Zurück zu 2019-01: Solarwärme in der Industrie
Solarwärme für industrielle Prozesse – Auswertung von 303 Umsetzungen
Wolfgang Gruber-Glatzl, Christoph Brunner
Anlagen für industrielle Prozesse weltweit
Die SHIP (Solar Heat for Industrial Processes) – Datenbank, die im Rahmen eines Projektes der Internationalen Energieagentur eingerichtet wurde, (IEA SHC Task 49) dokumentiert mit Stand Februar 2019 exakt 303 Anlagen, die weltweit installiert sind (http://ship-plants.info/). Während bis zum Jahr 2005 nie mehr als sieben neue Anlagen pro Jahr errichtet wurden, stieg danach die Anzahl der Neuanlagen auf zumindest 10 Anlagen pro Jahr. In den letzten zehn Jahren wurden jährlich zwischen 5 000 m2 und 50 000 m2 Brutto-Kollektorfläche erfasst. Trotz dieser merklichen Steigerung hat solare Prozesswärme noch großes Potenzial, das bisher punktuell ausgeschöpft wurde, aber noch weiter ausgebaut werden kann.
Weltweit sind in rund der Hälfte der wichtigsten Industrie- und Schwellenländer SHIP-Systeme installiert, wobei die Signifikanz einzelner Märkte und sogar einzelner Anlagen zu erkennen ist: Die derzeit größte SHIP-Anlage weltweit im Miraah Ölfeld in Oman ist mit 210 000 m2 Brutto-Kollektorfläche fast genauso groß wie die übrigen 302 Anlagen der SHIPDatenbank zusammengenommen (218 654 m2 brutto ). Mexiko dominiert den Markt in Bezug auf die Anzahl der Anlagen. Mit Ende Februar 2019 befanden sich 80 Anlagen (26 %) ebendort. Gleichzeitig ist Mexiko das Land mit der viergrößten Bruttokollektorfläche, nach Oman, China und Chile, die allesamt wesentlich weniger, dafür aber sehr große Anlagen haben. In den fünf Ländern mit den meisten Anlagen befinden sich zwei Drittel aller Anlagen.
Verteilung der installierten Kollektorfläche in Bezug auf Länder
Analyse von Prozesstemperaturen und Kollektortechnologien
Viele Anlagenbetreiber der 303 dokumentierten Anlagen gaben auch Informationen zu Prozesstemperaturen und verwendeten Kollektortechnologien bekannt. Dadurch ist es möglich, eine Analyse in Hinblick auf Prozesstemperaturen und verwendeter Technologien durchzuführen. SHIP-Anlagen, die über eine Absorptionskältemaschine einen Kühlprozess antreiben, wurden in der folgenden Analyse nicht berücksichtigt. Außerdem wurden unverglaste und nicht näher definierte Kollektortypen von der Betrachtung ausgenommen. Für die Untersuchung wurden Anlagen herangezogen, die einer der folgenden Kollektortechnologien zugeordnet werden können: Luftkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren, Flachkollektoren, FresnelKollektoren und Parabolrinnenkollektoren. Für 272 Anlagen war die Zuordnung zu diesen fünf Kollektortypen möglich (Grafik äußerer Ring). In Bezug auf die Angabe der Prozesstemperaturen wird zwischen Aufheizvorgängen und Zieltemperaturen aufgrund prozessrelevanter Erfordernisse unterschieden. Um eine Analyse der Prozesstemperaturen durchzuführen, wurde jeweils die maximal angegebene Temperatur verwendet, das heißt entweder die Zieltemperatur des Aufheizvorgangs oder die maximal notwenige Prozesstemperatur. Von 173 Anlagen konnten so die Prozesstemperaturen genauer untersucht werden (Grafik mittlerer Ring). Von insgesamt 89 Anlagen wurden zusätzlich noch die Kollektortemperaturen ausgewertet (Grafik innerer Ring).
In der Abbildung auf der nächsten Seite werden jeweils die Prozesstemperaturen den Kollektortemperaturen der 89 Anlagen, für die sowohl Prozess– als auch Kollektortemperaturen vorhanden sind, gegenübergestellt. Von Interesse ist zum einen der Temperaturunterschied zwischen Zieltemperatur auf Prozessseite und Zieltemperatur im Solarkreis. Zum anderen können Kenntnisse über die Wahl des Kollektors gewonnen werden. Die Auswertung zeigt, dass in drei Anlagen Luftkollektoren verwendet wurden. Dabei handelt es sich um solare Trocknungsanlagen. Die Kollektortemperatur liegt im Mittel bei 103°C, die Prozesstemperatur im Mittel bei 88°C. Zwei Anlagen, die ausgewertet wurden, verwendeten Fresnel-Kollektoren. Diese Kollektoren erreichen deutlich höhere Temperaturen im Kollektorkreislauf im Vergleich mit dem tatsächlichen Temperaturbedarf. Die betrachteten Anlagen mit Vakuumröhrenkollektoren (13 Anlagen) weisen im Durchschnitt einen Temperaturunterschied von 12 Kelvin auf. Im Solarkreislauf betrug die Maximaltemperatur 110 °C. Die maximalen Prozess-Zieltemperaturen der Anlagen liegen zwischen 60 und 95 °C.
Der Großteil der dokumentierten solaren Prozesswärmeanlagen ist mit Flachkollektoren ausgerüstet (58 Anlagen). Die Schwankungsbreite der Einsatztemperaturen ist wesentlich größer als bei den betrachteten Luft-, Vakuumröhren oder Fresnel-Kollektoren. Zum einen überrascht es nicht, dass Flachkollektoren bei relativ geringen Prozess-Zieltemperaturen eingesetzt werden. Sie weisen in diesem Temperaturbereich einen sehr guten Wirkungsgrad auf. Zum anderen wurden aber auch relativ hohe Solar-Zieltemperaturen angegeben (maximal 125 °C). Hierbei handelt es sich um Vakuum-Flachkollektoren, die in einigen der untersuchten Anlagen eingesetzt wurden. Der mittlere Temperaturunterschied zwischen Kollektor- und Prozessseite beträgt bei den Flachkollektor-Anlagen 8 Kelvin. Die mittlere Prozess-Zieltemperatur der Vakuumröhren- und FlachkollektorAnlagen liegt bei 89°C bzw. 84°C und somit in einem sehr ähnlichen Temperaturbereich.
Die größte Schwankungsbreite zeigen die 13 ausgewerteten Anlagen mit Parabolrinnenkollektoren. Hier überraschen besonders die minimalen Prozesstemperaturen, denn für den Einsatz bei 60°C weisen Vakuumröhren- und Flachkollektoren ein wesentlich besseres Preis-Leistungs-Verhältnis auf als Parabolrinnenkollektoren. Der mittlere Temperaturunterschied zwischen Kollektor- und Prozessseite betrug für die betrachteten Anlagen 13 Kelvin.
Zusammenfassung
Die SHIP-Datenbank bietet einen guten Überblick über bestehende SHIP-Anlagen weltweit. Die Datensätze liefern zusätzlich zu den hier präsentierten Prozessund Kollektortemperaturen bzw. Kollektortechnologien weitere aufschlussreiche Informationen wie Integrationspunkte, Prozessbeschreibungen, Lessons Learned, Solarerträge sowie Investitionskosten.
Autor
Dipl.-Ing. Wolfgang Gruber-Glatzl ist wissenschaftlicher Mitarbeiter, 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!