Prozesswärme: Solarenergie für Verfahren mit hohen Temperaturen

In vielen verfahrenstechnischen Prozessen, wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, der Metallindustrie oder der chemischen Industrie, wird Wärme im Bereich zwischen 100° C und 250° C benötigt, die bislang mit diesen Temperaturen nicht aus erneuerbaren Energien erzeugt werden konnte. Das Fraunhofer ISE entwickelt deshalb Solarkollektoren für Austrittstemperaturen über 100° C. Mit der beim DLR entwickelten 168 Quadratmeter großen Parabolrinnenanlage konnte auch in Deutschland Wasserdampf mit einer Temperatur von 180° C bei einem Druck von 10 bar solarthermisch erzeugt werden.

Die SOPRAN-Anlage des DLR in Köln ist ein Teststand für solare Prozesswärme-Anwendungen. Dabei handelt es sich um eine weiterentwickelte kommerziell erhältliche Parabolrinne der amerikanischen Firma IST. Sie dient zur Entwicklung und Qualifizierung von Bauteilen für die solare Prozesswärme-Erzeugung. SOPRAN hat eine thermische Leistung von zirka 85 Kilowatt und kann Prozesswärme mit rund 200 Grad Celsius und 10 bar Druck erzeugen.

Solarisierung von Altbauten zur Wärmedämmung und Kühlung

Das Bauen mit der Sonne gründet auf ein solares Energiekonzept, dass die passive und aktive Nutzung der Sonnenenergie umfasst. Für die aktive Nutzung werden Solarwärme- und Solarstromanlagen eingesetzt. Die "passive" Nutzung schließt die Südorientierung großer Fenster und die Wärmedämmung mit ein. So genannte Vakuum-Isolations-Paneele des Fraunhofer ISE ermöglichen bei der Sanierung von Altbauten völlig neue Ansätze zur Senkung der Wärmeverluste. Ebenfalls am Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit Unternehmen entwickelte mikro-verkapselte Phasenwechselspeicher können in Zwischenwände oder Verputz integriert werden und machen so aus Leichtbauten thermisch "schwere" Gebäude, die eine stabilere und kostengünstigere Raumklimatisierung erlauben.

Solare Speicher auf der Grundlage von Phasenwechselmaterialien

Voraussetzung für die Erhöhung des solaren Anteils an der jährlichen Nutzwärme ist eine starke Verbesserung der Wärmespeicherung. Die Speicherkapazität muss erhöht, die Be- und Entladegeschwindigkeit müssen gesteigert werden. In den FVS-Instituten erarbeitete Konzepte basieren auf der Absorption von Wasserdampf oder der Verwendung von PCM (Phase Change Materials). Ein neuartiges Material für PCM-Speicher wurde vom DLR entwickelt. Dieses Verbundmaterial auf der Basis von 85% Salz und 15% Graphit zeichnet sich durch besonders gute thermische Eigenschaften aus. Sehr effektiv für solare Speicher im Niedertemperaturbereich sind auch die am Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen erforschten flüssigen Speichermaterialien, so genannte PCS (Phase Change Slurries).

Wärmeträgerflüssigkeiten mit integriertem Phasenwechselmaterial

Phasenwechsefluide (Phase Change Slurries, PCS) sind Wärmeträger, die aus einer Flüssigkeit und einem Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) bestehen. Innerhalb des Schmelzbereiches des Phasenwechselmaterials erreicht ein solches PCS im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeträgerflüssigkeiten eine hohe spezifische Wärmekapazität. Das bekannteste Wärmeträgerfluid ist Wasser. Mit einer spezifischen Wärmekapazität von etwa 4,2 Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin (kJ/kg K) lässt sich in ihm Wärme auf einfache Weise speichern. Da sich dieser Wert im Bereich zwischen 0 und 100° C kaum ändert, nimmt die gespeicherte Wärmemenge des Wassers nahezu linear mit der Temperaturerhöhung zu: Je höher die nutzbare Temperaturdifferenz einer Anwendung ist, desto mehr Wärme kann gespeichert werden.

Anders als das sensible Wärmeträgermedium Wasser haben Phase Change Slurries eine sehr stark von der Temperatur abhängige Wärmekapazität. Der Temperaturbereich mit hoher Wärmekapazität wird durch den Schmelzbereich des jeweils eingesetzten PCM bestimmt. Dieses muss daher passend zur Anwendung gewählt werden.

Die während des Schmelzprozesses speicherbare Wärmeenergie liegt für die vom ISE als PCM verwendeten verkapselten Paraffine zwischen 100 und 180 kJ/kg bei einem Schmelzbereich von 3 bis 5 K.

Aufgrund der Eigenschaft der PCS, im Schmelzbereich viel Wärme bei geringer Temperaturerhöhung zu speichern, sind sie besonders für Anwendungen von Vorteil, die mit einer geringen Temperaturspreizung arbeiten. Die Kältetechnik ist ein Beispiel: In den für Industrieanwendungen und Gebäudeklimatisierung wichtigen Temperaturbereichen von 5 °C-10 °C und 15 °C-18 °C untersucht das ISE die viel versprechenden Materialien.

Erdwärme: Geothermisches Demonstrationskraftwerk
in Groß Schönebeck

Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) entwickelt eine Technologie, mit der die Erdwärme an tiefenwasserführenden Standorten genutzt werden kann. Dadurch wird das Potenzial nutzbarer Lagerstätten deutlich erhöht. Die deutsche Forschung nimmt hierbei weltweit eine Spitzenposition ein. Besonders wichtig ist es für die Forscher, so genannte Stimulationsverfahren zu entwickeln, welche die Lagerstättenproduktivität steigern. An Referenzstandorten im Norddeutschen Becken, wie der Forschungsbohrung Groß Schönebeck des GFZ Potsdam, führt diese innovative Technologienentwicklung zu einer Kostensenkung des umweltfreundlichen grundlastfähigen Energieträgers.

In Kooperation mit dem Industriepartner Vattenfall Europe wird in Groß Schönebeck ein geothermisches Demonstrationskraftwerk gebaut, um diese neuen Technologien in der Anwendung zu erproben und zu optimieren. Das Vorhaben hat nach Auffassung des GFZ Pilotcharakter: hier gewonnene Erfahrungen sind weltweit auf Gebiete mit ähnlicher geologischer Struktur übertragbar.

Geothermielabor Groß Schönebeck: Aufbau der Vordruckleitung. Foto: GFZ

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK): Mikrogasturbinen für Biogasanlagen

Unter Mitarbeit des DLR wird derzeit in Italien eine Großanlage gebaut, mit der gleichzeitig Strom, Wärme und Kälte für einen Krankenhauskomplex aus konzentrierter Solarstrahlung bereitgestellt werden soll. Durch die Integration von Mikrogasturbinen, die auch mit Erdgas betrieben werden können, läuft diese Anlage rund um die Uhr. Die Nutzung von Biogas bietet eine sehr aussichtsreiche Lösung für die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom. Neuartige Mikrogasturbinen des Instituts für Solare Energieversorgungstechnik an der Universität Kassel (ISET), die Wärme und Strom aus Biogas erzeugen, sind eine Technologie für den Einsatz in landwirtschaftlichen Betrieben, die sich schon bald rechnen soll. Gefördert vom Land Hessen wollen die Biomasseexperten des ISET in Hanau den erfolgreichen Einsatz von Biogas in Mikrogasturbinen demonstrieren.

Die neue Technik wurde kürzlich auf dem Landwirtschaftszentrum Eichhof des Landesbetriebes Landwirtschaft Hessen bei Bad Hersfeld als Pilotanlage realisiert. Die Turbine ist im Dezember 2004 in Betrieb genommen worden und läuft seit Ende April 2005 im Dauerbetrieb.

"Die innovative Mikrogasturbinentechnologie hat das Potenzial, der kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung aus Biogas einen Schub zu geben", ist der Vorstandsvorsitzende des Solarinstituts ISET, Prof. Dr. Jürgen Schmid, überzeugt.

Foto: ISET

Strom aus Biogasanlagen wird mit bis zu 21,5 Cent je Kilowattstunde vergütet. Diese Vergütung setzt sich zusammen aus einer von der Anlagengröße abhängigen Grundvergütung, einem Bonus für den Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen, einem Kraft-Wärme-Bonus und einem Technologie-Bonus in Höhe von 2 Cent. Die Mikrogasturbine zählt zu den Technologien, die den Bonus erhalten.

Der Solarserver dankt dem ForschungsVerbund Sonnenenergie für Informationsmaterial und Bilder.