Monitoring von solarthermischen Großanlagen
Von Mario Sedlak
Seit 2010 fördert der österreichische Klima- und Energiefonds große Solarwärme-Anlagen. Ausgewählte Projekte wurden von „AEE Institut für Nachhaltige Technologien“ (AEE INTEC) bzw. AIT (Austrian Institute of Technology) über einen Zeitraum von mehreren Jahren jeweils ein Jahr lang im Echtbetrieb wissenschaftlich beobachtet. Die Experten der AEE können alle Arten von Solarthermienutzung im Echtbetrieb prüfen und etwaige vorhandene Optimierungspotenziale finden.
Auf den folgenden Seiten stellen wir einige Anlagen zum Zeitpunkt des jeweiligen Monitorings 1 kurz vor. Ein Kriterium für die Auswahl war, die Vielfalt an möglichen Kombinationen bei den solarthermischen Großanlagen abzubilden. Zu allen Anlagen gibt es ausführliche Monitoringberichte online; für detaillierte Informationen greifen Sie bitte auf diese Berichte zu.
Bei einigen Anlagen konnten mit Hilfe der Begleitforschung Optimierungspotenziale identifiziert und gehoben werden – was einmal mehr zeigt, wie sinnvoll es ist, Solaranlagen im laufenden Betrieb überprüfen zu lassen.
1 Die Monitoringberichte für die hier vorgestellten Anlagen umfassen den Zeitraum 2010 bis 2012 und geben den Status zu diesem Zeitpunkt wieder. Anlagen können in der Zwischenzeit verändert worden sein. Die Erkenntnisse aus dem Monitoring sind für ähnlich konzipierte Anlagen immer noch von Relevanz. Die detaillierten Informationen zu den einzelnen Anlagen finden Sie in den Berichten des jeweiligen Jahres auf der Homepage www.solare-grossanlagen.at. Wir haben bei jeder Anlage dazugeschrieben, in welches Berichtsjahr das Monitoring gefallen ist.
KATEGORIE EINSPEISUNG IN WÄRMENETZE
Fernheizwerk Graz Süd
- 489 kWh/m2a
- 0,12 % solarer Deckungsgrad
- 2490 m2 2-fach abgedeckte Flachkollektoren
- kein Pufferspeicher
Die größte österreichische solarthermische Anlage ist erweitert worden. Trotz hohem Temperaturniveau des Fernwärmenetzes, in das direkt eingespeist wird, ist der Ertrag sehr gut. Durch eine genauere Drehzahlregelung konnte eine verbesserte Anpassung des Volumenstroms an die schwankende Sonneneinstrahlung erreicht werden, was eine konstantere Vorlauftemperatur und somit ein höheres Potenzial zur Netzeinspeisung bedeutet. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2011.
Nahwärme Eibiswald, Stmk.
- 431 kWh/m2a
- 12 % solarer Deckungsgrad (im Sommer bis 91 %)
- 2450 m2 Flachkollektoren, tw. 2-fach abgedeckt
- 105 + 68,5 m3 Pufferspeicher
Bei dieser Anlage wird die Sonnenenergienutzung mit einem Biomasse-Heizwerk kombiniert. Sommerliche Überschüsse werden für die Hackgut-Trocknung verwendet. Pufferspeichermanagement und Kesseleinsatz zeigten keinerlei Optimierungspotenzial. Die Kombination, insbesondere die kaskadische Nutzung unterschiedlicher Kollektortypen, erwies sich als effiziente, kostengünstige Option. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2011.
Salzburg Lehen
- 533 kWh/m2a
- 25 % solarer Deckungsgrad
- 2048 m2 Flachkollektoren
- 200 m3 Pufferspeicher
Das Besondere dieses Projekts ist eine speichergekoppelte Wärmepumpe, die Solarerträge geringer Temperatur als Wärmequelle nutzt und somit einen erheblichen Anteil am vergleichsweise hohen spezifischen Solarertrag hat. Gleichzeitig vergrößert das er zielte tiefe Temperaturniveau im unteren Teil des Pufferspeichers das nutzbare Speichervolumen. Die mittlere Laufzeit der Wärmepumpe ist außerordentlich hoch, da nur ein Teil der Grundlast abgedeckt wird. Das Konzept hat sich bewährt. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2011.
Nahwärme Weichstetten, St. Marein, OÖ
- 421 kWh/m2a
- 8 % solarer Deckungsgrad
- 250 m2 Flachkollektoren
- 20 m3 Pufferspeicher
In diesem Fallbeispiel entlasten die Sonnenkollektoren einen Hackgutkessel. Relativ niedrige Vor- und Rücklauftemperaturen ermöglichen einen effizienten, ertragreichen Betrieb der Solaranlage. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Nahwärme Großklein, Stmk.
- 418 kWh/m2a
- 7,8 % solarer Deckungsgrad
- 485 m2 Flachkollektoren
- 50+5 m3 Pufferspeicher
Hier werden die Sonnenkollektoren mit einem Biomassekessel und zwei Ölkesseln kombiniert. Zwei dezentrale Kollektorflächen versorgen primär ein Ärztezentrum und speisen Überschüsse in das Nahwärmenetz ein. Durch eine umgesetzte Optimierung konnte das Auftreten von unnötigen Pumpen- und Rohrverlusten reduziert sowie eine Durchmischung sekundärseitiger Pufferspeicher vermieden werden. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Krankenhaus Elisabethinen, Graz
- 504 kWh/m2a
- 49 % solarer Deckungsgrad
- 362 m2 Flachkollektoren
- 20 m3 Pufferspeicher
Das ist ein Beispiel für eine Kombina tion von Sonnen energie mit Fern wärme in einem Mikronetz. Die Anlage zeigt ein drucksvoll die Leistungsfähigkeit solarthermischer Systeme unter guten Auslegungs- und Betriebsbedingungen. Niedertemperaturwärmeabgabesysteme, die sogar im Sommer angefordert werden, sorgen für hohe Solarerträge. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2011.
Bundessportzentrum Faaker See, Faak, Kärnten
- 324 kWh/m2a
- 8 % solarer Deckungsgrad
- 250 m2 Flachkollektoren
- 25 m3 in 6 Pufferspeichern
Hauptwärmelieferanten sind hier zwei Ölkessel. Es handelt sich um eine komplexe Wärmeversorgungsanlage mit überdimensionierten Frischwassermodulen, wodurch hohe Temperaturniveaus und hohe Volumenströme resultieren. Eine Vielzahl an Einzelspeichern führte zu hohen Wärmeverlusten. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Nahwärme Schillerstraße, Gleisdorf, Stmk.
- 335 kWh/m2a
- 2 % solarer Deckungsgrad
- 250 m2 Flachkollektoren
- 2 × 15 m3 Pufferspeicher
Die Kollektoren decken weitgehend den Sommerbedarf ab. Problematisch sind hohe Netztemperaturen, die für einzelne Kunden benötigt werden. Diese sollen in Zukunft dezentral versorgt werden. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Nahwärme Düringer, Schwarzenberg, Vbg.
- 257 kWh/m2a
- 9,7 % solarer Deckungsgrad
- 100 m2 Vakuumröhrenkollektoren
- 3 m3 Pufferspeicher
Die Sonnenenergienutzung wird hier mit Hackgut- und Ölkesseln kombiniert. Aufgrund eines zu geringen Aufstellwinkels (20 Grad statt 30 Grad) bleiben Schmutz und Schnee auf den Kollektoren liegen. Weil der Speicher klein ist und im Sommer wenig Wärme benötigt wird, kommt es in der Jahreszeit häufig zur Stagnation der Solaranlage. Der gemessene Wirkungsgrad ist gleich wie bei Flachkollektoren. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
KATEGORIE SOLARE PROZESSWÄRME
Fleischwaren Berger, Großklein, NÖ
- 408 kWh/m2a
- 3,5 % solarer Deckungsgrad
- 1067 m2 2-fach abgedeckte Flachkollektoren
- 60 m3 Pufferspeicher
Hier kam erstmals in Österreich ein Montagesystem basierend auf Stahlankern zum Einsatz. Spezielle, in das Erdreich gebohrte Stahlanker sorgen da bei für den Entfall von Betonballast und für eine einfache Nivellierung der Unterkonstruktion. Dadurch werden Kosten reduziert und die Sicherheit bei Windbelastung erhöht. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Beschlägefabrik Julius Blum, Gaißau-Höchst, Vlbg.
- 442 kWh/m2a
- 6,3 % solarer Deckungsgrad
- 460 m2 Vakuumröhrenkollektoren ohne Glykol
- 2 × 8 m3 Pufferspeicher
Neben den Sonnenkollektoren stehen in dieser Anlage Gaskessel und die Abwärme von zwei Kompressoren als Wärmequellen zur Verfügung. Die Solarwärme wird hauptsächlich für Beschichtungsbecken (70 °C) verwendet. Ansonsten unterstützt sie die Raumwärmeversorgung. Aus dem Monitoring ergab sich, dass die Frostschutzschaltung der Solaranlage aufgrund falscher Messwerte unnötig aktiviert worden ist. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Fixkraft Kraftfutter, Enns, OÖ
- 343 kWh/m2a
- 324 m2 Flachkollektoren
- 6 m3 Pufferspeicher
Die Solaranlage dient zur Vorwärmung von 15 bis 26 Kubikmeter Frischwasser je Tag, was andernfalls mit zwei Gaskesseln erfolgt. Wichtig war bei diesem Projekt, dass auch Abwärme (Rauchgas und Brüdendampf) effizient genutzt werden. Eine beträchtliche Steigerung des solaren Ertrags um rund 24 Prozent könnte bei einer Vergrößerung des Pufferspeichervolumens von 6 Kubikmeter auf 14 Kubikmeter erreicht werden. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Foto: Fixkraft Futtermittel GmbH
Holztrocknung Reich, Gurten, OÖ
- 473 kWh/m2a
- 60 % solarer Deckungsgrad
- 102 m2 Flachkollektoren
- 10 m3 Pufferspeicher
Die Trocknung von Hackgut erfolgt zu 100 Prozent mit Sonnenenergie. Außer dem unterstützt die Solaranlage einen Holzofen. Die Menge des zu trocknenden Hackguts wird auf das zur Verfügung stehende Angebot solarer Wärme angepasst. Im Winter erfolgt keine Trocknung; dann wird die Solarenergie für Heizung und Warmwasser verwendet. Die Trocknung läuft mit einer Photovoltaik-Anlage. Deshalb kann die Betriebszeit nicht ausgedehnt werden und Wärmeüberschüsse im Speicher bleiben ungenutzt. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
KATEGORIE HOHE SOLARE DECKUNGSGRADE
Seniorenwohnheim Großklein, Stmk.
- 309 kWh/m2a
- 19,3 % solarer Deckungsgrad
- 120 m2 Flachkollektoren
- 4 × 1,5 m3 Pufferspeicher
Die Sonnenenergie ersetzt hier Fernwärme. Im Sommer erfolgt sogar eine Rückspeisung ins Fernwärmenetz. Aufgrund durchgängig hoher Speichertemperaturen kam es zu relativ hohen Wärmeverlusten und Kühlraumabwärme konnte nicht genutzt werden. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Landgasthaus Schwab, Gleisdorf, Stmk.
- 352 kWh/m2a
- 37,1 % solarer Deckungsgrad
- 101 m2 Flachkollektoren
- 6,2 m3 Pufferspeicher
Wärmequelle neben der Sonne ist hier ein Ölkessel. Die Solaranlage produziert im Sommer Überschüsse. Im Winter könnte einer von zwei Warmwasserspeichern weggeschaltet werden, um Wärmeverluste zu verkleinern. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Sternen Hotel Wolfurt, Wolfurt, Vbg.
- 356 kWh/m2a
- 15 % solarer Deckungsgrad
- 167 m2 Flachkollektoren
- 2 × 2,5 m3 Pufferspeicher
Das Hotel ist an die örtliche Nahwärme angeschlossen. Auffallend war, dass die Zirkulationsverluste den eigentlichen Warmwasserverbrauch übertrafen. Ein Kollektorfeld war hydraulisch schlechter durchströmt, weshalb es zu höheren Austrittstemperaturen gekommen ist. Teilweise wurde sogar die Siedetemperatur (170 °C) überschritten. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Trotec Büro- und Fertigungsareal, Marchtrenk, OÖ
- 695 kWh/m2a
- 42 % solarer Deckungsgrad
- 160 m2 Flachkollektoren
- 3 m3 Pufferspeicher + 2700 m2 Erdspeicher
Sonnenenergie wird hauptsächlich in den Erdspeicher eingebracht, der als Quelle für die Wärmepumpe dient. Die Optimierung der Betriebsmodi in dieser Kombination hat sich als sehr komplex herausgestellt. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2012.
ETG Sonnenhaus, Rankweil, Vorarlberg
- 213 kWh/m2a
- 97 % solarer Deckungsgrad
- 121 m2 Flachkollektoren
- 8 m3 Pufferspeicher + Fundamentplatte
Der solare Deckungs grad ist beachtlich hoch. In Folge dessen ist jedoch der spezifische Ertrag gering und es gibt ungenutzte Überschüsse (Stillstandszeiten) im Sommer. Aufgrund der häufigen Schaltzyklen der Wärmepumpe im Teillast betrieb wird der Kühlbetrieb ineffizient. Als Abhilfe könnte ein Kältespeicher eingesetzt werden. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
KATEGORIE KLIMATISIERUNG
Hotel Metbräu, Brodersdorf, Stmk.
- 382 kWh/m2a
- 102 m2 zweifach abgedeckte Flachkollektoren
- 3 × 2 m3 Pufferspeicher
Es wurde ein geringer Wirkungsgrad der Kältemaschine gemessen. Als Ursache wurde ermittelt, dass der Betreiber die Kältemaschine manuell ein- bzw. ausschaltete – ungeachtet der aktuellen Temperaturverhältnisse im System. Häufig waren im Pufferspeicher die erforderlichen 65 °C für die Absorptionskältemaschine nicht vorhanden. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2010.
Fruchtsaftproduktion Krispel, Markt Hartmannsdorf, Stmk.
- 374 kWh/m2a
- 30 % solarer Deckungsgrad
- 100 m2 zweifach abgedeckte Flachkollektoren
- 20 m3 Pufferspeicher
Die Sonnenenergie dient hier einer Absorptionskälte maschine, einzelner Prozesse der Fruchtsaftherstellung sowie der Raumheizung und Warmwasserbereitung des Betriebs. Die Effizienz der Kältegenerierung ist mittelmäßig, aber unter den vorherrschenden Betriebsbedingungen und verwendeten Komponenten bzw. Konfigurationen praktisch nicht verbesserungsfähig. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2011.
Pumpenfabrik Kral, Lustenau, Vbg.
- 487 kWh/m2a
- 72 % solarer Deckungsgrad
- 553 m2 Vakuumröhrenkollektoren ohne Glykol
- Therm. Kältemaschine 150 kW
- 15 m3 Wärmespeicher
- + 10 m3 Kältespeicher
Die thermische Kältemaschine bildet in dieser Anlage ge meinsam mit einer 150-kW-Kompressionskältemaschine und einer reversiblen Wärmepumpe, die 115 kW leistet, ein hybrides Kälteversorgungskonzept mit gemeinsamer Rückkühlanlage. Das Monitoring ergab unter anderem, dass die Frostschutzschaltung der Solaranlage durch Einbeziehung der Außentemperatur optimiert werden könnte, so dass hierfür weniger Wärme gebraucht wird. Details finden Sie im Endbericht des Jahres 2011.