Direkte Prozessdampferzeugung mit Parabolrinnenkollektoren / 06.02.2013

Die Sonnenseiten des Sattdampfes

Solarkollektor erzeugt Prozesswärme

© Anna Durst, BINE Informationsdienst

Der Anteil solar produzierter Prozesswärme ist noch gering; das Potenzial allerdings hoch. Chemische Bäder erhitzen, solare Kälte erzeugen und Heißluft im Trockenofen nutzen: Dies sind klassische Beispiele für Prozessanwendungen. Ein Metallveredelungsbetrieb bei Wuppertal hat weltweit erstmals an das eigene Dampfnetz Parabolrinnenkollektoren angeschlossen, in denen direkt im Absorberrohr Dampf erzeugt wird. Die einfache Anlagentechnik macht Thermoöl als Wärmeträger überflüssig und spart fossil erzeugte Energie.

In Deutschland benötigt die Industrie mehr als 40% des Energiebedarfs; ein Viertel davon wird für Prozesswärme verwendet. Zumeist werden fossile Brennstoffe eingesetzt, in einigen Anlagen zusätzlich Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren, die die Wärme für Industrieprozesse oder für das Beheizen von Werkhallen erzeugen. Häufig wird Sattdampf als Transportmedium eingesetzt, um die Wärme von einem zentralen Erzeuger an verschiedene Verbraucher eines Betriebes zu verteilen. Die im Markt verbreiteten thermischen Solarkollektoren sind vor allem für die Erwärmung von Wasser im Temperaturbereich unter 100 °C geeignet. In industriellen Prozesswärmeanwendungen werden sie meist möglichst direkt mit ausgewählten Prozessen gekoppelt, die Wärme auf einem entsprechend niedrigen Temperaturniveau benötigen. Für höhere Temperaturen werden konzentrierende Kollektoren, beispielsweise Parabolrinnen, eingesetzt.

Die „Pilotanlage zur solaren Prozesswärmeerzeugung mit Parabolrinnenkollektoren“ (P3) wurde bei der Alanod Aluminium-Veredelung GmbH & Co. KG in Ennepetal nahe Wuppertal direkt im Betrieb erprobt. Alanod produziert unter anderem Aluminiumbänder mit selektiven Absorptionsschichten, die die Solarbranche für unterschiedliche Kollektortypen nutzt. In diese Produktionsanlage wurde im Rahmen des P3-Projektes ein solarer Dampferzeuger integriert. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Solar-Instituts Jülich (SIJ) der FH Aachen und des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart (ITW) haben gemeinsam mit den Industriepartnern Alanod und dem Kollektorhersteller Solitem die Versuchsanlage konzipiert.

Erstmals wird direkt in den Absorbern der Parabolrinnenkollektoren Prozessdampf erzeugt. In der Industrie wird Sattdampf bis 200 °C häufig für Produktionsprozesse gebraucht, daher wählten die Forscher auch für die Pilotanlage Dampf als Wärmetransportmedium, um ihn ohne Umwege einzuspeisen. Sattdampf ist Dampf bei Sättigungstemperatur. Mit Thermoöl als Transportmedium entstehen höhere Wärmeverluste als bei Dampf, da es über einen Wärmeübertrager geschickt werden muss und höhere Temperaturen im Kollektorfeld entstehen. Der Sattdampf kann sofort zum Prozess geleitet werden und spart so fossile Energie beim zentralen Dampferzeuger ein.

Um das eingesetzte Rohaluminium widerstandsfähiger zu machen, wird es bei der Veredelung mit einer Oxidschicht versehen (Eloxierung) – dabei entsteht eine poröse Oxidschicht. Im 95 °C heißen Sealingbad schließen sich die Poren der Aluminiumoxidschicht oberflächlich. Dieser Prozess benötigt Sattdampf von rund 140 °C und 4 bar. Sattdampf ist notwendig, um die Bäder schnell auf die benötigten Temperaturen zu erhitzen. Die in der Produktion vorhandene 9-bar-Trockner-Dampfschiene zum Betrieb der Bandtrockner eignet sich nicht für den solar erzeugten Dampf, da die Sonneneinstrahlung in Ennepetal nicht intensiv genug ist. Es würde länger dauern, bis Druck und Temperatur ausreichen; dies würde zu höheren Anlagekosten führen und bedeutet größere Verluste. Daher bietet sich die 4-bar-Dampfschiene an. An ihr sind sieben parallel verschaltete Bäder angeschlossen, durch die die Endlosbahn läuft. Das Aluminium durchläuft folgende Prozessschritte: Entfettung, Beize, Glanzbad, Abziehbad (Zwischenreinigung), Eloxalbad (Oxidschicht), Farbbad und Sealingbad. Die Bäder sind zwischen 10 und 20 m³ groß und benötigen Temperaturen zwischen 60 und 110 °C. Über Rohrleitungen wird die Wärme in Wärmetauschern und Rohrschlangen übertragen und diese erhitzen so die Bäder.

Direkte Dampferzeugung im Kollektorfeld

Hydraulisches Schema: Die solarthermische Anlage (Teil A) wurde in die bestehende Dampfschiene integriert (Teil B). © BINE Informationsdienst
6 mal 2: Die Parabolrinnenkollektoren befinden sich auf dem Flachdachder Firma Alanod – unten links im Bild das Besucherplateau. © DLR
Sattdampf ist unsichtbar: Bei 143 °C und 4 bar strömen Dampfblasen durch ein Schauglas an der Ennepetaler Parabolrinnenanlage. © BINE Informationsdienst

Seit Beginn des Probebetriebs im Juni 2010 kommt ein Teil des Dampfes von zwölf aufgeständerten Kollektoren auf dem Firmendach. 108 m² große Reflektorflächen fangen das Sonnenlicht ein. Dabei entsteht direkt im Absorberrohr Dampf, der in die vorhandene Dampfschiene eingespeist wird. Dies erlaubt eine einfache, automatische Anlagentechnik .

Um die Dampfproduktion zu starten werden die Parabolrinnen der Sonne nachgeführt. Die Rezirkulationspumpe leitet Wasser aus der Dampftrommel durch die Absorberrohre. Ein Teil des Wassers verdampft und die Wasserdampf- Mischung strömt in die Dampftrommel zurück; durch die Schwerkraft wird die Mischung getrennt. Dieser Kreislauf wird so lange betrieben, bis der notwendige Druck – und damit auch die entsprechende Temperatur – für die Einspeisung erreicht ist und das Rückschlagventil zur Dampfschiene der Produktion öffnet. Je nach eingespeister solar produzierter Dampfmenge und Niveau in der Dampftrommel wird Speisewasser aus der Dampfkesselanlage nachgeführt. So wird das Speisewasserniveau in der Trommel von mindestens 500 und maximal 1200 mm beibehalten. Die solarthermische Pilotanlage produziert eine Dampfmenge von ca. 50 kg/h und kann den Produktionsbedarf von ca. 4.000 kg/h nicht abdecken – die überwiegende Dampfmenge wird weiterhin fossil erzeugt.

Ausbeute und Amortisationszeit

Mit den Daten von 40 Messstellen konnten die Forschungspartner das Anlageverhalten untersuchen und hinsichtlich Volumenströmen, Pumpenleistungen und weiterer Faktoren optimieren. Die Parabolrinnenkollektoren produzieren inzwischen zuverlässig solaren Prozessdampf und koppeln diesen in die vorhandene Dampfschiene ein. Wie erwartet führen die vergleichsweise geringe jährliche Direktstrahlung und die niedrigen Sonnenstände im Winter betriebswirtschaftlich zu keinen interessanten Erträgen. Hinzu kommt die begrenzte Dachfläche, die die Sonnenausbeute ebenfalls reduziert.

Um die Anlage bilanzieren zu können, war neben der Messung der horizontalen Bestrahlung auch die Messung der direkten Bestrahlung in Reflektorebene notwendig. Die indirekt messenden Sensoren werden mit der Ausrichtung des Parabolrinnenkollektors einachsig der Sonne nachgeführt. In einer Simulation für den Standort Würzburg betrug die Ausbeute pro Kollektor und Jahr 531 kWh/m². Daraus ergibt sich eine energetische Amortisationszeit von 18,3 Monaten. Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitraum, den die Anlage braucht, um die bei der Herstellung aufgewendete Energie zurückzuliefern. Nur wenn diese energetische Amortisationszeit kleiner als die Lebensdauer ist, ist das System aus energetischer Sicht sinnvoll. Die Anlage amortisiert sich also nur durch Einsparung fossiler Energieträger. Die Kollektoren haben eine Lebensdauer von rund 25 Jahren und werden in dieser Zeit 12,5 MWh einsparen können, Transportverluste schon eingerechnet.

Mitteleuropäische Zwischenbilanz

Jede Industrieanlage hat spezifische Produktionsprozesse und -abläufe, daher ist jede Anlage ein Unikat und eine individuelle Planung unabdingbar. Das Projekt untersuchte die Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von Parabolrinnenkollektoren im mitteleuropäischen Klima. Obwohl die Sonnenstrahlung begrenzt und die Dachfläche relativ gering ist, sollte insbesondere die solare Dampferzeugung und Direkteinspeisung in die Dampfschiene von Industrieprozessen technisch realisiert und demonstriert werden. Diese Technik lässt sich für südlichere Klimazonen mit höherer Direktstrahlung exportieren und dort effizient nutzen.

Wenig Sonne ist nicht der einzige Hemmschuh: Der entsprechende Platz, die vorhandene Infrastruktur und die Kollektor-Ausrichtung sind entscheidende Faktoren. Die Direkteinspeisung hat vor allem Zeit- und Kostenvorteile. Aufwendige Infrastrukturmaßnahmen sind nicht erforderlich, wie etwa eigenes Speisewasser aufbereiten oder je Verbraucher eine Dampfzu- und Kondensatrückleitung anbringen. Beim Projekt zeigte sich, dass durch den direkten Anschluss an die Dampfschiene eine vergleichsweise einfache Ergänzung des Solarsystems möglich ist und sich eine aufwendige Steuerung erübrigte. Für Alanod dient das Solarfeld auch zur Demonstration ihres eigenen Reflektormaterials. Solitem kann insbesondere die neu gewonnen Erfahrungen in der Direktverdampfung in neuen Projekten nutzen. Alanod bieten sich dadurch ebenfalls neue Absatzmärkte für die eigenen Produkte.

Die Anlage wurde innerhalb von drei Jahren im Rahmen des Programms Solarthermie2000plus konzipiert und ist seit Juni 2010 in Betrieb.

Parabolrinnen: Bewährte Technologie

© Solar Millennium AG

Parabolrinnenkollektoren werden seit vielen Jahren erfolgreich in Prozesswärmeanlagen und solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Die Kollektoren sind parabolisch gebogene Spiegel, die das einfallende Sonnenlicht in einer Brennlinie fokussieren. Dort verläuft ein Absorberrohr, in dem die Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und einem zirkulierenden Wärmeträgermedium zugeführt wird. Die thermische Energie wird dann in einen Dampfkreislauf oder andere Verbraucher abgegeben. Normalerweise befindet sich Thermoöl als Wärmeträgermedium in den Absorberrohren, welches auf bis zu 400 °C erhitzt wird. Bei der Direktverdampfung wird Wasser direkt im Absorberrohr erhitzt und verdampft. Wasser ist im Gegensatz zu Thermoöl, das vorwiegend in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt wird, nicht toxisch und kostengünstiger.

Von Almería nach Ennepetal und zurück

Die solare Prozessdampferzeugung ist ein Spin-off von Entwicklungen für solarthermische Kraftwerke. Seit 1985 werden Parabolrinnenkraftwerke erfolgreich betrieben (z. B. in Südkalifornien) und haben sich als zuverlässige und ausgereifte Technologie ausgewiesen. In der Forschung und Entwicklung dieser Technologie ist Deutschland weltweit führend. Die deutsche Firma Solar Millennium AG hat die ersten Parabolrinnenkraftwerke Europas entwickelt. In Südspanien erzeugt das Kraftwerk Andasol 1 seit Dezember 2008 Strom, das baugleiche Schwesterprojekt Andasol 2 ist seit Frühsommer 2009 am Netz. Alle bisherigen Parbolrinnenkraftwerke setzen im Solarfeld ein synthetisches Thermoöl als Wärmeträger ein. Dies schränkt allerdings die Betriebstemperatur und damit den Anlagen-Wirkungsgrad ein. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird seit Anfang der 1990er Jahre in verschiedenen Projekten (wie zur Zeit DUKE) die Direktverdampfung in Parabolrinnen intensiv untersucht. Dabei wird Speisewasser aus dem Prozess direkt im Kollektorfeld verdampft und überhitzt, bevor es dem Anlagenprozess zugeführt wird. Vorteil sind nicht nur höhere Wirkungsgrade, sondern auch eine einfachere Anlagentechnik, z. B. fällt der Einbau von Wärmetauschern weg. Das erste Kraftwerk mit dieser Technologie wurde von der Firma Solarlite in Kanchanaburi (Thailand) errichtet. Um die Verbreitung der solaren Prozesswärmeerzeugung zu fördern, wurden in internationaler Zusammenarbeit im Task 33 (Solar Heat for Industrial Processes) des IEA Programms Solar Heating and Cooling Grundlagen erarbeitet und insbesondere mögliche Einsatzbereiche ermittelt. Geeignet sind die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, chemische Industrie, Wäscherei, Trocknungsprozesse, die Landwirtschaft und die Metallverarbeitung. Diese erfolgreiche Zusammenarbeit wird im neuen Task 49 (Solar Heat Integration in Industrial Processes) weitergeführt.

Beim Ennepetaler Projekt ging es den Beteiligten um die betriebstechnischen Grundlagen, solar erzeugte Prozesswärme zu gewinnen, um den kommerziellen Industriezweig samt Export in südlichere Breiten zu ebnen. Im Rahmen des Projektes wurde außerdem untersucht, wie die Prüfung von Parabolrinnenkollektoren in bestehende Normen integriert werden kann. In weiteren Projekten könnten die Kollektoren weiter optimiert, die Dampftrommel kleiner gestaltet und das hydraulische Anlagenkonzept weiter vereinfacht werden.

Mehr zum Projekt

Solare Prozesswärmeerzeugung

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte:

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Alanod Aluminium-Veredlung GmbH

Solitem GmbH

Solar-Institut Jülich der FH Aachen

Laufzeit: 2007 - 2010

Förderkennzeichen:

0329609A-C

 

Hier geht es zum BINE Projektinfo über dieses Forschungsvorhaben.