Technik

Für die Bereitstellung und Nutzung von Solarwärme kommt verschiedene Technik zum Einsatz. Hier finden Sie eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Komponenten wie Kollektoren, Speicherung und Einbindung.


Kollektortechnologien

Je nachdem wofür Solarwärme genutzt werden soll und bei welchem Temperaturniveau dies erfolgt, können unterschiedliche Kollektoren genutzt werden. Zusammen mit einem Wärmespeicher kann dann insbesondere in den Sommermonaten ein erheblicher Teil des Wärmebedarfs mit Solarenergie CO2-frei bereitgestellt werden.

Niedertemperatur-Absorber © Neosolar, spol. s r.o.

Niedertemperatur-Absorber: Bei der einfachsten Kollektorart, dem Niedertemperatur-Absorber, werden Absorbermatten aus speziellen organischen Materialien (Kunststoffe, EPDM) genutzt, um das Solarfluid zu erwärmen. Der Temperaturbereich bei dem diese Kollektoren sinnvoll eingesetzt werden können geht bis etwa 40 °C und ist demnach gut zur Vorwärmung kalter Flüssigkeiten bis auf Umgebungstemperatur oder als Wärmequelle in Kombination mit Wärmepumpen geeignet.

Flachkollektor © Wagner Solar GmbH

Flachkollektoren: Bei Flachkollektoren ist der metallische Solarabsorber zwischen einer transparenten Abdeckung und einer Wärmedämmung eingefasst. Dies minimiert die Wärmeverluste des Kollektors wodurch in Abhängigkeit der Bauart Nutztemperaturen bis 100 °C effizient bereitgestellt werden können. Das Spektrum reicht von kompakten Kollektormodulen mit ca. 2 m² bis hin zu Großflächenkollektoren mit 10..12 m².

Vakuumröhrenkollektor © Viessmann Group

Vakuumröhrenkollektoren: Bei Vakuumröhrenkollektoren können die Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung deutlich reduziert werden, wodurch bei höheren Temperaturen teils deutlich höhere Erträge erzielt werden können. Je nachdem ob diese Kollektorbauart mit einem rückseitigen Spiegel versehen ist (CPC-Kollektor) oder nicht, liegt der sinnvolle Einsatzbereich dieser Kollektoren bei bis zu 80..130 °C. Vakuumröhrenkollektoren können direkt durchströmt sein oder nach dem Heat-Pipe-Prinzip funktionieren.

Luftkollektor © Grammer Solar GmbH

Luftkollektoren: Luftkollektoren verzichten auf ein flüssiges Wärmeträgermedium und eignen sich daher besonders für Trocknungsanwendungen. Luftkollektoren sind als Röhrenkollektoren (beidseitig offene Sydney-Röhren) oder Flachkollektoren mit offenen Stirnseiten erhältlich.

Konzentrierender Kollektor © Industrial Solar GmbH

Konzentrierende Kollektoren: Für Regionen mit hoher Direktstrahlung können konzentrierende Kollektoren verwendet werden, die mittels Spiegel (wie bei dem hier abgebildeten Fresnelkollektor) oder Linsen die eintreffende Sonneneinstrahlung auf einen Absorber konzentrieren. Hierzu müssen die Spiegelflächen kontinuierlich der Sonne nachgeführt werden. Der Temperaturbereich dieser Kollektorbauart liegt typischerweise bei 150..400 °C.


Speicherung

In der Regel ist ein Pufferspeicher zentraler Bestandteil einer solaren Prozesswärmeanlage, da das Solarangebot nicht immer mit dem Wärmebedarf der zur versorgenden Wärmesenke zeitlich übereinstimmt. Neben sogenannten Schwachlastphasen innerhalb eines Produktionstages können dies  auch ganze Tage ohne Wärmebedarf, z.B. am Wochenende sein. Da bei den meisten Anwendungsfällen in Industrie und Gewerbe am Wochenende kein oder nur ein sehr geringer Wärmebedarf vorhanden ist, sollte ein Pufferspeicher derart dimensioniert werden, dass er den Solarertrag von mindestens einem Tag speichern kann. In der Regel werden hierfür Wasserspeicher verwendet, die drucklos bis 95 °C oder druckbehaftet bis zu 150 °C betrieben werden.

Je nach Kollektorfläche und spezifischen Rahmenbedingungen der Wärmesenke 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. Neben der optimalen Be- und Entladung, einer verbesserten Temperaturschichtung und geringen Wärmeverlusten, ist diese Variante im Regelfall auch kostengünstig. Hierzu gibt es mittlerweile einige Hersteller auf dem Markt, die vorkonfigurierte, ortsgeschweißte oder modular aufgebaute Speicher beispielsweise aus Stahl, Kunststoff oder GFK anbieten. Damit wird ermöglicht, das benötigte Volumen unter Berücksichtigung der jeweiligen örtlichen Gegebenheiten wie Deckenhöhe oder Türöffnungen zur Einbringung mit nur einem Speicher zu realisieren. Aufgrund höherer Wärmeverluste, des gesteigerten Installationsaufwandes und erhöhten Fehlerpotentials wird von der seriellen oder parallelen Verschaltung mehrerer kleinerer Pufferspeicher abgeraten.

Speichermöglichkeiten verschiedener Hersteller
Speichermöglichkeiten verschiedener Hersteller

Zur Einbindung des Speichers gibt es mehrere Möglichkeiten: Typischerweise wird der mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betriebene Solarkreis durch einen Wärmeübertrager vom Speicherkreis getrennt. Für die Einspeisung des aufgewärmten Wassers in den Speicher werden häufig zwei Anschlüsse an unterschiedlichen Höhen des Speichers vorgesehen. Unter Umständen kann die Solaranlage auch direkt, also ohne Wärmeübertrager an den Speicher angebunden werden. In diesem Fall fließt Wasser durch den Kollektor, was in der Regel aktive Frostschutzmaßnahmen erfordern.

Hydraulik direkte Anbindung mit externen WÜT für WS
Hydraulik indirekte Anbindung mit externen WÜT, direkte Anbindung WS

Je nachdem welche Wärmesenke mit Solarwärme versorgt werden soll, kann auch die Entladung des Speichers direkt oder indirekt erfolgen. Bei der direkten Einbindung, wird das zu erwärmende Prozessmedium (z.B. Wasser für Reinigungszwecke) direkt in den Pufferspeicher geführt, über die Solaranlage aufgewärmt und vom Pufferspeicher direkt zum Verbraucher geführt. In Abhängigkeit des solar zu erwärmenden Mediums (z.B. Lauge, Milch oder Trinkwasser), kann ein weiterer Wärmeübertrager nötig sein, um den Pufferspeicher von der Wärmesenke zu trennen.


Einbindung von Solarwärme

Versorgungs-/Prozessebene: „Einbindungsmöglichkeiten von Solarwärme“
Einbindungsmöglichkeiten von Solarwärme

Bei der Einbindung von Solarwärme lässt sich grundsätzlich die Versorgungs- von der Prozessebene unterscheiden. Viele Industrie- oder Gewerbebetriebe haben ein zentrales Kesselhaus zur Erzeugung und ein Rohrnetz zur Verteilung der Wärme an die Verbraucher. Je nach Nutztemperatur wird die Wärme über Dampf (140..200 °C), Heißwasser (90..160 °C) oder Warmwasser (<100 °C) verteilt und direkt oder indirekt über einen Wärmeübertrager  an die Wärmesenke abgegeben.

Um vor allem bei größeren Betrieben herauszufinden, an welchem Punkt die Einbindung von Solarwärme am sinnvollsten ist, sollte man die vorhandenen Wärmesenken gegenüberstellen und vergleichen. Die drei wichtigsten Kriterien für einen Vergleich sind dabei die Temperatur, das Lastprofil und der Aufwand zur Einbindung der Solarwärme in das bestehende System.

Kennlinien: „Wirkungsgrad verschiedener Kollektortypen in Abhängigkeit der Temepratur“
Wirkungsgrad verschiedener Kollektortypen in Abhängigkeit der Temperatur

Temperatur: Da die Effizienz eines Kollektors mit steigender mittlerer Kollektortemperatur sinkt und sich dadurch auch sein Ertrag reduziert, ist in Deutschland und Ländern mit vergleichbaren klimatischen Bedingungen die Temperatur, welche eine Solaranlage bereitstellen muss, das wichtigste Kriterium bei einer Entscheidung für einen Integrationspunkt. Daher sind für eine solare Unterstützung vornehmlich Anwendungen mit niedriger Prozesstemperatur oder Prozesse, bei denen eine Vorwärmung möglich ist, zu bevorzugen.

Lastprofil: „Beispielhafter Jahresverlauf des Prozesswärmebedarfs“
Beispielhafter Jahresverlauf des Prozesswärmebedarfs

Lastprofil: Mit Blick auf das Lastprofil sollten Prozesse bevorzugt werden, die möglichst lange und konstante Laufzeiten im Wochen- und Jahresverlauf aufweisen. Da die meisten Betriebe nur montags bis freitags oder ggf. samstags produzieren, sollte der Pufferspeicher einer Solaranlage derart ausgelegt werden, dass mindestens der solare Energieeintrag eines Tages gespeichert werden kann. In diesem Fall verfügt der Pufferspeicher über ausreichend Kapazität, um etwaige Schwankungen der Last innerhalb eines Tages zu kompensieren. Aus diesem Grund ist das tägliche Lastprofil für die Auswahl eines geeigneten Integrationspunktes von untergeordnetem Stellenwert.

Integrationskonzept: „Beispielhafte Einbindung von Solarwärme bei einem Tunnelpasteur durch einen zusätzlichen Wärmetauscher“
Beispielhafte Einbindung von Solarwärme bei einem Tunnelpasteur durch einen zusätzlichen Wärmetauscher

Integrationsaufwand: Der Aufwand zur Einbindung der Solarwärme in das bestehende System kann in Abhängigkeit der vorhandenen Anlagentechnik stark variieren. Während beispielsweise bei der Warmwasserbereitstellung für Reinigungszwecke im besten Fall lediglich ein Wärmeübertrager zuzüglich Peripherie (Pumpe, Ventil, Rohrleitung, etc.) für die Einbindung benötigt werden, kann dies bei der Beheizung von Bädern oder Maschinen unter Umständen deutlich komplizierter ausfallen. Möglicherweise muss hier eine aufwendige Nachrüstung mit speziellen internen Wärmeübertragern erfolgen.

Grundsätzlich ist die Integration bei Wärmesenken, die mit externen Wärmeübertragern betrieben werden meist einfacher zu realisieren.