchern. Solarthermie und Wärmepumpen können den Wärmebedarf unterhalb von 150 °C emissionsfrei und zu niedrigeren Preisen als die fossilen Energieträger bereitstellen. Eine mögliche zukünftige CO2-Steuer erhöht perspektivisch den Druck zur Umstellung auf eine möglichst klimaschonende Produktionsinfrastruktur. Die Oberflächenindustrie bietet mit ihrem großen Wärmebedarf unterhalb von 100 °C eine besonders geeignete Branche für den Einsatz von erneuerbarer Prozesswärme.

Potential für Erneuerbare Prozesswärme

Solarthermiekollektoren wandeln die einfallende Sonnen- einstrahlung in nutzbare Wärme um. Abbildung 1 zeigt die Summe der jährlichen Einstrahlung in Deutschland, welche im Mittel rund 1.200 kWh/(m2a) beträgt. Wie die Abbildung deutlich macht, zeigt das Strahlungspotential ein leichtes Nord-Süd-Gefälle auf, auch wenn die Unterschiede nur im Bereich von 10 % liegen. Die leicht geringeren Einstrahlungswerte im Nordwesten sind immer noch ausreichend, um thermische Solaranlagen in ganz Deutschland sinnvoll einzusetzen. In Gegenden nahe dem Äquator kann die jährliche Einstrahlungssumme deutlich höher bei bis zu 2700 kWh/(m2a) liegen. Im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen nutzen thermische Solarkollektoren das gesamte Strahlungsspektrum, was sich in höheren spezifischen Erträgen widerspiegelt.

 

In der deutschen Industrie wurden im Jahr 2017 rund 750 TWh Energie benötigt (BMWi, 2018). Abbildung 2 verdeutlicht, dass nur ein Viertel davon auf Strom zurückzuführen ist, während etwa drei Viertel für die Bereitstellung von Wärme verwendet wurden. Ein Großteil dieser Wärme wird auf einem relativ hohen Temperaturniveau oberhalb von 250 °C benötigt, was auf die große Bedeutung der Schwerindustrie in Deutschland zurückzuführen ist. Zwar kann die Wärme in diesem Temperaturbereich theoretisch mit Solarthermie bereitgestellt werden, hierfür wären jedoch konzentrierende Solarkollektoren notwendig, die in Deutschland aus technischer und ökonomischer Sicht bislang wenig Sinn ergeben. Gleiches gilt für den Temperaturbereich zwischen 150 und 250 °C. Für die Nutzung von CO2-freien Wärmeversorgungstechnologien sollte der Fokus daher auf dem Temperaturbereich unterhalb von 150 °C liegen, welcher mehr als ein Viertel des industriellen Wärmebedarfs auf sich vereint. Unter Berücksichtigung von Effizienzmaßnahmen, eingeschränkten (Dach-) Flächen für Kollektoren sowie der Divergenz von Wärmebedarf und Solarstrahlungsangebot ergibt sich ein Potential von 50 Mio. m2 Kollektorfläche in Deutschland. Berücksichtigt man auch den Wärmebedarf im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen, eröffnen sich weitere 100 Mio. m2 als zu erschließendes Potential. Auf den ersten Blick mag dies als Mammutaufgabe angesehen werden, ein Vergleich mit anderen Größenordnungen zeigt jedoch, dass dies durchaus realistische Dimensionen sind. So bedecken in Deutschland Braunkohletagebauten eine Fläche von 2.300 Mio. m2 (BMU 2006) und selbst Autobahnen nehmen eine Fläche von 570 Mio. m2 (ADAC n.d.) ein. Wie bereits eingangs erwähnt, ist der Stromsektor dem Wärmesektor deutlich voraus. Bis heute sind bereits ca. 450 Mio. m2 PV-Kollektoren installiert.

Abb. 2:  Aufteilung des Strom-  und Wärmebedarfs  in der deutschen Industrie Stand: 2017Abb. 2: Aufteilung des Strom- und Wärmebedarfs in der deutschen Industrie Stand: 2017

 

Nach den Zielen der Bundesregierung sollen bis 2050 mindestens 50 % der insgesamt verbrauchten Wärme aus erneuerbaren Quellen stammen. Mit Blick auf das Pariser Klimaschutzabkommen erscheint selbst dies noch nicht ambitioniert genug. Dennoch ist festzustellen, dass der Anteil erneuerbarer Technologien am Wärmeverbrauch in Deutschland seit Jahren auf einem niedrigen zweistelligen Niveau (derzeit 13 %) stagniert. Der Großteil davon entfällt auf die Biomasseverbrennung, wobei die ohnehin begrenzten Biomassepotentiale in Deutschland aufgrund von Flächen- (Nahrungsmittel) und Nutzungskonkurrenz (z. B. Flüssigkraftstoffe) noch weiter reduziert werden. Wärmepumpen werden zukünftig ebenfalls ihren Beitrag leisten, jedoch muss hier betont werden, dass diese nur dann CO2-Emissionen reduzieren, wenn Strom aus erneuerbaren Energien eingesetzt wird und eine geeignete Wärmequelle zur Verfügung steht. Erneuerbarer Strom zur Direktheizung sollte nur für den Hochtemperaturbereich eingesetzt werden. Thermische Solaranlagen können mit allen genannten Technologien sinnvoll eingesetzt und darüber hinaus auch mit KWK-Anlagen kombiniert werden. Für eine erfolgreiche Wärmewende wird es zukünftig auf den richtigen Technologiemix in integrierten Wärmeversorgungssystemen ankommen.

Ein Vorteil gegenüber Photovoltaikanlagen zur Stromerzeugung ist die Tatsache, dass Solarthermieanlagen als Effizienzmaßnahmen betrachtet werden und somit keinerlei administrativer Aufwand entsteht. Weder die Installation und Inbetriebnahme einer thermischen Solaranlage muss angemeldet, noch müssen erzielte Solarerträge an eine zentrale Stelle übermittelt werden.

Branchen und Anwendungsgebiete

Eine solare Prozesswärme kann sehr vielseitig eingesetzt werden. In nahezu allen Branchen finden sich Anwendungen und Prozesse mit geeignetem Temperaturniveau. Abbildung 3 gibt einen Überblick über einige besonders relevante Industriezweige in Deutschland und die jeweils vorhandenen Prozesse mit signifikantem Wärmebedarf.

Abb. 3: Übersicht über Branchen und relevante Prozesse mit TemperaturbereichAbb. 3: Übersicht über Branchen und relevante Prozesse mit Temperaturbereich

 

In Unternehmen der Oberflächentechnik finden sich sehr viele geeignete Prozesse, die solarthermisch beheizt werden können. So bieten beheizte Bäder (z. B. bei jeglichen Spritz- oder Tauchverfahren), die sich insbesondere in der Galvanotechnik aber auch in anderen Branchen zur Vor- und Nachbehandlung wiederfinden, sehr gute Rahmenbedingungen. Daneben sollten auch stets die raumlufttechnischen Anlagen im Auge behalten werden. Hier ist zwar das Temperaturniveau sehr niedrig, aufgrund des enormen Luftbedarfs stellen sich jedoch oft erhebliche Wärmeverbräuche ein. In fast allen Unternehmen der oberflächenbearbeitenden Industrie steht am Ende der Prozesskette ein Trockner. Auch hier kann Solarwärme sehr effizient eingebunden werden, indem entweder Luftkollektoren direkt warme Luft erzeugen oder wassergeführte Kollektoren in Verbindung mit einem Luft-Wasser-Wärmeübertrager die Trocknungsluft erwärmen. Erfolgt die Trocknung über raumlufttechnische Anlagen, kann ein weiterer Wärmeübertrager in die Anlage selbst integriert oder ein Solarwärmeübertrager in den konventionellen Heizkreis eingebunden werden. Nicht zuletzt kann die Solarwärme zur Warmwasserbereitstellung, z. B. für jegliche Reinigungs- und Waschprozesse, genutzt werden. Zudem kann in der Heizperiode Überschusswärme jederzeit zu Raumheizungszwecken eingesetzt werden, sodass keinerlei Wärme verloren gehen muss.

Technik

Abb. 4:  Schema einer thermischen Solaranlage zur Versorgung einer Wärmesenke (WS)  mit den wichtigsten  Komponenten Kollektor  und Pufferspeicher. Zusätzlich sind Pumpen, Wärmetauscher und ein Dreiwegeventil dargestellt   Abb. 4: Schema einer thermischen Solaranlage zur Versorgung einer Wärmesenke (WS) mit den wichtigsten Komponenten Kollektor und Pufferspeicher. Zusätzlich sind Pumpen, Wärmetauscher und ein Dreiwegeventil dargestellt Die thermische Solaranlage stellt immer nur einen „Fuel Saver“ dar. Das bedeutet, dass keine konventionelle Kesselleistung ersetzt, sondern stets nur die Laufzeit des Kessels und damit der Einsatz von fossilen Brennstoffen reduziert wird. Das konventionelle Heizsystem wird als Backup für strahlungsarme Zeiten in jedem Fall weiterhin benötigt. Je nach Solaranlagengröße und Auslegung der Komponenten wird der Endenergieverbrauch (Gas, Holz, Öl, Strom, etc.) jedoch typischerweise um 20 bis 50 % reduziert.

Der grundsätzliche Aufbau einer thermischen Solaranlage ist in Abbildung 4 dargestellt. Das Herzstück ist der Kollektor, der zusammen mit einem Wärmespeicher insbesondere im Sommerhalbjahr einen erheblichen Teil des Wärmebedarfs CO2-frei bereitstellen kann. Das Funktionsprinzip einer Solarthermieanlage ist dabei stets gleich. Die Sonnenstrahlung wird im Kollektor durch den Absorber in Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird anschließend an das Wärmeträgerfluid im Solarkreislauf abgegeben. Aus Frostschutzgründen wird üblicherweise ein Glykol-Wasser-Gemisch eingesetzt. Für den Fall, dass die Frostfreiheit aufgrund der Umgebungsbedingungen oder einer aktiven Heizung garantiert werden kann, existieren inzwischen ausgereifte Systeme auf dem Markt, die auf Wasser als Medium zurückgreifen. Dies bringt eine entsprechende Kostenreduktion mit sich. Im Falle von sehr hohen Kollektortemperaturen kann auch ein Thermoöl im Kollektorkreis zum Einsatz kommen. Neben dem Kollektor wird meist ein Pufferspeicher benötigt, da das Solarstrahlungsangebot nur selten mit dem Wärmebedarf zeitlich übereinstimmt. Mit Hilfe eines Speichers kann Solarwärme bspw. am Tag für die Nacht oder am Wochenende für den nächsten Werktag gespeichert werden, so dass trotz der zeitlichen Verschiebung zwischen Einstrahlung und Bedarf hohe solare Deckungsraten erreicht werden können. In den meisten Fällen werden Wasserspeicher eingesetzt, welche im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien besonders kostengünstig und umweltverträglich sind. Wasserspeicher werden drucklos bis 95 °C oder druckbehaftet mit bis zu 120 °C betrieben und sind mit quasi beliebigem Speichervolumen am Markt verfügbar. Speicher und Kollektor sind aufgrund der unterschiedlichen Medien (Glykol-Wasser-Gemisch im Kollektorkreis und Wasser im Speicherkreis) in der Regel hydraulisch durch einen Wärmeübertrager getrennt.

 

Wird Wasser als Wärmeträgermedium im Solarkreis verwendet, kann auf den Wärmeübertrager verzichtet werden. Dreiwegeventile im Vorlauf ermöglichen eine temperaturabhängige Einschichtung der Solarwärme. Auch zwischen Speicher und Wärmesenke ist meist ein Wärmeübertrager installiert. Dieser ermöglicht die kontrollierte und bedarfsgerechte Aufheizung des Verteilmediums auf der Seite der Wärmesenke, da nun auf beiden Seiten des Wärmeübertragers die Kapazitätsströme gezielt geregelt werden können. Je nach Anwendung kann das Fluid auf der Seite der Wärmesenke auch eine Säure oder Lauge sein, was eine hydraulische Trennung ebenfalls notwendig macht.

Wahl eines geeigneten Kollektors

Abb. 5: Geeignete Kollektoren mit dem jeweiligen Temperaturbereich zur Bereitstellung solarer ProzesswärmeAbb. 5: Geeignete Kollektoren mit dem jeweiligen Temperaturbereich zur Bereitstellung solarer ProzesswärmeMaßgeblich für die Wahl eines geeigneten Kollektors ist die Temperatur, die eine Solaranlage bereitstellen soll. Je höher die benötigte Temperatur ist, desto aufwändiger muss die Konstruktion des Kollektors sein. Unabgedeckte Kollektoren, wie sie in Freibädern oder zur Poolheizung verwendet werden, spielen in der industriellen Anwendung aufgrund des geringen möglichen Temperaturniveaus keine Rolle. Dank ihrer einfachen Konstruktion sind Flachkollektoren besonders kostengünstig und das Mittel der Wahl bei niedrigen Temperaturen und Vorwärmprozessen. Mit Standard-Flachkollektoren werden Temperaturen bis 80 °C erreicht (vgl. Abb. 5). Mit Hilfe einer doppelten transparenten Abdeckung können die Wärmeverluste von Flachkollektoren reduziert und so Temperaturen von bis zu 110 °C effizient bereitgestellt werden. Vakuumröhrenkollektoren nutzen das Isolationsprinzip einer Thermoskanne zur Reduzierung der Wärmeverluste, wodurch noch höhere Temperaturen als in Flachkollektoren bereitgestellt werden können. Je nachdem ob diese Kollektorbauart mit einem rückseitigen Spiegel versehen ist (CPC-Kollektor) oder nicht, liegt der sinnvolle Einsatzbereich dieser Kollektoren in einem Bereich von 80 ... 150 °C. Für den industriellen Bereich sind diese Kollektoren besonders interessant, da Neuentwicklungen sehr geringe Dachlasten ermöglichen. Die einzelnen Röhren sind individuell drehbar, sodass sie unabhängig von der Dachausrichtung perfekt nach Süden ausgerichtet werden können. Dadurch wird die üblicherweise notwendige Anstellung der Kollektoren vermieden, wodurch sich geringere Windlasten ergeben, die im Rahmen der Tragfähigkeitsprüfung des Gebäudes in der Regel problematischer sind als die statischen Lasten des Kollektors selbst. Konzentrierende Kollektoren arbeiten nach dem Prinzip eines Brennglases. Sie werden kontinuierlich in Richtung der Sonne ausgerichtet, bündeln die eintreffenden Sonnenstrahlen im Brennpunkt auf dem Absorber und können dadurch Temperaturen von bis zu 400 °C bereitstellen. Da diese Kollektoren jedoch nur die direkte Solarstrahlung nutzen können und ein großer Teil der in Mitteleuropa eintreffenden Strahlung diffus ist, eignen sich konzentrierende Kollektoren eher für Südeuropa.

 

Sonderfall Luftkollektoren

Einen Sonderfall stellen Luftkollektoren dar. Diese verzichten auf ein flüssiges Wärmeträgermedium und verwenden stattdessen Luft, wodurch sich der Anlagenaufbau vollständig ändert. Die Kollektoren eignen sich überall dort, wo große warme Luftmengen benötigt werden, z. B. für Trocknungs- oder Lüftungsanwendungen. Sie sind als Flach- (bis 80 °C) oder Röhrenkollektoren (bis 180 °C) erhältlich. Eine Speicherung der warmen Luft ist zwar möglich, in der Regel jedoch nur mit großem Aufwand umsetzbar. Luftkollektoren zeichnen sich durch niedrige Systemkosten und hohe spezifische Erträge aus.

– wird fortgesetzt –

Literatur

[1] ADAC, n.d., Anteil der Straßen in Deutschland an der Gesamtfläche des Landes im Jahr 2014, Statista, Zugriff am 7. Mai 2019, Verfügbar unter https://de.statista.com/statistik/daten/studie/163401/umfrage/anteil-der-strassen-in-deutschland-an-der-gesamtflaeche/
[2] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktor- sicherheit, Energiepolitik 20 Jahre nach Tschernobyl, Dokumentation der Tagung Tschernobyl 1986–2006: Erfahrungen für die Zukunft, Berlin, 24./25. April 2006
[3] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Zahlen und Fakten Energiedaten, 2018
[4] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Prozess- wärme aus erneuerbaren Energien: Umsteigen und von Förderung profitieren, verfügbar unter https://www.deutschland-machts-effizient.de/KAENEF/Redaktion/DE/Foerderprogramme/energieeffizienz-in-der-wirtschaft-modul-2-prozesswaerme.html, Zugriff am 14. Mai 2019
[5] Bundesnetzagentur, Bundeskartellamt, n.d., Gaspreise* für Gewerbe- und Industriekunden in Deutschland in den Jahren 2008 bis 2018 (in Euro-Cent pro Kilowattstunde), Statista, verfügbar unter https://de.statista.com/statistik/daten/studie/168528/umfrage/gaspreise-fuer-gewerbe-und-industriekunden-seit-2006/, Zugriff am 14. Mai 2019,
[6] Verein Deutscher Ingenieure, VDI 3988, Solarthermische Prozesswärme (Gründruck), Beuth Verlag, Berlin, 2018

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 4
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Felix Pag, Mateo Jesper, Bastian Schmitt

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