Nachhaltige Energieversorgung - Neue Wege in der Entwicklungszusammenarbeit

Solarenergie

Der Bedarf an Prozesswärme ist immens: Rund 7% des gesamten Energieverbrauchs der südeuropäischen Länder wird laut der Studie "POSHIP" für industrielle Prozesswärme im Temperaturbereich unter 250 °C benötigt /1/.

Solare Großbäckerei in Burkina Faso

Von Jens Kötter, Christoph Müller und Klemens Schwarzer*

Die Nutzung von thermischer Energie in der Industrie reicht von niedrigen bis zu extrem hohen Temperaturanwendungen. In sonnenreichen Ländern kann dieser Bereich mit entsprechend angepasster Solartechnik zumindest teilweise abgedeckt werden, um den Einsatz fossiler Brennstoffe zu reduzieren. Für niedrige Temperaturen ist es sinnvoll, Flachkollektoren einzusetzen. Für Prozesstemperaturen oberhalb von 150 °C werden konzentrierende Systeme verwendet, um hohe Effizienz zu gewährleisten. Die Solarstrahlung wird mit Linsen oder Spiegeln auf den Brennpunkt (oder die Brennlinie) fokussiert, in dem sich ein Absorber befindet, der das Licht in Wärme umwandelt. Für große Leistungen im Kraftwerksbereich werden bereits seit den 1980er Jahren erfolgreich Parabolrinnen eingesetzt. Jedoch sind zurzeit keine Kollektoren für Betriebstemperaturen über 150 °C und Leistungen unterhalb von 50 kW kommerziell erhältlich. Anwendungen für industrielle Prozesswärme wurden bisher nur als Testanlagen gebaut. Nur einige wenige zum Teil auch große Systeme sind weltweit im Einsatz.
Das Solar-Institut Jülich (SIJ) hat in Burkina Faso ein konzentrierendes System entwickelt, mit dem die Anwendung Solarer Prozesswärmesysteme demonstriert wird. Das Projekt wurde vom Ministerium für "Wissenschaft und Forschung des Landes NRW" und der NGO "Chrétien pour le Sahel" aus Luxembourg finanziert. Verbraucher ist in diesem Projekt eine industrielle Bäckerei, in der rund 1000 Brote pro Tag gebacken werden. Die Betriebstemperatur des Backofens liegt über 250 °C mit einer Leistung von 25 bis 30 kW. Die hohe Temperatur, die gewährleistet, dass die Baguettes außen kross werden und im Innern ausreichend feucht bleiben, um in dem trockenen Klima nicht so schnell hart zu werden, stellt technisch eine Herausforderung an das Wärmeträgermedium und die Materialien dar. Wasser wurde aufgrund der Temperatur-Druckproblematik nicht als Wärmeträger verwendet. Thermoöl wurde aus Kostengründen und Umweltbedenklichkeit verworfen und Luft als Wärmeträgermedium gewählt. Die Nachteile resultieren aus der geringen Wärmekapazität. Dadurch ergeben sich hohe Volumenströme, großen Rohrquerschnitte und hoher Ventilatorleistungen. Vorteile von Luft sind geringes Sicherheitsrisiko, kostenlose, unbegrenzte Verfügbarkeit, völlige Ungiftigkeit, keine Korrosionsprobleme (dadurch lassen sich unlegierte Baustähle einsetzen).
Mit 16 punktförmig konzentrierenden Spiegeln (Scheffler-Spiegel) von jeweils 8 m² Spiegelfläche wird mittels 8 Doppel-Receivern Luft auf über 300 °C erhitzt (siehe Abbildung 1). Damit wird über einen Luft-Luft-Wärmetauscher der Backofen beheizt. Der Wärmeträger Luft wird im geschlossenen Kreislauf geführt, um die hohen Austrittstemperaturen des Backofens nutzen zu können.
Der ursprünglich verwendete Öl-Brenner bleibt weiterhin in Funktion, um auch nachts, bei Wolkendurchzug oder in der Regenzeit den Backprozess aufrecht erhalten zu können.

Abbildung 1: Anlagenschema der solaren Bäckerei

Prototyp

In dem Projekt wurde durchgehend das Ziel verfolgt, eine angepasste Technologie zu entwickeln, die weitestgehend mit vor Ort erhältlichen Materialien und Arbeitskräften erstellt werden kann. Das geringe Lohnkosten Niveau in Burkina Faso ermöglichte es erst mit dem zur Verfügung stehenden Budgets eine Anlage in dieser Größenordnung zu fertigen. Durch den Bau der Anlage vor Ort soll die Akzeptanz dieser Technik gesteigert und Reparaturen vor Ort ermöglicht werden. Trotz der zum Teil einfachen Mitteln wurden hohe Ansprüche an die Fertigung gestellt. Bei dem Spiegelsystem, dem so genannten Scheffler-Spiegel, wurde eine Technologie eingesetzt, die speziell für die Fertigung in Ländern mit schwach ausgeprägter Infrastruktur entwickelt wurde [http://www.solare-bruecke.org/]. Lediglich das Spiegelblech, Getriebemotoren, Sensoren, Heißluft-Ventilatoren und einige spezielle Komponenten wurden importiert. Die Kosten inklusive Kollektoren, Luftkanäle, Ventilatoren, Photovoltaik, Speicher, Wärme-Tauscher, Isolierung, Elektrik & Elektronik, Transport und Löhnen vor Ort lagen bei diesem Prototyp bei rund 55.000 €. Für künftige Anlagen besteht ein hohes Einsparungspotenzial.

Reflektor

Der Reflektortyp hat sich seit ca. 10 Jahren vor allem in Entwicklungsländern gut bewährt. Ein "Scheffler-Spiegel" ist ein Abschnitt eines rotationssymmetrischen Paraboloiden, dessen Drehachse durch den Focus und parallel zur Erdachse verläuft. Bei dieser polaren Nachführmethode rotiert der Parabolspiegel um eine Achsenparallele zur Drehachse der Erde, entgegen der Drehbewegung der Erde, also um 15 Grad pro Stunde. Die Nachführung erfolgt über Mikrocontroller gesteuerte Motoren mit Untersetzungsgetriebe. Jeweils acht Spiegel sind per Gestänge miteinander verbunden und folgen synchron dem täglichen Lauf der Sonne.
Der Winkel zwischen der Drehachse und der Erdoberfläche entspricht dem Breitengrad des jeweiligen Standortes. Dadurch, dass sich der Brennpunkt des Paraboloiden auf der Drehachse befindet, bleibt dieser ortsfest, daher wird der Scheffler-Spiegel auch als "Fix Focus Parabolspiegel" bezeichnet.
Im Verlauf der Jahreszeiten ändert sich der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung um +/- 23,5° in Bezug zur Senkrechten der Erdachse. Um den gleichen Winkel muss auch das gesamte Paraboloid gekippt werden, da es immer auf die Sonne ausgerichtet bleiben muss. Die Mitte des Reflektors und die Lage des Brennpunktes sollen sich für die ortsfesten Anlagen nicht bewegen. Dies ist nur zu bewerkstelligen, wenn dem Reflektor für jeden jahreszeitlichen Sonnenwinkel, d.h. für jeden Tag des Jahres, eine andere Parabel zugrunde liegt. Der Spiegel muss also seine Form verändern. Der Spiegelrahmen wird für die Tag- und Nachtgleiche gebaut. Durch Kippen und elastische Verformung des Spiegelrahmens werden dann alle anderen Parabeln eingestellt. Diese saisonale Einstellung wird durch Verstellen zweier Teleskopstangen manuell vorgenommen.
Die 16 Reflektoren mit jeweils rund 5,5 m² Aperturfläche bündeln das Sonnenlicht auf einen Brennfleck von rund 30 cm Durchmesser in dem sich ein Receiver befindet, der das Sonnenlicht in Wärme umwandelt, die von der vorbeiströmenden Luft aufgenommen wird.

Abbildung 2: Gesamtansicht der Anlage

Receiver

Durch die relativ kleine bestrahlte Fläche ergibt sich ein kompakter Luft-Receiver, der geringe thermische Verluste und Druckverluste mit sich bringt. Aufbauend auf einen im Weizmann-Institut (Israel) entwickelten "Porcupine-Receiver" (Stachelschwein-Receiver) wurde ein ähnliches Receiverkonzept zur Lufterhitzung entwickelt. Der Aufbau ist relativ einfach: Nägel werden durch ein Lochblech gesteckt und verschweißt und mit den Nagelspitzen in Richtung Spiegel im Luftkanal positioniert. Die Öffnung des Luftkanals, wird durch eine hochtemperaturfeste, reflexionsarme Glasscheibe verschlossen. Durch eine Scheibe fällt das konzentrierte Sonnenlicht und erhitzt die Nägel. Diese geben die Wärme an die vorbeiströmende Luft ab. Während der Bauphase in Afrika entstand ein weiterer Receivertyp, der sich durch einfachere, leichtere, preiswertere Bauweise und geringere Druckverluste auszeichnet. Dabei wurde ein Blech ähnlich einer Ziehharmonika gefaltet. Bei ersten Messungen ergaben sich bei beiden Typen Wirkungsgrade von rund 60% bei 300 °C Ausgangstemperatur. Es wurde bei einer direkten Einstrahlung von rund 800 W/m² eine Stillstandstemperatur von knapp 740 °C erreicht.

Betrieb der Anlage

Rund zwei Jahre nach Projektbeginn wurde die Anlage im Dezember 2003 erstmals in Betrieb genommen. Die Auswertung der Messergebnisse ergab, dass der neu entwickelte "Heißluftkollektor" die angestrebten 50% Wirkungsgrad bei 300 °C Lufttemperatur sogar übertraf. Die Leistung der 16 Receiver beträgt bei diesen Temperaturen und einer direkten Einstrahlung von 800 W/m² rund 40 kW. Ein gravierendes technisches Problem lag jedoch darin die heiße Luft zum Verbraucher (in diesem Fall zum Backofen) zu bringen. Der Gesamtwirkungsgrad fiel daher wesentlich geringer aus. Aufgrund der langen Leitungen (insgesamt ca.120 m) und großen Rohrquerschnitte (30 cm x 30 cm) sind die Wärmeverluste wie erwartet recht hoch. Hinzu kommt durch die 30 cm Isolierdicke ein Volumen an Mineralwolle von rund 100 m³, dass das gesamte System thermisch träge macht. Als dritter Faktor stellte sich heraus, dass fertigungsbedingte Leckagen nicht zu vernachlässigen sind. Zwischen Verbraucher und Solaranlage ist aus hygienischen Gründen ein Edelstahlwärmetauscher geschaltet, der einen zusätzlichen Temperaturabfall von rund 30 Kelvin mit sich bringt, so dass der Ofen bisher lediglich auf 200 °C statt der geplanten 280 °C hochgeheizt werden konnte. Die technischen Probleme liegen letztendlich im konventionellen Teil der Anlage - den Luftkanälen. Aus finanziellen Gründen war es nicht möglich diese komplett in Europa von Fachbetrieben fertigen zu lassen. Dies hätte auch der verfolgten Philosophie angepasster Technologie widersprochen. Zukünftig müssen die Fertigungsverfahren optimiert werden, um die Leckrate auf ein vertretbares Maß zu reduzieren. Des weiteren müssen die Rohrquerschnitte kleiner gestaltet werden, um Verluste durch Wärmeleitung und Trägheit zu verringern. Die daraus resultierenden höheren Druckverluste und damit verbunden Ventilatorleistungen werden aufgrund der großzügigen Dimensionierung des Ventilators und der PV-Module unproblematisch sein.
Die jetzigen Ergebnisse lassen erwarten, im nächsten Schritt ein funktionierendes System zur Verfügung zu haben. Es sind ausreichende Erfahrungen gemacht und Verbesserungspotenziale erkannt worden, um in Zukunft ähnliche solare Prozesswärmesysteme in die Anwendung zu bringen.

*) Dipl.-Ing. Jens Kötter ist Projektingenieur am Solar-Institut Jülich mit den Schwerpunkten Solare Prozesswärmesysteme und Solarthermische Anlagen, koetter@sij.fh-aachen.de.
Dipl.-Ing. Christoph Müller ist Projektingenieur am Solar-Institut Jülich mit den Schwerpunkten Solarthermische Meerwasserentsalzung, Solare Gebäudeheizung und Entwicklungstechnologien, c.mueller@sij.fh-aachen.de.
Prof. Dr.- Ing. Klemens Schwarzer ist Vorstand am Solar-Institut Jülich. Lehrgebiete Fachhochschule Aachen, Abteilung. Jülich: technische Thermodynamik, Entwicklungsländertechnologien, Energietechnik, Kraft-wärme-(Kälte-)-Kopplung. Homepage des SIJ: http://www.sij.fh-aachen.de/. [^]