Die kürzlich offiziell in Betrieb genommene Solarthermie-Anlage Leipzig West ist ein beispielhaftes Projekt der kommunalen Wärmewende in Deutschland. Mit einer Bruttokollektorfläche von über 65.000 Quadratmetern sorgen 13.200 CPC-Vakuumröhrenkollektoren für eine thermische Leistung von rund 41 MW. Das 14 Hektar große Solarfeld soll jährlich etwa 26 GWh erneuerbare Wärme erzeugen. Damit kann die Anlage im Sommer bis zu 20 Prozent des Leipziger Fernwärmebedarfs decken. Mit diesen Dimensionen ist sie die größte solarthermische Anlage Deutschlands und weltweit die viertgrößte Anlage, die ein Fernwärmnetz versorgt.

Ritter XL Solar aus Dettenhausen hat das Kollektorfeld als Generalunternehmer für den Anlagenbetreiber Leipziger Stadtwerke geplant und errichtet. Das Investitionsvolumen liegt bei rund 40 Millionen Euro. Der Fördermittelanteil beträgt etwa 16 Millionen Euro.

Gleichmäßige hydraulische Bedingungen im gesamten Kollektorfeld

Eine der größten Herausforderungen bestand in der Herstellung und Aufrechterhaltung gleichmäßiger hydraulischer Bedingungen im gesamten Kollektorfeld. Auf der großen Fläche entstehen lange Rohrleitungswege, Druckverluste und unterschiedliche Strömungswiderstände. Ohne besondere Maßnahmen würden einzelne der 13 Sub-Kollektorfelder unterschiedlich stark durchströmt und der Wirkungsgrad der Anlage damit reduziert.

„Wir haben eine asymmetrische ober- und unterirdische Verrohrung entwickelt, um eine annähernde Gleichdurchströmung der Kollektoren zu gewährleisten. Ergänzend sorgen hydraulisch abgeglichene Teilfelder und eine nach der Sonneneinstrahlung geregelte Pumpenansteuerung für optimale Volumenströme und für die Einhaltung der Zieltemperatur“, sagt Projektleiter Guido Wimmer von Ritter XL Solar. Erst diese präzise Abstimmung der Durchströmung und automatischen Steuerung der Solarthermie-Großanlage nach der Sonneneinstrahlung ermöglicht nach Auskunft von Wimmer eine maximal hohe Energieausbeute über die gesamte Anlagenfläche.

Eine zusätzliche Besonderheit ergibt sich aus den Betriebsbedingungen des Leipziger Fernwärmenetzes. Anders als in vielen Netzen schwanken sowohl Vor- und Rücklaufdrücke als auch der Differenzdruck. Um dennoch eine stabile Wärmeeinspeisung sicherzustellen, entwickelte Ritter XL Solar ein intelligentes Zusammenspiel zwischen einer Ventilgegensteuerung der Netzpumpen und einem nachgeschalteten Kurzzeitpuffer, einer sogenannten hydraulischen Weiche mit einem Volumen von 100 Kubikmetern. Auch unter wechselnden Druckverhältnissen wird so ein optimaler Anlagenbetrieb erzielt.

Herausforderung Temperaturmanagement

Solarthermische Großanlagen müssen sich an die Anforderungen des Wärmenetzes anpassen. Während im Sommer Vorlauftemperaturen von etwa 70 bis 98 °C ausreichen, werden im Winter häufig Temperaturen von über 100 °C im Fernwärmenetz benötigt. Die maximale Einspeisetemperatur liegt in Leipzig bei 108 °C. Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der Natur der Solarenergie selbst. Wolkendurchzüge, Wetterwechsel oder jahreszeitlich unterschiedliche Einstrahlungsbedingungen können die Wärmeleistung erheblich verändern, die Zieltemperatur bleibt jedoch konstant.

Um diese zu erreichen, erfassen Sensoren permanent die aktuelle Einstrahlung auf das gesamte Kollektorfeld. Die Betriebsführung der Solarthermie-Anlage kombiniert Wetterprognosen, Werte der Strahlungssensoren und Lastprognosen des Fernwärmenetzes. Auf dieser Grundlage berechnet die Regelung kontinuierlich die zu erwartende Wärmeproduktion und passt Volumenströme sowie Einspeiseleistung vorausschauend an. Zusätzlich kann der Netzbetreiber die gewünschte Einspeisetemperatur flexibel vorgeben. Die Solarthermie-Anlage passt ihren Betrieb automatisch an die jeweiligen Anforderungen des Fernwärmenetzes an und erhöht dadurch sowohl die Energieausbeute als auch die Betriebseffizienz.

Sicherer Überlastungsschutz

Wenn die riesige Wärmemenge einer Solarthermie-Anlage einmal nicht abgeführt werden kann, spricht man von Stagnation. In einem solchen Fall kann es zu einer starken thermischen Belastung der Solarkollektoren. In Leipzig-West sorgt die Anlagensteuerung für ein kontrolliertes Stagnationsverhalten. Ergänzend verhindern automatische Feldabschaltungen, ein Volumenstrommanagement und die netzseitige Lastoptimierung eine unzulässige thermische Belastung der Vakuumröhrenkollektoren. Bei längerem Strom- oder Wärmenetzausfall oder bei einer zeitweise unzureichenden Wärmeabnahme durch das Fernwärmesystem schaltet sich die Solarthermie-Anlage automatisch ab. In diesem Fall entleert sich das Kollektorfeld und das Anlagenwasser fließt in vier drucklose Stagnationsbehälter aus Edelstahl, die das gesamte Volumen des Feldes aufnehmen können. Nach Ende dieses Betriebszustandes befüllt sich die Solarthermie-Anlage durch Unterdruck vollautomatisch wieder.

Reines Wasser als Wärmeträger

Ritter XL Solar betreibt die verwendeten Kollektoren mit reinem Wasser als Wärmeträger, anders als viele Solarthermie-Anlagen, die eine Solarflüssigkeit mit Frostschutzmittel enthalten. Das reduziert den Wartungsaufwand und die Umweltbelastungen im Fall von Leckagen oder bei Wartungsarbeiten erheblich. Anstelle chemischer Frostschutzmittel nutzt die Solarthermie-Großanlage eine andere Betriebsstrategie, um die Kollektoren vor Frost zu schützen. Sinken die Außentemperaturen unter den Gefrierpunkt bei längerem Ausbleiben von Sonneneinstrahlung, wird Niedertemperaturwärme aus dem Fernwärmenetz durch die Kollektoren geleitet. Dadurch bleibt die Temperatur innerhalb der Rohrleitungen stets oberhalb des Gefrierpunktes. Nach Angaben von Guido Wimmer ist der hierfür erforderliche Energieeinsatz im Verhältnis zum Wärmeertrag äußerst gering. „Gerade einmal 1 bis 1,5 % des Jahreswärmeertrags werden für den aktiven Frostschutz benötigt. Durch die effiziente Nutzung der Sonneneinstrahlung im Winterhalbjahr und durch die sehr gute Dämmung über die Vakuumröhren schützt sich die Anlage weitestgehend selbst“, sagt Wimmer.

Minimierte Wärmeverluste

Eine Großanlage bedeutet auch größere Entfernungen zwischen Kollektorfeld und Einspeisepunkt. Über mehrere hundert Meter Rohrleitung können Wärmeverluste entstehen, die sowohl die Effizienz als auch die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen. Deshalb kommen in Leipzig West hochgedämmte Fernwärmerohre, optimierte Rohrdimensionierungen und temperaturgeführte Pumpensysteme zum Einsatz. Gleichzeitig hält man Umlaufmengen so gering wie möglich. Das reduziert nicht nur die Wärmeverluste, sondern senkt auch den Strombedarf der Pumpen und verbessert den Gesamtwirkungsgrad der Anlage.

Stabile Konstruktion

Auf einer Fläche von rund 14 Hektar wirken erhebliche Wind- und Schneelasten auf die Kollektorfelder. Hinzu kommen temperaturbedingte Materialbewegungen, die man insbesondere bei langen Rohrleitungen berücksichtigen muss. Ritter XL Solar hat die Tragkonstruktion deshalb für extreme Witterungsereignisse ausgelegt. Verzinkte Stahlunterkonstruktionen, geotechnisch angepasste Fundamente sowie Dehnungsausgleicher und flexible Rohrleitungsverbindungen sorgen dafür, dass man mechanische Spannungen dauerhaft beherrschen kann.

Digitales Datenmanagement

Mit 13.200 Kollektoren entstehen täglich enorme Mengen an Betriebsdaten. Temperaturen, Druckverhältnisse, Volumenströme, Pumpenzustände und Energieerträge unterliegen der kontinuierlichen Überwachung, um selbst kleine Abweichungen frühzeitig erkennen zu können.

Hierfür kommt ein modernes Kontroll- und Überwachungssystem zum Einsatz. Es ermöglicht Echtzeit-Monitoring, automatische Fehlererkennung, Fernwartung sowie Performanceanalysen und bildet zugleich die Grundlage für Software-Updates der Anlagensteuerung. Auch Ertragsverluste will man dadurch minimieren. „Gerade bei Anlagen dieser Größenordnung wird die Digitalisierung zu einem wesentlichen Wirtschaftlichkeitsfaktor“, so Wimmer.

Solarthermie-Anlage Leipzig West verfolgt ökologische Ziele

Neben der technischen Funktion verfolgt das Projekt auch ökologische Ziele. Das Kollektorfeld bleibt fast vollständig unversiegelt. Der Anteil dauerhaft versiegelter Fläche beträgt weniger als 0,01 Prozent. Extensive Grünlandbewirtschaftung, Blühflächen und die Beweidung mit Schafen schaffen Lebensräume für Insekten, Vögel und Kleinsäuger. Die Wärmeerzeugung wird damit mit Biodiversitätsförderung und naturnaher Flächennutzung kombiniert – ein Aspekt, der bei kommunalen Infrastrukturprojekten zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Die Solarthermie-Anlage Leipzig West verdeutlicht, das die Zukunft der kommunalen Wärmeversorgung nicht allein von leistungsfähigen Erzeugungstechnologien abhängt, sondern auch von deren intelligenter Integration in bestehende Wärmenetze. Die Schlüssel dazu liegen in der hydraulischen Auslegung, der Regelungs- und Leittechnik, dem wassergeführten Frostschutz, dem präzisen Temperaturmanagement sowie der digitalen Betriebsoptimierung. Erst das Zusammenspiel dieser Komponenten ermöglicht den optimalen Betrieb einer Solarwärmequelle innerhalb eines großstädtischen Fernwärmesystems.

Quelle: Ritter XL Solar | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH