Versorgungssicherheit und planbare Energiekosten dank solarer Prozesswärme

Werkstoffe 07. 06. 2022
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Von Felix Pag, Universität Kassel, Institut für Thermische Energietechnik, Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik

Thermische Solaranlagen ermöglichen bei Nutzung von geeigneten Speichern und einer anlagentechnischen Optimierung die Einsparung an Primärenergieträgern und damit auch die Reduzierung der Emission von Kohlenstoffdioxid. Die Technologie zeichnet sich durch extrem geringe Betriebskosten, durch übliche Nutzungsdauern von 20 Jahren und mehr sowie durch sehr geringe Wärmegestehungskosten aus, wobei aktuell Förderprogramme die Situation zusätzlich verbessern. Am Beispiel eines Galvanikbetriebs werden die Kosten und Einsparungsmöglichkeiten dargelegt.

Die Energieversorgung in Deutschland unterliegt seit der Jahrtausendwende einer grundlegenden Transformation mit dem Ziel, die gesamte Energieversorgung zu dekarbonisieren und so die Klimaerwärmung auf 1,5 °C zu limitieren. In den ersten Jahren der Energiewende lag der Fokus deutlich auf der erneuerbaren Stromerzeugung. Spätestens seit der russischen Invasion der Ukraine und dem damit verbundenen Anstieg der Gaspreise rückt die häufig noch auf fossilen Brennstoffen basierende Wärmeversorgung stärker in den Fokus der Diskussionen. Erneuerbare Wärmeerzeuger wie Solarkollektoren und Wärmepumpen sind technisch ausgereift und können bereits heute Wärme bis 100 °C zu konkurrenzfähigen Kosten bereitstellen und dabei gleichzeitig die Emissionen an Kohlenstoffdioxid (CO2) eines Unternehmens deutlich senken. Da ein Ende des massiven Anstiegs der fossilen Rohstoffpreise nicht abzusehen ist, führt auch aus wirtschaftlichen Gründen kein Weg mehr an dem Umstieg auf erneuerbare Technologien vorbei.

1 Warum der Fokus (­zunächst) auf der ­Wärmeversorgung liegen sollte

Im Durchschnitt verursacht die Wärmever­sorgung rund 75 Prozent des Endenergiebedarfs, weshalb die erneuerbare Wärmeversorgung ein schlafender Riese ist. Unternehmen können schon heute durch den kostengünstigen Bezug von 100 Prozent erneuerbarem Strom von der bereits weit vorangeschrittenen Energiewende im Stromsektor profitieren und so ihre CO2-Emissionen deutlich senken. Im Wärmesektor bietet sich diese Möglichkeit meist nicht. Nur wenn ein Fernwärmenetz in der Nähe des Unternehmens vorhanden ist, kann CO2-arme Wärme bezogen werden. In allen anderen Fällen muss ein Unternehmen zur Erreichung von weiteren Emissionsreduzierungen die Umstellung der eigenen Wärmeversorgung selbst ins ­Visier nehmen.

2 Technologien zur ­erneuerbaren Wärmebereistellung

Allein in der deutschen Industrie werden mehr als 520 TWh Wärme im Jahr benötigt, was in etwa dem gesamten Stromverbrauch Deutschlands entspricht. Aktuell wird diese Wärme fast ausschließlich durch fossile Energieträger bereitgestellt. Die regenerative Wärmeerzeugung beschränkt sich zum Großteil auf den begrenzt verfügbaren Brennstoff Biomasse, der ein sehr breites Einsatzfeld ­besitzt, perspektivisch jedoch für anspruchsvollere Anwendungen (Verkehrssektor, Hochtemperaturwärme) genutzt werden sollte. Solarkollektoren und Wärmepumpen können den Wärmebedarf unterhalb von 100 °C emissionsfrei und zu niedrigeren Preisen als die fossilen Energieträger bereitstellen. Beide Technologien können einzeln oder auch in Kombination eingesetzt werden. Die Kunst liegt darin, je nach Anwendungsfall den besten Integrationspunkt und die effizienteste Kombination zu finden.

Durch die Integration einer thermischen Solaranlage (Abb. 1) können je nach Standort, Platzverfügbarkeit und der Charakteristik des Wärmebedarfs bis zu 40 Prozent des Wärmebedarfs ohne Emissionen an Kohlenstoffdioxid gedeckt werden. Die anfänglich hohe Investition wird mit planbaren Wärmegestehungskosten über 20 Jahre und mehr belohnt, da nahezu keine Betriebskosten anfallen. In Zeiten, in denen Gaspreisanstiege von zehn Prozent innerhalb kurzer Zeit als moderat bezeichnet werden, wird dies zukünftig ein entscheidender Wettbewerbsvorteil sein.

Abb. 1: Vereinfachtes Schema einer Solaranlage

 

Da thermische Solaranlagen jedoch ohne saisonalen Speicher nur im Sommer und in der Übergangszeit einen relevanten Anteil des Wärmebedarfs liefern können, braucht es stets einen weiteren Wärmeerzeuger. Durch die Kombination mit Wärmepumpen, die Abwärme oder Umweltwärme nutzen, kann der gesamte Wärmebedarf vollständig ohne fossile Brennstoffe gedeckt werden. Während Wärmepumpen eine geringere Investition als eine Solaranlage erfordern, sind die Betriebskosten der Wärmepumpe vom Strompreis abhängig. Durch potenziell steigende Strompreise ist die Planbarkeit der Betriebskosten geringer, als es bei der Solarthermie der Fall ist.

3 Integration einer ­thermischen Solaranlage

Die einfachste Möglichkeit, eine thermische Solaranlage in die Wärmeversorgungsinfra­struktur zu integrieren, ist die Einbindung in den zentralen Rücklauf des Heizungssystems. Durch die Solarwärme wird dieser so weit wie möglich angehoben. Wenn nicht ausreichend Solarwärme vorhanden ist, sichert der in Reihe geschaltete Kessel die Zieltemperatur. Auch eine parallele Einbindung der Solar­anlage mit Zieltemperaturregelung und Einspeisung in den Vorlauf des firmeneigenen Wärmenetzes ist möglich, führt in der ­Regel jedoch zu leicht geringeren Erträgen. Lediglich die Integration in Dampfnetze ist aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke komplexer und daher in Mitteleuropa meist nicht wirtschaftlich.

Reicht beispielsweise die verfügbare Fläche zur Aufstellung der Kollektoren nicht aus, um einen wesentlichen Teil des gesamten Wärmebedarfs zu versorgen, oder erfolgt die Wärmebereitstellung über ein Dampfnetz, kann auch ein besonders gut geeigneter Prozess einzeln versorgt werden. Abbildung 2 zeigt zwei Möglichkeiten, wie ein Solarwärmeübertrager in die Beheizung eines Bades integriert werden kann. Erfolgt diese bereits mittels eines externen Wärmeübertragers, kann hier der Solarwärmeübertrager wie eingangs erläutert vorgeschaltet werden. Bei einer Beheizung durch interne Wärmeübertrager kann bei ausreichendem Platz auch ein weiterer interner Solarwärmeübertrager eingebunden werden.

Abb. 2: Möglichkeiten zur Integration einer thermischen Solaranlage in die Beheizung eines ­Bades; ein vorgeschalteter Solarwärmeübertrager (orange) hebt den Vorlauf des konventionellen Wärmeübertragers (rot) an (links), wobei ein interner Solarwärmeübertrager parallel zum ­internen konventionellen Wärmeübertrager geschaltet ist (rechts)

 

4 Förderung

Die Nutzung von erneuerbaren Prozessen wird bereits seit mehreren Jahren umfangreich durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) und die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) gefördert. Während das BAFA einen Investitionszuschuss auszahlt, stellt die KfW zinsgünstige Kredite mit einem entsprechenden Tilgungszuschuss zur Verfügung. Im Rahmen von Modul 2 der Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft werden 45 Prozent der Investitionskosten, die neben der reinen Hardware auch Planung, Montage und notwendige Umbauarbeiten beinhalten, bezuschusst. Kleine und mittlere Unternehmen erhalten einen zusätzlichen Bonus von zehn Prozent, womit mehr als die Hälfte der Investitionssumme als Förderung zur Verfügung steht.

5 Kosten und Erträge von ­solaren Prozesswärmeanlagen

Wie bereits erwähnt können thermische Solaranlagen je nach Dimensionierung bis zu 40 Prozent des Wärmebedarfs decken. Die spezifischen Investitionskosten vor der Förderung liegen üblicherweise im Bereich von 300 €/m2 bis 800 €/m2. Hierin enthalten sind bereits die Kosten für die Integration und die Umsetzung der Anlage. Je Quadratmeter Kollektorfläche kann zwischen 350 kWh/m2 und, bei sehr guten Bedingungen, 600 kWh/m2 jährlicher Solarertrag erreicht werden. Über die Nutzungsdauer von mehr als 20 Jahren ergeben sich hierdurch solare Wärmegestehungskosten zwischen 25 €/MWh und 70 €/MWh. Bei den aktuellen Brennstoff­preisen und Kesselwirkungsgraden liegen die solaren Wärmegestehungskosten damit deutlich unter den fossilen Alternativen.

6 Beispiel

Bereits einige Unternehmen aus dem Bereich Oberflächenbearbeitung nutzen solare Prozesswärme. Eines der ersten Unternehmen, das auf die Wärme von Solarkollektoren setzte, ist die Heinz Daurer & Söhne GmbH & Co. KG. Die Dachfläche ist nahezu vollständig mit Solarkollektoren besetzt (Abb. 3), die einen in die Halle integrierten 15 m3-Pufferspeicher beheizen, über den wiederum das betriebliche Warmwassernetz versorgt wird. Damit können die angeschlossenen Verbraucher mit Temperaturanforderungen zwischen 50 °C und 90 °C (Galvanikbehälter, Trocknung, raumlufttechnische Anlagen, Warmwasserbereitstellung und Gebäudeheizung) von der Solarwärme versorgt werden. Mit mehr als 100 MWh/a Solarertrag werden rund 20 Prozent des Heizöleinsatzes eingespart. An sonnigen Sommertagen bleibt der Ölkessel ausgeschaltet, da die Prozesse vollständig mit Solarwärme versorgt werden.

Abb. 3: Solaranlage mit 300 m2 CPC-Kollektoren bei Heinz Daurer & Söhne GmbH & Co. KG (Bild: Universität Kassel)

 

7 Fazit

Der Umstieg von einer fossilen hin zur ­einer erneuerbaren Wärmeversorgung ist mittelfristig unausweichlich. Für Hochtemperaturprozesse stehen derzeit nur Biomasse, Stromdirektheizung, Wasserstoff oder andere synthetische Brennstoffe zur Verfügung. Für den Temperaturbereich bis 100 °C sollten jedoch vorrangig Solarkollektoren und Wärmepumpen in Betracht gezogen werden. Die derzeitige Lage an den Energiemärkten zeigt auf, dass der Umstieg nicht nur aus ökologischen, sondern auch aus ökonomischen Gründen sinnvoll ist und einen Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit leisten kann.

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