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Solares Potenzial für industrielle Prozesswärme

Solarwärme für Industrielle Prozesse (Solar Heat for Industrial Processes – SHIP) befindet sich derzeit noch in der Anfangsphase der Entwicklung. 2015 waren etwa 160 Systeme mit einer Gesamtleistung von 100 MWth in der SHIP-Datenbank [1] gelistet. Auf der einen Seite sind einige dieser Projekte experimenteller Natur und relativ klein, andererseits existieren aber auch sehr große Anlagen mit Kollektorfeldgrößen von einigen Tausend Quadratmetern. Im Rahmen der Forschungskooperation mit der Internationalen Energieagentur (IEA SHC Task 49) wurden weltweit verfügbare Potentialstudien zum Thema solare Prozesswärme in Industriebetrieben und die den Studien zugrundeliegende Methodologie analysiert und dargestellt [2].

Potenzialstudien

In den letzten zehn bis fünfzehn Jahren wurden grundlegende Studien zur Anwendung von Solarwärme für industrielle Prozesse durchgeführt [3, 4, 5, 6], in denen einerseits generelle Hinweise in Bezug auf Design und Betrieb von solaren Prozesswärmeanlagen gegeben werden und andererseits die Effizienz von solarer Prozesswärme mittels TRNSYS-Simulation für verschiedene Kollektortechnologien für mediterranes Klima analysiert wird. Außerdem wurden Potenziale für bestimmte Länder oder Regionen erhoben [7, 8, 9 ,10, 11, 12, 13]. 2011 wurden Potenzialstudien in Deutschland [14], Indien [15] und Südafrika durchgeführt [16]. Noch neuere Potenzialstudien existieren für Tunesien [17], Chile [18] Ägypten, Pakistan und Marokko [19].

Methode

Grundsätzlich kann die bei den Potentialstudien angewandte Methode in Top-down und Bottom-up unterschieden werden. Mit einer Top-Down-Methode werden die Daten eines ganzen Industriezweiges untersucht, geeignete Industriezweige identifiziert und anschließend aus vorhandenen Daten, wie z.B. Wärmebedarf, ein quantitatives Potenzial errechnet. Dieses theoretische Potenzial kann in verschiedene Temperaturklassen unterschieden werden, z.B. Anwendungen mit TemperaturniveauIn einem Bottom-up-Ansatz werden ausgewählte Industriebetriebe analysiert und die Ergebnisse herangezogen um Sektoren auszuwählen und das quantitative Potenzial zu berechnen. Dabei werden Statistiken des Gesamtwärmebedarfs oder statistische Daten zu Anzahl und Größe der Betriebe einer Branche herangezogen. Das technische Potenzial kann durch Abschätzung der verfügbaren Dachfläche der Industriebetriebe ermittelt werden. Der solare Anteil (solar fraction) muss festgelegt werden.

Der Vorteil eines Top-down-Ansatzes ist die kohärente Verteilung des Wärmebedarfs zur Berechnung eines theoretischen Potenzials. Dagegen beinhaltet ein Bottom-up-Ansatz eine große Unsicherheit bei der Ermittlung des theoretischen Wärmebedarfs, wenn nicht eine große Anzahl an Betrieben untersucht wird. Der Vorteil des Bottom-up-Ansatzes liegt in der besseren Beurteilung von limitierenden Faktoren, wie z.B. der Abschätzung von vorhandenen Dachflächen bei untersuchten Betrieben.

Die Wahl eines Ansatzes hängt auch von der Verfügbarkeit der erforderlichen Daten für den industriellen Wärmebedarf und seiner Temperaturverteilung ab.

Zusammenfassung der Studienergebnisse

Einen Überblick über die wesentlichen Sektoren, die in den verschiedenen Studien zur Integration von Prozesswärme als geeignet identifiziert wurden, gibt Tabelle 1.

Tabelle 1: Überblick über die in verschiedenen Studien für solare Prozesswärme als nutzbar identifizierten Sektoren

Limitierende Faktoren

Die Nutzung von Abwärme sowie ein Mangel an nutzbarer Dachfläche limitieren den Einsatz von solarer Prozesswärme in Industriebetrieben. Der Einsatz von KWK-Anlagen sowie die Verwendung von Wärmepumpen sind ebenfalls mit solarer Prozesswärme konkurrierende Technologien. Weitere limitierende Faktoren für den Einsatz sind niedriger Preis von Energie sowie mangelndes Wissen über die Möglichkeiten, solare Prozesswärme zu nutzen sowie Mangel an ausgebildeten Fachkräften. In den Potentialstudien wird auch auf lange Armortisationszeiten hingewiesen, solange Förderungen für fossile Energieträger politisch unterstützt werden.

Besondere Ergebnisse einzelner Länderstudien

In der Potenzialstudie für Indien wurden die durch Solarenergie substituierten Energiemengen und die dadurch erzielbaren monetären Einsparungen für wichtige Sektoren ermittelt, wobei der Sektor mit den höchsten erzielbaren Einsparungen in Indien die Textilindustrie ist. In Südafrika sind im Bereich der Bergbauindustrie neben der Absorptionskühlung in Minen die Wasserentsalzung und die Behandlung von Grubenabwässern potenziell interessante Sektoren für die Verwendung konzentrierender Kollektoren, auf die die südafrikanische Studie fokussiert. Die tunesische Studie betrachtet wiederum industrielle Sektoren, in denen Heißwasser und Dampf benötigt werden und berechnet ausgehend vom Endenergieverbrauch der unterschiedlichen Sektoren das mögliche Potenzial mittels Bottom-up-Ansatz, in dem 56 Industriebetriebe näher untersucht wurden. Anschließend wurde das Potenzial der Sektoren für unterschiedliche Kollektortechnologien abgeschätzt. Für Chile wurde das größte ökonomisch umsetzbare Potenzial für den Bergbausektor identifiziert und ein Potenzial von 1,5 Mio. m² in diesem Sektor angegeben. Die Studie für Ägypten, Marokko und Pakistan wurde von der Internationalen Finanz-Korporation (International Finance Corporation IFC ) initiiert, da diese Länder Fokusländer der IFC sind. Ein enormes Potenzial mit 2,3 Mio. m² Kollektorfläche für Marokko, 4,6 Mio. m² für Ägypten und 7,1 Mio. m² für Pakistan für die wichtigsten fünf Sektoren dieser Länder wurde identifiziert. In dieser Studie wurden auch die Amortisationszeiten für die Investition angegeben, wobei diese aufgrund der niedrigen konventionellen Energiepreise zwischen 10 und 20 Jahren liegen. Die Autoren schätzen, dass durch Streichung der Förderungen für fossile Energien Amortisationszeiten unter 10 Jahren erreicht werden können.

Globales Potenzial

IRENA (International Renewable Energy Agency) schätzt in einer 2015 veröffentlichten Studie [20] das 2030 erreichbare Potenzial zu 3,3 EJ/a und geht von einem zu diesem Zeitpunkt für industrielle Prozesswärme angenommenen Wärmebedarf von 160 EJ/a aus, das bedeutet etwa einen Anteil von 2 %, Taibi et al. schätzen das 2050 erreichbare Potenzial auf 5,6 EJ/a, was einem Anteil ebenfalls einem Anteil von 2 % an der zu diesem Zeitpunkt global benötigten industriellen Prozesswärme entspricht [21]. 50 % des Potenzials wird in Niedertemperaturanwendungen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie gesehen. Eine Studie der UNIDO ergänzt die Arbeit von Taibi et al. für konzentrierende Kollektoren und schätzt dadurch ein erreichbares Potenzial von 8 EJ/a im Jahr 2050 [22].

Zusammenfassung und Ausblick

Generell ist für die Integration von solarer Prozesswärme zunächst notwendig, den Prozess selbst technologisch zu optimieren, in einem weiteren Schritt muss das System optimiert werden, bevor in einem dritten Schritt erneuerbare Energiequellen/Solarwärme integriert werden kann.

In den letzten Jahren ist das Bewusstsein solare Wärme für industrielle Prozesse zu nutzen stark gestiegen. Deshalb sollten Anstrengungen unternommen werden diese positive Entwicklung mit weiteren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Schlüsselfragen der solaren Prozesswärme zu unterstützen. Für Europa, in dem hauptsächlich nicht-konzentrierende Kollektoren untersucht wurden, liegt das technische Potential bei ca. 4 %, wobei durch Verbesserung von Kollektortechnologien und der Berücksichtigung von Ländern mit höherer solarer Einstrahlung als in Europa das Potenzial noch höher sein könnte.

2008 lag der globale Prozesswärmebedarf bei 98 EJ [21]. Das ergäbe bei einer Solarstrahlung von 1200 kWh/m²a und einer Systemeffizienz von 40 % eine Kollektorfläche von 2300 Mio. m². Die weitere Entwicklung wird von den Marktbedingungen und der Kostenentwicklung abhängen, sowohl für konventionelle Energie als auch für solarthermische Systeme. Das Potenzial solare Prozesswärme umzusetzen ist sehr hoch.

Literatur

1. SHIP-plants, 2015. Database for applications of solar heat integration in industrial processes. www.ship-plants.info/.
2. Platzer, W. et al., Potential studies on solar process heat worldwide, IEA SHC Task 49, Deliverable C5, Oktober 2015
3. Ecoheatcool, 2006. The European Heat Market, Final Report ECOHEATCOOL – Work Package 1. https://ec.europa.eu/energy/intelligent/projects/sites/iee-projects/files/projects/ documents/ecoheatcool_the_european_heat_market_final_report.pdf.
4. Schweiger H, Mendes J, Schwenk C, Hennecke K, Barquero C, Sarviseé A, et al. POSHIP - The Potential of Solar Heat for Industrial Processes, Barcelona, Lissabon, München, Köln, Madrid, Spain, 2001, http://www.solarpaces.org/Library/docs/POSHIP_Final_Report.pdf.
5. Aidonis A, Drosou V, Mueller T, Staudacher L, Fernandez-Llebrez F, Oikonomou A, et al. PROCESOL II - Solar thermal plants in industrial processes: Design and Maintenance Guidelines, Pikermi, Greece, 2002, www.solarthermalworld.org/disknode/get/60/PROCESOL _eng_L.pdf?download.
6. Kalogirou S. The potential of solar industrial process heat applications, Applied Energy 76 (2003). www.aee-intec.at/0uploads/dateien348.pdf.
7. Müller T, Weiß W, Schnitzer H, Brunner C, Begander U, Themel O. PROMISE - Produzieren mit Sonnenenergie: Potenzialstudie zur thermischen Solarenergienutzung in österreichischen Gewerbe und Industriebetrieben. Studie im Auftrag des Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Wien, Austria, 2004, www.aee-intec.at/0uploads/dateien348.pdf.
8. McLeod V, Annas J, Stein W, Hinkley J. Application of solar process heat to the commercial & industrial sectors, Sydney, Australia, 2005.
9. Vannoni C, Battisti R, Drigo S. Potential for Solar Heat in Industrial Processes. Report within IEA SHC Task 33/IV, Rome, Italy, 2008, www.iea-shc.org/publications/downloads/task33-Potential_for_Solar_Heat_in_Industrial_Processes.pdf
10. van de Pol V., Wattimena L., Onderzoek naar het potentieel van zonthermische energie in de industrie, KWA Bedrijfsadviseurs B.V., document n. 8543.00, report n. 2009740DR01.DOC, the Netherlands, 2001.
11. Kovacs P, Quicklun H, Pettersson U. Solenergi i industriell processvärme—Enförstudie av svenska möjligheter. SP Rapport 2003, Boras, Sweden, 2003.
12. Kalogirou S. The potential of solar industrial process heat applications, Applied Energy 76 (2003).
13. Vannoni, C., Battisti, R., Drigo, S., Corrado, A., 2006. SHIP Potential Studies Report. Report within IEA SHC Task 33/IV. Department of Mechanics and Aeronautics - University of Rome “La Sapienza”.
14. Lauterbach, C., Schmitt, B., Vajen, K., 2011. Das Potential Solarer Prozesswärme in Deutschland. Teil 1 des Abschlussberichtes zum Forschungsvorhaben „SOPREN – Solare Prozesswärme und Energieeffizienz“. Universität Kassel. www.solar.uni-kassel.de.
15. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH, Indo-German Energy Programme, 2011. Identification of Industrial Sectors Promising for Commercialisation of Solar Energy, New Delhi, 2011.
16. Brent, A., Pretorius, M., 2011, Industrial and commercial opportunities to utilise concentrating solar thermal systems in South Africa, Journal of Energy in Southern Africa • Vol 22 No 4 • November 2011. http://www.erc.uct.ac.za/jesa/volume22/22-4jesa-brent-pretorius.pdf.
17. Amous, S., 2013. Estimation du Potentiel d’Applications Solaires pour la Satisfaction des Besoins de Process de l'Industrie Tunisienne.
18. APPSOL - Energia solar termica en industria, 2014. WP1: APLICACIÓN Y POTENCIAL, CARACTERIZACIÓN INDUSTRIA, Rseumen Ejecutivo, http://appsol.cl/.
19. Hoffmann, S., Kogler, K., Krofak, I., 2014. Market study of Solar Thermal Energy for Industrial / Commercial Use in Pakistan, Egypt and Morocco, IFC, International Financ Corp. Washington. Short version retrieved from: http://www.solarthermalworld.org/content/egypt-pakistan-and-morocco-three-countries-and-their-solar-process-heat-potential.
20. IRENA 2015, Solar Heat for Industrial Processes. Technology Brief, International Renewable Energy Agency. Available from: http://www.irena.org/DocumentDownloads/Publications/IRENA_ETSAP_Tech_Brief_E21_Solar_Heat_Industrial_2015.pdf
21. Taibi, E., Gielen D., Bazilian, M., 2012. The potential for renewable energy in industrial applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 735–744. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032111004497
22. UNIDO 2011, Renewable Energy in Industrial Applications. An assessment of the 2050 potential. United Nations Industrial Development Organization. http://www.unido.org/fileadmin/user_media/Services/Energy_and_Climate_Change/Energy_Efficiency/Renewables_%20Industrial_%20Applications.pdf

Autorenbeschreibung

DI Monika Spörk-Dür ist im Bereich Solarthermische Komponenten und Systeme bei AEE INTEC tätig (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)

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Entscheidungsunterstützende Plattform für Planung und Integration von Multi-Energie-Netzwerken und erneuerbaren Ressourcen in Städten (IntegrCiTy)

Ziel von IntegrCiTy ist die Förderung der Interoperabilität von Energienetzwerken in bereits vorhandenen oder zukünftigen urbanen Infrastrukturen durch die Entwicklung eines Entscheidungs-Tools, welches in drei Städten in der Schweiz und in Schweden angewendet und getestet wird.

Die Ziele des Projektes sind:

• Die Entwicklung einer integrierten Plattform als Entscheidungsunterstützung für Stadtplaner und Energieversorger zur Verbesserung der Effizienz und Belastbarkeit der Energieinfrastruktur, mit Fokus auf Bereitstellung, Erweiterung und Nachrüstung.
• Implementierung der Plattform und eingebetteter Tools in ausgewählte Städte, für die lokalen Versorgungsunternehmen und Stadtverwaltung, mit Fokus auf thermische und elektrische Netzwerke in Verbindung mit erneuerbaren Ressourcen.
• Integration der Industrie in die Versorgungsinfrastrukturen.
  IntegrCity zielt darauf ab, eine Toolbox für die Evaluierung der Interoperabilität und Synergien zwischen vorhandenen und zukünftigen Komponenten der Energieinfrastruktur mithilfe von integrierter Modellierung und Multi-Netzwerk Simulation zu erstellen. Grundlage der Toolbox ist eine Co-Simulationsplattform, welche Interaktionen und Datenaustausch erlaubt, um so Energieverbrauch und -bereitstellung dynamisch zu verknüpfen. Die Open-Source-Software bietet die Möglichkeit, das eigene Modell/Tool mit der Plattform zu verlinken. Dadurch wird eine hohe Flexibilität des Tools für zukünftige Erweiterungen der Toolbox sichergestellt.

Die IntegrCiTy Plattform wird Städteplaner und Energieversorger sowie lokale Interessensvertreter unterstützen, städtische Energiesysteme inklusive Businessmodelle und ordnungspolitische Maßnahmen mit Hilfe von entsprechenden Energie- und Umweltindikatoren zu verstehen. Ein spezieller Fokus liegt sowohl auf der Integration der Industrie, anfallender Abwärme und verwertbarem Abfall, erneuerbaren Energieträgern als auch der Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen.

Auftraggeber

ERA (European Research Area)-Net (nationale Förderung FFG)

Projektpartner

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne – Industrial Process and Energy Systems Engineering Group
Romande Energie SA
City of Vevey
Centre de Recherches Energétiques et Municipales
Haute Ecole Spécialisée de Suisse Occidentale Valais-Wallis
Austrian Institute of Technology
AEE INTEC
Royal Institute of Technology
Hoval Austria
République et Canton de Genève
Services Industriels de Genève
Europe Power Solutions AB
Veolia Sverige AB
Holdigaz SA
ElectriCITY
Riksbyggen
City of Stockholm

Ansprechpartner

DI Jürgen Fluch, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

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Innovative Membrandestillation zur Gold- und Palladiumrückgewinnung in der Leiterplattenindustrie (MD-Gold)

Im Rahmen des Projektes wird die Membrandestillation für den Einsatz zur Rückgewinnung von Palladium und Gold in der Leiterplattenindustrie adaptiert und weiterentwickelt. Anhand von Laborversuchen werden ein geeignetes Membranmodul entwickelt und die Betriebsparameter optimiert. Darauf aufbauend werden das Potential der Membrandestillation für die Anwendung in dem Leiterplattenbetrieb dargestellt und ein Fokus auf die Senkung des thermischen Energiebedarfes sowie aufgrund der geringeren Prozesstemperaturen auf die Möglichkeit zur Einbindung von Solarthermie und vorhandener Abwärme unter wirtschaftlichen Bedingungen gelegt.

Abbildung 1: Leiterplattenbestückung bei der AT&S AG.
Quelle: AT & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft

In der Leiterplattenindustrie werden in Galvanikprozessen wertvolle Edelmetalle wie Gold und Palladium zur Oberflächenbehandlung eingesetzt. In diesen Prozessen besteht die Notwendigkeit die galvanisierte Leiterplatte nach dem eigentlichen Aktivbad abzuspülen. Dabei entstehen große Mengen an mit den Galvanikwirkstoffen Gold und Palladium „verunreinigtem“ Abwasser. Mangels effizienter Rückgewinnungstechnologien werden diese Abwässer derzeit ungenutzt verworfen. Die kritischen Rohstoffe Gold und Palladium gehen dabei mit dem Spülwasser unwiederbringlich verloren.

Die Rückgewinnung dieser Wertstoffe erfordert effiziente Systeme zur Aufkonzentration flüssiger Stoffsysteme. Derzeit eingesetzte konventionelle Trennverfahren zum Aufkonzentrieren bzw. zur Abscheidung von Wasser sind thermische Eindampfung oder druckgetriebene Membrantrennverfahren. Diese konventionellen Trennverfahren weisen jedoch meist einen relativ hohen thermischen und/oder elektrischen Energieverbrauch auf.

Die Membrandestillation bietet eine energieeffiziente Alternative mit geringerem thermischen und elektrischen Energieverbrauch auf niedrigem Temperaturniveau. Der thermische Energiebedarf für die Membrandestillation könnte problemlos durch Abwärme aus anderen Produktionsprozessen der Leiterplattenproduktion oder anderen erneuerbaren Energiequellen wie Solarthermie klimaneutral bereitgestellt werden.

Auftraggeber

Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT)

Projektpartner

AEE INTEC
AT & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft
Rotreat Abwasserreinigung GmbH

Ansprechperson

DI Christian Platzer, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

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TrustEE

Innovativer marktorientierter Fonds für Energieeffizienzinvestitionen in der Industrie

TrustEE beschäftigt sich mit der Finanzierung von Energiedienstleistungen von Technologiebereitstellern (KMUs) für die produzierende Industrie, die derzeit an bestehenden restriktiven Kreditwürdigkeits-Kriterien durch konventionelle Finanzierungsparteien scheitern.

Abbildung 1: Logo

Das Hauptziel von TrustEE ist die Definition und Implementierung eines marktbasierten Finanzierungsmodelles für PHES (Process Heat Efficiency and Sustainability - Prozesswärme-Effizienz und Nachhaltigkeits)-Maßnahmen, in dem finanzielle Mittel unter einer möglichst großen Breite an Investoren gesammelt werden, um so das Investitionskapital für KMU’s zu sichern. Basierend auf einem Equity-Trust-Modell, stellt TrustEE so einen innovativen Ansatz für die Finanzierung von PHES-Maßnahmen dar. Dabei wird die Marktexpertise von Anwendern und Technologiebereitstellern herangezogen, um spezifische wirtschaftliche Kriterien zu definieren.

Begleitend wird ein Tool geschaffen, welches als technische Unterstützung bei der Bewertung von möglichen Maßnahmen eingesetzt wird und optimierte Investitionsbedingungen, Risikoreduktion und damit Verringerung bestehender Hürden bei der konventionellen Finanzierung solcher Maßnahmen sicherstellt.

Folgende spezifischen Ziele wurden definiert:

• Entwicklung und Implementierung einer innovativen, marktbasierten Fremdfinanzierung für Investitionen in PHES-Maßnahmen, unterstützt durch die Marktexpertise von Technologiebereitstellern.
• Definition und Implementierung eines Tools für die technische und ökonomische Unterstützung von Investitionsangeboten (Entscheidungsphase) und die Operationalisierung von Energiedienstleistungen welche dem Endverbraucher bereitgestellt werden (Betriebsphase).
• Einführung von risikomindernden Strategien und damit Reduzierung der Mindest-Ertragskriterien auf 5-8% über der Inflation
• Ziel der Initiierung von Investitionen zur Einsparung von 56,41 GWh Primärenergie pro Jahr und Erzeugung von 19,61 GWh durch erneuerbaren Energien.
• Integration von unterschiedlichen staatlichen Anreizmechanismen (Förderungen) auf nationalem und EU-weitem Level.
• Signifikante Förderung der Marktdurchdringung von Energieeffizienzmaßnahmen und erneuerbaren Technologien durch den finanziellen Zugang für KMU’s und Technologiebereitstellern zu innovativen Investitionsmöglichkeiten.

Auftraggeber

Europäische Kommission, Horizon 2020

Projektpartner

AEE INTEC
AINIA Centro Tecnologico
European Council for an Energy Efficient Economy (eceee)
Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung E.V.
REENAG Holding GmbH
Universidade de Évora

Ansprechperson

DI Jürgen Fluch, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!