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Solarthermie als Technologie für den Massenmarkt – Kunststoff macht's möglich

Sunlumo Technology beschäftigt sich seit 2009 mit der Entwicklung zukunftsweisender Produkte im Bereich der Solarthermie. Ziel und Vision ist es, Menschen weltweit den Zugang zu Solarenergie zu ermöglichen. Solarthermie soll eine Technologie für den Massenmarkt werden – für jedermann erschwinglich, überall verfügbar.

Von Robert Buchinger und Max Wesle

Solarthermische Technologien haben sich weltweit etabliert und sind heute schon ein wichtiger Grundpfeiler der Energieversorgung in vielen Ländern. Sunlumo arbeitet konkret an der Zukunftsvision, mit Solarthermie einen Großteil des weltweiten Niedrigenergieverbrauchs abzudecken. Menschen werden in Zukunft mit fossilen Energieträgern sorgfältiger umgehen, Ressourcen werden intelligent genutzt und zu mehrfach nutzbaren Produkten verarbeitet. Polymere Werkstoffe sind fixer Bestandteil auf diesem Weg. Im „Eine-Welt-Solar-Kollektor“ werden Kunststoffe im gesamten Kollektorsystem eingesetzt, der Kollektor wird zur Energieerzeugung eingesetzt und nach Ablauf seiner Funktionsdauer kann er erfolgreich recycelt werden.

Sonnenkollektoren für den Massenmarkt

Nach jüngsten Schätzungen wächst am Weltmarkt der Bedarf an Solar-Kollektorflächen jährlich um zehn bis 15 Prozent. Bis 2020 kann der Jahresbedarf für alle Kollektoranwendungen auf rund 200 Millionen Quadratmeter steigen [1,2]. Diese Nachfrage kann mit konventionellen Aluminium- und Kupferkollektoren nur schwer abgedeckt werden. Die Materialien herkömmlicher Kollektoren sind einerseits nicht ausreichend vorhanden und daher zu teuer, um Kollektoren als erschwingliches Massenprodukt zu produzieren und anzubieten, andererseits werden sie verstärkt auch für Kollektoren mit hohen Deckungsgraden bzw. mit hoher Leistung genutzt. Konsumenten in vielen Teilen der Welt können diese Kollektoren nur mit Unterstützung von Fördermitteln oder gar nicht erwerben und greifen daher verstärkt auf konventionelle Wärmeerzeugung zurück.

Dieses Spannungsfeld von Rohstoffverfügbarkeit und niedrigen Preisen für den Massenmarkt ist der Ansporn für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit von Sunlumo. Schwerpunktthemen sind innovative Technologien, neue Materialien wie Polymerwerkstoffe und Produktionsmöglichkeiten für den Volumenmarkt.

Polymere Werkstoffe sind die Werkstoffe der Zukunft

Kunststoff ist der Werkstoff des 21. Jahrhunderts und zugleich der Schlüssel zu ressourcenschonenden Technologien. Der Einsatz von Polymeren in der Energietechnik übernimmt einen wichtigen Part im Kampf gegen den Klimawandel: Der Werkstoff verbraucht wenig Rohstoffe, ist langlebig, belastbar und wird mit wenig Energie produziert. Kunststoff ist einfach und kostengünstig herzustellen. Der Einsatz dieses Materials in der Energietechnik hilft den Energieverbrauch zu verringern. Eine große Herausforderung ist die Langzeitbeständigkeit von polymeren Werkstoffen gegen thermische und klimatische Einflüsse, hier besitzt Sunlumo bereits jahrlange Erfahrung und Know-How auf dem Gebiet von kunststoffspezifischen Anforderungen in Bezug auf Materialqualität oder Temperaturverhalten.

Qualität der Entwicklung

Die Serientauglichkeit der Produktionsprozesse für große Stückzahlen ist eine der großen Herausforderungen in der Entwicklung des Eine-Welt-Solar-Kollektors. Gefordert ist eine hohe Qualität der Bauteile, die den Anforderungen an Sonnenkollektoren standhalten müssen. Für alle Bauteile eines Kollektors müssen die auftretenden Belastungen festgestellt und bei der Konstruktion der Komponenten berücksichtigt werden. Finite-Elemente-Analysen (FEM)-Analysen für alle Komponenten und Simulationen für verschiedenartige Belastungsprofile (z.B. für Schnee- oder Windlasten, siehe Abb.) werden durchgeführt und der gesamte Kollektoraufbau inklusive Kraftübertragung auf die Unterkonstruktion (z.B. Schienen oder Dachbefestigung) berechnet. Lebensdaueranalysen sollen die Funktionsfähigkeit der Kollektoren über den geforderten Zeitraum sicherstellen. Der Produktionsprozess wird mittels Strömungssimulationen und Temperaturfeldberechnungen optimiert. Auch Worst Case Szenarien, die durch Montagefehler auftreten können, werden berechnet, um mögliche Schwachstellen in der Konstruktion herauszufinden. Mittels dieser Berechnungen kann an virtuellen Prototypen überprüft werden, ob die Anforderungen hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften erfüllt sind. Somit können mögliche Schwachstellen bereits frühzeitig in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase erkannt und verbessert werden. (Prototypen werden dadurch rascher und perfekter umgesetzt. In weiterer Folge reduzieren sich Entwicklungszeiten und –kosten).

Abbildung 1: FEM Analyse eines Sonnenkollektors: auftretende Kräfte durch Schnee- und Windlasten am Kollektor (2400 Pa Zug und Druck auf den Kollektor)

Systemtechnik für Kunststoffsolaranlagen

Die entwickelten Kunststoffkollektoren funktionieren als Plug-and-function-Systeme und stellen somit neue Anforderungen an die Systemhydraulik von Solaranlagen. Regelverhalten, Volumenströme und Absorberhydraulik müssen aufeinander abgestimmt sein, um eine einfache und sichere Funktion der Solaranlage zu gewährleisten. Um das Betriebsverhalten bei verschiedenen Funktionsparametern der Solaranlage zu simulieren, werden bei der Produktentwicklung CFD Simulationen durchgeführt. Somit können auch komplexe Strömungszusammenhänge und -zustände berechnet werden. Simuliertes Füllverhalten von Solaranlagen und die Durchströmung von Kollektorfeldern liefern Informationen für die Bauteildimensionierung (z.B. Absorber oder Kollektorverbindungen).

Abbildung 2: Beispiel eines CFD Rechennetzes für Absorber und Sammler

Mit den gewonnenen Erkenntnissen erfolgt die Detailkonstruktion der Bauteile. Fügetests werden durchgeführt und Materialoptimierungen vorgenommen. Um die Serientauglichkeit der Fertigung der Komponenten zu prüfen und Bandbreiten für Parameter für die Fertigungsprozesse sowie die Werkzeugauslegung zu erhalten, werden Prozesssimulationen, wie beispielsweise Spritzgusssimulationen, durchgeführt. Die für die Simulationen notwendigen Kunststoffparameter müssen zunächst in aufwendigen Verfahren bestimmt werden.

Abbildung 3: Verzugssimulation eines Bauteils (Darstellung um Faktor 2 verstärkt)

Produktionsstätten weltweit durch Vergabe von Lizenzen

Durch ein modulares Produktionskonzept ist es möglich, Produktionslinien in verschiedenen Größen aufzubauen. Die Produktionsstätten sollen direkt vor Ort liegen und die Kollektoren dort erzeugt werden, wo sie auch benötigt werden. Durch die dezentrale Herstellung sinken die Transportkosten sowie der Transportenergieverbrauch an fossilen Brennstoffen, der CO2-Ausstoß wird reduziert und die Umweltbilanz des Produkts verbessert sich. Umgesetzt wird ein Lizenzkonzept, in dessen Rahmen auch kleinere Unternehmer oder NGO’s als Lizenznehmer in Frage kommen. Durch die dezentrale Herstellung kann optimal auf den Bedarf reagiert werden, die Produkte bzw. mögliche Folgeprodukte können sich leichter auf dem Markt etablieren und setzen gleichzeitig neue Technologiestandards.

Ganzheitliches Produktkonzept

Sunlumo bietet für den „Eine-Welt“-Kollektor ein ganzheitliches Produktkonzept von der Entwicklung über die vollautomatische Fertigung und Logistik bis zur Lizenzstrategie. Bei Bedarf wird auch die Turn-Key Factory mitgeliefert. Mit einer vollautomatischen Produktionslinie können rund 500.000 Eine-Welt-Solar-Kollektoren pro Jahr produziert werden.

Der „Eine-Welt-Solar-Kollektor besteht zu 100 Prozent aus Kunststoff und die Entwicklung dieses neuartigen Kollektors ermöglicht die Produktion funktionsfähiger, einfach in das Solarsystem zu integrierender, optisch attraktiver und wirtschaftlicher Kollektoren mit optimiertem Materialmix und effizientem Materialeinsatz, die einfach recycelt werden können.

Das Produkt ist als kostengünstige Alternative für die Unterstützung von Warmwasseraufbereitung und Heizungsanlagen konzipiert. Einfache Handhabung und günstige Herstellkosten des „Eine-Welt“-Solar-Kollektors sollen Solarthermie künftig für alle leistbar machen und entscheidend dazu beitragen, das anfangs formulierte Ziel zu erreichen, mittels Solarthermie einen Großteil der weltweiten Versorgung mit Niedertemperaturwärme zu ermöglichen.

Abbildung 4: Vollautomatische Produktionskonzepte für den Eine-Welt-Solar-Kollektor

Literatur

  1. F. Mauthner, W. Weiss: Solar Heat Worldwide, Markets and Contribution to the Energy Supply 2011, IEA-SHC, Edition 2013
  2. M. Fawer, B. Magyar: Solar Industry: Survival of the fittest in a fiercely competitive market place, Bank Sarasin & Co. Ltd, Basel 2011

Autorenbeschreibung

Ing. Robert Buchinger ist General Manager von Sunlumo Technology GmbH This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

BA Max Wesle, Industrial Design, Sunlumo Technology GmbH

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