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Solarthermie – klimaneutrale Wärme für Industrie und Gewerbe

Solare Prozesswärme für Industrie und Gewerbe ist eine wichtige Option für die Wärmewende. Studien zeigen für Deutschland ein Potenzial von 100 bis 150 Quadratmetern Kollektorfläche. Bastian Schmitt und Felix Pag von der Universität Kassel berichten in ihrem Beitrag für den Solarserver über aktuelle Projekte und den Stand bei Technologie, Wirtschaftlichkeit und Förderprogrammen.

Ähnlich wie im Bereich von Ein- und Mehrfamilienhäusern macht auch in Industrie und Gewerbe die Wärme den Löwenanteil am gesamten Energiebedarf aus. Trotz des deutlich niedrigen CO2-Faktors für Wärme gehen damit mehr als die Hälfte der energiebedingten CO2-Emissionen in der Industrie auf die Verbrennung fossiler Rohstoffe für die Bereitstellung von Wärme zurück. Mit Blick auf die notwendige Dekarbonisierung muss hervorgehoben werden, dass sich durch den (langsamen) Ausbau von Wind- und Photovoltaik-Kapazitäten die stromseitige? CO2-Last der Unternehmen quasi von alleine verringern wird, ohne dass die Unternehmen selber tätig werden müssen. Ganz anders sieht das im Wärmebereich aus. Hier hat jedes kleine oder große Unternehmen in der Regel seine eigene Infrastruktur, für die es verantwortlich ist. Muss der fossile Kessel ausgetauscht werden, landet in der Regel einfach nur ein neuer Gaskessel in dem Heizungsraum – ohne eine (Teil-)Dekarbonisierung überhaupt zu berücksichtigen. Danach bleibt der Heizungskeller für die nächsten 20 Jahre meist unangetastet.

Aufteilung des industriellen Endenergiebedarfs nach Temperaturen

Verschiedene Potentialstudien für solare Prozesswärme weisen darauf hin, dass der Markt für Solarkollektoren in Industrie, Handel und Gewerbe riesig ist. Ein gutes Viertel des industriellen Wärmebedarfs liegt auf einem Temperaturniveau von unter 150 °C und kann damit gut durch Solarthermie gedeckt werden. Somit ergibt sich für Planer & Installateure ein Marktpotential von 100 bis 150 Mio. m² Kollektorfläche, das es in den kommenden Jahren zu erschließen gilt.

Kosten und Wirtschaftlichkeit

Als wesentliches Hemmnis für die Marktschließung gilt die aus Industriesicht zu hohe Amortisationszeit. Im Rahmen des Marktanreizprogramms fördert das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) mit einem Investitionszuschuss und die bundeseigene KfW-Bank mittels Tilgungszuschuss für einen zinsgünstigen Kredit die Installation von solarthermischen Systemen in Industrie und Gewerbe mit 50 Prozent der Investitionssumme. Zu den förderfähigen Investitionen gehören neben der Anlagentechnik auch Planung, hydraulische Einbindung und Montage. Dank dieser umfänglichen Förderung können zwar hohe einstellige Einspar-Renditen über die mindestens 20-jährige Betriebsdauer der Anlagen erwirtschaftet werden, jedoch ist ein großer anfänglicher Kapitaleinsatz nötig, der aufgrund der derzeit niedrigen fossilen Energiepreise frühestens nach fünf bis sieben Jahren wieder hereingeholt werden kann.

Im Gegensatz zu Photovoltaik-Systemen kann sich die solarthermische Anlagentechnik von Anwendung zu Anwendung deutlich unterscheiden. Daher können keine allgemeingültigen Angaben über die zu erwartenden Investitionen gemacht werden. In Abhängigkeit von Kollektortyp, Systemverschaltung, Einbindung und auch des gewählten Anbieters können die notwendigen Investitionen für solare Prozesswärmeanlagen stark variieren. Die Auswertung bisher umgesetzter größerer Systeme (> 100 m²) weist eine Streuung der Turn-Key-Kosten zwischen 350 und 900 € pro Quadratmeter Kollektorfläche auf. Durch die Förderung werden die tatsächlichen Kosten zusätzlich deutlich reduziert. Für Unternehmen, die ihre Produktionsprozesse gerne mit Solarwärme beheizen würden, jedoch nicht über das notwendige Kapital verfügen oder denen die Amortisationszeit zu hoch ist, stehen diverse Firmen zur Verfügung, die solarthermische Systeme auch in einer Contractinglösung anbieten.

Spezifische Investitionskosten realisierter solarer Prozesswärmeanlagen für verschiedene Kollektortechnologien

Die solaren Wärmegestehungskosten größerer Anlagen liegen unter Berücksichtigung aktueller Förderprogramme meist unterhalb von 5 €-Cent/kWh, im idealen Fall sind sogar 3 €-Cent/kWh erreichbar. Dieser Wärmepreis bleibt dann für mindestens 20 Jahre konstant, womit die solare Prozesswärme bereits heute günstiger sein kann als die fossile Wärmebereitstellung. Mit dem perspektivischen Anstieg der Preise für fossile Energieträger wird dieser Kostenvorteil immer größer. Werden Prozesse elektrisch mit Wärme versorgt, stellt sich die Wirtschaftlichkeit bei einer Umstellung auf eine wassergeführte Heizung in Kombination mit einer Solaranlage noch besser dar.

Marktentwicklung im Rahmen des Marktanreizprogramms:

Nach Einführung der oben genannten 50 %-Förderung auf die Investitionen beim Bau einer solaren Prozesswärmeanlage im Rahmen des Marktanreizprogramms im Jahr 2012, hatte sich der Markt in den ersten Jahren zunächst gut entwickelt. Dagegen gingen in den Jahren 2015 und 2016 die Investitionen in diesem Bereich zusammen mit dem einbrechenden Ölpreis deutlich zurück. Sowohl das Jahr 2017 als auch das 1. Halbjahr 2018 sehen inzwischen wieder deutlich vielversprechender aus. Dies zeigt sich nicht nur in der gestiegenen Anlagenzahl, sondern auch in den immer größer werdenden Anlagen. Die aktuell größte Anlage verfügt über 1313 m² Luftkollektoren und wird zur Hackschnitzel- und Heuballentrocknung genutzt. Die derzeit größte wassergeführte solare Prozesswärmeanlage mit knapp 1000 m² wird aktuell bei der Rothaus Brauerei in Freiburg fertiggestellt.

Vorbereitung zum Bau der derzeit größten wassergeführten solaren Prozesswärmeanlage bei der Badischen Staatsbrauerei Rothaus AG (Quelle: Enersolve GmbH)

Diese Anlage wird jedoch voraussichtlich schon in diesem Jahr als Spitzenreiter abgelöst werden, da zwei weitere Anlagen mit deutlich mehr als 1000 m² in Planung sind. Insgesamt wurden seit 2012 knapp 15.000 m² Kollektorfläche in mehr als 230 Anlagen installiert. Weitere 5000 m² sind derzeit in Planung oder Umsetzung. Da bereits vor 2012 einige Kollektorfelder in der Industrie umgesetzt wurden, kann davon ausgegangen werden, dass bis Ende des Jahres Kollektoren, mit rund 25.000 m² CO2-Emissionen in Industrie und Gewerbe effizient vermeiden. Im Vergleich zu dem vorhandenen Potential ist dies nur ein Tropfen auf den heißen Stein, jedoch hoffentlich eine Grundlage für ein starkes Wachstum.

Marktentwicklung solarer Prozesswärme in Deutschland. Jährlich bewilligte Anlagenfläche in m² (blau) und Anzahl bewilligter Anlagen (rot)

Ein Blick auf verwendeten Kollektortechnologien zeigt, dass die Flachkollektoren noch die Nase vorne haben. Knapp die Hälfte der installierten Fläche geht auf Flachkollektoren zurück. Vakuumröhrenkollektoren und Luftkollektoren tragen jeweils ein Viertel bei. Jedoch stieg der Anteil dieser beiden Technologien am Gesamtzubau in den vergangenen Jahren stetig an, während der Flachkollektoranteil stetig zurückging.

Die Analyse des Marktes in den vergangenen Jahren zeigt, dass es mehrere dominierende Anwendungen gab. Rund 80 Prozent der Anlagen wurden in Unternehmen der Tieraufzucht, Autoreinigung, Biomassetrocknung sowie sonstigen industriellen Reinigungs- und Waschprozessen installiert. Die Biomassetrocknung sticht hierbei mit einer hohen durchschnittlichen Kollektorfläche (meist luftgeführte Kollektoren) über 100 m² hervor, während in den anderen Bereichen in der Regel Anlagen mit weniger als 50 m² Kollektorfläche installiert werden. Diese Anwendungen zeigen auf, dass es Branchen gibt, in denen das Potential auch unter den aktuellen Rahmenbedingungen gehoben werden kann. Einige Unternehmensgruppen haben sich aufgrund der guten Erfahrungen bereits dazu entschlossen, ihre Standorte Stück für Stück zu solarisieren.

Insgesamt und mittlere installierte Kollektorfläche der häufigsten Prozesswärmeanwendungen in Deutschland

Schritte auf dem Weg zur weiteren Marktdurchdringung

Trotz der vielversprechenden Entwicklung kann noch nicht von einer vollständigen Markterschließung gesprochen werden. Es fehlt an Multiplikatoren, die die Möglichkeiten der Technologie verbreiten. Für den ersten Einstieg neuer Marktakteure oder interessierten Unternehmen ging im vergangenen Jahr das herstellerneutrale Informationsportal www.solare-prozesswärme.info online. Hier findet der Anwender alle grundlegenden technischen Informationen zu Kollektoren, Einbindung, aktueller Marktentwicklung sowie erfolgreiche Umsetzungsbeispiele und Links zu vielen hilfreichen Informationsquellen. Des Weiteren ist ein Vorauslegungstool implementiert, mit dem sich Interessenten unter Eingabe von wenigen Parametern wie Standort, Temperaturniveau und Wärmebedarf das Solarpotential des eigenen Unternehmens bzw. eines Kunden berechnen lassen können. Das Tool berechnet die passende Dimensionierung für Speicher und Kollektor und liefert eine erste Ertragsabschätzung. Diese bildet eine solide Basis, um zu entscheiden, ob eine solare Prozesswärmeanlage sinnvoll ist und weitere Schritte hinsichtlich einer Vorplanung getätigt werden sollten. Um den anschließenden Weg zu den richtigen Planern und Berater zu vereinfachen, wird derzeit eine Datenbank mit allen bereits in Deutschland gebauten Anlagen inklusive Kontaktdaten etablierter Planungsunternehmen erarbeitet. Diese wird in Form einer Deutschlandkarte bis Ende des Jahres zur Verfügung stehen und frei zugänglich sein.

Ein wichtiger Schritt hin zu Standardisierung und Marktbereitung der solaren Prozesswärme konnte in den vergangenen beiden Jahren erreicht werden, in dem der Stand der Technik bezüglich Komponenten, Auslegung, Betriebsweise und Wirtschaftlichkeitsberechnung von Experten aus Industrie und Wissenschaft in der neuen VDI-Richtlinie 3988 "Solarthermische Prozesswärme" zusammengetragen wurde. Dabei orientiert sich die Richtlinie in ihrer Struktur an dem Ablauf der Planung einer solaren Prozesswärmeanlage. Aufbauend auf der Ermittlung der notwendigen Grundlagen können erste Abschätzungen gemacht werden, ob eine detailliertere Betrachtung in Frage kommt. Im weiteren Verlauf werden Hinweise für die Wahl des Kollektors sowie die Dimensionierung und hydraulische Einbindung des solarthermischen Systems in die bestehende Heizungsanlage gegeben. Unter Berücksichtigung einer groben Kostenschätzung wird die Entscheidungsgrundlage für Entwurfs, Genehmigungs- und Ausführungsplanung geschaffen. Die Richtlinie gibt für alle Planungsschritte wertvolle Hinweise, die anhand von Beispielen, Checklisten und Berechnungsansätzen mit Standardwerten verdeutlicht werden. Aktuell befindet sich die VDI-Richtlinie im Gründruck, d.h. sie wird einem öffentlichen Einspruchsverfahren unterzogen, bevor sie Anfang des kommenden Jahres den vollständigen Status einer Richtlinie erhalten wird.

Keine kostengünstige Wärmewende ohne die Solarthermie

Die vom BDI in Auftrag gegebene Studie „Klimapfade für Deutschland“ hob in diesem Jahr (2018) die Relevanz der Solarthermie hervor. In der Studie werden volkswirtschaftlich kosteneffiziente Wege für die Erreichung der deutschen Emissionsminderungsziele aufgezeigt. Während über 80 % der untersuchten Maßnahmen positive CO2-Vermeidungskosten aufweisen, zeigt sich bei der Solarwärme sowohl für die Nutzung in Industrie als auch im Bereich Haushalte und Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) ein anderes Bild. Hier liegt der volkswirtschaftliche Nutzen deutlich über den Kosten. Ebenfalls hebt die Studie die Notwendigkeit der zunehmenden Kombination von Erneuerbare-Energien-Wärme (EE) mit Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) hervor. Seit diesem Jahr gibt es hierzu bundesweit das neue Fördermodell „Innovative KWK“, um die bisher aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten wenig interessante Kombination von KWK-Anlagen mit Technologien zur erneuerbaren Wärmebereitstellung zu fördern. Im Leistungsbereich von 1 bis 10 MWel sind deutlich höhere Zuschläge für Stromeinspeisung über einen längeren Förderzeitraum möglich, wenn relevante Anteile von EE-Wärme (Solarthermie, Wärmepumpen, Umweltwärme) genutzt werden. Der Eigenverbrauch von erzeugtem Strom ist zwar ausgeschlossen, jedoch kann dieses Fördermodell unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten auch in der Industrie sehr interessant sein. Im kommenden Jahr soll es erstmals eine Ausschreibung für innovative KWK im Hochtemperaturbereich geben. Die Details werden derzeit noch ausgearbeitet, jedoch ist bereits jetzt klar, dass auch hier die Solarthermie eine entscheidende Rolle spielen wird.

Symposium „Solarthermie – CO2-freie Wärme für Industrie und Gewerbe“

Am 27.11.2018 veranstaltet die Universität Kassel zusammen mit ihrem Projektpartner STREKS aus Karlsruhe das Prozesstechniksymposium „Solarthermie – CO2-freie Wärme für Industrie und Gewerbe“. Der Workshop richtet sich an Energieberater und Planer, die im industriellen Bereich tätig sind. Auch interessierte Unternehmen sind herzlich eingeladen. Die Teilnahme wird von der Deutschen Energieagentur (dena) mit 5 UE für die Energieeffizienz-Expertenliste des Bundes anerkannt. Im Rahmen der Veranstaltung lernen die Teilnehmer alles Wissenswerte über Planung, Anwendung und Wirtschaftlichkeit sowie über die Kombinationsmöglichkeiten mit Wärmepumpe und BHKW. Teilnahmebeitrag: 30 €. Anmeldungen bitte per E-Mail an anmeldung@solare-prozesswärme.info. Weitere Infos unter www.solare-prozesswärme.info/prozesstechnik-forum

Die Autoren:

Dr. Bastian Schmitt ist Leiter Prozesswärme in der Fachgruppe Solar- und Anlagentechnik der Universität Kassel. (bschmitt@uni-kassel.de)

Felix Pag ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Fachgruppe Solar- und Anlagentechnik der Universität Kassel. (pag@uni-kassel.de)

 

30.08.2018 | Quelle: Universität Kassel | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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