Potenziale von Concentrated Solar Power 23.05.2022, 08:00 Uhr

Weg vom Gas – welche Möglichkeiten Solarthermie hier bietet

Solarthermie kann in erheblichem Umfang zur grünen Wärmewende in Deutschland beitragen und unabhängig von ausländischen Gasimporten machen. Das gilt nicht nur für den Wohnbereich, sondern zunehmend auch für die industrielle Prozesswärme.

Solarthermische Anlage mit Parabolrinnenkollektoren zur industriellen Dampferzeugung. Foto: Protarget

Solarthermische Anlage mit Parabolrinnenkollektoren zur industriellen Dampferzeugung.

Foto: Protarget

Die Ereignisse der letzten zwei Jahre haben uns gezeigt, wie abhängig Deutschland noch immer vom Rest der Welt ist. Besonders dramatisch zeigt sich dies derzeit im Energiesektor. Die Abhängigkeit von Gasimporten aus Russland stellt Deutschland vor große Herausforderungen und gibt dem Umstieg auf erneuerbare Energien eine ganz neue Priorität. Beim Ausbleiben von Gasimporten aus Russland und den damit verbundenen Engpässen in der Energieversorgung, muss die Bundesregierung entscheiden an welchen Stellen Gas eingespart werden kann.

Solarthermie wird in Deutschland meist mit der Warmwasser- und Heizwärmeerzeugung für Wohngebäude in Verbindung gebracht. Solarthermie funktioniert jedoch auch sehr gut im Bereich der industriellen Prozesswärme, bei dem Wärme in Form von Druckwasser, Dampf oder Öl als Wärmeträgermedien eingesetzt wird. Hier kann die Solarthermie jetzt ihr ganzes Potenzial und ihre Bedeutung für die deutsche Energieversorgung entfalten. Für Branchen mit einem hohen Bedarf an Prozesswärme, könnte hier die Solarthermie sofort und kostengünstig Abhilfe schaffen und die Unternehmen langfristig unabhängig von fossilen Brennstoffen machen. Zudem erlaubt die Speicherfähigkeit der solarthermischen Energie an sonnigen Tagen eine 24/7-Versorgung der Unternehmen mit Wärme.

Vakuumröhren mit Flüssigkeit oder Luft

Eine bereits weit verbreitete Technologie zur solaren Prozesswärmeerzeugung sind die sogenannten Vakuumröhrenkollektoren, die Einsatztemperaturen von bis zu 110 °C im industriellen Dauerbetrieb möglich machen. Die Kollektoren sind durch ihre kompakte und robuste Bauweise sowohl zur Dach- als auch zur Freiflächenmontage geeignet. Je nach Hersteller und Modell haben die verschiedenen Systeme eine Kollektorfläche von 2 bis 10 m2. Basierend auf der erforderlichen Leistung der Solaranlage werden entsprechend viele Kollektoren zusammengeschaltet.

Typischerweise nutzen Kollektoren eine Flüssigkeit als Wärmeträger, zum Beispiel Wasser oder ein Wasser-Glykol Gemisch. Es gibt aber auch mit Luft durchströmte Kollektoren. Diese Luftkollektoren werden vorranging für Trocknungsprozesse, etwa zur Trocknung von Hackschnitzeln oder anderer Biomasse eingesetzt.

Vakuumröhrenkollektoren für industrielle Anwendungen mit 3,4 m² Fläche pro Kollektor.

Foto: Protarget

Die spezifischen Kosten dieser Technologie richten sich nach der Größe der installierten Anlage. Da die Kosten einzelner Systemkomponenten wie Wärmeübertrager, Steuerungssystem und Speicher, sowie die Kosten für Planung und Aufbau mit steigender Anlagengröße nicht in gleichem Maße ansteigen, sinken bei großen Solarthermie-Anlagen die spezifischen Investitionskosten nochmals deutlich.

Konzentrierende Kollektoren für höhere Temperaturen

Bei industriellen Prozessen die Temperaturen zwischen 100 und 400 °C benötigen, kommen konzentrierende Kollektoren zum Einsatz. Dies können zum Beispiel Parabolrinnen- oder Fresnelkollektoren sein. Falls Speicher zum Einsatz kommen, kann es wegen der Temperaturspreizung im Speicher auch sinnvoll sein bei niedrigeren Prozesstemperaturen Parabolrinnenkollektoren in die Planung einzubeziehen. Mithilfe von Spiegeln wird die Sonnenstrahlung auf einen Wärmeüberträger sogenannte Receiver-Röhren konzentriert. Weltweit am weitesten verbreitet sind dabei die linienfokussierenden Systeme mit hocheffizienten Parabolrinnenkollektoren. Diese Technologie ist bereits seit den 1990er-Jahren in großen Solarkraftwerken (> 50 MW) im Einsatz. Durch den Einsatz thermischer Speicher (zum Beispiel mit flüssigem Salz) können diese Kraftwerke die solar erzeugte Wärme auch in der Nacht nutzen.

Die Systeme sind wartungsarm und arbeiten in einem vollautomatischen Betrieb über einen Zeitraum von 20 Jahren und mehr. Die Solaranlagen werden in die thermische Infrastruktur des Betriebes integriert und laufen in der Regel parallel zu den existierenden Kesselanlagen. Je nach Größe und Auslegung der Solaranlage kann so eine Energieersparnis von 20 bis 80 % erreicht werden.

Vielfältige Einsatzgebiete für solare Prozesswärme

Rund drei Viertel des Endenergieverbrauchs der Industrie in Deutschland fallen für die Erzeugung von Prozess- und Raumwärme an. Dies entspricht in etwa dem gesamten deutschen Stromverbrauch. Sowohl im Niedertemperaturbereich unter 100 °C, als auch zur Dampferzeugung mit konzentrierenden Kollektoren, bieten sich für den industriellen Sektor vielfältige Einsatzgebiete für solare Prozesswärme. Internationale Studien belegen das weltweite Potenzial dieser Technologie [1]. Die Berechnungen zeigen, dass Parabolrinnen-Anlagen zur solaren Prozesswärmeerzeugung bereits bei niedrigen Prozesstemperaturen ab 75 °C am Standort Deutschland ähnliche Erträge erzielen können wie die etablierten stationären Kollektoren.

Berechnete Jahreserträge für den Standort Potsdam auf Basis von Meteonorm-Daten. Grafik: DLR, Institut für Solarforschung [1]

Neue Förderprogramme öffnen Türen für Solarthermie

Im deutschen Energiesystem gewinnt die „Concentrated Solar Power“ (CSP)-Technologie immer mehr an Bedeutung. Bislang galt die hiesige Sonneneinstrahlung als zu gering. Technischer Fortschritt und Kostendegression ermöglichen jedoch, dass die konzentrierende Solarthermie in erheblichem Umfang zur nachhaltigen, grünen Wärmewende in Deutschland beitragen und das Land unabhängig von ausländischen Gasimporten machen kann. Gleichzeitig ist die Dekarbonisierung des Wärmesektors einer der noch am wenigsten durchdrungenen und durchgeplanten Sektoren der Energiepolitik. Der Handlungsbedarf ist enorm, und so hat die Bundesregierung in den zurückliegenden Monaten einige Förderprogramme überarbeitet oder neu konzipiert, wie zuletzt die Bundesförderung energieeffiziente Wärmenetze sowie die Bundesförderung für effiziente Gebäude. Sie erleichtern der konzentrierenden Solarthermie den Zugang zu einem Markt, der CSP bisher verschlossen war.

Dabei sind die Vorteile konzentrierender Solarthermie vielschichtig:

  • Erzeugung von industrieller Prozesswärme oder Kälteenergie,
  • typische Anwendungsbereiche sind die Lebensmittel- und Getränkebranche, (zum Beispiel Molkereien und Brauereien), Nah- und Fernwärmenetze,
  • Heizung und Kühlung von Hallen und öffentlichen Gebäuden wie Schwimmbädern,
  • durch Einbindung thermischer Speicher wird die Energie an sonnenreichen Tagen 24/7 bereitgestellt,
  • solare Prozesswärme ermöglicht eine signifikante Reduktion der Kraftstoffkosten und CO2-Emissionen,
  • Energiesicherheit und Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen,
  • Kombination verschiedener Technologien zur Erzeugung erneuerbarer Energie möglich und sinnvoll, um eine Unabhängigkeit von 100 % zu gewährleisten.

Logistik und Flächenbedarf

Anders als bei der Stromerzeugung ist die Erzeugung von Wärme lokal gebunden, das heißt: nicht über größere Entfernungen wirtschaftlich zu transportieren. Die Nutzung von Biomasse ist die einzige thermische erneuerbare Alternative. Der Flächenbedarf der konzentrierenden Solarthermie entspricht in etwa dem der Photovoltaik und Wärmepumpe oder der von Flachkollektoren beziehungsweise Vakuumröhren. Die CSP-Technologie hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie auf Agrarflächen installiert werden kann, denn die der Sonne nachgeführten Systeme vermeiden eine permanente Verschattung des Untergrundes. Pflanzen können unter den CSP-Kollektoren dauerhaft bestehen und so etwa dem Naturschutz dienen. Sie bieten auch Raum für Artenvielfalt.

Literatur

  1. Krüger, D. R.; Fischer, S.; Nitz, P.; Inigo Labairu, J.: Chancen für den Einsatz konzentrierender Kollektoren in Mitteleuropa. 31. Symposium Solarthermie und innovative Wärmesysteme 2021, 27.-30.4.2021, Online-Konferenz. https://elib.dlr.de/145751/1/Konzentrierende%20Kollektoren%20STS%202021.pdf, zuletzt abgerufen am 3.5.2022.

Lara Stamm, Vertriebsingenieurin bei der Protarget AG

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