Eugen G. Leuze Verlag KG
×
 x 

Warenkorb leer.
Warenkorb - Warenkorb leer.

Newsletter

Auf dem Laufenden bleiben? Jetzt unsere Newsletter auswählen und alle 14 Tage die neuesten Nachrichten in Ihrem E-Mail Postfach erhalten:

Bitte JavaScript aktivieren, um das Formular zu senden

Onlineartikel Suche

Volltext

Autoren

Ausgabe

Jahr

Kategorie

Montag, 12 Juli 2021 11:59

Rentabel und CO2-frei: Erneuerbare Prozesswärme in der Oberflächenverarbeitung - Teil 3

von
Geschätzte Lesezeit: 5 - 10 Minuten
Heinz Daurer & Söhne GmbH Heinz Daurer & Söhne GmbH Quelle: Universität Kassel

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

Wie groß ist das Potential in meinem Unternehmen?

Die Planung einer solaren Prozesswärmeanlage ist vergleichsweise komplex. Mit neu entwickelten Tools ist es jedoch bereits mit wenigen Angaben möglich, das technische Potential im Rahmen einer Machbarkeitsstudie abzuschätzen. Zu Beginn sollte geprüft werden, ob Dach- oder Freiflächen für die Aufstellung von Solarkollektoren zur Verfügung stehen. Die Flächen sollten im Idealfall nach Süden ausgerichtet sein, wobei auch eine Ost-/West-Ausrichtung nur in leicht verringerten Solarerträgen resultiert. Darüber hinaus sollte auch im Sommer ein relevanter Wärmebedarf auf einem geeigneten Temperaturniveau bis maximal 150 °C vorhanden sein. Für die Auslegung der Solaranlage muss entschieden werden, welche Wärmesenken tatsächlich versorgt werden sollen. Für diese sollten der mittlere tägliche Wärmebedarf im Sommer sowie Vor- und Rücklauftemperaturen bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Daten sowie unter Angabe das Standortes über die Postleitzahl kann das Vorauslegungstool unter www.solare-prozesswärme.info/vorauslegung genutzt werden.

Abb. 10: Schema eines Wärmeliefercontracting Abb. 10: Schema eines Wärmeliefercontracting

Eine Solarthermieanlage ist dann am wirtschaftlichsten, wenn sie mit einem möglichst geringen Investitionsaufwand eine möglichst große Menge fossiler Energie substituiert. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass eine Solaranlage einen möglichst hohen spezifischen Abb. 11:  Beispiel für eine Auslegung  auf den sommerlichen Wärmebedarf bei einem gegebenen Lastgang (schwarz) und der sich unter den gegebenen Bedingungen ergebende Verlauf des Solarertrags über das Jahr (gelb)Abb. 11: Beispiel für eine Auslegung auf den sommerlichen Wärmebedarf bei einem gegebenen Lastgang (schwarz) und der sich unter den gegebenen Bedingungen ergebende Verlauf des Solarertrags über das Jahr (gelb)Jahresertrag (= Jahresertrag pro Kollektorfläche in kWh/(m2a)) haben sollte. Um dies zu erreichen, muss ein möglichst großer Teil des jährlichen Solarstrahlungsangebotes genutzt werden, ohne signifikante Wärmeüberschüsse zu produzieren. Daher werden Solaranlagen für Industrie und Gewerbe in einem ersten Schritt so groß dimensioniert, dass die Kollektoren an einem Werktag im Sommer mit überwiegend blauem Himmel gerade den gesamten Wärmebedarf decken können.

Die eingestrahlte Energiemenge an einem guten Sommertag beträgt weltweit ca. 7..8 kWh/(m2d). Je nach gewählter Kollektortechnologie und benötigter Temperatur können hiervon rund 50 %, also 3..4 kWh/(m2d), nutzbar gemacht werden. Mit Hilfe dieses sogenannten Auslegungswertes und des Wärmebedarfs an einem Sommertag kann im nächsten Schritt die empfohlene Kollektorfläche berechnet werden.

Diese Dimensionierungsstrategie wird im Folgenden an einem Beispiel erläutert:

Abbildung 11 zeigt beispielhaft den Verlauf des täglichen Wärmebedarfs einer Galvanik über den Jahresverlauf. Deutlich zu erkennen ist der erhöhte Wärmebedarf im Winter für Lüftungs- und Raumheizungszwecke. Ebenfalls wird deutlich, dass am Wochenende weiterhin eine relevante thermische Grundlast vorliegt, die gut durch die Solaranlage gedeckt werden kann. Der mittlere tägliche Wärmebedarf im Sommer, der hier für die Auslegung zu 5,3 MWh/d festgelegt wurde, ist durch die rote Linie gekennzeichnet. Die Temperaturen im Heizungsnetz der Galvanik liegen bei 80 °C im Vorlauf und 60 °C im Rücklauf.

Geht man mit diesen Daten in das genannte Vorauslegungstool (siehe Abb. 12 links) ergibt sich mit dem im Tool ermittelten Auslegungswert von 3 kWh/(m2d) eine mögliche Kollektorfläche von 1766 m2. In Kombination mit einem Speichervolumen von 135 m3 folgt ein spezifischer Ertrag von 346 kWh/m2 bei den gegebenen Temperaturen (siehe Abb. 12 rechts). Das Ergebnis einer Simulation des täglichen Solarertrages mit dieser Auslegung ist in Abbildung 11 dargestellt. Es zeigt sich, dass an keinem Tag Überschüsse produziert werden, sodass die gesamten solaren Erträge genutzt werden können. Im Sommer sind aufgrund der erhöhten Einstrahlungswerte deutlich höhere Erträge möglich, jedoch kann die Solaranlage auch in der Übergangszeit sowie an den Wintertagen einen relevanten Anteil des Wärmebedarfs bereitstellen und somit die Kessellaufzeit bzw. den Einsatz von fossilen Brennstoffen reduzieren.

Abb. 12:  Links: Eingabe der notwendigen Informationen in das Tool,  rechts: Ausgabe der Auslegung und ErtragsabschätzungAbb. 12: Links: Eingabe der notwendigen Informationen in das Tool, rechts: Ausgabe der Auslegung und ErtragsabschätzungJe nach Kollektorfläche, Temperaturbereich und zeitlichem Verlauf des Wärmebedarfs können für einen effizienten Anlagenbetrieb unterschiedlich große Speichervolumina erforderlich sein. Es sollte stets angestrebt werden, das erforderliche Volumen mit einem einzelnen Speicher innerhalb des Gebäudes zu realisieren. Auf diese Weise können, neben der optimalen Be- und Entladung und geringeren Wärmeverlusten, auch die Systemkosten so niedrig wie möglich gehalten werden. Hierfür finden sich auf dem Markt einige Hersteller, die vorkonfigurierte, ortsgeschweißte oder modular aufgebaute Speicher, bspw. aus Stahl, Kunststoff oder GFK, anbieten. In einem ersten Ansatz wird der Speicher so ausgelegt, dass mindestens die Einstrahlung von einem guten Sommertag (3 ... 4 kWh/(m2d) gespeichert werden kann. Wenn unter den gegebenen Umständen mehrere Speicher notwendig sind, sollten diese nicht parallel sondern seriell verschaltet werden.

Die in dem Tool hinterlegte Methodik hat ebenfalls in die neue VDI-Richtlinie 3988 Solarthermische Prozesswärme Einzug gefunden.

Markt

Stand Ende 2018 sind in Deutschland 33.000 m2 Kollektorfläche in mehr als 300 solaren Prozesswärmeanlagen in Bau und Betrieb. Die umgesetzten Anlagen werden von landwirtschaftlichen Anwendungen dominiert, in denen Biomasse (z. B. Hackschnitzel, Pellets, Heu) durch Luftkollektoren getrocknet werden. Hier werden meist eher kleinere Kollektorflächen im Bereich von 60 m2 genutzt. Gleichzeitig wird jedoch auch die derzeit größte solare Prozesswärmeanlage Deutschlands mit gut 1.300 m2 zur Hackschnitzeltrocknung eingesetzt. Insgesamt zeigt der Markt in vielen Anwendungsgebieten in den vergangenen Jahren aber eine Tendenz zu größeren Kollektorfeldern. Wie Abbildung 13 zeigt, ist das Anwendungsspektrum enorm. Trocknungsprozesse finden sich in vielen industriellen Unternehmen auf unterschiedlichem Temperaturniveau wieder. Gerade in Trocknungsprozessen mit hohem Luftwechsel bietet es sich häufig an, mit der Solaranlage die Luft vorzuwärmen und, wenn nötig, den Kessel die Zieltemperatur sichern zu lassen. Jedoch bieten auch RLT-Anlagen zur Luftkonditionierung sowie Umlufttrockner in Kombination mit Luftkollektoren oder wassergeführten Anlagen ein großes Potential, wie einige Umsetzungsbeispiele demonstrieren. Ein weiteres Anwendungsgebiet, in dem bisher sehr viele Anlagen umgesetzt wurden, ist die Fahrzeugreinigung. Einige Anbieter haben die Solarisierung ihrer Standorte zur Unternehmensstrategie erklärt und nutzen dies aktiv für Marketingzwecke. Die Solarwärme wird hier genutzt, um zum einen das Waschwasser zu erhitzen und teilweise auch um die Waschplätze über Fußbodenheizungen im Winter eisfrei zu halten. Doch auch in anderen Branchen, in denen viel gereinigt werden muss, finden sich zahlreiche Best- Practice-Beispiele. Gerade in der Lebensmittelindustrie mit ihren hohen hygienischen Anforderungen müssen alle Produktionsmaschinen und -räume mindestens einmal täglich gründlich gereinigt werden, was in einem erheblichen Warmwasserbedarf resultiert. Nicht zuletzt wird in vielen Unternehmen auch das Produkt selbst gereinigt, in wässrigen Lösungen vorbehandelt oder entfettet. So bietet auch die Galvano- und Oberflächentechnik sehr gute Möglichkeiten zur Nutzung solarer Prozesswärme. Einige Unternehmen der Branche haben das große Potential bereits erkannt und in erneuerbare Wärme investiert.

Abb. 13:  Aufteilung der installierten Kollektorfläche auf die BranchenAbb. 13: Aufteilung der installierten Kollektorfläche auf die Branchen

Weltweit sind nach Schätzungen weit über 1.000 Anlagen installiert, die verlässlich Solarwärme für industrielle Prozesse bereitstellen – mit stark zunehmender Tendenz. Insbesondere im asiatischen Raum werden Solaranlagen im großen Maßstab (> 1.000 m2 Kollektorfläche) installiert. Indien, China, aber auch Mexiko sind hier weltweit Vorreiter.

Best-Practice-Anlagen in der Oberflächentechnik

Huster Galvanik (Quelle: Ritter XL)Huster Galvanik (Quelle: Ritter XL)Die Heinz Daurer & Söhne GmbH ist ein mittelständisches Galvanikunternehmen aus dem Raum Karlsruhe. Vor der Installation der Solaranlage waren zwei Ölkessel allein für die Wärmeversorgung zuständig. Dank der Ausrichtung des Daches der Produktionshalle nach Osten und Westen kann der Solarertrag durch die Nutzung beider Dachhälften gut über den Tag verteilt werden. Insgesamt sind 300 m2 CPC-Kollektoren installiert, die zusammen mit einem direkt angebundenen 15 m3 Pufferspeicher im Gebäudeinnern mehrere Wärmesenken auf unterschiedlichem Temperaturniveau versorgen. So werden neben den eigentlichen Galvanikbecken auch der Luftwäscher, die Trocknungsanlagen sowie die Raumheizung mit Solarwärme versorgt. In den Sommermonaten können die Kessel, die in den gleichen Pufferspeicher Wärme einspeisen, an einer Vielzahl der Tage vollständig ausgeschaltet bleiben. Bei nicht ausreichender Einstrahlung erfolgt eine Rücklaufanhebung durch die Kollektoren, während die Ölkessel die Zieltemperatur von 90 °C sicherstellen.

Dass eine Solaranlage auch ohne Speicher effizient Wärme bereitstellen kann, zeigt das Beispiel der Huster Galvanik. Hier haben sich Unternehmen und Planer dazu entschlossen die Solaranlage parallel zum Kessel in das System einzubinden und dafür auf den Speicher zu verzichten. Aufgrund des häufig zeitgleichen Anfalls von Bedarf und Solarstrahlungsangebot kann dennoch eine hohe solare Deckungsrate von 40 % erreicht werden. Die hochwertigen CPC-Kollektoren mit einer Fläche von 220 m2 stellen hierbei Wärme auf 90 °C zur Beheizung der Galavanikbäder zur Verfügung. Trotz des vergleichsweise hohen Temperaturniveaus wird ein spezifischer Ertrag von 430 kWh/(m2a) erreicht.

Autohaus Friedrich Hoffmann GmbH & Co KG (Quelle: Grammer Solar)Autohaus Friedrich Hoffmann GmbH & Co KG (Quelle: Grammer Solar)In einigen Lackierereien, wie z. B. dem Autohaus Friedrich Hoffmann GmbH & Co KG in Sundern, wird die Solarwärme dagegen direkt zur Luftvorwärmung genutzt. Hier finden vermehrt Luftkollektoren Anwendung. Bei der Firma Lethe, die sich auf die Behandlung von Schiffen & Jachten spezialisiert hat, werden 1.400 m3 Luft pro Stunde durch 40 m2 Luftkollektoren aufgeheizt. Die warme Luft wird u.a. im Lackierprozess eingesetzt. Dort sind hohe Luftvolumenströme bei moderaten Temperaturen (ca. 22 bis 24 °C) gefordert, um die Lackpartikel abzuführen. Überschusswärme wird direkt der Raumheizung zugeführt.

Das Lackiercenter Schulte in Meppen setzt ebenfalls Solarwärme für den Lackierprozess (22.000 m3/h bei 24 °C) ein. Darüber hinaus wird die Wärme zur Trocknung des Lackes verwendet. Um die Luft auf bis zu 70 °C zu erhitzen, stellen die 134 m2 Vakuumröhrenkollektoren 85 °C in einem Luft-Wasser-Wärmeübertrager bereit. Das Gesamtsystem, welches durch zwei 5 m3 Pufferspeicher komplettiert wird, stellt im Jahr 54 MWh Wärme bereit. Das entspricht einer solaren Deckung von rund 30 %.

Weiterführende Informationen

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass solare Prozesswärme ein sehr breites Anwendungsgebiet besitzt und bereits heute in vielen Unternehmen genutzt wird, um die Energiekosten zu senken und gleichzeitig die produktionsbedingten CO2-Emissionen zu reduzieren. Insbesondere für Unternehmen aus der oberflächenbearbeitenden Industrie kann der zuletzt genannte Punkt relevant sein, da die Unternehmen der Branche meist einen hohen Umwelteinfluss aufweisen. Gleichzeitig kann die Investition in eine solarthermische Prozesswärmeanlage auch im Rahmen des kontinuierlichen Verbesserungsprozesses (KVP) nach DIN ISO 50001 angerechnet werden.

Lackiercenter Schulte (Quelle: s power)Lackiercenter Schulte (Quelle: s power)

Grundlegende Informationen und Hintergründe zur Nutzung von Solarwärme in Industrie und Gewerbe finden sich auf der bereits erwähnten herstellerunabhängigen Website www.solare-prozesswärme.info. Neben dem vorgestellten Tool zur Vorplanung werden aktuelle Informationen zum deutschen Markt und regelmäßig neue Best-Practice-Anlagen aus unterschiedlichen Sektoren vorgestellt. Zudem stehen weitere relevante Veröffentlichungen, wie z. B. branchenspezifische Leitfäden, zum Download bereit. In Kürze wird auf der Webseite auch eine Karte mit allen Umsetzungen in Deutschland inklusive relevanter Informationen zu finden sein. Neben den technischen Aspekten werden ebenfalls eingebundene Planer und Handwerker aufgeführt sein, um interessierten Unternehmen die Suche nach geeigneten Projektpartnern zu erleichtern.

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: 6
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Felix Pag, Mateo Jesper, Bastian Schmitt

Der Leuze Verlag ist die Quelle für fundierte Fachinformationen.
Geschrieben von Fachleuten für Fachleute. Fachzeitschriften und Fachbücher
rund um Galvano- und Oberflächentechnik sowie Aufbau- und Verbindungstechnik in der Elektronik –
seit 119 Jahren professionelle Informationen und Fachwissen aus erster Hand.

UNTERNEHMEN

ZAHLARTEN

Paypal Alternative2Invoice
MaestroMastercard Alternate
American ExpressVisa

Zahlarten z.T. in Vorbereitung.

KONTAKT

Eugen G. Leuze Verlag KG
Karlstraße 4
88348 Bad Saulgau

Tel.: 07581 4801-0
Fax: 07581 4801-10

E-Mail: info@leuze-verlag.de oder
E-Mail: mail@leuze-verlag.de