HP-BIG: Senkung des Wärmepreises bei solarthermischen Großanlagen mit Heatpipe-Vakuumröhrenkollektoren

Solarthermische Großanlagen für die Versorgung von Wärmenetzen, Industrieprozessen und Gewerben können einen signifikanten Beitrag zur Dekarbonisierung des Wärmesektors leisten und gewinnen zunehmend an Bedeutung für die sog. Wärmewende. Zentrales Projektziel ist daher die Steigerung der Attraktivität derartiger Anlagen und die deutliche Senkung des Wärmepreises im Vergleich zum Stand der Technik. Um dies zu erreichen, werden im Projekt Anlagen mit Heatpipe-basierten (HP) Vakuumröhrenkollektoren weiterentwickelt. Aufgrund ihrer einfachen Hydraulik und der inhärenten Möglichkeit, die Kollektortemperatur gezielt zu begrenzen, bieten diese ein noch nicht erschlossenes Potential für den Einsatz in den anvisierten Anwendungsbereichen, vor allem bei der Prozesswärmeerzeugung und bei der Unterstützung von Wärmenetzen mit hohen solaren Deckungsanteilen. Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung bildet das Produkt MEGA-Kollektor der Fa. AKOTEC sowie die Erkenntnisse der Verbundpartner aus den bisherigen Forschungsaktivitäten mit HP-Kollektoren.

Das Projekt gliedert sich in drei wesentliche Phasen: In der 1. Phase werden Machbarkeitsstudien und Daten zu solarthermischen Großanlagen recherchiert sowie repräsentative Installationen messtechnisch untersucht, um technische und nicht-technische Anforderungen für die Entwicklung der Großanlagen konkret und praxisbezogen zu definieren. In der 2. Phase werden unterschiedlichen Ansätze verfolgt, die zunächst darauf basieren die Fertigungsverfahren auf neue Materialkombinationen zu adaptieren und damit kostengünstige und zugleich leistungsfähige Vakuumröhren zu entwickeln. Weiterhin sollen rückseitig angebrachte Reflektoren die solare Ausbeute der Kollektoren erhöhen. Dies soll zunächst simulativ anhand optischer Modelle untersucht und später durch Messungen an geeigneten Prototypen überprüft werden. Ziel dieser Arbeiten ist die Entwicklung leistungsfähiger Großflächenmodule, die mit ihrer Begrenzung der Kollektortemperatur zudem individuell auf die unterschiedlichen Anforderungen der Systeme abgestimmt sind, und damit eine brauchbare Alternative zu herkömmlichen sog. direkt durchströmten Kollektoren darstellen. Im Bereich des Solarkreises ermöglichen HP-Kollektoren eine deutliche Vereinfachung der Verrohrung. Da durch die Temperaturbegrenzung eine Überhitzung des Solarkreises ausgeschlossen werden kann, können Rohrleitungen aus Kunststoff, kleiner dimensionierte Kompensationsgefäße und preiswerte Komponenten eingesetzt werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus dem wartungsarmen Betrieb der Anlagen. In der 3. Phase des Projekts wird eine Demonstrationsanlage in Form eines Live-Lab für die Bewertung der neuen Entwicklungen unter realen Umgebungs- und Betriebsbedingungen umgesetzt und langzeitig untersucht. Abschließend erfolgt eine energetische, wirtschaftliche und ökologische Evaluation, wobei insgesamt eine deutliche Senkung des Wärmepreises bei solarthermischen Großanlagen erwartet wird.

Veröffentlichungen:

• A. M. Kallert, H. Gebhardt, B. Schiebler, F. Giovannetti, A. Oliva, D. Schüwer, S. Weismann:
  Neubau und Transformation hocheffizienter Wärmenetze im Kontext der Dekarbonisierungund Flexibilisierung unserer Energiesysteme, Vortrag bei FVEE-Jahrestagung: Forschung für die Wärmewende – klimaneutral, effizient und flexibel, Berlin, 12.-13.10.2022.
• P. Schossig, J. Binder, N. Szarka, Th. Pregger, Ch. Kost, R. Niepelt, V. Hagenmeyer, Ch. Krüger: Klimaneutrale Wärmeversorgung –Bedeutung für die Energiewende und Herausforderungen bei Technik, Wirtschaftlichkeit und Regulierungen, Vortrag bei FVEE-Jahrestagung: Forschung für die Wärmewende – klimaneutral, effizient und flexibel, Berlin, 12.-13.10.2022.
• A. M. Cadenbach, S. Weismann, H. Gebhardt, A. Oliva, B. Schiebler, D. Schüwer,:
  Neubau und Transformation hocheffizienter Wärmenetze im Kontext der Dekarbonisierungund Flexibilisierung unserer Energiesysteme, FVEE-Jahresbericht: Forschung für die Wärmewende – klimaneutral, effizient und flexibel, S. 90, https://www.fvee.de/wp-content/uploads/2023/06/th2022.pdf, 2022.
• B. Schiebler, G. Saade M. Kirchner, J. Jensen, F. Giovannetti, N. Brokamp:
  Solare Wärmenetze: Eine Analyse von Machbarkeitsstudien und bereits realisierten Großprojekten, Posterbeitrag beim 13. Projektleitungstreffen der Forschungsinitiative Energiewendebauen, Dresden, 26.-27.04.2023.
• B. Schiebler, G. Saade M. Kirchner, J. Jensen, F. Giovannetti, N. Brokamp:
  Solarthermische Großanlagen in Wärmenetzen: Eine Analyse von Machbarkeitsstudien und Messdaten aus realisierten Projekten, Posterbeitrag beim Symposium Solarthermie und innovative Wärmesysteme, Bad Staffelstein, 09.-11.05.23.
• B. Schiebler, G. Saade M. Kirchner, J. Jensen, F. Giovannetti, N. Brokamp:
  „Solarthermische Großanlagen in Wärmenetzen: Eine Analyse von Machbarkeitsstudien und Messdaten aus realisierten Projekten“, Posterbeitrag beim Tag der Energieforschung der Leibnitz Universität, Hannover, 09.05.23.
• J. Jensen, B. Schiebler, F. Giovannetti: Sonnenkollektoren in Wärmenetzen: Eine Analyse von Machbarkeitsstudien und bereits realisierten Großprojekten, Vortrag bei der Norddeutschen Wärmeforschung, Göttingen, 08.06.23.
• D. Tschopp, P. Ohnewein, M. Hamilton-Jones, P. Zaunera, L. Feierl, M. Moser, M. Zellinger, Ch. Kloibhofer, M. Koren, S. Mehnert, S.tefano Pauletta, F. Giovannetti, B. Schiebler
  SunPeek Open-Source Software for ISO 24194 Performance Assessment and Monitoring of Large-Scale Solar Thermal Plants, Konferenzbeitrag bei der ISEC – 3rd International Sustainable Energy Conference 10.-11.04.2024, https://doi.org/10.52825/isec.v1i.1248, 2024.
• J. Jensen, B. Schiebler, F. Giovannetti: Simulationsstudie mit temperaturbegrenzenden Wärmerohrkollektoren zur Speisung in Fernwärmesysteme, Posterbeitrag beim 15. Projektleitungstreffen der Forschungsinitiative Energiewendebauen, Kassel, 10.-11.04.2024.
• J. Jensen, B. Schiebler, F. Giovannetti: Simulationsstudie zu temperaturbegrenzenden Kollektoren in solarthermischen Großanlagen, Vortrag bei der 2. Konferenz zur Norddeutschen Wärmeforschung, Hamburg, 19.-20.09.24.
• J. Jensen, B. Schiebler, S. Kabelac, F. Giovannetti: Modeling of solar thermal heat pipe collectors with overheating prevention in system simulations, Solar Energy, Bd. 282, S. 112861, https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.112861, 2024.