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Wie Demax-Solarsysteme für thermische Prozesswärme industrielle Prozesswärme bereitstellen
Abstimmung der solaren thermischen Leistung auf wichtige industrielle Temperaturbereiche (80–400 °C)
McKinsey erläutert, dass die höchste Nachfrage nach industrieller Wärme (über 50 %) bei Heizanforderungen unterhalb von 400 Grad Celsius auftritt. Demax konzentriert sich daher auf ihre Technologie für den Temperaturbereich bis 400 °C. Genau hier laufen die meisten industriellen Prozesse in den Vereinigten Staaten ab. Diese Flexibilität erstreckt sich über verschiedene Branchen – von Lebensmittelverarbeitungsbetrieben mit Heizanforderungen zwischen 100 und 250 Grad bis hin zu chemischen Herstellern, die typischerweise im Bereich von 300 bis 400 Grad arbeiten. Dank ihres modularen Designs wird keine Energie verschwendet, da die Anlage stets genau den Anforderungen des jeweiligen Prozesses entspricht. Zudem liefert sie eine vollständig saubere Wärmeversorgung für die Sterilisation von Geräten, das Trocknen von Produkten sowie den Betrieb von Destillationsprozessen.
Kerntechnologie: Integration von Parabolrinnen und evakuierten Röhren in modularen solarthermischen Anlagen.
Das Demax-System integriert zwei Arten von Solartechnologien. Erstens Parabolrinnen, die die direkten Sonnenstrahlen auf Wärmeempfängerrohre konzentrieren und Temperaturen von 150 bis 400 Grad Celsius erzeugen; diese arbeiten am effizientesten bei direkter Sonneneinstrahlung. Zweitens verwendet das System vakuumdichte, evakuierte Röhren, die hervorragend Wärme auch bei diffuser Beleuchtung erfassen und sich daher besonders für Anwendungen mit niedrigeren Temperaturen eignen. Bei Einsatz als hybride Architekturen zeigt die Forschung eine Effizienzsteigerung von bis zu 24 % gegenüber Systemen mit nur einer Technologie. Jedes Modul umfasst etwa 500 Quadratmeter und erzeugt etwa 0,5 Megawatt thermische Leistung. Durch dieses modulare Konzept können Unternehmen die Einheiten schrittweise einsetzen – je nach steigenden Produktionsanforderungen oder im Zuge von Werksmodernisierungen.
Warum Low-Concentration-CSP besser für industrielle solarthermische Anwendungen geeignet ist
Vorteile gegenüber High-Concentration-CSP: Effizienterer Betrieb unter 250 °C, geringere Betriebs- und Wartungskosten, überlegene Leistung bei Teillastbedingungen
Bei Betriebstemperaturen von etwa 250 °C ist CSP mit niedriger Konzentration CSP mit hoher Konzentration überlegen, da es bei Dampfanwendungen – beispielsweise in der Lebensmittelverarbeitung und der Textilfärbung – eine um ca. 15 bis 25 % verbesserte thermische Effizienz bietet. Der Grund hierfür ist, dass CSP mit niedriger Konzentration weniger komplizierte Optik- und Nachführsysteme verwendet, was zudem eine geringere tägliche Betriebskomplexität bedeutet; dies führt wiederum zu einer Reduzierung der Betriebs- und Wartungskosten um 30 %, einer deutlichen Verringerung der Wartungsstillstandszeiten sowie einer konstanten thermischen Energieabgabe trotz wechselnder solaren Strahlungsbedingungen im Tagesverlauf. Eine 2023 durchgeführte Studie zur Thermofluidstabilität zeigte, dass Fabriken tagsüber thermisch schnell und an bewölkten Tagen zudem thermisch flexibel betrieben werden können.
Die Designphilosophie von Demax konzentriert sich auf Zuverlässigkeit, thermische Integration, modulare Skalierbarkeit und eine direkte Wärmeabfuhrmethode, die Verluste während der elektrischen Umwandlung minimiert.
Das Ingenieurteam von Demax konzentriert sich bei seinen Konstruktionen auf drei spezifische Bereiche. Erstens: ausschließlich thermische Energiebereitstellungsmethoden. Sie haben festgestellt, dass etwa 97 % der eingefangenen Solarenergie bei der direkten thermischen Erfassung genutzt werden – ein beeindruckendes Ergebnis im Vergleich zu anderen Verfahren. Zweitens: Das modulare Design ihrer solarthermischen Anlagen ermöglicht eine einfache Erweiterung des Systems und macht umfangreiche Änderungen am Systemdesign überflüssig. Kleinskalige Installationen beginnen bei 500 kWth, können jedoch auf mehrere Megawatt erweitert werden. Darüber hinaus können die Systemkomponenten tagtäglich kontinuierlich betrieben werden. Praxiserprobungen haben gezeigt, dass ihre Komponenten selbst unter extremen Betriebsbedingungen weniger als 1 % Degradation pro Jahr erfahren. Diese Kombination aus Konstruktionsentscheidungen ermöglicht es den Herstellern, die wichtigsten Aspekte ihrer Systeme zu gewährleisten: eine konsistente und zuverlässige thermische Energieerzeugung ohne die Nachteile herkömmlicher Systeme.
Integration von solarthermischen Anlagen in industrielle Prozesse
Beispiel: Solarthermisches System mit 1,8 MWth zur Erzeugung von 125 °C heißem Dampf für die Lebensmittelverarbeitung in Spanien (2023)
Im Jahr 2023 war eine Lebensmittelverarbeitungsanlage in Spanien mit einem 1,8-MWth-Solarthermiesystem von Demax die erste ihrer Art im Land, die Dampf bei der für die Sterilisation und Reinigung erforderlichen Temperatur von 125 °C erzeugen konnte. Dieses System ist in eines der bestehenden Kesselsysteme des Unternehmens integriert und verfügt über ein großes, 2300 m² umfassendes Vakuumröhrenkollektorfeld, das eine Reduzierung des Erdgasverbrauchs um rund 28 % ermöglichte. Dadurch ergibt sich eine jährliche Verringerung der CO2-Emissionen um etwa 420 Tonnen. Zudem war es aufgrund der hohen solaren Einstrahlung in Spanien und der wettbewerbsfähigen industriellen Energiepreise finanziell sinnvoll für das Unternehmen, das System mit voller Leistung zu betreiben, da sich die Anlage wirtschaftlich innerhalb von weniger als fünf Jahren amortisierte. Dies ist insbesondere für Unternehmen von Vorteil, deren thermische Energiebedarfe überwiegend tagsüber anfallen und damit zeitlich mit der Verfügbarkeit solarthermischer Energie zusammenfallen.
Bewältigung der Schwankungsanfälligkeit: Wärme-speicherung auf Basis von Phasenwechselmaterialien (PCM) für eine steuerbare Wärmeversorgung über 6–10 Stunden
Die thermische Speicherung mittels Phasenwechselmaterialien (PCM) hilft, das Problem der Schwankungsanfälligkeit solarer Energie für industrielle Anwendungen zu lösen. Ein Beispiel hierfür ist die spanische Fabrik, die PCM-Kapseln auf Basis von Salzhydraten einsetzt. Diese PCMs absorbieren überschüssige Wärme bei etwa 118 Grad Celsius und geben die gespeicherte Wärme zu einem späteren Zeitpunkt als Dampf wieder ab, wodurch die Fabrik auch nachts ohne fossile Brennstoffe als Backup betrieben werden kann. Diese Anlage erreicht zudem eine jährliche Solarnutzung von rund 92 % – deutlich mehr als die typischen 60–70 % anderer Anlagen, die solarthermische Energie ohne Speicher nutzen. Die PCM-Technologie hat sich als echter Game-Changer für Hersteller aus den Branchen Lebensmittel, Pharmazie und Chemie erwiesen, bei denen eine konstante Wärmeversorgung für den Betrieb entscheidend ist.
Häufig gestellte Fragen
Welchen Temperaturbereich adressieren die solarthermischen Systeme von Demax?
Die solarthermischen Systeme von Demax adressieren industrielle Heizanforderungen bis hinab zu 400 Grad Celsius.
Warum wird eine solarthermische Kraftwerksanlage mit niedriger Konzentration für industrielle Anwendungen unterhalb von 250 °C bevorzugt?
Oberhalb von 250 Grad Celsius stellen die Betriebs- und Wartungskosten sowie mögliche Schwankungen der Wärmeleistung Probleme dar. Unterhalb von 250 Grad Celsius sind solarthermische Kraftwerksanlagen mit niedriger Konzentration kostengünstiger im Betrieb und in der Wartung und eignen sich besser zur Erfüllung konstanter Wärmeleistungsanforderungen, da geringe Wärmeleistungen und Schwankungen der zugeführten Sonnenwärme keine Rolle spielen.
Welche Kerntechnologien kommen in den solarthermischen Systemen von Demax zum Einsatz?
Demax verfügt über modulare solarthermische Anlagen, die Parabolrinnen und Vakuumröhren kombinieren. Diese technologische Integration führt im Vergleich zu Systemen, die ausschließlich nur eine dieser Technologien nutzen, zu einer Effizienzsteigerung von 24 Prozent.
Wie integriert sich das Demax-System in bestehende industrielle Prozesse?
Mit dem Demax-System bleiben bestehende industrielle Prozesse unverändert, da ausschließlich die Kesselsysteme modifiziert werden. Diese Änderung ermöglicht es den Prozessen, weniger Erdgas zu verbrauchen und geringere Mengen Kohlenstoffemissionen freizusetzen.