Zurück zu den Beiträgen

2013-02: 25 Jahre AEE-INTEC

Es ist Bewegung in der Solarthermie!
Ein Streifzug durch 25 Jahre System- und Komponentenentwicklungen bei AEE INTEC

Von Christian Fink

Abbildung 1: Der in Kooperation mit AEE INTEC entwickelte Großflächenkollektor eingesetzt in der aktuell weltgrößten thermischen Solaranlage mit 36.300 m² Kollektorfläche in Riad, Saudi Arabien, Bildquelle: Millennium Energy Industries

Ich nehme unser 25-Jahr-Jubiläum zum Anlass, im Rahmen eines Streifzuges durch vergangene Solarthermie-Projekte von AEE INTEC Beiträge zur Technologieentwicklung in der Vergangenheit und die damit verbundenen Highlights vorzustellen. Aus welchen Entwicklungen sich der aktuelle technische Stand von Systemanwendungen und Komponenten ergeben hat, ist ja aus heutiger Sicht nicht immer leicht nachvollziehbar.
Das Anwendungssegment für Solarthermie mit der höchsten Tradition ist in Österreich die solare Warmwasserbereitung im Einfamilienhaus. Eine auf die österreichischen Hauptwohnsitze bezogene Marktdurchdringung von mehr als 25% unterstreicht dies auch eindrucksvoll. Ungeachtet eines aktuell spürbaren Rückganges in diesem  Bereich in Mitteleuropa, war der „Klassiker“ unter den solarthermischen Anwendungen in den vergangenen Jahrzehnten häufig die Basis für  die Erschließung neuer Anwendungsmöglichkeiten sowie stetiger Komponenten- und Systementwicklungen.

Von „teilsolar“ versorgten Einfamilienhäusern bis zu 100% solaren Gebäuden

Motiviert von vielen zehntausenden, zur vollsten Zufriedenheit ihrer privaten Eigentümer funktionierenden Warmwasserbereitungsanlagen gelang es Anfang der 90er Jahre das Anwendungsgebiet der „Teilsolaren Raumheizung“ zu erproben und in Einfamilienhäusern salonfähig zu machen. Gemeint sind klarerweise Solaranlagen, die neben der Warmwasserbereitung auch die Raumheizung (teilsolar) bedienen, sprich nach heutigem Fachjargon sogenannte „Kombisysteme“. Als schwierig stellte sich dabei erstaunlicherweise nicht das Finden von interessierten Errichtern bzw. Besitzern von Eigenheimen dar, sondern vielmehr die Akzeptanz für die damals noch sehr junge Anwendung seitens der österreichischen als auch der deutschen Solarbranche.  Mit der Sonne heizen wurde damals für unmöglich und deshalb als höchst unseriös gehalten. Eine Vielzahl realisierter Anlagen, die Einführung von Standardhydraulikkonzepten, belastbare Benchmarks sowie fundierte Planungswerkzeuge (aus einem gemeinsamen Forschungsprojekt in Kooperation mit der TU Graz, Institut für Wärmetechnik, Mitte der 90er) sorgten schlussendlich aber doch für eine Etablierung der „Teilsolaren Heizung“, denn aktuell macht diese Anwendung in  Österreich mit einem Anteil von mehr als 50% der jährlich installierten Kollektorfläche ein erhebliches Marktvolumen aus [1].
Eine zentrale Herausforderung  bestand für AEE INTEC bereits damals darin, die erreichbaren solaren Deckungsgrade immer weiter nach oben zu treiben. Gute Wärmedämmstandards der damaligen Zeit in Verbindung mit entsprechenden Speichergrößen (Wasserspeicher als auch Bauteilaktivierung) ermöglichten bereits solare Deckungsgrade weit über 70% (Abb.2) und bildeten damit die Vorgänger des heutigen Konzeptes „Sonnenhaus“.

Abbildung 2: Haus Kroissenbrunner in Graz - Eines von vielen Einfamilienhäusern mit hohen solaren Deckungsgraden aus den 90er Jahren (Bildquelle: AEE INTEC)

Eine logische Weiterentwicklung dieses Ansatzes führte im Jahr 1997 zum ersten zu 100% mit Solarwärme beheizten Einfamilienhaus Österreichs, dem Haus Nader auf der Laßnitzhöhe, Steiermark. Das von AEE INTEC begleitete Projekt (4,5 kW Heizleistung, 85 m² Bruttokollektorfläche, 75 m³ Energiespeichervolume) verfügt über keine weitere Wärmequelle und wird nun schon viele Winter ausschließlich durch Solarwärme versorgt.

Abbildung 3: Das erste zu 100% solarthermisch versorgte Einfamilienhaus in Österreich (Haus Nader auf der Laßnitzhöhe, 1997) (Bildquelle: AEE INTEC)

Stagnationsprobleme bei thermischen Solarsystemen gibt es wirklich nicht!

Die verstärkte Markteinführung von solaren Kombisystemen in Verbindung mit hochselektiven Absorberbeschichtungen ab Mitte der 90er Jahre hatte  zunehmend anlagentechnische Problemstellungen in Zeiten mit hoher Einstrahlung und gleichzeitig geringem Verbrauch zur Folge, die Stagnationsproblematik wurde zum Thema. AEE INTEC besaß hierzu schon Erfahrungen aus zahlreichen Beteiligungen bei realisierten Anlagen, weshalb in speziell definierten Forschungsprojekten sehr gezielt sowohl in Richtung der messtechnisch unterstützten Bestimmung der definitiven Vorgänge bei Anlagenstagnation (5 Phasen der Stagnation) als auch gezielt in Richtung der quantitativen Bestimmung der Systembelastung (Temperatur, Druck) für unterschiedliche Systemkonstellationen angestellt werden konnten. Fundierte Methoden zur Bestimmung der Dampfreichweiten bzw. die korrekte Dimensionierung des Membranausdehnungsgefäßes konnten genauso von AEE INTEC entwickelt werden wie konstruktive Maßnahmen zur Reduktion der Systembelastung (z.B. selbsttätige Stagnationskühler). Es war aber auch in diesem Zusammenhang interessant festzustellen, dass die Branche mit den Erkenntnissen anfangs nichts anzufangen wusste. Ganz im Gegenteil, denn bei ersten Veröffentlichungen zum Thema wurde uns vorgeworfen, alleine durch das Eingestehen von Stagnation (insbesondere der Dampfbildung) und daraus resultierenden anlagentechnischen Problemstellungen den Solarthermiemarkt kaputtzumachen. Gleichzeitig konnte der Aussage, dass Anlagenstagnation ein normaler Betriebszustand von thermischen Solarsystemen sein kann, Ende der 90er Jahre von der Branche noch nichts abgewonnen werden. Einige Jahre später fanden unsere Arbeiten zu diesem Thema aber breite Akzeptanz und bildeten bald die Basis für die Umsetzung von Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten, was heute den Anlagenstandard darstellt.
Solarsysteme in Verbindung mit Zwei-Leiter-Netzen als Standard  für den Geschoßwohnbau
Was im Bereich der Einfamilienhäuser funktioniert, muss auch für den mehrgeschoßigen Wohnbau umsetzbar sein, nicht zuletzt durch günstigere erzielbare Wärmepreise. Dieses Ende der 90er Jahre von AEE INTEC ausgegebene Motto sollte in den darauffolgenden fünf bis sieben Jahren zu einer weiteren Erfolgsstory für die Solarthermie in Österreich führen. In Kooperation mit innovativen Wohnbauträgern aus Salzburg und der Steiermark gelang es AEE INTEC im Rahmen von einzelnen Forschungsprojekten nicht nur Auslegungswerkzeuge und Benchmarks für das Solarsystem zu erstellen, sondern auch an die Rahmenbedingungen von Geschoßwohnbauten angepasste, ganzheitliche  Wärmeverteil- und Warmwasserbereitungskonzepte zu entwickeln und zu standardisieren. So kamen in Verbindung mit Solarsystemen im Geschoßwohnbau seit Beginn des neuen Jahrtausends verstärkt Zwei-Leiter-Netze für die Wärmeverteilung zum Einsatz. Dabei wird unter Zwei-Leiter-Netzen die Verteilung des Wärmebedarfs für Warmwasser und Raumwärme über ein Leitungspaar verstanden, was eine dezentrale Warmwasserbereitung in den Wohnungen (über kleine dezentrale Brauchwasserspeicher oder über dezentrale Hydraulikeinheiten, sogenannte „Wohnungsstationen“) notwendig macht. Die zentralen Vorteile von Zwei-Leiter-Netzen ergeben sich im Wesentlichen durch erheblich reduzierte Wärmeverluste (durch den Entfall von Zirkulationsleitungen bzw. tiefen Rücklauftemperaturen aus dem Wärmeabgabesystem) und der systembedingten Unterstützung der Raumheizung (ohne Zusatzaufwand). Zwei-Leiter-Netze ermöglichen einen - in Bezug auf die österreichische Hygienenorm ÖNORM B5019 (ÖNORM B5019, 2007) [2] - unbedenklichen und kosteneffizienten Anlagenbetrieb. 

Abbildung 4: Die hinsichtlich Leistungs-, Effizienz- und Komfortparameter bei AEE INTEC geprüften Wohnungsstationen (Bildquelle: AEE INTEC)

Abbildung 5: Typisches Hydraulikkonzept eines solarunterstützten Zwei-Leiter-Netzes mit drei unterschiedlichen Möglichkeiten der Warmwassererwärmung. Die oberen beiden Warmwasserbereitungskonzepte basieren auf einem kleinen dezentralen Trinkwasserspeicher (beladen über einen externen oder internen Wärmetauscher), das untere Konzept zeigt das klassische Durchflussprinzip einer Wohnungsstation.
Die Möglichkeit der Beurteilung  von am Markt angebotenen Wohnungsstationen hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Nutzerkomfort konnte im Rahmen eines von AEE INTEC entwickelten Prüfkonzeptes genauso sichergestellt werden, wie  die Definition belastbarer Benchmarks für Wohnungsstationen.

Diese technologischen Weiterentwicklungen gepaart mit umfangreichen Schulungs- und Disseminierungs¬aktivitäten (z.Bsp. im Rahmen des klima:aktiv Programms solarwärme) haben dazu geführt, dass solarunterstützte Zwei-Leiter-Netze heute in weiten Teilen Österreichs den Standard bei Wärmeversorgungskonzepten für neu zu errichtende Geschoßwohnbauten bilden (Abb.5). In der Steiermark waren diese Aktivitäten die entscheidende Basis für eine Solarverpflichtung im Rahmen der Wohnbauförderung (seit 2007) als auch im Rahmen der Bauordnung (seit 2011).
Bild erneuerbare energie 2010-3 HeatBoxQuality – dezentrale Hydraulikstationen Abb.1

Von solaren Autowaschanlagen bis zum solar gebrauten Bier

Bereits Ende der 90er Jahre wurden seitens AEE INTEC Anstrengungen unternommen, neben dem Wohnbau (Abb. 6) auch die großen anderen Wärmeverbraucher im Niedertemperaturbereich (Gewerbebetriebe, industrielle Prozesse, Nah- und Fernwärmenetze) hinsichtlich der vorherrschenden Rahmenbedingungen für die Integration solarthermischer Anlagen zu untersuchen bzw. notwendige Anpassungen vorzunehmen. Sowohl im Bereich der Integration in Wärmenetze (Begleitung und Analyse  der ersten drei Solarwärmeeinspeisungen in kommunale Biomasse-Nahwärmenetze (Abb. 7) als auch im Bereich gewerblicher Anwendungen  (Abb.8) konnte in verschiedenen Forschungsprojekten wichtiges Basiswissen erarbeitet und Umsetzungsstandards definiert werden.

Abbildung 6: Auch im größten Passivhauswohnbau Österreichs mit 354 Wohnungen am Innsbrucker "Lodenareal" kam ein solarunterstütztes Zwei-Leiter-Netz zum Einsatz (1.050m² Brutto-Kollektorfläche)

Abbildung 7: Erste Anlage zur Integration von Solarthermie in ein kommunales Biomasse-Nahwärmenetz (Deutsch Tschantschendorf) Bildquelle: AEE INTEC

Ein gutes Beispiel betreffend die Multiplikatorwirkung dieser Arbeiten ist das Beispiel der Integration von Solarthermie in Autowaschanlagen. Basiswissen, erarbeitet und umgesetzt an zwei Demonstrationsanlagen in der Steiermark (ca. 2005), führten schlussendlich zu einem speziellen Geschäftsmodell eines Kärntner Unternehmens, das bereits seit geraumer Zeit standardisierte (Container-) Lösungen für solarunterstützte Waschanlagen (Waschwasser, Vermeidung von Eisbildung in den Kabinen, etc.) erfolgreich in Österreich als auch in Deutschland verkauft. Auch die Einspeisung von Solarwärme in Brauereiprozesse sollte sich für AEE INTEC als besonders prägend erweisen. Der erste Schritt war dabei die Integration einer 30 m² großen Anlage (zweifachabgedeckter Kollektor) in den Brauprozess einer regionalen Brauerei mit ca. 40.000 l jährlicher Bierproduktion im Jahr 2005. Aufbauend auf diesen Erfahrungen konnte der weltweit drittgrößte Braukonzern Heineken für die Umsetzung von drei solarthermischen Anlagen (insgesamt ca. 7.180 m²) in unterschiedlichen Brauprozessen (Maischen, Pasteurisieren, Mälzen), im Rahmen eines EU-Projektes gewonnen werden. Eine Anlage mit rund 1.400 m² Bruttokollektorfläche (Leoben Göss, Österreich) befindet sich aktuell in der Umsetzungsphase, die zwei weiteren Anlagen (in Spanien bzw. Portugal)  befinden sich in der Detailplanungsphase und werden im Herbst 2013 errichtet. 

Abbildung 8: Die Erkenntnisse aus der ersten solarunterstützten Autowaschanlage „Sunwash“ im steirischen Köflach bildeten die Basis für eine sehr erfolgreiche Markteinführung im Bereich dieser Anwendung (Bildquelle: AEE INTEC)

Kollektor- und Systementwicklung für die weltgrößte Anlage in Riad, Saudi Arabien

Neben neuen Anwendungsmöglichkeiten und zahlreichen systemspezifischen Schwerpunkten lag der Fokus der Arbeiten bei AEE INTEC bei  Komponentenentwicklungen. In der Vergangenheit konnten dabei nicht nur zahlreiche Entwicklungen im Bereich der Kernkomponente Kollektor (auch Fassadenkollektoren, Abb. 9) durchgeführt werden, sondern auch an Komponenten wie Speicher (abb.11), Speicherdämmung (u.a. Vakuum), Wärmetauscher, Hydraulikstationen, Regelungen, Stagnationskühler, etc. (Abb. 14).
Wenn noch notwendig

Abbildung 9: Schwerpunkt bei AEE INTEC: Entwicklung von Fassadenkollektoren (hier im Bild eine Testfassade des Unternehmens GREENoneTEC) und der damit einhergehenden bauphysikalischen Fragestellungen (Bildquelle AEE INTEC).

Abbildung 10:  AEE INTEC zeichnete für das Hydraulikdesign des Solarkreises und die Sicherheitstechnik der mit 36.600 m² bisher weltgrößten Solaranlage verantwortlich Bildquelle: AEE INTEC

Abbildung 11: Speicherentwicklung im Allgemeinen und insbesondere im Bereich neuer Speichermaterialien (das Bild zeigt das Funktionsmuster eines Sorptionsspeichers auf Basis Silicagel)  stellen ein traditionelles Arbeitsgebiet bei AEE INTEC dar. Aktuell wird im Rahmen eines EU-Projektes an einer Weiterentwicklung auf Basis Zeolith gearbeitet. (Bildquelle: AEE INTEC)

Aus dieser großen Zahl von Arbeiten hatte eine Komponentenentwicklung aber besondere Auswirkungen für AEE INTEC. Konkret handelt es sich um eine im Jahr 2009 durchgeführte Neuentwicklung  (mit einem Kärntner Unternehmen) eines hydraulisch speziell an die Erfordernisse von solarthermischen Großanlagen angepassten, selbsttragenden Großflächenkollektors. Primäres Ziel war dabei eine Kollektorhydraulik zu entwickeln, die bei gleichzeitig gleichmäßiger Strömungsverteilung und geringen Druckverlusten das Ausschöpfen von Kostensenkungspotenzialen durch Minimierung externer Anspeiseleitungen ermöglicht. Das Besondere daran war, dass praktisch unmittelbar nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten der jordanische Generalunternehmer die Errichtung der bisher mit 36.300 m² weltgrößten Anlage (Integration in ein Wärmenetz zur Versorgung eines 8 km² großen Stadtteils in Riad, Saudi Arabien) ausschrieb und die Kollektorneuentwicklung sowohl technisch als auch wirtschaftlich überzeugen konnte und den Zuschlag erhielt. Dabei konnten die österreichischen Partner nicht nur mit dem Kollektor punkten, denn AEE INTEC war bei dem Projekt für das Hydraulikdesign des Primärkreislaufes und auch für die Definition der Sicherheitstechnik (inkl. Anlagenstagnation) verantwortlich. Die Kollektoranlage ging im Jahr 2011 in Betrieb und entspricht nach Auskünften des Generalunternehmers voll den Erwartungen des Investors.

Ausblick

Die dargestellten Highlights (und hier gäbe es sicherlich noch ein paar mehr) sind es, die schlussendlich Energie und Antrieb für weitere Projekte geben und die Basis für weitere Entwicklungsideen bilden. Konkret beschäftigen wir uns in aktuell laufenden Projekten zur Technologieentwicklung mit aus unserer Sicht wichtigen Schlüsselthemen wie:

• Kostenreduktion durch Systemvereinfachung und Standardisierung bzw. neue Materialien (z.B. Kunststoffe)
• Kostengünstige Speichertechnologien, die auch saisonale Speicherung und damit monovalente solarthermische Wärmeversorgungen ermöglichen
• Multifunktionale Nutzung von Komponenten durch Verschmelzung von Bauteilen und Funktionen (z.B. Gebäudeintegration von Kollektoren, Bauteilaktivierung, etc.)
• Gesteigerte Systemeffizienz und Systemintelligenz
• Solarthermische Großsolaranlagen für unterschiedliche Anwendungsgebiete (Komponenten- und Systementwicklung, Systemintegration, Qualitätssicherung, etc.)
• Angepasste Lösungen für hohe solare Deckungsgrade im Gebäudebestand basierend auf Hybridsystemen
• Und noch einige Themen mehr. Ob daraus Highlights werden, versuche ich dann zum nächsten 25 Jahr Jubiläum der AEE INTEC zu berichten.

Literatur

1. Biermayr et al., 2012
   Peter Biermayr et al.: Innovative Energietechnologien in Österreich – Marktentwicklung 2011; Technische Universität Wien, Energy Economics Group, Wien, 2012
2. ÖNORM B5019, 2007:
   ON Österreichisches Normungsinstitut: Hygienerelevante Planung, Ausführung, Betrieb, Wartung, Überwachung und Sanierung von zentralen Trinkwasser-Erwärmungsanlagen, Austrian Standards Institute, Wien, 2007

* Ing. Christian Fink ist Leiter des Bereichs „Solarthermische Komponenten und Systeme“ von AEE INTEC (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)