EN
Anpassung der Leistung von Flachkollektoren an den Wärmebedarf der Industrie
Niedrig- und mitteltemperaturige industrielle Prozesse, die Flachkollektoren nutzen
Flachkollektoren sind gut geeignet, um den Wärmebedarf industrieller Prozesse im Temperaturbereich von 60–90 °C zu decken. Zu diesen Prozessen zählen beispielsweise die Vorwärmung von Lebensmitteln und Getränken (60–80 °C), das Färben von Textilien (70–90 °C) sowie die Sterilisation von Geräten und Materialien (70–85 °C). Alle diese Anwendungen liegen gut innerhalb der thermischen Leistungsgrenzen herkömmlicher Flachkollektorsysteme, da bei Temperaturen oberhalb von 85 °C eine rasche und deutliche Effizienzabnahme eintritt. So ist beispielsweise die Milchpasteurisierung ein kontrollierter Erwärmungsprozess, der 72–75 °C erfordert – ein Wert, der gut in den Betriebsbereich bestehender Flachkollektoren fällt. Laut dem IEA SHC Task 49 entfallen auf die verarbeitende Industrie, die mit Prozesswärme < 90 °C arbeitet, 65 % der weltweit für die Fertigung verbrauchten Energie. Dies unterstreicht die erhebliche Chance, den weltweiten Energieverbrauch durch eine gezielte Integration solarthermischer Systeme zu dekarbonisieren.
Fallstudie zu jüngsten Implementierungen für die Vorwärmung von Brauereien und zum Färben von Textilien.
Einsätze in der Praxis bestätigen die technische und wirtschaftliche Machbarkeit dieser Systeme, wie die folgenden Fälle zeigen.
Eine in Deutschland ansässige Brauerei, die Flachkollektoren einsetzt, erzielte durch die Vorwärmung des Spülwassers auf 75 °C eine Reduktion des Erdgasverbrauchs um 40 %.
Außerdem erreichte eine Textilfertigungsanlage mit gestuften Kollektorarrays und einer geschichteten thermischen Speicherung einen Solaranteil von 68 % für Färbewannen (85 °C).
Bei teilweise bewölkten Bedingungen mit zeitlich variierender Einstrahlung zeigten beide Systeme dank der verbesserten selektiven Absorberschichten, die die Emissionsverluste deutlich reduzierten, die Fähigkeit, eine konstante Leistungsabgabe zu gewährleisten; die thermische Leistung der Systeme war im Feld um 12–18 % höher als bei den herkömmlichen Systemen. Dies belegt, dass sich die Flachkollektor-Technologie für die zuverlässige Bereitstellung konstanter industrieller Wärmebelastungen eignet, wenn die thermischen Anforderungen in einem engen Bereich zur solaren Wärmeversorgung liegen.
Betriebstemperaturgrenzen von Flachkollektoren für industrielle Anwendungen.
Warum der Wirkungsgrad oberhalb von 85 °C abnimmt: Die Dynamik thermischer Verluste und empirische Daten aus der IEA SHC Task 69
Der Wirkungsgrad von Solarkollektoren sinkt oberhalb von 85 °C erheblich aufgrund zunehmender Verluste durch Strahlung und Konvektion. Je höher die Temperatur des Absorbers ist, desto größer ist die Strahlungsrate (gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz) und desto größer ist auch die Konvektionsrate zwischen Absorber und Abdeckung. Die IEA SHC-Aufgabe 69 (2023) maß bei gleicher solaren Einstrahlung eine um 22 % geringere Effizienz bei 95 °C im Vergleich zu 75 °C und bestätigte damit 85 °C als praktische Grenze konventioneller Flachkollektor-Designs ohne fortschrittliche Dämmung. Daher übersteigen die Wärmeverluste jenseits dieser Temperatur die solaren Wärmegewinne, und Dampfprozesse über 100 °C sind ohne zusätzliche Technologie nicht realisierbar.
Innovationen zur Erweiterung des nutzbaren Temperaturbereichs: Selektive Absorber und hybride Vakuumdämmungs-Designs
Beschichtungen selektiver Absorber erhöhen den Betriebsbereich deutlich, indem sie die solare Absorption der Beschichtung maximieren (bis zu 95 %) und gleichzeitig die Infrarot-Emission reduzieren (5–10 %). Die Kombination selektiver Absorber mit Hybrid-Vakuum-Isolierplatten, die die Konvektionsverlustpfade unterhalb des Absorbers eliminieren, ermöglicht es modernen Flachkollektoren, nutzbare Wirkungsgrade bis zu 110 °C aufrechtzuerhalten. Dadurch können die Kollektoren auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für Sterilisation in hoher Qualität oder Dampferzeugung bei mittlerem Druck. Erste Feldversuche und Tests haben bestätigt, dass diese Systeme oberhalb von 90 °C etwa 18 % mehr Leistung erzeugen als herkömmliche Flachkollektoren.
Systemintegrationsaspekte für den kontinuierlichen industriellen Einsatz
Auswahl von Wärmeträgerflüssigkeiten: Druckwasser im Vergleich zu Glykolgemisch – Aspekte hinsichtlich Korrosion, Frostschutz und Wartung
Die Auswahl der Wärmeträgerflüssigkeiten wirkt sich erheblich auf Lebensdauer, Sicherheit und Effizienz des Systems aus. Druckwasser weist eine um 15 % höhere Wärmeleitfähigkeit als Glykolgemische auf (Internationale Energieagentur, 2023), was zu einer höheren Kollektorleistung und einer Reduzierung des Pumpenergiebedarfs führt. In gefährdeten Gebieten mit Frostgefahr weisen jedoch glykolbasierte Flüssigkeiten (üblicherweise Propylenglykol zur Einhaltung lebensmittelrechtlicher Anforderungen) erhebliche Nachteile auf:
- Thermischer Abbau durch Temperaturen über 120 °C erzeugt saure Nebenprodukte, die die Korrosionsrate erhöhen
- Jährliche Prüfung und Austausch der Flüssigkeiten verursachen zusätzliche Wartungskosten von rund 18.000 €/MWth
- Eine Viskositätssteigerung um 35 % führt zu geringerer Pumpeneffizienz und höherer parasitärer Last
Robuste Maßnahmen zur Frostverhütung, wie z. B. Entleerungssysteme (Drain-back) oder frostbeständige Rohrleitungen, können in Anlagen mit wässrigen Flüssigkeiten eingesetzt werden. Eine langfristige Verschlechterung der Flüssigkeit stellt kein Problem dar. In regulierten Umgebungen, beispielsweise in der Lebensmittelverarbeitung, sind Propylenglykol-Flüssigkeiten erforderlich, auch wenn sie Nachteile aufweisen.
Stufung von Flachkollektoren für unterschiedliche Prozesslasten (z. B. Pasteurisierung versus Spülen) – Temperatur-Zonierungsstrategie
Die Aufteilung thermischer Kreisläufe nach Prozesstemperatur ermöglicht eine bessere Solarnutzung über ein breites Spektrum variabler Lastprofile. Die räumliche Trennung der Spülkreisläufe bei niedrigeren Temperaturen (40–65 °C) und der Pasteurisierungskreisläufe bei höheren Temperaturen (70–85 °C) erlaubt eine optimale Dimensionierung der Solar-Kollektoren sowie eine Priorisierung der Wärmezufuhr. Dieser Ansatz umfasst:
- Parallel geschaltete Kollektorfelder, die speziell auf die jeweiligen Lasttemperaturen abgestimmt sind
- Prioritätsventile, die die Solarenergie gezielt zu zeitkritischen und wertvolleren Prozessen leiten
- Temperaturgesteuerte Umleiter, die niedriggradige Prozesse vor Überhitzung schützen
Brauereien, die diese Methode anwenden, berichteten über eine 60-prozentige Verdrängung der Kessellast während der Spitzenzeiten der Solareinstrahlung sowie über eine 22-prozentige Verkürzung der Amortisationsdauer. Dies zeigt, dass die thermische Staffelung von Prozessen den Wertgewinn außerhalb einer Systemneugestaltung durch Flachkollektoren optimieren kann.
Häufig gestellte Fragen
Welche Temperaturgrenzen haben Solar-Flachkollektoren in einem industriellen Umfeld?
Die meisten Lebensmittel- und Getränkeindustrien, die Textilfärberei sowie Dampfsterilisationsanlagen nutzen Wärme im Bereich von 60–90 °C, für den sich Flachkollektoren gut eignen.
Wodurch sinkt der Wirkungsgrad von Flachkollektoren oberhalb von 85 °C stark ab?
Mit steigender Temperatur des Absorbers nehmen die Strahlungs- und Konvektionsverluste zu, was zu einem Rückgang des Wirkungsgrads führt.
Auf welche Weise wurden Flachkollektoren angepasst, um auch bei höheren Temperaturen einsetzbar zu sein?
In modernen Anwendungen ermöglichen selektive Absorberschichten und hybride Vakuum-Isolierplatten, dass Flachkollektoren bis zu 110 °C betrieben werden können, wodurch ein breiterer Einsatz möglich ist.
Welche Wartungsprobleme sind mit der Verwendung von Glykol als Wärmeträgerflüssigkeit verbunden?
Wärmeträgerflüssigkeiten weisen eine höhere Viskosität auf und arbeiten weniger effizient; sie neigen bei hohen Temperaturen zur Korrosion (Abbau oberhalb von 120 °C) und erfordern häufigere Prüfungen, Austausch sowie damit verbundene Kosten.
Welche Vorteile bietet die Temperaturzonierung in einem industriellen Solarthermiesystem?
Die Nutzung einer Temperaturzonierung oder Segmentierung der thermischen Kreisläufe nach Prozessgrad ermöglicht die effizienteste Nutzung der Solarenergie bei unterschiedlichen Temperaturniveaus und verbessert dadurch die Gesamteffizienz und den Wert des Systems.