Solare Prozesswärme

Realisierte Anlagen

Die Idee zur Nutzung solarer Wärme in der Industrie wurde bereits in den 80er Jahren diskutiert, mehrere Pilotanlagen wurden errichtet. Die heutige Situation ist durch erheblich reduzierte Anlagenkosten, eine verbesserte Technologie für hocheffiziente Solarkolletoren und eine verbesserte Systemtechnik (Steuerung, Pumpen, etc.) gekennzeichnet.

360-kW-solarthermische Anlage für einen industriellen Waschprozess

Von Detelf Schäfer, Hans Schweiger, Ignasi Gurrachaga und Enric Mateu*

Industrielle Prozesswärme stellt ein bedeutendes Anwendungspotenzial für Solarenergie dar. Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts POSHIP [1] und der Task 33/IV (Solare Wärme für industrielle Prozesse) [2] wurde für mehrere industrialisierte Staaten gezeigt, dass ca. 3-4% des industriellen Prozesswärmebedarfs durch solarthermische Energie gedeckt werden kann. Das EU-Forschungsprojekt POSHIP [1] ist eine Studie zum Potenzial solarer industrieller Prozesswärme, das von der Europäischen Kommission im Rahmen des 5. Rahmenprogramms gefördert wurde.
Diese Ergebnisse der Potenzialstudien führten zu einem erstarkten Interesse an der Realisierung von Demonstrationsanlagen in der Industrie. Eines der vor kurzem realisierten Projekte ist die Solaranlage der Firma Contank in Castellbisbal (Barcelona), Spanien, die im März 2005 in Betrieb genommen wurde. Der Hauptcontractor der Anlage ist die Firma GAE, die Anlagenplanung wurde von der Firma Aiguasol ausgeführt. Beide Firmen haben ihren Sitz in Barcelona in Spanien.

Waschprozess

Die Firma Contank (Parking Service Castellbisbal S.A., Castellbisbal (Barcelona), Spanien) ist ein Unternehmen das sich der Reiningung von Containern für den Transport von flüssigen Gütern auf der Schiene widmet.
Die wichtigsten Wärme konsumierenden Prozesse in der Firma sind die Waschprozesse, die Wärme sowohl in Form von Warmwasser bei 70 – 80 ºC (ca. 46% des gesamten Wärmebedarfs) als auch als Dampf (verbleibende 54%) nutzen. Der tägliche Warmwasserbedarf liegt bei 70 – 80 m3/Tag. Das konventionelle System zur Wärmeversorgung ist ein mit Erdgas gefeuerter Dampfkessel.
Die Anlage ist das ganze Jahr über 5,5 Tage pro Woche in Betrieb, nur in den Sommerferien gibt es eine Unterbrechung von 22 Tagen. Dadurch ergeben sich 264 Betriebstagen pro Jahr.

Beschreibung des Solarsystems

Das Solarsystem von Contank besteht aus zwei Solarfeldern mit selektive Flachkollektoren mit einer gesamten Spitzenwärmeleistung von 360 kW (bei einer Nettoabsorberfläche von 510 m²) und aus einem drucklosen Speichertank mit 40 m³.
Das Wasser für den Waschprozess wird zunächst durch das Solarsystem vorgewärmt, dann auf den Betriebsdruck komprimiert und mit Dampf auf die gewünschte Temperatur von 70-80 ºC erwärmt.

Abbildung 1: Schema des Solarsystems

Das Kollektorfeld ist auf dem Dach der Firmenhalle installiert, das aus dem Profilblech, der Isolierung aus Steinwolle und dem Profilblech besteht. Das Solarsystem wurde bereits in der Planungsphase der Halle vorgesehen, so dass die Dachstruktur stark genug ausgelegt wurde, um das zusätzliche Gewicht des Solarsystems zu tragen. Die Betonträger wurden bereits in den entsprechenden Abständen vorgesehen, um die Verankerungen der Solarkollektoren aufzunehmen.
Das Solarfeld besteht aus 92 Großmodul Solarkollektoren mit 5,54 m² in vier Reihen aus acht Kollektoren und fünf Reihen aus 12 Kollektoren in serieller Verschaltung, so dass ein großer Teil von Rohrverbindungen eingespart werden konnte. Die Anlage arbeitet mit einem niedrigen Durchfluss von 16,35 l/m²h.
Das System ist durch eine entsprechende Auslegung des Ausdehnungsgefässes im Primärkreis stillstandssicher, ohne dass bei Stillstandsbedingungen Verlust von Flüssigkeit im Primärkreis auftritt. Während der ersten Betriebswochen traten mehrere Male Stillstandsbedingungen auf. Dies war bedingt durch die geringe Wärmeabnahme – die Firma arbeitete noch nicht mit ihrer vollen Kapazität – und in einem Fall bedingt durch einen Fehler in der Regelung. Das Solarfeld zeigte ein gutes Entleerungsverhalten. Es traten keine Probleme während des Stillstands auf.
Der Schutz vor Legionellen ist durch eine Serienschaltung mit dem Speicher des Back-up Systems gegeben, der immer auf Temperaturen über 70 ºC gehalten wird. Zusätzlich wird das des Wassers einer chemischen Behandlung unterzogen.
Die Kollektoren wurden mit einer sehr geringen Neigung installiert (20º). Dies stellt einen Kompromiss dar zwischen einem maximalen Solarertrag pro Flächeneinheit einerseits und einer maximalen Gesamtleistung auf der vorhandenen Dachfläche andererseits dar.
In Verbindung mit der Solaranlage war ursprünglich auch die Installation eines Speichertanks für das Abwasser zusammen mit einem Wärmetauscher für Wärmerückgewinnung vorgesehen. Die Firma entschied sich jedoch gegen das Wärmerückgewinnungssystem, weshalb gegenwärtig nur die solare Wasservorwärmung realisiert ist.

Wärmeertrag des Solarsystems

Der Solarertrag wurde mittels dynamischer Simulation mit der software TranSOL berechnet. Der Wärmebedarf für Warmwasser beträgt 1990 MWh/Jahr. Es wurde eine homogene Verteilung des Wärmebedarfs über die 10 täglichen Betriebsstunden angenommen. Betriebsunterbrechungen sowohl über die Wochenenden als auch in den Betriebsferien wurden in Betracht gezogen. Die Simulation des Systems wurde mit Wetterdaten für Barcelona mit einer globalen Solarstrahlung von 1471 kWh/m² durchgeführt. Der jährliche solare Nettowärmeertrag beträgt 429 MWh (841 kWh/m²) bei einem solaren Deckungsgrad von 21,55%. Die Wärmeverluste in der Verrohrung und im Speicher betragen ca. 3% des gesamten Solarertrags.

Wirtschaftlichkeit

Die gesamten Anlagenkosten belaufen sich auf 268.546 €. Das Solarsystem wurde von IDAE und ICAEN mit einem Gesamtbetrag von 130.000 € gefördert, das sind ca. 50% der Gesamtkosten einschließlich der Steuervergünstigungen und des effektiven Werts der Finanzierung mit niedrigem Zins. Die jährlichen Energieeinsparungen wurden auf 14.300 € geschätzt (bei einem Preis für Erdgas von 25 €/MWh bezogen auf den unteren Brennwert). Die Kosten für Wartung und Instandhaltung wurden auf 1.250 €/Jahr geschätzt, woraus sich eine Nettoersparnis von 13.050 €/Jahr und eine Amortisation von ca. 10 Jahren ergibt.

*) Detlef Schäfer ist Geschäftsführer von Aiguasol BIOCO SL und technischer Berater für Nordspanien in Sonnenkraft España,
Hans Schweiger ist Mitarbeiter in der IEA Task 33 zu solarer Prozesswärme. Bis Juni 2005 war er Koordinator des Arbeitsbereichs Energieeffizienz in Aiguasol Engineering. Gegenwärtig ist er als unabhängiger Berater tätig, hans.schweiger@gmx.net
Ignasi Gurrachuga ist Projektingenieur in Aiguasol Engineering. Er ist verantwortlich für die Detailplanung und Bauüberwachung der Contank Solaranlage
Enric Mateu ist Projektingenieur in Aiguasol Engineering. Er ist Verantwortlich für die Regulation der Contank Solaranlage. [^]