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Das Technologienentwicklungspotenzial für die Nutzung der Solarwärme

Gerhard Stryi-HippFraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE

European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling

Gunter RockendorfInstitut für Solarenergieforschung Hameln

Manfred ReußBayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung - ZAE Bayern

FVEE-JahrestagungBerlin, 12. Oktober 2010

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Inhalt

Stand der Niedertemperatur-Solarthermie

Vision der Technologieplattformen für die NT-Solarthermie

Forschungsbeispiele von Fraunhofer ISE, ISFH und ZAE Bayern

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Ziel 2050: 100% erneuerbare Wärme/Kälteversorgung

TechnologienEffizienzhohes Potenzial, Restbedarf bleibtBiomassespeicherbar, begrenzte Resourcen

Tiefen-Geothermiebegrenzte ResourcenNiedertemperatur-Solarthermiegroßes Potenzial, Lösungen fehlenWärmepumpen: viele Vorteile, wenn Antriebsenergie (Strom, Gas) aus EE

Solarthermie hat höchstes Potenzial und wird eine große Rolle in der Wärme-und Kälteerzeugung spielen

Source: BMU, Daten EE, Juni 2007

Source: Wagner & CoSource: Stiebel Eltron

Verteilung Energieverbrauch Deutschland 2007

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Erneuerbare Energien weltweit 2009

Source: IEA-SHC Solar Heat Worldwide, Edition 2010,www.iea-shc.org

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Weltmarkt Solarthermie 2008: 39.5 Mio m2 neu installiert

Source: Werner B. Koldehoff

China: Marktführer(einfache, billige Systeme)Europa: Technologieführer

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Marktdaten 2009Neu installiert: 1.100 MW = 1,58 Mio m²Gesamt installiert: 9.000 MW = 12,9 Mio m²Umsatz: ca. 1,2 Mrd EuroArbeitsplätze: ca. 15.000Anteil Vakuumröhren: ca. 12%Marktrückgang gegenüber Vorjahr: 25%

Quelle: BSW-Solar/BDH, BMU

Entwicklung deutscher Solarwärmemarkt

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Solarthermie-Technologieplattformen in Deutschland und Europa

Innovatives Konzept zur Beschleunigung der Technologieentwicklung

PolitikForschung

Industrie

Solarthermie Vision 2030Welche Rolle spielt die Solarthermie im Jahr 2030, welche Technologien stehen zur Verfügung?

ForschungsstrategieWelche Forschungsschritte und Ressourcen sind erforderlich, um die Vision in die Realität umzusetzen

Umsetzung Forschungsprogramme mit gestalten, Kooperationen zwischen Industrie, Forschung und Politik unterstützen

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European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling hat Potenziale und Forschungsthemen identifiziert

Aktivitäten: Vision 2030, Forschungsstrategie, Implementation

Akteure: Industrie, Forschung and Politik

Solar Thermal Research Agenda wurde publiziert im Dez. 2008www.rhc-platform.org

Structure of RHC-Platform

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Deutsche Solarthermie-Technologie-Plattform DSTTP

Gegründet 2007

www.dsttp.de informiert überSolarthermie-Technologie

Forschungseinrichtungen

Förderprogramme

DSTTP

Deutsche Forschungsstrategie Solarthermieist in Endabstimmung2009 und 2010 fand jeweils eine Solarthermie-Technologiekonferenz in Berlin statt

=> Videos und Präsentationen: www.dsttp.de

Gefördert von PTJ und Bundesumweltministerium

www.dsttp.de

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Neubau: Solaraktivhaus100% solar beheizte Gebäude werden zum Baustandard

Bestand: Solaraktive SanierungSanierung mit multifunktionalen Solarelementen, > 50% solarer Anteil in der Beheizung, kostengünstigste Sanierungsweise

Industrielle Anwendungen / Solare Kühlung Prozesswärme, solare Kühlung etc.

Solare Nahwärme/-kältezu großen Anteilen solar unterstützt

Gesamtziel: 50% des Wärmebedarfs bis 250°C wird mit Solarwärme gedeckt

Vision Solarthermie 2030der Solarthermie-Technologieplattform

Bild: Solifer

Bild: Schüco

Bild: Solvis

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Langfristziel: 50% des Wärmebedarfs mit Solarwärme

Anstieg installierte Solarwärme-Leistung von 13 auf 2400 GWth= Faktor 185 in installierter Leistung und Wärmeproduktion

Wärmebedarf EU25

Effizienz:-40%

Herausforderungen:⇒ Kostenreduktion⇒ Kapazitätsaufbau⇒ Innovationen

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Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials

1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen

2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100%

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Von der Trinkwassererwärmung zum Solaraktivhaus

Anteil Solarthermie an der Wärmeversorgung eines Gebäudes

Solare Trink-wassererwärmung

10%-20%

Solare Kombianlagen20%-30%

„Solarhaus 50+“Überwiegend solar beheizte Gebäude50% - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 100%

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Konzept Sonnenhaus

Solarwärme-kollektoren30m² - 60m²

Saisonaler Wärme-speicher(Wasser)6 – 10 m³

Solaranteilam gesamten Wärmebedarf für Brauchwasser und Raumheizung:60% - 70%

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Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials

1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen

2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100%

3) Erschließung neuer Marktsegmente z.B. Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser,

Altenheime, Hotels,…

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Große Solarthermische Anlagen

Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser, Wohnheime, Hotels etc. haben einen hohen Wärmebedarf und sind für Solarwärmeanlagen geeignet.

Herausforderungen: Systemtechnik, effizienter Betrieb, Monitoring

Image: Solvis

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Vier Strategien sind parallel notwendig zur Entwicklung des Solarwärme Potenzials

1) Deutliche Erhöhung der Anzahl der aktuell am Markt befindlichen Anlagen

2) Erhöhung des Solarwärmeanteils pro Gebäude von 15% auf 100%

3) Erschließung neuer Marktsegmente z.B. Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser,

Altenheime, Hotels,…

4) Entwicklung neuer Solarwärme-Anwendungenz.B. Solare Kühlung und Prozesswärme

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Beispiel: Solarthermische Kühlung

Bundespresseamt Berlin

Adsorption cooling machine

• Kühlbedarf und Solarangebot stimmen gut überein

• Mehr als 400 Pilotanlagen in Europa installiert

• Aufgaben: Reduzierung Anlagen-größe und Kosten, Erhöhung Effizienz

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ce: V

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IHK Freiburg

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ce: F

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Solare Nahwärme/-kälte mit saisonaler Speicherung wird wichtig werden

Reihenhaussiedlung mit Solarthermiedächern und solarer Nahwärme in Neckarsulm

Solare Nahwärmeanlage in Marstal, Denmark17,000 m² Kollektorfläche © Arcon 12,000 m³ saisonaler Speicher, Friedrichshafen ©S

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Aktuelle Schwerpunkt-Forschungsthemen Solarthermie

KollektortechnologieNeue Materialien, niedrigere Kosten

Integration in die Gebäudehülle

Prozesswärme-, Photovoltaisch-Thermische (PVT) und Luftkollektoren

SpeichertechnologieSaisonale Speicher (groß und sehr groß)

Hohe Wärmedichte (Latent- und chemische Speicher)

Solar-Aktivhaus, hauptsächlich solar beheiztSystemtechnik, Kostenreduktion

ProzesswärmeSolare Kühlung

Industrielle Prozesse

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Beispiele Forschungsprojekte

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• Entwicklung eines Aluminium basierten Absorbers auf Basis des FracTherm®-Algorithmus, gefertigt mit Rollbond Verfahren

• Korrosionsbeständigkeit des Systems • Fluiddynamische Untersuchungen (CFD Simulationen und Visualisierungen)• Oberflächenbearbeitung

Absorber: Aluminium, Rollbond, 1,06 m x 1,82 m

CFD Simulation von Verzweigungen nach FracTherm®-Algorithmus

KollektorentwicklungBeispiel Aluminium-Rollbondabsorber mit Fractherm-Struktur

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Multifunktionale FassadenkollektorenBeispiel: Teiltransparenter Fassadenkollektor

≈ 4 mm

≈ 3 mm

≈ 1.5 mm

60°

Öffnungen im AbsorberblechEinbau zwischen GlasscheibenWinkelselektiver SonnenschutzDurchsicht schräg nach unten

Konstruktion (Geometrie der Öffnungen)Simulation (IAM-Bestimmung durch Raytracing)Messung (Kollektorwirkungsgradfaktor F‘, Wirkungsgradkennlinie, Stagnationsverhalten)

Visueller Eindruck (Montage)

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Kollektoren: Projekt Stahlabsorber

• Substitution von Kupfer oder Aluminium durch günstige Stähle

• Korrosionsbeständigkeit

• Oberflächenveredelung (Walzplattieren, Sputtern, Galvanik)

• Produktionstechnologien (Umformtechnologie, Verbindungstechniken)

Produktions-Fluss beim WalzplattierenMöglicher Aufbau des Absorbers

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Prozesswärmekollektor: Projekt RefleC

• Entwicklung eines hocheffizienten Flachkollektors mit reduzierten Wärmeverlusten durch den Einsatz externer Spiegel

• Optimierung eines „Standard-Flachkollektors“

• Auslegung der optisch aktiven Bauteile (ray traycing)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

longitudinaler oder transversaler Einfallswinkel [°]

IAM

dir [

-]

RefleC_3 GF trans RefleC_3 GF long

RefleC_2 GG trans RefleC_2 GG long

RefleC_1 G trans RefleC_1 G long

Flachkoll. 2 AR trans Flachkoll. 2 AR long

Visualisierung des Reflec-Konzepts Einfallswinkelabhängigkeit verschiedener Kollektorgeometrien

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Freilassing 16.06.2010

Kollektor für solare Prozesswärme

Prozesswärme1/3 des industriellen Prozesswärmebedarfs T < 200°CZiel: h = 50 % bei 150 °C

Evakuierter CPC Flachkollektor • Strahlungskonzentration • Verlustminimierung durch

Evakuieren und Kryptonfüllung (0,01 bar)

Zukunft: • Entwicklung zur Produktionsreife• superisolierter Wärmespeicher

Absorber

Luft / Argon

AR

ε niedrig, τ hoch

• Optimierung Kollektorkonstruktion

• Low-e- Schichtentwicklung mit hohem τ

Gebrauchstauglichkeit sicherstellen

Flachkollektoren für höhere Temperaturen durchden Transfer von Architekturverglasung in die Kollektorapertur

Hocheffiziente Flachkollektoren aufBasis von Wärmeschutzverglasungen

• Neue Low-e Beschichtungauf TCO Basis: τSolar 85%

• Gebrauchstauglichkeit erzielt14 Monate Stagnation ohne Degradation

• Wärmeverluste deutlich reduziertbei hohem optischen Wirkungsgrad

Technologieschritte

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Luftkollektoren: Projekt Luko-E

Dani Alu (F): verglaster Luko

Solarwall (CAN): Metallfassade

Kollektorfabrik: Vakuumröhren

Puren: dachintegrierter Luko

SolvarVenti (DK)

Grammer Solar: Kleine und große Module Cona Solar (A): Trocknung

• Weiterentwicklung eines Teststandes für Luftkollektoren• Optimierung Kollektoren und Systeme• Entwicklung einer Norm für Luftkollektoren

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Photovoltaisch-Thermische Hybridkollektoren (PVT)

• Weiterentwicklung eines photovoltaisch-thermischen Kollektors

• Fertigungstechnologien (Lamination eines PV-T-Absorbers als „eigene“ Komponente)

• Entwicklung von Systemkonzepten zur optimalen Nutzung von Strom und Wärme

• Testverfahren und Charakterisierung

(a) Wirkungsgrad-kennlinie eineskommerziellenPV-T Kollektorsim mpp-Betrieb(b), rein thermischer, selektiverFlachkollektor(c), neu ent-wickelter PV-T Kollektor immpp-Betrieb

0

0.1

0.2

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1

-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

(Tm - Tamb) / G [Km²/W]

Ther

mal

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ncy

[-]

(a)

(b)

(c)

PV-T Kollektor (Studie)PV-T Kollektor (Studie)

PVT Module mit optimierten Schichtaufbau

Seiten und RückwandIsolierung

Glasscheibeund Gehäuse

Metallrohre

PVT- Kollektorenin Wärmepumpensystemen

Synergieeffekte

• Höhere Wärmepumpen-Quellentemperatur

• Kühlung der PV-Zellen

• Pilotanlage Dreieich:4% höherer PV-Ertrag10% geringer WP-BedarfErdsonde

Wärmepumpe

PVT-Kollektor

32

PVT- Kollektorenin Wärmepumpensystemen

Glasscheibe

Wärme

PV ZellenRohrsystemEl. Energie

Time in month/year

Apr.0

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10

Apr.1

0

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°C

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5

10

15

20

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With PVT collectorWithout PVT collector

PVT- Kollektorkonzept

Anstieg der WP-Eintrittstemperatur

Apr 09 Apr 10

Eingangstemperatur

Projekt KES

Entwicklung erdvergrabenerWärmespeicher von 3 bis 30 m³

•solarer Deckungsanteil > 50%•für energetisch sanierte 1-3 Familienhäuser

•Entwicklungsaufgaben•Behälter•Dämmstoffe•interne Wärmeübertrager•Systemtechnik

Neuartiges Konzept fürkosteneffiziente erdvergrabene Heißwasserspeicher

Installation des 1. KES-Speichersam ISFH (Sommer 2009)

Konstruktionsprinzip

Regenwasserzisterne aus einerangepassten Betonmischung

neue HochtemperaturbeständigeEPS-Dämmung

Vorteile:

• ein großer Speicher stattvieler kleiner

• geringe Verluste

• geringer Verschaltungsaufwand

• kein zusätzlicher Platzbedarf

• kostengünstig

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Freilassing 16.06.2010

Solare Nahwärmeversorgung

Neubausiedlung am Ackermannbogen in MünchenWärmebedarf (Heizung & WW) 2.300 MWh/aKollektorfläche (Apertur): 2.761 m²Saisonaler Heißwasserspeicher 6.000 m³Absorptionswärme (Fernwärmeantrieb) 550 kWInnovative Haustechnik mit Direktanschluss der Heizung an das Nahwärmenetz und Frischwasserstation in jeder WohnungNetzvorlauf- / -rücklauftemperatur 60 °C / 30 °CSolarer Deckungsanteil (2008/2009) 45 %

Zukunft: Solare Nahwärme im GebäudebestandEntwicklung von angepasster Systemtechnik, Wärmeübergabestationen, niedrige RücklauftemperaturWeiterentwicklung von Langzeitspeicherkonzepten

Solar-Ertragsüberwachung: permanent und automatisch

• erhöht Vertrauen in die Technik• senkt das Betreiberrisiko• steigert die Jahreserträge

• seit 2007 Serien- Kontrollgerät verfügbar

• seit 2008 Web- basiertes Verfahren

Ertragsüberwachung

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4 5 6 7Tägliche Bestrahlung HDay [kWh/(m²·d)]

Tägl

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K [k

Wh/

(m²·d

)]

Messwert

Erwartungswert

Störmeldung

Ertragskontrolle – permanent und automatisch

• Methode: Vergleich von berechnetem Soll- mit gemessenem Ist-Wert

• erhöht Vertrauen• senkt das Betreiberrisiko• steigert die Jahreserträge• kostengünstig• mit guter Genauigkeit:

7% Standardabweichung• Basis: Planungs- und

Produktdaten

• erprobt an > 30 Anlagen

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Wärmespeicher – Grundlagenforschung erforderlich

Ziel: Verachtfachung der Wärmeenergiedichte im Speicher

Sensible Wärme: ≈ 70 kWh/m³(delta T = 70 K)

Latentwärme (PCM): 150 -300 kWh/m³Thermo-Chemisch: ≈ 650 kWh/m³

Forschungsaufgaben- Optimierung Wärmefluss- Bewertung chemische Speicher- Klassifizierung Speichersysteme- Implementierung Simulationswerkzeuge- …

Source: Harald Drück/Werner Weiss Bild: BASF SE

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Solare Kühlung

Mehr als 100 Anlagen zur solaren Kühlung mit einer Kühlleistung > 20 kW sind in Europa installiert≈ 70% Absorption

≈ 10% Adsorption

≈ 20% offene sorptive Prozesse

Jedes System ist individuell designed

Forschungsthemen•Standardisierung und Systemdesign

•Kostenreduktion

•Reduktion der Größe

•Ertragssteigerung Am Markt verfügbare solare KühlmaschinenQuelle: Henning, Nuñez, Fraunhofer ISE

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Solare Meerwasserentsalzung mit Membrandestillation: EU-Projekt Mediras

• Entwicklung und Optimierung der Membrandestilaltionsmodule• Entwicklung und Umsetzung einer (solar-)thermisch getriebenen

Wasseraufbereitungsanlage• Einbindung von direkt mit Sole beschickte solarthermischen Kollektoren

Optimierung der Modulkonfiguration, (z.B. Salinität, Membranfläche und Permeat)

Parallel verschaltete MD-Modulezur Meerwasserentsalzung

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Zusammenfassung

Quelle: Arcon

Quelle: Schüco

50% des Endenergiebedarfs fällt im Bereich Wärme an, hierfür bedarf es neuer Lösungen

Niedertemperatur-Solarthermie wird in der Wärmeversorgung eine wichtige Rolle spielen

Die Solarthermie-Technologieplattformenhaben die Vision, langfristig 50% des Wärmebedarfs mit Solarwärme zu decken

Das Technologie-Entwicklungspotenzial NT-Solarthermie wurde neu beschrieben und ist größer als allgemein vermutet

Wichtige Elemente: Solaraktivhaus, solare Sanierung, solare Prozesswärme/Kühlung, solare Nah-/Fernwärme

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Gerhard Stryi-Hipp, gerhard.stryi-hipp@ise.fraunhofer.de

Gunter Rockendorf, g.rockendorf@isfh.de

Manfred Reuß, reuss@muc.zae-bayern.de