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Standorte für solare Prozesswärme müssen über günstige Einstrahlbedingungen und genügend Fläche zur Kollektoraufstellung verfügen.
© Ritter XL Solar GmbH
Abläufe in Industrie und Gewerbe solar unterstützen
Themeninfo II/2017

Wärmebedarf in der Industrie nach Temperaturniveau
© Universität Kassel
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Solare Prozesswärme

Rund drei Viertel des Endenergieverbrauchs der Industrie in Deutschland fällt für Prozess- und Raumwärme an. Vor allem im Niedertemperaturbereich bieten sich hier sowie im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistung vielfältige Einsatzgebiete für solare Wärme an. Internationale Studien belegen das weltweite Potenzial dieser Technologie.

Die meisten Nutzer kennen Solarthermieanlagen vor allem als Wärmelieferanten für Heizung und Warmwasser in Wohngebäuden. Und dies zu recht: Rund 90% der Anlagen werden in Ein- und Zweifamilienhäusern installiert (Stand: 2015). Daneben gibt es weitere Bereiche, in denen es sinnvoll sein kann auf Solarthermie zu setzen. Dazu zählt etwa die Einbindung von Solarthermie in Nah- und Fernwärmenetze, die solare Klimatisierung sowie solare Prozesswärme für Industrie und Gewerbe. Für Unternehmen, die langfristig Energiekosten sparen und die eigene CO2-Bilanz verbessern möchten, kann es interessant sein, Solarthermie in ihre Prozesse zu integrieren. Inwiefern mit einer Solaranlage Kosten eingespart werden können, hängt von vielen Faktoren ab: vom Umfang der Maßnahmen, von den gewählten Techniken und nicht zuletzt von der künftigen Entwicklung der Energiepreise. Sicher ist aber, dass eine Solaranlage einen Beitrag zur Reduktion des CO2-Ausstoßes leistet.

Da Wärme nicht verlustarm über weite Strecken transportiert werden kann, sind für die Nutzung solarer Prozesswärme nur Standorte geeignet, bei denen sowohl günstige Einstrahlbedingungen als auch genügend Fläche vorhanden ist, um Kollektoren aufzustellen. In Zeiten geringer solarer Einstrahlung müssen konventionelle Anlagen den Bedarf komplett decken können. Vor allem Unternehmen mit reinem Tagesbetrieb und mit Prozessen, für die eine vergleichsweise geringe Temperatur erforderlich ist, sind für eine Einbindung von Solaranlagen interessant. Geeignete Einsatzgebiete bietet hier zum Beispiel die Lebensmittelindustrie.

In Abgrenzung zu Raumwärme und Warmwasserbereitung bezeichnet solare Prozesswärme solar bereitgestellte Wärme, die in Betrieben zur Herstellung, Weiterverarbeitung oder Veredelung von Produkten verwendet oder zur Erbringung einer Dienstleistung mit Prozesswärmebedarf genutzt wird. Die Nutzung erneuerbarer Energien zur Bereitstellung von Wärme und Kälte wird im Rahmen des Marktanreizprogramms zur Förderung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt (MAP) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert. Hier gibt es auch Fördermöglichkeiten für Prozesswärme, die in solarthermischen Anlagen erzeugt wird.

Im Vergleich zu Anwendungen in Haushalten variieren die Anlagenkonzepte in Industrie und Gewerbe wesentlich stärker. Planer müssen die Solaranlagen individuell an die Erfordernisse des jeweiligen Unternehmens anpassen. Diese Publikation stellt technische Besonderheiten, typische Einsatzgebiete sowie Leitfäden und Fördermöglichkeiten für den Einsatz von solarer Prozesswärme vor.

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Potenzial für Solarthermie

Um die CO2-Emissionen in Industrie und Gewerbe langfristig zu reduzieren, muss hier der Wärmebedarf sinken und der Einsatz erneuerbarer Energien zunehmen. Dazu sollten Unternehmen zunächst prüfen, ob Maßnahmen zur Effizienzsteigerung oder Wärmerückgewinnung sinnvoll sind. So fällt in Produktionshallen und Werkstätten häufig Abwärme an, die für Prozesse wie Heizen oder Trocknen wieder verwendet werden kann. In vielen Fällen können industrielle Abläufe mit erneuerbaren Energien unterstützt werden. Die solare Prozesswärme bietet hier vielfältige Möglichkeiten, um den Bedarf an fossilen Energieträgern zu reduzieren. Solare Prozesswärme lässt sich besonders wirtschaftlich umsetzen, wenn Temperaturen unter 100 °C bereitgestellt werden sollen, hierfür keine Abwärme genutzt werden kann und ein konstanter Wärmebedarf zumindest in den strahlungsreichen Monaten April bis September gegeben ist.

Das theoretische Potenzial für den Einsatz der Solarthermie lässt sich am Wärmebedarf der einzelnen Sektoren ablesen. Spitzenreiter ist die Industrie, sie benötigt 73% der Endenergie für Wärme. Mit 55% folgen Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD). Allerdings reicht der alleinige Blick auf den Prozess- und Raumwärmebedarf nicht aus, um mögliche Anwendungen für solare Prozesswärme zu identifizieren. Ein wesentliches Auswahlkriterium ist das benötigte Temperaturniveau. Für den technologisch realisierbaren Temperaturbereich von maximal 300 °C kann solare Prozesswärme nach Berechnungen der Universität Kassel rund 3,5% des industriellen Wärmebedarfs decken. Dies entspricht etwa 16 TWh/a. Bei einem durchschnittlichen Systemertrag von 400 kWh/(m2a) sind dies rund 40 Millionen m² Kollektorfläche, also etwa 5.600 Fußballfelder. Aufgrund der geringen Direktstrahlung in Deutschland konzentriert man sich hierzulande jedoch auf den Temperaturbereich unter 150 °C.

Im GHD-Sektor gibt es fast keine Prozesse, für die Hochtemperatur benötigt wird. Das heißt, ein wesentlich größerer Anteil des Wärmebedarfs könnte theoretisch mit Solarwärme gedeckt werden. Mit einer Kollektorfläche von rund 100 Millionen m2 (zum Vergleich: aktuell ist in Deutschland eine Kollektorfläche von etwa 20 Millionen m2 installiert) könnte die Solarthermie nach Schätzungen der Universität Kassel 40 TWh/a Wärme in diesem Sektor zur Verfügung stellen. Im Unterschied zur Industrie ist der Wärmebedarf hier allerdings wesentlich stärker saisonal geprägt, da der Anteil des Raumwärmebedarfs größer ist. Im Sommer reduziert sich der Wärmebedarf.

Prozesse unter 100 °C sind besonders gut geeignet, um Solarwärme einzubinden. Für viele Abläufe in Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistung wird dieses Temperaturniveau benötigt. Beispiele sind das Aufwärmen von Kesselspeise- oder Kesselzusatzwasser, mit dem industrielle Prozesse beheizt werden, sowie Waschen, Reinigen oder Trocknen. Ein signifikanter Teil des Niedertemperaturwärmebedarfs ist auf raumlufttechnische Anlagen zurückzuführen. Diese werden in vielen Branchen eingesetzt, um mit vorgegebener Luftfeuchte und Temperatur definierte Produktionsbedingungen zu schaffen. Je nach Branche und hergestelltem, verarbeitetem oder veredeltem Produkt können die Temperaturen eines Prozesses stark variieren.

Merkzettel

BINE-Themeninfo II/2017
(PDF, 24 Seiten, 1,4 MB)

Autoren

Dr. Bastian Schmitt und M.Sc. Dominik Ritter
Universität Kassel, Institut für Thermische Energietechnik

Dr. Federico Giovannetti
Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH)

Links

www.solare-prozesswärme.info
Website mit grundlegenden Informationen zu solarer Prozesswärme

Fraunhofer ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

www.aee-intec.at
AEE-Institut für Nachhaltige Technologien

Institut für Solarforschung
vom Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR e.V.

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