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Die solarthermische Erwärmung von Trinkwarmwasser ist eine der häufigsten Anwendungen im Nichtwohnbereich. Gute Anwendungsbeispiele sind Campingplätze, Hotels, Sportstätten, Autowaschanlagen, Friseure oder Wäschereien. In der Regel erfolgt in diesen Einrichtungen die Bereitstellung von Warmwasser über einen konventionell beheizten Speicher, der meist den Tagesbedarf beinhaltet.

Solarthermische Anlagen arbeiten mit deutlich größeren Speichern, damit auch für ein paar strahlungsarme Tage ausreichend Warmwasser zur Verfügung steht. Für die Einbindung von solarer Wärme in das vorhandene System ist im Vorfeld zu prüfen, inwieweit der vorhandene Speicher weiter genutzt werden kann, oder durch den Solarspeicher ersetzt werden sollte.

Erfahrungsgemäß wird die Bedeutung von Solarspeichern unterschätzt. Nicht nur die optimale hydraulische Verschaltung mehrerer Speicher (Tichelmann_[1] ), sondern auch die lückenlose Wärmedämmung und syphonartig ausgeführte Speicheranschlüsse sind Voraussetzung für möglichst geringe Speicherverluste und ein effizientes System. Im Übrigen sollte der Solarkreisertrag mit Hilfe eines Wärmemengenzählers überwacht und dokumentiert werden.

Im Bereich der Kollektortechnik stehen im Wesentlichen zwei Bauformen zur Auswahl: Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren. Flachkollektoren können von einem Solarfluid oder Luft durchströmt werden.

Häufig trifft man im gewerblichen Bereich auf Flachdächer. Hier bietet der durchströmte Vakuumröhrenkollektor gegenüber dem Flachkollektor einen entscheidenden Vorteil: der Röhrenkollektor muss nicht aufgeständert, sondern kann dachparallel montiert werden. Dies führt zu einer vergleichsweise schlanken Unterkonstruktion, einer geringeren Dachbelastung und geringeren Kosten für das Montagesystem.

Je umfangreicher und kontinuierlicher die erzeugte solare Wärme genutzt wird, desto wirtschaftlicher ist der Anlagenbetrieb. Eine Schlüsselgröße für die Auslegung der Kollektorfläche ist die sogenannte Auslastung. Sie gibt das Verhältnis der Menge an Warmwasser pro Quadratmeter Kollektorfläche an. Empfehlenswert sind folgende Richtwerte für die Größe der Kollektorfläche und das dazu passende Speichervolumen:

Kollektorfläche

Flachkollektoren:

Auslastung [l/m²] = 60 Liter (45°C) pro Quadratmeter Kollektorfläche

Vakuumröhrenkollektoren:

Auslastung [l/m²] = 40 Liter (45°C) pro Quadratmeter Kollektorfläche

Speichervolumen

Flachkollektoren:

Speicherinhalt = 60 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche

Vakuumröhrenkollektoren:

Speicherinhalt = 80 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche

Achtung:

Diese Richtwerte ersetzen keine Planung, können jedoch im Vorfeld einer Entscheidungsfindung hilfreich sein. Das optimale Speichervolumen hängt stark von der Korrelation zwischen den solaren Gewinnen und dem thermischen Belastungsprofil des betrachteten Prozesses ab.

Neben der solaren Trinkwassererwärmung spielt die solare Heizungsunterstützung eine zunehmend größere Rolle. Hierbei wird ein im Vergleich zur Trinkwasserwärmung in Bezug auf die Kollektorfläche und das Speichervolumen größeres System gewählt. Bei Vorhandensein eines flüssigkeitsgeführten Heizkreissystems können Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden. Besteht ein Heizwärmebedarf für eine Lagerhalle, eine Lackiererei oder eine KFZ-Werkstatt, können zweckmäßigerweise Luftkollektoren zum Einsatz kommen, da in der Regel ein Warmluftverteilsystem bereits vorhanden ist.

Aufgrund der saisonalen Verschiebung zwischen Sonnenenergieangebot und Heizwärmebedarf wird mit vertretbarem Aufwand in den meisten Fällen eine solare Heizungsunterstützung in der Übergangszeit in Frage kommen. Wichtig ist bei Betrachtungen zur solaren Raumheizung, dass eine Abnahme der solaren Wärme (Trinkwarmwasser, solare Kühlung) in den Sommermonaten erfolgt, weil die Anlage ansonsten häufig in der sogenannten Stagnation ist und nicht nutzbare Überschüsse produziert. Für eine saisonale Speicherung solarer Wärme können auch neuere Konzepte wie das des Eisspeichers oder eTank mit Erdspeicher in Verbindung mit einer Wärmepumpe realisiert werden. Der eTank ist ein aus mehreren Schichten Erdreich bestehender Speicher, in dem die gerade nicht benötigte Energie aus der Solaranlage zwischengepuffert und bei Bedarf über eine Wärmepumpe dem Heizsystem zugeführt wird. Der eTank ist zusätzlich nach oben und zu den Seiten wärmegedämmt, nach unten zum angrenzenden Erdreich hin offen.

Der Begriff solare Prozesswärme beschreibt die Nutzung der Solarwärme bei der Bereitstellung industriell und gewerblich genutzter Wärme.

In allen durchgeführten Potenzialstudien zur solaren Prozesswärme wurde das Ernährungsgewerbe als besonders vielversprechend bezeichnet. Verbreitete Prozesse sind das Pasteurisieren bei 60 bis 145 °C, das Kochen um die 100 °C, das Blanchieren von Gemüse- und Fleischprodukten (65 bis 95 °C), das Trocknen von Gemüse und Früchten (40 bis 240 °C) sowie das Reinigen von Produktionsanlagen (60 bis 90 °C). Aber auch andere Gewerbe zeigen ein vielversprechendes Potential auf.

Folgende Abbildung zeigt eine Übersicht von Branchen und der wesentlichen Prozesse innerhalb der Branche, die für eine Nutzung solarer Prozesswärme geeignet sind.

Heute verfügbare Kollektoren, insbesondere Vakuumröhrenkollektoren, können hier mit einer ausreichenden Effizienz Wärme bereit stellen. Die größte Herausforderung im Bereich solarer Prozesswärme bestehet - nach einer intensiven Analyse aller thermischen Prozesse - in der Integration eines geeigneten Solarkonzepts in das bestehende System. Während bei der Anwendung im häuslichen Bereich zur Trinkwassererwärmung oder Raumwärmebereitstellung einige wenige, klar definierte Anlagenkonzepte zur Verfügung stehen, ist dies bei der Anwendung im industriellen Bereich weitaus variabler und komplexer.

Bei der industriellen Anwendung kann die Solarwärme entweder zur energetischen Versorgung bzw. Unterstützung einzelner oder mehrerer Prozesse genutzt werden oder eine Ebene höher im Heißwasser- oder Dampfnetz eingespeist werden. Da für jedes dieser Anwendungsgebiete verschiedene Anlagenkonzepte realisierbar sind, stellt die Systemintegration eine besondere Herausforderung dar. Sie beeinflusst maßgeblich die solar bereitzustellende Solltemperatur, den Betrieb der Solaranlage und den erzielbaren Jahresertrag.

 

Eine integrale Planung umfasst folgende vier Schritte:

• eine Machbarkeitsabschätzung zu Beginn, ob eine solarthermische Anlage im betrachteten Betrieb sinnvoll sein kann


• ‚eine umfangreiche Datenerhebung und Darstellung des energetischen Ist-Zustandes, vor allem des Anfalls und der Höhe des Wärmebedarf-Lastprofils (Monitoring)


• ƒReduktion des Prozesswärmeverbrauchs durch Energieeffizienzmaßnahmen  (Einsatz von wettbewerbsfähigen, weniger energieintensiven Technologien, Prozessoptimierung und Wärmerückgewinnung)


• „eine intelligente Kombination der bestehenden Wärmeversorgung mit einer thermischen Solaranlage

 

Mit diesem Vorgehen kann ein ökonomisches Gesamtkonzept realisiert werden, in das die solare Bereitstellung von Prozesswärme sinnvoll eingebunden ist. Als Grundlage der integralen Planung dient die strukturierte und umfassende Datenerhebung, die alle relevanten Informationen wie z.B. den Wärmebedarf mit Temperaturniveau und zeitlichem Anfall einbezieht. Diese Informationen sind sowohl für die Umsetzung von Maßnahmen zur Energieeffizienz notwendig, als auch für die Identifikation der am besten geeigneten Art der Systemintegration einer thermischen Solaranlage.

Beispielhaft für eine Anwendung mit hohem Potenzial sei hier die Vorwärmung von Wasser für Brau- und Reinigungszwecke in der Hütt-Brauerei genannt. Bei der mittelständischen Hütt-Brauerei Bettenhäuser GmbH & Co. KG (ca. 6.000 m³ Bier Jahresproduktion, Standort: Baunatal, Nordhessen) wurde im Mai 2010 eine thermische Solaranlage zur Vorwärmung von (Brau-) Wasser realisiert, das für Brau- und Reinigungszwecke benötigt wird. Die Solaranlage ist Teil des Energiekonzeptes, das den Energieeinsatz bei der Würze-Herstellung im Sudhaus verringern soll. Ausgangspunkt des Energiekonzeptes war die Installation einer neuen, energiesparenden Technologie zur Würzekochung. Darauf aufbauend wurde die Betriebsweise der Wärmerückgewinnung verbessert und eine Solaranlage in die Warmwasserreserve der Brauerei integriert.

Die Solaranlage besteht aus 155 m² Flachkollektoren und einem 10 m³ Pufferspeicher. Je nach Füllstand des Entleerungsspeichers der Warmwasserreserve wird kaltes Brauwasser (15°C) aus den sogenannten Vorlaufbehältern über den Pufferspeicher der Solaranlage auf bis zu 90°C aufgeheizt. Da das Brauwasser eine Vorstufe des Bieres darstellt, musste ein spezieller Entlade-Wärmeübertrager verwendet werden, der für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie geeignet ist. Zusätzlich muss der Druck im Brauwasserkreis stets über dem Druck des Pufferkreises liegen, was durch eine entsprechend ausgelegte Pumpe und Sicherheitsarmaturen gewährleistet ist.

Die Investitionskosten für die Solaranlage und die Einbindung in die Warmwasserreserve betrugen ca. 95.000 €. _[1] Im Rahmen des Programmes „Solarthermie2000plus“ wurden 50% der Investitionskosten durch das Bundesumweltministerium gefördert. Die geplante Amortisationszeit von ungefähr neun Jahren für die Solaranlage ließ sich durch die optimierte Wärmerückgewinnung weiter verkürzen.

 

Häufig scheitern Projekte im Vorfeld im Rahmen der Kostenbetrachtung an den in der Industrie geforderten kurzen Amortisationszeiten. Hinzukommen oftmals besondere Anforderungen (wie z.B. Edelstahlverrohrung in der Lebensmittelindustrie oder besondere Leckagesicherheit), die zu höheren Kosten führen. Zunehmend gibt es jedoch Unternehmen, die aus Gründen steigender Energiepreise oder Marketing-Aspekten längere Amortisationszeiten in Kauf nehmen.

Die Kühlung bzw. Klimatisierung von Gebäuden ist mit einem großen Energieverbrauch insbesondere in den Sommermonaten verbunden. Hier bietet sich eine Nutzung von Sonnenenergie geradezu an. Bei den marktbeherrschenden Kompressionskältemaschinen handelt es sich immer um elektrische Energie. Inwieweit die Photovoltaik dazu einen sinnvollen Einsatzbereich erschließen kann, ist abzuwarten. Unabhängig von dieser Fragestellung werden in den meisten konventionellen Kompressionskälteanlagen Kältemittel eingesetzt, die zwar hinsichtlich ihres Potentials zur Zerstörung der Ozon-Schicht der Erdatmosphäre unbedenklich, hinsichtlich des Treibhauseffekts aber extrem wirksam sind. In den marktverfügbaren solarthermisch angetriebenen Kältetechnologien kommen ausschließlich Substanzen zum Einsatz, die keine Relevanz bezüglich des Treibhauseffekts aufweisen. In den Technologien Adsorption und sorptionsgestützte Klimatisierung ist Wasser sogar das einzige Kältemittel.

Man unterscheidet bei den solarthermisch angetriebenen Kältetechnologien:

• Absorption (Kaltwasser)


• Adsorption (Kaltwasser)


• Sorptionsgestützte Klimatisierung (Luftkonditionierung)

 

Absorptionskältemaschinen (AbKM)

Diese unterscheiden sich von Kompressionskältemaschinen dadurch, dass anstelle des mechanischen Verdichters ein thermischer Verdichter eingesetzt wird. Die folgende Abbildung zeigt das Schema der Anlage.

Kondensator, Kältemitteldrossel und Verdampfer bilden den Kälteteil der Anlage, der nur vom Kältemittel durchflossen wird. Der thermische Kompressor besteht aus Absorber, Lösungspumpe, Austreiber und Lösungsdrossel. Durch Wärmezufuhr aus der Kollektoranlage wird im Generator das Kältemittel aus dem Gemisch Kältemittel und Lösungsmittel ausgetrieben.

Abgesehen von dem elektrischen Leistungsbedarf der Lösungsmittelpumpe wird die AbKM also nur durch thermische Energie angetrieben.

 

Adsorptionskältetechnik

Die Adsorptionskältemaschine (AdKM) besteht im Wesentlichen aus einem Vakuumbehälter, der in vier Kammern unterteilt ist.

Dem Verdampfer (untere Kammer), dem Austreiber und Sammler (mittlere Kammern) sowie dem Verflüssiger (obere Kammer). Die Austreiber/Sammler sind durch Klappenventile, die sich vollautomatisch durch die in der Maschine herrschenden Druckunterschiede öffnen oder schließen, jeweils mit dem darüberliegenden Verflüssiger und dem darunter liegenden Verdampfer verbunden. Die AdKM arbeitet mit Wasser als Kältemittel und z.B. Zeolith als Adsorbens. Zur Kälteerzeugung werden die physikalischen Eigenschaften von Zeolith und Wasser genutzt. Wasser verdampft bei niedrigen Drücken schon bei geringen Temperaturen und Zeolith kann große Mengen Wasser verlustfrei und reversibel sowie ohne Volumenvergrößerung binden und dieses bei Wärmezufuhr wieder freisetzen. Die Wärmezufuhr zur Desorption des adsorbierten Wassers kann effizient über eine thermische Solaranlage erfolgen, da bereits Temperaturen von 55 °C zur Kälteerzeugung genutzt werden können.

Bei der sorptionsgestützten Klimatisierung (SGK) spricht man von einem offenen Verfahren, da die zu klimatisierende Luft in direktem Kontakt mit dem Kältemittel steht. Als Kältemittel kommt Wasser zum Einsatz. Die Luft wird bei diesem Verfahren nicht nur erwärmt, sondern auch entfeuchtet. Hierbei können feste oder flüssige Sorbentien zum Einsatz kommen.

Kennwerte der unterschiedlichen Kältetechniken zeigt die folgende Tabelle

Projekte zur Solaren Prozesswärme und Solaren Kühlung werden besonders gut finanziell unterstützt. Förderungen gibt es bei dem Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (bafa) im Rahmen der Innovationsförderung und der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) mit dem Programm 271 premium.