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Solarwärme für industrielle Prozesse – Eine europäische Innovations- und Forschungsagenda
Elena Guillen, Christoph Brunner
Solarthermie-Technologien stehen vor technologischen Herausforderungen bzw. auch in Wettbewerb mit anderen erneuerbaren Technologien. Deshalb wird das Potenzial, das solare Ressourcen besonders auch im industriellen Sektor bieten, derzeit nicht vollständig genutzt. Während wirtschaftliche und finanzielle Fragen eine entscheidende Rolle bei der Marktdurchdringung in Bezug auf solarthermische Technologien spielen, erfordern die technologischen Fragestellungen eine angemessene Berücksichtigung in Forschung und Entwicklung.
Europäische Innovations- und Forschungsagenda
Das Projekt INSHIP (Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes), an dem 28 europäische F&E-Institutionen aus 12 Ländern beteiligt sind, zielt auf die Einrichtung einer gemeinsamen europäischen Forschungs- und Innovationsagenda (ECRIA) ab. Ziel von INSHIP ist es, eine integrierte Struktur zu schaffen, die die wichtigsten europäischen Forschungsinstitute in die Entwicklung koordinierter F&E-Aktivitäten einbezieht, um die Weiterentwicklung von Solarwärme für industrielle Prozesse (SHIP) über den Stand der Technik hinaus zu ermöglichen. Dabei wurden als Ziele unter anderem eine einfachere Integration von Technologien für niedrige und mittlere Temperaturen (80°C bis 150°C bzw. 150°C bis 400°C) in den industriellen Sektor sowie eine Erweiterung des Spektrums der SHIP-Anwendungen auf energieintensive Sektoren durch die Entwicklung geeigneter prozessintegrierter solarer Konzentrierungstechnologien (Hochtemperaturanwendungen im Temperaturbereich 400°C bis 1500°C) definiert. Außerdem wird eine Steigerung der Synergien innerhalb von Industrieparks durch zentralisierte Wärmeverteilnetze und Nutzung der potenziellen Synergien dieser Netze (Fernwärme und Stromnetz) angestrebt. Durch die Forschungsaktivitäten sollen die Anforderungen der industriellen Endverbraucher bezüglich Betriebsweise und Zuverlässigkeit der Energieversorgung erfüllt und eine vollständige Ausschöpfung des SHIP-Potenzials über Sektoren und Temperaturniveaus hinweg sowohl in bestehenden als auch in neuen industriellen Kapazitäten erreicht werden.
Die F&E-Aktivitäten von INSHIP werden durch Koordinierungs- und Unterstützungsmaßnahmen begleitet, die eine Angleichung der Politiken anstreben, Vernetzungstätigkeiten und Verbreitungsaktivitäten zum Ziel haben, aber auch ein Zugangssystem für die Forschungsinfrastruktur beinhalten. Diese integrierten Forschungsinfrastrukturen im Bereich solarer Prozesswärme sollen die Nutzung bestehender Forschungseinrichtungen auf europäischer Ebene unterstützen und einen leichteren Zugang für Wissenschaft und Industrie bieten. Verbesserte Vernetzungsaktivitäten sollen helfen, eine größere Anzahl an Partnern, die im Bereich solarer Prozesswärme aktiv sind, zu erreichen und so eine transnationale kritische Masse zu schaffen, die eine starke Grundlage für eine langfristige zukünftige Forschungszusammenarbeit im Bereich solarer Prozesswärme in Europa bilden kann.
Eine „Stakeholder Group“, fungiert als beratendes Gremium, das Leitlinien und Ratschläge bereitstellt, um sicherzustellen, dass die Forschungstätigkeiten mit den Interessen der Endnutzer und der öffentlichen Politik übereinstimmen. Österreichische RepräsentantInnen der „Stakeholder Group“ sind der Österreichische Klima- und Energiefonds, das Energieinstitut der Wirtschaft, Austria Solar, die Montanuniversität Leoben (Lehrstuhl für Energieverbundtechnik), die Technische Universität Wien (Institut für Energietechnik und Thermodynamik) sowie das Österreichische Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie.
Beispiele technologischer Entwicklungen
Im Bereich Niedertemperaturanwendungen wurden von Forschern der Evora University (Portugal) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Deutschland) unterschiedliche Absorbergeometrien für CPC(Compund Parabolic Concentrator)-Kollektoren untersucht, um Designs mit niedrigen Material- und Herstellungskosten zu identifizieren [2]. Vier verschiedene Designs wurden verglichen und ein Prototyp des vielversprechendsten Designs gebaut.
Test eines Prototyp-Absorbers an der Universität Évora (Portugal). Foto: Unversidade de Évora [2]
Ein Hauptproblem bei Mitteltemperaturkollektoren ist die Stagnationstemperatur, die bis zu einigen hundert Grad ansteigen kann und bei der der entstehende Überdruck Kollektorkomponenten schädigen kann. Überhitzung kann im untersuchten Design zu einer Reduzierung des Nenn-Kollektorwirkungsgrades um bis zu 36 % führen. Die von den Forschern vorgeschlagene Strategie verringert die Überhitzung durch eine einfache Verschiebung (Seiten- oder Rückwärtsverschiebung) des Reflektors. Dadurch wird der Absorber aus der CPC-Fokuszone genommen, was den optischen Wirkungsgrad deutlich verringert, ohne dass eine Bewegung des festen Hydraulikkreises erforderlich ist. Beide Konfigurationen sind technisch möglich und lassen sich sehr einfach realisieren. Experimentelle Tests zeigten, dass die beiden vorgeschlagenen Defokussierungslösungen eine Verringerung der thermischen Leistung um 25 % bzw. 36 % bei normaler Einstrahlung bewirkten (Abbildung rechts).
Der Projektpartner "Centre for Renewable Energy Sources and Saving" (Griechenland) untersuchte die optische Leistungsfähigkeit eines Vakuumröhrenkollektors mit halbrundem Konzentrator. In diesem Fall wurde das Design des Kollektors so optimiert, dass industrielle Prozesstemperaturen im Bereich von 100°C bis 250°C erreicht werden können. Die Ergebnisse dieser bisher theoretischen Studie [1] zeigen, dass die Reduzierung des Absorberradius um 12 % bzw. 14 % die Leistung um 0,6 % bzw. 0,9 % reduziert. Bezüglich der Position des Absorbers zeigte die größte untersuchte Entfernung (7 mm) die besten Ergebnisse für alle untersuchten Einfallswinkel. Die Ergebnisse der Studie sind wertvoll für das Design, die Simulation und die Leistungsanalyse von Vakuumröhrenkollektoren und als ein Ergebnis wird ein Prototyp gebaut werden. Im Rahmen der von der ETH Zürich geleiteten Aktivitäten im höheren Temperaturbereich (400°C-1500°C) gibt es mehrere potenzielle Solarenergieanwendungsbereiche, die von der metallurgischen Industrie bis zur Herstellung von Kalk für die Zementindustrie reichen. Spezifische Forschungsaktivitäten beschäftigen sich mit der Auslegung von Solarreaktoren und Speichern. Die Entwicklung unterschiedlicher Solarreceiver, einschließlich Feststoffpartikelreceiver und metallisch/keramisch-volumetrischer Receiver wird von METU (Türkei), CYI (Zypern), CIEMAT (Spanien), University of Évora (Portugal), Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Deutschland), AEE INTEC (Österreich) und ETH Zürich (Schweiz) vorangetrieben.
AEE INTEC leitet die Aktivitäten, die sich mit Integrationsaspekten dieser Technologien in einem Industrieszenario befassen, das hybride Energietechnologien nutzt. Die Arbeiten umfassen die Entwicklung von Prozessintegrationsmodellen, die Energieeffizienzmaßnahmen, Wärmespeicher und nicht konzentrierende und konzentrierende solare Technologien vereinen und harmonisieren. Industrieparks und Firmen, die an Fernwärmenetze angeschlossen sind, bieten Herausforderungen und Möglichkeiten für hybride Energieversorgungssysteme. AEE INTEC entwickelt die „Pinch-Analyse“ (Die Pinch-Analyse ist die methodische Identifikation des theoretischen Wärmerückgewinnungspotentials in einem industriellen Energiesystem) in diesem Zusammenhang weiter, um eine bestmögliche Kombination mit Simulations- und Berechnungsprogrammen zur Auslegung von solarthermischen Großanlagen zu schaffen. Die Kombination von Wärmerückgewinnung und solarthermischer Integration erweitert existierende Planungsmethodologien für Wärmeverteilnetze, um exergetische Effekte besser beschreiben und abbilden zu können. Parallel dazu wurden neuartige Prozesstechnologien, die sich für die Nutzung von Solarenergie in industriellen Bereichen eignen, identifiziert und werden nun mit Hilfe einer bei AEE INTEC entwickelten Methodik bewertet. Die Ergebnisse dazu werden im Herbst 2019 erwartet.
Solarreaktor zur Produktion von Treibstoffen an der ETH Zürich. Foto: ETH Zürich
INSHIP ECRIA ist eine von der Europäischen Kommission im Rahmen von Horizon 2020 unterstützte Forschungs- und Innovationsmaßnahme (LCE-33-2016, GA Nr. 731287). Wir danken den Projektpartnern Rosie Christodoulaki, Tiago Osório und Vikas Patil für die zur Verfügung gestellten Bilder.
Autor
Elena Guillen, PhD, ist wissenschaftliche Mitarbeiterin und Dipl.-Ing. Christoph Brunner ist Leiter des Bereichs „Industrielle Prozesse und Energiesysteme“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Statement
"Die Implementierung einer integrierten gemeinsamen europäischen Forschungs- und Innovationsagenda für solare Prozesswärme wird durch über den Stand der Technik hinausgehende gemeinsame Forschungsprojekte in den Bereichen Niedertemperatur-, Mitteltemperatur- sowie Hochtemperaturanwendungen Synergien für solare Prozesswärme ermöglichen. Außerdem wird ein Forschungsnetzwerk für solare Prozesswärme geschaffen, das durch Vernetzungs- und Verbreitungsaktivitäten die leichtere Zugänglichkeit zu Forschungsergebnissen sicherstellt, sowie alle im Bereich solarer Prozesswärme tätigen Forschungsinstitutionen und weitere relevante Stakeholder einbindet." Piero de Bonis, Renewable Energy Sources, Directorate-General for Research & Innovation, Europäische Kommission
Literatur
Weiterführende Informationen:
- R. Christodoulaki, P. Tsekouras and V. Drosou. Optical Analysis of an Evacuated Tube Collector with Built-In Semicircular Concentrator for Process Heat Applications. EuroSun 2018 / ISES Conference Proceedings. http://proceedings.pse.de/paper/eurosun2018/eurosun2018-0108-Christodoulaki.pdf
- Osório T, Horta P, Marchã J, Collares-Pereira M, One-Sun CPC-type solar collectors with evacuated tubular receivers, Renewable Energy (2018), doi: https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.11.017 www.inship.eu