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ZAE BAYERN
Das Technologienentwicklungspotenzial für die Nutzung der Solarwärme
Gerhard Stryi-HippFraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE
European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling
Gunter RockendorfInstitut für Solarenergieforschung Hameln
Manfred ReußBayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung - ZAE Bayern
FVEE-JahrestagungBerlin, 12. Oktober 2010
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Inhalt
Stand der Niedertemperatur-Solarthermie
Vision der Technologieplattformen für die NT-Solarthermie
Forschungsbeispiele von Fraunhofer ISE, ISFH und ZAE Bayern
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Ziel 2050: 100% erneuerbare Wärme/Kälteversorgung
TechnologienEffizienzhohes Potenzial, Restbedarf bleibtBiomassespeicherbar, begrenzte Resourcen
Tiefen-Geothermiebegrenzte ResourcenNiedertemperatur-Solarthermiegroßes Potenzial, Lösungen fehlenWärmepumpen: viele Vorteile, wenn Antriebsenergie (Strom, Gas) aus EE
Solarthermie hat höchstes Potenzial und wird eine große Rolle in der Wärme-und Kälteerzeugung spielen
Source: BMU, Daten EE, Juni 2007
Source: Wagner & CoSource: Stiebel Eltron
Verteilung Energieverbrauch Deutschland 2007
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Erneuerbare Energien weltweit 2009
Source: IEA-SHC Solar Heat Worldwide, Edition 2010,www.iea-shc.org
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Weltmarkt Solarthermie 2008: 39.5 Mio m2 neu installiert
Source: Werner B. Koldehoff
China: Marktführer(einfache, billige Systeme)Europa: Technologieführer
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Marktdaten 2009Neu installiert: 1.100 MW = 1,58 Mio m²Gesamt installiert: 9.000 MW = 12,9 Mio m²Umsatz: ca. 1,2 Mrd EuroArbeitsplätze: ca. 15.000Anteil Vakuumröhren: ca. 12%Marktrückgang gegenüber Vorjahr: 25%
Quelle: BSW-Solar/BDH, BMU
Entwicklung deutscher Solarwärmemarkt
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Solarthermie-Technologieplattformen in Deutschland und Europa
Innovatives Konzept zur Beschleunigung der Technologieentwicklung
PolitikForschung
Industrie
Solarthermie Vision 2030Welche Rolle spielt die Solarthermie im Jahr 2030, welche Technologien stehen zur Verfügung?
ForschungsstrategieWelche Forschungsschritte und Ressourcen sind erforderlich, um die Vision in die Realität umzusetzen
Umsetzung Forschungsprogramme mit gestalten, Kooperationen zwischen Industrie, Forschung und Politik unterstützen
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European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling hat Potenziale und Forschungsthemen identifiziert
Aktivitäten: Vision 2030, Forschungsstrategie, Implementation
Akteure: Industrie, Forschung and Politik
Solar Thermal Research Agenda wurde publiziert im Dez. 2008www.rhc-platform.org
Structure of RHC-Platform
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Deutsche Solarthermie-Technologie-Plattform DSTTP
Gegründet 2007
www.dsttp.de informiert überSolarthermie-Technologie
Forschungseinrichtungen
Förderprogramme
DSTTP
Deutsche Forschungsstrategie Solarthermieist in Endabstimmung2009 und 2010 fand jeweils eine Solarthermie-Technologiekonferenz in Berlin statt
=> Videos und Präsentationen: www.dsttp.de
Gefördert von PTJ und Bundesumweltministerium
www.dsttp.de
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Neubau: Solaraktivhaus100% solar beheizte Gebäude werden zum Baustandard
Bestand: Solaraktive SanierungSanierung mit multifunktionalen Solarelementen, > 50% solarer Anteil in der Beheizung, kostengünstigste Sanierungsweise
Industrielle Anwendungen / Solare Kühlung Prozesswärme, solare Kühlung etc.
Solare Nahwärme/-kältezu großen Anteilen solar unterstützt
Gesamtziel: 50% des Wärmebedarfs bis 250°C wird mit Solarwärme gedeckt
Vision Solarthermie 2030der Solarthermie-Technologieplattform
Bild: Solifer
Bild: Schüco
Bild: Solvis
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Langfristziel: 50% des Wärmebedarfs mit Solarwärme
Anstieg installierte Solarwärme-Leistung von 13 auf 2400 GWth= Faktor 185 in installierter Leistung und Wärmeproduktion
Wärmebedarf EU25
Effizienz:-40%
Herausforderungen:⇒ Kostenreduktion⇒ Kapazitätsaufbau⇒ Innovationen
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Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials
1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen
2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100%
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Von der Trinkwassererwärmung zum Solaraktivhaus
Anteil Solarthermie an der Wärmeversorgung eines Gebäudes
Solare Trink-wassererwärmung
10%-20%
Solare Kombianlagen20%-30%
„Solarhaus 50+“Überwiegend solar beheizte Gebäude50% - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 100%
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Konzept Sonnenhaus
Solarwärme-kollektoren30m² - 60m²
Saisonaler Wärme-speicher(Wasser)6 – 10 m³
Solaranteilam gesamten Wärmebedarf für Brauchwasser und Raumheizung:60% - 70%
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Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials
1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen
2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100%
3) Erschließung neuer Marktsegmente z.B. Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser,
Altenheime, Hotels,…
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Große Solarthermische Anlagen
Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser, Wohnheime, Hotels etc. haben einen hohen Wärmebedarf und sind für Solarwärmeanlagen geeignet.
Herausforderungen: Systemtechnik, effizienter Betrieb, Monitoring
Image: Solvis
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Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials
1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen
2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100%
3) Erschließung neuer Marktsegmente z.B. Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser,
Altenheime, Hotels,…
4) Entwicklung neuer Solarwärme-Anwendungenz.B. Solare Kühlung und Prozesswärme
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Beispiel: Solarthermische Kühlung
Bundespresseamt Berlin
Adsorption cooling machine
• Kühlbedarf und Solarangebot stimmen gut überein
• Mehr als 400 Pilotanlagen in Europa installiert
• Aufgaben: Reduzierung Anlagen-größe und Kosten, Erhöhung Effizienz
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IHK Freiburg
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Solare Nahwärme/-kälte mit saisonaler Speicherung wird wichtig werden
Reihenhaussiedlung mit Solarthermiedächern und solarer Nahwärme in Neckarsulm
Solare Nahwärmeanlage in Marstal, Denmark17,000 m² Kollektorfläche © Arcon 12,000 m³ saisonaler Speicher, Friedrichshafen ©S
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Aktuelle Schwerpunkt-Forschungsthemen Solarthermie
KollektortechnologieNeue Materialien, niedrigere Kosten
Integration in die Gebäudehülle
Prozesswärme-, Photovoltaisch-Thermische (PVT) und Luftkollektoren
SpeichertechnologieSaisonale Speicher (groß und sehr groß)
Hohe Wärmedichte (Latent- und chemische Speicher)
Solar-Aktivhaus, hauptsächlich solar beheiztSystemtechnik, Kostenreduktion
ProzesswärmeSolare Kühlung
Industrielle Prozesse
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Beispiele Forschungsprojekte
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• Entwicklung eines Aluminium basierten Absorbers auf Basis des FracTherm®-Algorithmus, gefertigt mit Rollbond Verfahren
• Korrosionsbeständigkeit des Systems • Fluiddynamische Untersuchungen (CFD Simulationen und Visualisierungen)• Oberflächenbearbeitung
Absorber: Aluminium, Rollbond, 1,06 m x 1,82 m
CFD Simulation von Verzweigungen nach FracTherm®-Algorithmus
KollektorentwicklungBeispiel Aluminium-Rollbondabsorber mit Fractherm-Struktur
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Multifunktionale FassadenkollektorenBeispiel: Teiltransparenter Fassadenkollektor
≈ 4 mm
≈ 3 mm
≈ 1.5 mm
60°
Öffnungen im AbsorberblechEinbau zwischen GlasscheibenWinkelselektiver SonnenschutzDurchsicht schräg nach unten
Konstruktion (Geometrie der Öffnungen)Simulation (IAM-Bestimmung durch Raytracing)Messung (Kollektorwirkungsgradfaktor F‘, Wirkungsgradkennlinie, Stagnationsverhalten)
Visueller Eindruck (Montage)
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Kollektoren: Projekt Stahlabsorber
• Substitution von Kupfer oder Aluminium durch günstige Stähle
• Korrosionsbeständigkeit
• Oberflächenveredelung (Walzplattieren, Sputtern, Galvanik)
• Produktionstechnologien (Umformtechnologie, Verbindungstechniken)
Produktions-Fluss beim WalzplattierenMöglicher Aufbau des Absorbers
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Prozesswärmekollektor: Projekt RefleC
• Entwicklung eines hocheffizienten Flachkollektors mit reduzierten Wärmeverlusten durch den Einsatz externer Spiegel
• Optimierung eines „Standard-Flachkollektors“
• Auslegung der optisch aktiven Bauteile (ray traycing)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
longitudinaler oder transversaler Einfallswinkel [°]
IAM
dir [
-]
RefleC_3 GF trans RefleC_3 GF long
RefleC_2 GG trans RefleC_2 GG long
RefleC_1 G trans RefleC_1 G long
Flachkoll. 2 AR trans Flachkoll. 2 AR long
Visualisierung des Reflec-Konzepts Einfallswinkelabhängigkeit verschiedener Kollektorgeometrien
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Freilassing 16.06.2010
Kollektor für solare Prozesswärme
Prozesswärme1/3 des industriellen Prozesswärmebedarfs T < 200°CZiel: h = 50 % bei 150 °C
Evakuierter CPC Flachkollektor • Strahlungskonzentration • Verlustminimierung durch
Evakuieren und Kryptonfüllung (0,01 bar)
Zukunft: • Entwicklung zur Produktionsreife• superisolierter Wärmespeicher
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Absorber
Luft / Argon
AR
ε niedrig, τ hoch
• Optimierung Kollektorkonstruktion
• Low-e- Schichtentwicklung mit hohem τ
Gebrauchstauglichkeit sicherstellen
Flachkollektoren für höhere Temperaturen durchden Transfer von Architekturverglasung in die Kollektorapertur
Hocheffiziente Flachkollektoren aufBasis von Wärmeschutzverglasungen
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• Neue Low-e Beschichtungauf TCO Basis: τSolar 85%
• Gebrauchstauglichkeit erzielt14 Monate Stagnation ohne Degradation
• Wärmeverluste deutlich reduziertbei hohem optischen Wirkungsgrad
Technologieschritte
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Luftkollektoren: Projekt Luko-E
Dani Alu (F): verglaster Luko
Solarwall (CAN): Metallfassade
Kollektorfabrik: Vakuumröhren
Puren: dachintegrierter Luko
SolvarVenti (DK)
Grammer Solar: Kleine und große Module Cona Solar (A): Trocknung
• Weiterentwicklung eines Teststandes für Luftkollektoren• Optimierung Kollektoren und Systeme• Entwicklung einer Norm für Luftkollektoren
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Photovoltaisch-Thermische Hybridkollektoren (PVT)
• Weiterentwicklung eines photovoltaisch-thermischen Kollektors
• Fertigungstechnologien (Lamination eines PV-T-Absorbers als „eigene“ Komponente)
• Entwicklung von Systemkonzepten zur optimalen Nutzung von Strom und Wärme
• Testverfahren und Charakterisierung
(a) Wirkungsgrad-kennlinie eineskommerziellenPV-T Kollektorsim mpp-Betrieb(b), rein thermischer, selektiverFlachkollektor(c), neu ent-wickelter PV-T Kollektor immpp-Betrieb
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
(Tm - Tamb) / G [Km²/W]
Ther
mal
eff
icie
ncy
[-]
(a)
(b)
(c)
PV-T Kollektor (Studie)PV-T Kollektor (Studie)
PVT Module mit optimierten Schichtaufbau
Seiten und RückwandIsolierung
Glasscheibeund Gehäuse
Metallrohre
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PVT- Kollektorenin Wärmepumpensystemen
Synergieeffekte
• Höhere Wärmepumpen-Quellentemperatur
• Kühlung der PV-Zellen
• Pilotanlage Dreieich:4% höherer PV-Ertrag10% geringer WP-BedarfErdsonde
Wärmepumpe
PVT-Kollektor
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32
PVT- Kollektorenin Wärmepumpensystemen
Glasscheibe
Wärme
PV ZellenRohrsystemEl. Energie
Time in month/year
Apr.0
9
Jul.0
9
Oct
.09
Jan.
10
Apr.1
0
Inle
t tem
pertu
re o
f hea
t pum
p in
°C
-5
0
5
10
15
20
25
With PVT collectorWithout PVT collector
PVT- Kollektorkonzept
Anstieg der WP-Eintrittstemperatur
Apr 09 Apr 10
Eingangstemperatur
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Projekt KES
Entwicklung erdvergrabenerWärmespeicher von 3 bis 30 m³
•solarer Deckungsanteil > 50%•für energetisch sanierte 1-3 Familienhäuser
•Entwicklungsaufgaben•Behälter•Dämmstoffe•interne Wärmeübertrager•Systemtechnik
Neuartiges Konzept fürkosteneffiziente erdvergrabene Heißwasserspeicher
Installation des 1. KES-Speichersam ISFH (Sommer 2009)
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Konstruktionsprinzip
Regenwasserzisterne aus einerangepassten Betonmischung
neue HochtemperaturbeständigeEPS-Dämmung
Vorteile:
• ein großer Speicher stattvieler kleiner
• geringe Verluste
• geringer Verschaltungsaufwand
• kein zusätzlicher Platzbedarf
• kostengünstig
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Freilassing 16.06.2010
Solare Nahwärmeversorgung
Neubausiedlung am Ackermannbogen in MünchenWärmebedarf (Heizung & WW) 2.300 MWh/aKollektorfläche (Apertur): 2.761 m²Saisonaler Heißwasserspeicher 6.000 m³Absorptionswärme (Fernwärmeantrieb) 550 kWInnovative Haustechnik mit Direktanschluss der Heizung an das Nahwärmenetz und Frischwasserstation in jeder WohnungNetzvorlauf- / -rücklauftemperatur 60 °C / 30 °CSolarer Deckungsanteil (2008/2009) 45 %
Zukunft: Solare Nahwärme im GebäudebestandEntwicklung von angepasster Systemtechnik, Wärmeübergabestationen, niedrige RücklauftemperaturWeiterentwicklung von Langzeitspeicherkonzepten
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Solar-Ertragsüberwachung: permanent und automatisch
• erhöht Vertrauen in die Technik• senkt das Betreiberrisiko• steigert die Jahreserträge
• seit 2007 Serien- Kontrollgerät verfügbar
• seit 2008 Web- basiertes Verfahren
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Ertragsüberwachung
0
1
2
3
4
0 1 2 3 4 5 6 7Tägliche Bestrahlung HDay [kWh/(m²·d)]
Tägl
iche
r Ert
rag
QK
K [k
Wh/
(m²·d
)]
Messwert
Erwartungswert
Störmeldung
Ertragskontrolle – permanent und automatisch
• Methode: Vergleich von berechnetem Soll- mit gemessenem Ist-Wert
• erhöht Vertrauen• senkt das Betreiberrisiko• steigert die Jahreserträge• kostengünstig• mit guter Genauigkeit:
7% Standardabweichung• Basis: Planungs- und
Produktdaten
• erprobt an > 30 Anlagen
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Wärmespeicher – Grundlagenforschung erforderlich
Ziel: Verachtfachung der Wärmeenergiedichte im Speicher
Sensible Wärme: ≈ 70 kWh/m³(delta T = 70 K)
Latentwärme (PCM): 150 -300 kWh/m³Thermo-Chemisch: ≈ 650 kWh/m³
Forschungsaufgaben- Optimierung Wärmefluss- Bewertung chemische Speicher- Klassifizierung Speichersysteme- Implementierung Simulationswerkzeuge- …
Source: Harald Drück/Werner Weiss Bild: BASF SE
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Solare Kühlung
Mehr als 100 Anlagen zur solaren Kühlung mit einer Kühlleistung > 20 kW sind in Europa installiert≈ 70% Absorption
≈ 10% Adsorption
≈ 20% offene sorptive Prozesse
Jedes System ist individuell designed
Forschungsthemen•Standardisierung und Systemdesign
•Kostenreduktion
•Reduktion der Größe
•Ertragssteigerung Am Markt verfügbare solare KühlmaschinenQuelle: Henning, Nuñez, Fraunhofer ISE
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Solare Meerwasserentsalzung mit Membrandestillation: EU-Projekt Mediras
• Entwicklung und Optimierung der Membrandestilaltionsmodule• Entwicklung und Umsetzung einer (solar-)thermisch getriebenen
Wasseraufbereitungsanlage• Einbindung von direkt mit Sole beschickte solarthermischen Kollektoren
Optimierung der Modulkonfiguration, (z.B. Salinität, Membranfläche und Permeat)
Parallel verschaltete MD-Modulezur Meerwasserentsalzung
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Zusammenfassung
Quelle: Arcon
Quelle: Schüco
50% des Endenergiebedarfs fällt im Bereich Wärme an, hierfür bedarf es neuer Lösungen
Niedertemperatur-Solarthermie wird in der Wärmeversorgung eine wichtige Rolle spielen
Die Solarthermie-Technologieplattformenhaben die Vision, langfristig 50% des Wärmebedarfs mit Solarwärme zu decken
Das Technologie-Entwicklungspotenzial NT-Solarthermie wurde neu beschrieben und ist größer als allgemein vermutet
Wichtige Elemente: Solaraktivhaus, solare Sanierung, solare Prozesswärme/Kühlung, solare Nah-/Fernwärme
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ZAE BAYERN
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Gerhard Stryi-Hipp, [email protected]
Gunter Rockendorf, [email protected]
Manfred Reuß, [email protected]