Mit einem Anteil von knapp 30 Prozent am Endenergieverbrauch kommt der Industrie eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung des Energiesystems zu. Rund zwei Drittel des industriellen Energieeinsatzes werden in Form von Prozesswärme benötigt. Parallel dazu stehen auch Fernwärmenetze vor der Aufgabe, ihre Wärmebereitstellung zu defossilisieren. Beide Anwendungsfelder bieten damit substanzielle Potenziale für den Einsatz nachhaltiger solarthermischer Wärmetechnologien.
Parabolrinnen für solare Prozesswärme im niedrigen bis mittleren Temperaturbereich
Die konzentrierende Solarthermie mit Parabolrinnenkollektoren bietet erhebliches Potenzial zur Bereitstellung erneuerbarer Wärme. Die Parabolrinnentechnologie ist seit Jahrzehnten etabliert, technologisch ausgereift und weltweit erfolgreich im Einsatz. Auch für Deutschland zeigen jüngere Untersuchungen, dass sie in erheblichem Umfang zur nachhaltigen Wärmewende beitragen kann. Sie ist auch hierzulande imstande, große Energiemengen mit regelbaren Betriebstemperaturen von 100 bis über 400 Grad Celsius zu liefern und ist in der Fernwärme und als Prozesswärme in weiten Teilen der Industrie wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar. Durch Kurz- oder Langzeit-Wärmespeicher kann Solarwärme auch dann genutzt werden, wenn wenig oder keine Sonne scheint. Dadurch steigt der Anteil der Wärme, der über Solarenergie bereitgestellt wird (Erhöhung des solaren Deckungsgrads). Die Hybridisierung einer solarthermischen Anlage mit anderen erneuerbaren Quellen erweitert den Deckungsgrad bis zu einer ganzjährigen Bereitstellung von erneuerbarer Prozesswärme.
Von der Komponentenentwicklung zur industriellen Anwendung
Das DLR-Institut für Solarforschung unterstützt einerseits Hersteller bei der Entwicklung von Komponenten und Kollektorsystemen, forscht jedoch andererseits gemeinsam mit Beteiligten aus der Industrie auch an eigenen innovativen Technologien. Sowohl die Parabolrinnen- als auch die Fresneltechnik sind ausgereift und damit verfügbar. Dies zeigen große Projekte wie die solare Prozesswärmeversorgung mit einem Parabolrinnenfeld bei Heineken in Sevilla mit circa 30 Megawatt thermischer Leistung bei einem jährlichen Deckungsgrad von circa 50 Prozent. Eine weitere Kostensenkung mittels neuer Technologien ist jedoch notwendig für eine schnellere Marktentwicklung.
Optische Qualifizierungsverfahren unterstützen die Entwicklung von Komponenten und Kollektoren. Weiterhin werden auf Prüfständen Kenndaten unter Berücksichtigung von Normen wie der ISO 9806 ermittelt, die Aufschluss geben über den Wirkungsgrad und den zu erwartenden Wärmeertrag und gegebenenfalls Ansätze zur Optimierung.
Konzentrierende Kollektoren gibt es in verschiedenen Bauweisen, die sich in Wirkungsgrad und Preis unterscheiden. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) berät Nutzer über die Vor- und Nachteile verschiedener Technologien sowie die zu erwartenden thermischen Erträge unter Berücksichtigung standortspezifischer Meteodaten, worunter unter anderem zeitlich aufgelöste Daten zur Solarstrahlung, Temperatur und Windgeschwindigkeit fallen. Dazu werden Ergebnisse aus allgemein verfügbaren Berechnungstools wie ScenoCalc (Tool für Solarthermieanlagen in Wärmenetzen) und greenius herangezogen.
Verschiedene Wärmeträgermedien kommen bei der Anwendung in Parabolrinnen zum Einsatz. Mögliche Wärmeträger sind Thermoöle (z. B. Silikonöle, synthetische oder mineralische Öle) und Flüssigsalze. Darüber hinaus können Druckwasser oder Wasser/Dampf-Systeme genutzt werden, die entweder im Sattdampfprozess oder mit überhitztem Dampf betrieben werden. Die Forschungsgruppe Fluidsysteme erprobt und demonstriert deren Einsatz, um Risiken für die kommerzielle Anwendung zu minimieren. Das beinhaltet auch die Integration von Solarwärme, also der Übertragung der Wärme vom Solarfeld zum Verbraucher, gegebenenfalls unter Einbeziehung von Speichern.
Vorteile der Parabolrinnentechnik für die industrielle Wärmeversorgung
Als integraler Bestandteil der zukünftigen Wärmeversorgung der Industrie bietet die Parabolrinnentechnik auch für Deutschland:
▪ Sofort verfügbare Schlüsseltechnologie für die Wärmeversorgung ▪ Hohe lokale Wertschöpfung ▪ Hohe Wirtschaftlichkeit ▪ Sofortige und langfristige Emissionsfreiheit ▪ Große Versorgungssicherheit ▪ Langfristige Preissicherheit ▪ Entlastung der Stromnetze und Reduzierung von Versorgungslücken bei erneuerbarem Strom ▪ Europäische Lieferketten
Parabolrinnenkollektoren stellen folglich eine weitere Option für die CO2 -arme Versorgung des Wärmebedarfs in Industrie und Fernwärme dar. Aufgrund ihres hohen Wärmeertrags bei niedrigen Investitionskosten sind sie zudem besonders wirtschaftlich.
Chemiebetrieb Avery Dennisson, Turnhout/Belgien
Ein Beispiel aus Belgien zeigt, wie konzentrierte Solarwärme für die Erzeugung von Prozesswärme genutzt werden kann. Das Institut für Solarforschung hat dort gemeinsam mit Industrieunternehmen eine Übergabestation für die Ankopplung von Solarsystemen und Wärmespeichern an eine Produktionsstätte des Unternehmens Avery Dennison entwickelt. Das Solarfeld liefert Wärme für Prozesse, die 280 Grad Celsius benötigen.
Eine der Herausforderungen für die Energiewende besteht darin, den hohen Wärmebedarf für die energieintensiven industriellen Hochtemperatur- und Kraftstoffproduktionsprozesse von fossilen auf erneuerbare Energien umzustellen. Zu den Hochtemperaturanwendungen gehören Prozesse, die in der Regel eine konstante Wärmezufuhr von über 500 Grad Celsius erfordern. Da die erneuerbaren Energiequellen Sonne und Wind fluktuieren, also nicht durchgehend verfügbar sind, erfordert eine darauf basierende konstante Wärmeversorgung einen thermischen oder elektrischen Speicher. In vielen Regionen kann konzentrierende Solartechnologie mithilfe von Solarturmkraftwerken die Lösung sein, da sie Hochtemperaturwärme bis zu 1.000 Grad Celsius oder sogar darüber liefert, die sich relativ einfach und kostengünstig speichern lässt.
Hier eine Auswahl von Hochtemperaturanwendungen unterschiedlicher Temperaturbereiche, bei denen die Hochtemperatursolarreceiver in einem indirekten oder direkten Solarheizverfahren eingesetzt werden können:
Solarthermische Systeme für flexible und effiziente Wärmeerzeugung
Für solarbetriebene Systeme ist die Speicherung ein wesentliches Element, um eine hohe Auslastung der Anlage zu erreichen und die Menge an teurer Zusatzwärme zu reduzieren, die für den 24/7-Betrieb der Hochtemperaturanwendungen benötigt wird. Konzentrierende Solartechnologien decken einen breiten Temperaturbereich ab und können Wärme bis zu 1.500 Grad Celsius liefern. Sie können eine Vielzahl von Industrieprozessen mit Wärme versorgen. Parabolrinnenkraftwerke sind nicht nur für sonnenreiche Gegenden interessant, sondern werden je nach Wärmebedarf auch in klimatisch gemäßigten Zonen wie Mitteleuropa gewinnbringend eingesetzt. Solarthermische Kraftwerke entfalten ihr gesamtes Potenzial nur in sonnenreichen Regionen.
