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Solarthermie für Wärmenetze
Solarwärme für Leipzig: Forschung ebnet den Weg ins Fernwärmenetz
Heute wurde Deutschlands größte Solarthermieanlage in Leipzig eingeweiht. Sie zeigt, wie Solarwärme im großen Maßstab Teil der kommunalen Wärmeversorgung werden kann. Grundlage dafür sind mehr als zehn Jahre angewandte Energieforschung: BMWE-geförderte Projekte haben Ertragsprognosen verbessert, Kollektoren für Wärmenetze ausgelegt, Regelungstechnik erprobt, Fertigungsprozesse vorbereitet und den Langzeitbetrieb in den Blick genommen.
In Leipzig-Lausen ist auf einer Freifläche im Westen der Stadt Deutschlands größte Solarthermieanlage entstanden. In langen Reihen stehen dort mehr als 13.000 Vakuumröhrenkollektoren: gläserne Röhren mit spiegelnden Reflektoren, die Sonnenstrahlung bündeln und Wärme erzeugen. Die Anlage soll jährlich rund 26 Gigawattstunden Wärme liefern. Damit kann Solarthermie künftig einen Teil der kommunalen Wärmeversorgung in Leipzig übernehmen – besonders in den sonnenreichen Monaten.
Für die Transformation der Wärmeversorgung ist das ein wichtiges Beispiel: Solarthermie kann nicht nur einzelne Gebäude versorgen, sondern auch erfolgreich in große Wärmenetze eingebunden werden. Genau hier liegt eine zentrale Aufgabe der angewandten Energieforschung. Sie muss Technologien so weit entwickeln, dass sie in der Praxis planbar, regelbar, langlebig und wirtschaftlich einsetzbar sind.
Solarthermie für Fernwärme: Warum Leipzig ein wichtiges Beispiel ist
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Bevor ein großes Solarfeld gebaut wird, steht eine zentrale Frage im Raum: Wie viel Wärme wird die Anlage unter realen Bedingungen liefern? Für Stadtwerke, Investoren und Planungsbüros ist diese Prognose entscheidend.
Genau hier setzte das Forschungsprojekt ScenoCalc Fernwärme an. Wie relevant belastbare Prognosen sind, zeigt eine Einordnung aus dem Projekt: Auslegung und Betriebsweise können darüber entscheiden, ob zusätzliche nutzbare Wärme entsteht oder Verluste auftreten. Die Forschenden entwickelten deshalb ScenoCalc Fernwärme, ein kostenfrei abrufbares Excel-Tool für solarthermische Großanlagen in Wärmenetzen. Es steht unter scfw.de zum Download bereit. Bei großen Wärmenetzen genügt es nicht, nur den Ertrag einzelner Kollektoren zu kennen. Dort spielen Rohrleitungen, Wärmeübertrager, Speicher, Netztemperaturen, Lastprofile und Wetterdaten zusammen.
ScenoCalc Fernwärme zeigt, wie zentrale oder dezentrale Einspeisekonzepte über ein Jahr hinweg arbeiten. Das Tool berücksichtigt stündliche Lastprofile und hilft, Solarthermieprojekte im Megawattbereich genauer zu planen und unterschiedliche Systemvarianten zu vergleichen.
„Bei großen Solarthermieanlagen entscheidet die Ertragsprognose früh über Vertrauen und Investitionssicherheit. Mit ScenoCalc Fernwärme ist ein Werkzeug geschaffen worden, das Planung transparenter und vergleichbarer macht.“Dominik Bestenlehner, Leiter der Forschung und Entwicklung bei Ritter Solartechnik
CPC-Vakuumröhrenkollektoren für die kommunale Wärmeversorgung
Ein Solarfeld für ein Fernwärmenetz funktioniert anders als eine Anlage auf einem Gebäudedach. Es muss größere Wärmemengen bereitstellen, mit höheren Netztemperaturen umgehen und aus vielen Kollektoren ein gut verschaltetes Gesamtsystem bilden. Deshalb zählen neben dem Ertrag auch Montage, Verrohrung, Hydraulik und Betrieb. Das Forschungsprojekt CPC-Vakuumröhrenkollektor für solarthermische Großanlagen setzte bei diesen Anforderungen an: Die Forschenden legten Hochleistungskollektoren so aus, dass sie sich für Wärmenetze und andere Großanwendungen zuverlässig und wirtschaftlich nutzen lassen.
CPC steht für Compound Parabolic Concentrator. Spiegel lenken die Sonnenstrahlung auf Vakuumröhren, in denen Wasser als Wärmeträger erhitzt wird. Diese Bauweise kann auch bei höheren Temperaturniveaus effizient arbeiten. Für Fernwärmenetze ist das wichtig, weil Solarwärme dort nicht nur möglichst viel Energie liefern, sondern auch zur jeweiligen Netztemperatur passen muss. Bei einem für Fernwärme relevanten Temperaturniveau von 75 Grad Celsius wird für den CPC-Vakuumröhrenkollektor ein standardisierter Bruttowärmeertrag von mehr als 600 Kilowattstunden pro Quadratmeter angegeben.
Das Forschungsprojekt nahm dafür das gesamte Kollektorfeld in den Blick: Hydraulik, Montagesysteme, Verrohrung, Kollektorschaltungen sowie Leistungs- und Ertragstests. Die Forschenden untersuchten also nicht nur, wie ein einzelner Kollektor arbeitet, sondern wie viele Kollektoren gemeinsam zu einem leistungsfähigen solarthermischen Wärmeerzeuger werden. Daraus entstanden Grundlagen für Anlagen, die hohe Wärmeerträge ermöglichen und zugleich mit vertretbarem Aufwand gebaut, verschaltet und betrieben werden können.
„Ein hoher Kollektorertrag ist nur der Ausgangspunkt. In großen Solarthermieanlagen entscheidet sich die Wirtschaftlichkeit auch auf der Baustelle: bei Montage, Verrohrung, Verschaltung und später im Betrieb.“Jan Neyrinck, Teamleiter Projekte bei Ritter Solartechnik
Großsolarthermie seriennah fertigen: Rohrregister ohne Sammelrohre
Damit Solarthermieanlagen im großen Maßstab entstehen können, muss die Technik zuverlässig und in großer Stückzahl herstellbar sein. Das Forschungsprojekt HYDRA-RoS setzte deshalb bei einem zentralen Bauteil an: dem Rohrregister im Vakuumröhrenkollektor.
In klassischen Kollektoren führen Sammelrohre mehrere Rohrstränge zusammen. Das funktioniert, erfordert aber zusätzliche Produktionsschritte und kann beeinflussen, wie gleichmäßig das Wasser durch das Kollektorfeld strömt. HYDRA-RoS ging einen anderen Weg: Das Projekt entwickelte ein Rohrregister ohne Sammelrohre. Komplex gebogene Rohrmäander werden dabei nicht in Sammelrohre geführt, sondern an einem runden Anschluss gebündelt – dem sogenannten Trommelanschluss. So lässt sich der Wärmeträger anders durch den Kollektor führen und das Bauteil zugleich für eine seriennahe Fertigung vorbereiten.
Damit daraus mehr wird als eine konstruktive Idee, brachte das Projekt mehrere Entwicklungsschritte zusammen: Strömungssimulation, Rohrbiegetechnik, Fügeverfahren, Demonstrationsanlage, Qualitätsprüfung sowie Labor- und Feldtests. In der Feldtestanlage absolvierten Kollektoren, Sensoren und Aktoren 41 gezielt herbeigeführte Stresstestzyklen. So entstand ein Kollektoransatz, der hydraulische Vorteile mit einer seriennahen Fertigungsperspektive verbindet.
„Bei HYDRA-RoS ging es um die Frage, wie sich ein hydraulisch besseres Kollektorkonzept tatsächlich fertigen lässt. Erst das Zusammenspiel aus Simulation, Rohrbiegetechnik, Fügeverfahren und Qualitätssicherung macht aus einer Idee eine industriell nutzbare Lösung.“Dominik Bestenlehner, F&E-Leiter bei Ritter Solartechnik
Wie Solarwärme in große Wärmenetze eingespeist wird
Wie im Projekt CPC-Vakuumröhrenkollektor spielt auch im Projekt SPSFW die Größe der Solarthermieanlage eine wichtige Rolle. Je größer eine Solarthermieanlage wird, desto anspruchsvoller werden Steuerung und Regelung. Ein großes Kollektorfeld reagiert auf wechselnde Sonneneinstrahlung, Außentemperaturen und Betriebszustände im Fernwärmenetz. Die Anlage muss Wärme dann einspeisen, wenn sie erzeugt wird, und zugleich sicher betrieben werden.
Das Forschungsprojekt SPSFW – Speicherprogrammierbare Steuerung zur solarthermischen Fernwärmeunterstützung setzte genau an dieser Schnittstelle an. Die entwickelten Steuerungsroutinen stimmen den Anlagenbetrieb kontinuierlich auf solare Erzeugung, Netztemperaturen und Wärmeabnahme ab. In der Feldtestanlage der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgungan an der TU Dresden gelang damit ein stabiler Einspeisebetrieb bei 90 Grad Celsius. Die Temperatur schwankte dabei nur um etwa drei Kelvin – ein wichtiger Nachweis der Temperaturkonstanz für den Betrieb auf fernwärmerelevantem Temperaturniveau.
Für Stadtwerke ist dieser Schritt entscheidend. Solarthermie ergänzt im Fernwärmenetz bestehende Erzeuger und versorgt Speicher und Verbraucher. Damit sie ihren Beitrag leisten kann, muss sie in die Logik des gesamten Versorgungssystems eingebunden werden.
„Entscheidend ist nicht allein, wie viel Wärme das Solarfeld erzeugt. Entscheidend ist, wann und auf welchem Temperaturniveau diese Wärme ins Netz gelangt. Die Steuerung macht aus schwankender Solarwärme einen planbaren Beitrag zur Fernwärmeversorgung.“Dr. Rolf Meißner, Projektleiter bei Ritter Solartechnik
Wärmeversorgung auf Basis erneuerbarer Energien: Was die Forschung dazu beiträgt
Die Leipziger Solarthermieanlage ist keine Forschungsanlage. Sie zeigt aber, was aus Forschung werden kann, wenn Ergebnisse über mehrere Projekte hinweg weitergeführt und von Unternehmen, Planern und Energieversorgern aufgegriffen werden. Unterstützt wurde die Anlage über die Bundesförderung für effiziente Wärmenetze. Der technische Weg dorthin führt über eine Reihe von BMWE-geförderten Forschungsprojekten, die große Solarthermieanlagen berechenbarer, leistungsfähiger, regelbarer und betriebssicherer gemacht haben.
ScenoCalc Fernwärme, CPC-Vakuumröhrenkollektor, SPSFW und HYDRA-RoS setzen an unterschiedlichen Stellen an: Wie lässt sich der Ertrag berechnen? Wie müssen Kollektoren für große Anlagen ausgelegt sein? Wie gelangt Solarwärme zuverlässig ins Netz? Wie lassen sich Bauteile seriennah fertigen? Und wie bleibt die Anlage über viele Jahre leistungsfähig? In Leipzig laufen diese Entwicklungsschritte nun in einem Infrastrukturprojekt zusammen. (az)
„Forschung braucht langen Atem. Die Anlage in Leipzig zeigt, dass Transfer selten in einem einzelnen Forschungsprojekt entsteht. Erst wenn Berechnung, Kollektortechnik, Regelung, Fertigung und Betrieb zusammenspielen, wird aus Forschung ein Baustein für die Wärmeversorgung auf Basis erneuerbarer Energien.“Dominik Bestenlehner, F&E-Leiter bei Ritter Solartechnik
