Definition des Technologiefeldes

Das Technologiefeld beschreibt die Niedertemperatur- (bis max. 200 °C) Wärme- und Kälteerzeugung mit Hilfe solarthermischer Anlagen, untergliedert in Thermische Kollektoren, Wärme- und Kältespeicher und Systemtechnik. Thermische Kollektoren (TRL 2-9) ermöglichen die direkte Gewinnung von Wärme aus Strahlungsenergie. Die absorbierte Wärme wird an ein Übertragungsmedium abgegeben, das im Solarkreis zirkuliert und eine Wärmesenke bedient. Die am Markt erhältlichen Produkte können je nach Aufbau und Betriebstemperaturen in drei Kategorien (a) unabgedeckte, (b) Flach- und (c) Vakuumröhren-Kollektoren klassifiziert werden: Bei unabgedeckten Kollektoren wird auf eine thermische Isolierung des Absorbers verzichtet. Flachkollektoren schützen den Solarabsorber durch ein Gehäuse mit einer transparenten Abdeckung und rückseitiger Dämmung gegen Umwelteinflüsse und Wärmeverluste. In Vakuumröhren-Kollektoren ist der Strahlungsabsorber in einem evakuierten röhrenförmigen Gehäuse platziert. Für Temperaturen bis über 200 °C werden konzentrierende Kollektorsysteme, vor allem linienfokussierende Systeme (z. B. Fresnel-Reflektoren- oder Parabolrinnen-Kollektoren) verwendet. Bei Wärme- und Kältespeichern (TRL 1-9) wird zwischen Kurzzeit- und Langzeitspeichern unterschieden. Erstere dienen dem Ausgleich von solarem Dargebot und Wärmenachfrage auf (Mehr-)Tagesbasis. Das verbreitetste Speichermedium für Wärme ist derzeit Wasser. Zusätzlich werden Feststoffe wie Kies und Erdreich eingesetzt. Im Gebäudebereich können vorhandene Bauteilmassen als Speicherkapazität erschlossen werden. Latentwärmespeicher nutzen auch Schmelz- und Verdampfungswärme und können so spezielle Temperaturbereiche effizienter und verlustärmer bedienen als Wasserspeicher. Thermochemische Speicher haben das größte Potenzial hinsichtlich der Erhöhung der Speicherdichte und der Minimierung thermischer Verluste, vor allem bei der Langzeitspeicherung. Die zentrale Aufgabe der Systemtechnik (TRL 3-9) ist die Steuerung und Regelung der Anlage (inkl. Funktions- und Ertragskontrolle). Die Art, der Umfang und die Komplexität der Systemtechnik unterscheiden sich stark je nach betrachteten Systemen und Anwendungen. Unter Systemtechnik sind auch alle Aspekte der Integration solarer Wärme in die übergeordneten Versorgungsstrukturen zu verstehen. Bei den Anwendungsbereichen solarer Wärme- und Kälte-Technologien ist zunächst die dezentrale Raumheizung und Trinkwarmwassererwärmung als traditionelles und am Markt etabliertes Einsatzgebiet zu nennen. Hier kommen Flach- und Vakuumröhren- Kollektoren zum Einsatz. Besonders effizient ist eine Integration in Wärmepumpen- basierte Versorgungsysteme, wobei günstigere unabgedeckte thermische oder Strom und Wärme erzeugende photovoltaisch-thermische (PVT) Kollektoren verwendet werden können. Im Zuge einer netzgekoppelten Wärmeerzeugung kann Solarthermie auch in Nah- und Fernwärmenetze integriert werden. Solarthermische Anlagen können Wärme auf einem durchschnittlichen Temperaturniveau zwischen 80 und 120 °C liefern. Ein noch zu erschließendes Marktsegment stellt die solare Wärmeerzeugung zur Unterstützung von industriellen Prozessen dar (Prozesswärme). Neben der typischen Einbindung des flüssigen Wärmeträgermediums in Warm- oder Heißwassernetze spielen hier die Lufterwärmung sowie die Dampferzeugung eine wichtige Rolle. Prädestiniert sind Anwendungen, die von marktüblichen Flach- und Vakuumröhren-Kollektoren bedient werden können. Der Anwendungsbereich Kälteerzeugung adressiert die Nutzung solarer Wärme für den thermischen Antrieb von Kältemaschinen. Der Einsatzbereich umfasst die klassische Gebäudekühlung und -klimatisierung, die Prozesskältebereitstellung sowie die Möglichkeit der Unterstützung von Kältenetzen. Technisch unterscheiden sich die Systeme nach dem physikalischen Prinzip der Kältemaschine (Nutzung physikalisch/chemischer Bindungsenergien mittels Adsorptions- vs. Absorptionsprozessen). Je nach benötigter Antriebstemperatur werden marktübliche Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren verwendet oder (für Temperaturbereiche >100 °C) aufwendigere, konzentrierende Systeme.

Aktueller Stand der Technologie

Solarthermische Kollektoren weisen heute einen fortgeschrittenen technologischen Entwicklungstand auf, vor allem in Hinblick auf die traditionellen Anwendungen dezentraler Raumheizung und Trinkwarmwassererwärmung. In den letzten Jahren hat sich die Forschung auf die weitere Senkung der Kosten fokussiert. Weitere Schwerpunkte waren die Entwicklung von effizienten Lösungen für den Einsatz bei höheren Temperaturen (solare Prozesswärme, etc.), die Steigerung der Betriebssicherheit und neue Konzepte für die Gebäudeintegration.
Bei den Wärme- und Kältespeichern haben die F&E-Aktivitäten zu Wasserspeichern die Realisierung von kostengünstigeren, modular skalierbaren Lösungen in den Fokus genommen, sowie die Erhöhung der Wärmedämmung und der Systemeffizienz. Bei den Latentwärmespeichern haben die Entwicklungen im Bereich Klimatisierung bis zur Marktreife einiger Konzepte geführt. Bei den thermo-chemischen Speichern erfolgten im Wesentlichen grundlegende Arbeiten zur Identifizierung geeigneter Stoffe und zum Verständnis von deren Wärme- und Stofftransportmechanismen. Pilotanlagen mit großen saisonalen Wasserspeichern haben demonstriert, dass solare Deckungsanteile von über 50 % erreichbar sind.

Entwicklungen in der Systemtechnik zielen darauf ab, Verbesserungspotenziale bei der dynamischen Wechselwirkung der Komponenten zu heben. Bei Nachrüstung von solarthermischen Anlagen mindern häufig hohe Rücklauftemperaturen, Konkurrenzsituationen bei der Wärmebereitstellung (mangelnde Abstimmung des Steuerungs- und Regelungskonzepts) und hohe Wärmeverluste im Verteilsystem die Systemeffizienz. Funktions- und Ertragskontrollverfahren für Wärmeversorgungssysteme können durch Rückmeldung Abhilfe verschaffen, sind bisher jedoch weder flächendeckend etabliert noch optimiert. Gleiches gilt für Low-Ex-Systeme, die von der Erzeugung bis zur Nutzung, beispielsweise in sogenannten kalten Wärmenetzen, auf geringstmöglichem Temperaturniveau betrieben werden. Solarthermische Wärme wird für die dezentrale Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung vor allem im Wohngebäudebereich schon lange eingesetzt. Werte im Bereich 10 % bis 30 % für die solare Deckung des Gesamtwärmebedarfes (50 % bis 60 % für nur Brauchwasserbedarf) entsprechen hier dem derzeitigen Stand der Technik. Forschungsaktivitäten der letzten Jahre haben sich auf Konzepte mit solaren Deckungsanteilen von über 50 % in Ein- und Mehrfamilienhäusern konzentriert und erfolgreiche Ergebnisse erzielt. Für die dezentrale Wärmeversorgung bietet vor allem die Wärmepumpe als Nachheizung ein hohes Effizienzpotenzial und großen synergetischen Nutzen.

Im Bereich solarer Prozesswärme sind Potenzialstudien für den gesamten Niedertemperatur- Industriebereich sowie für als besonders geeignet identifizierte Branchen erarbeitet worden. Im Rahmen von Demonstrationsanlagen wurden anschließend die spezifischen Einzelprozesse detailliert analysiert, entsprechende Lösungen für die effiziente Einbindung solarer Wärme erarbeitet und Komponenten neu entwickelt oder angepasst sowie Funktionsweise und Vorteile der solaren Unterstützung erfolgreich nachgewiesen.

Bei der solarthermischen Kälteerzeugung wurden in den letzten Jahren erste Prototypen zu marktreifen Produkten entwickelt, sodass heute eine Vielzahl von Kältemaschinen im kleinen und mittleren Leistungsbereich kommerziell verfügbar ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wirtschaftlichkeit eine sehr große Herausforderung für die kommerzielle Verbreitung bleibt. Erfahrungen mit Konzeption und Betrieb solarthermischer Anlagen zur netzgekoppelten Wärmeerzeugung werden in Deutschland seit über 20 Jahren gesammelt. Neben der Bearbeitung von technischen Fragestellungen, die sich auf die Realisierung von neuen Typologien und auf die Optimierung der solarthermischen Einbindung konzentriert haben, wurden intensiv die rechtlichen, politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen analysiert. Potenzialstudien haben gezeigt, dass die solarthermisch unterstützte, netzgekoppelte Wärmeversorgung eine wirtschaftlich konkurrenzfähige Alternative werden kann (mit Wärmegestehungskosten unter 50 €/MWh).

Quellen