HP-SYS – Entwicklung und Demonstration innovativer, stagnationssicherer solarthermischer Anlagen mit Heat-Pipes-Kollektoren

Solarthermische Anlagen sind als energieeffiziente erneuerbare Wärmeerzeuger schon lange am Markt etabliert. Hohe Kosten und Komplexität stellen aber wesentliche Barrieren zur Verbreitung dar und verhindern die Erschließung ihres großen Potentials. Neue technische Lösungen zur Verbesserung ihrer Wirtschaftlichkeit und allgemein zur Steigerung ihrer Akzeptanz sind dringend gefragt. Neuartige Sonnenkollektoren mit Wärmerohren (engl. heat pipes) bieten hierzu einen viel versprechenden Ansatz. Durch die gezielte Auslegung der Wärmerohre wird eine Begrenzung der Maximaltemperatur im Solarkreis auf 125°C erreicht ohne die Leistungsfähigkeit im Anwendungstemperaturbereich zu beeinträchtigen. Die Entschärfung der Stagnations- bzw. Überhitzungsproblematik ermöglicht günstigere Systemkonfigurationen mit Verrohrungen aus Kunststoff, kleiner dimensionierten Kompensationsgefäßen und preiswerten Solarstationen. Durch eine einfachere Installation und einen wartungsarmen Betrieb ist für diese Systeme eine deutlich höhere Kosteneffizienz zu erwarten.

Derartige Kollektoren wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens „HP-Koll“ (BMWi, FKZ 325550 A-C) erfolgreich entwickelt und bewertet. Die Erkenntnisse über ihr Systemverhalten und ihre wirtschaftlichen Vorteile basieren auf Tests an konventionellen Trinkwarm-wasseranlagen unter Laborbedingungen, Simulationen und Kostenschätzungen. Zentrales Projektziel des aktuellen Forschungsvorhabens „HP-SYS“ ist die Konzeptionierung und Erprobung neuartiger solarthermischer Anlagen im Feld. Dabei sollen Flach- und Vakuumröhrenkollektoren mit Wärmerohren zum Einsatz kommen, die einen stagnationssicheren und dampffreien Betrieb gewährleisten. Durch günstigere Komponenten und geringeren Aufwand für Installation und Betrieb wird eine Senkung der Wärmegestehungskosten um 20-30 % im Vergleich zu Standardsystemen erwartet, was im Projekt geprüft werden soll.

Das Forschungsvorhaben gliedert sich in zwei wesentliche Phasen: In einer ersten Phase werden die neuen Komponenten (Rohrleitungssysteme, Solarstationen) im Labor untersucht sowie Systemkonfigurationen mit Flach- und Vakuumröhrenkollektoren erarbeitet und experimentell getestet. In einer zweiten Phase werden ausgewählte Konfigurationen in realen Demonstrationsanlagen realisiert und umfassend untersucht. Ziel des Anlagenmonitorings ist die Bewertung der Systemleistung, des Verhaltens im Stagnationsfall und der Gebrauchstauglichkeit neuer Komponenten in realen Solarkreisen sowie die Prüfung deren Wirtschaftlichkeit. Die experimentellen Labor- und Felduntersuchungen werden durch Simulationen begleitet, welche die Anlagen mit ihren thermohydraulischen Eigenschaften beschreiben.

Veröffentlichungen:

• B. Schiebler, F. Weiland, F. Giovannetti, O. Kastner, S. Jack: Improved flat plate collector with heat pipes for overheating prevention in solar thermal systems, Conference Proceedings, ISES Solar World Congress 2019, Santiago, Chile, November, 2019
• B. Schiebler, Julian Schumann, F. Giovannetti: „Experimentelle Bewertung von stagnationssicheren Flachkollektoren mit Wärmerohren zur solaren Trinkwarmwasserbereitung in Thermosiphonsystemen“, 30. Symposium Solarthermie und Innovative Wärmesysteme, Online-Konferenz 12.-14. Mai 2020
• J. Schumann, B. Schiebler, F. Giovannetti: „Bewertung verschiedener Rückseitenreflektoren in stagnationssicheren Vakuumröhrenkollektoren“, 30. Symposium Solarthermie und Innovative Wärmesysteme, Online-Konferenz 12.-14. Mai 2020
• B. Schiebler, D. Walentin, J. Schumann, F. Giovannetti: Experimental evaluation of stagnation-safe flat plate collectors with heat pipes for domestic hot water preparation in thermosiphon systems, Conference Proceedings, EuroSun Conference 2020, Online, September, 2020
• B. Schiebler, D. Walentin, S. Tan, J. Schumann, F. Giovannetti: „Bewertung einer Solarthermieanlage mit stagnationssicheren Wärmerohrkollektoren in einem innovativen Systemkonzept“, 31. Symposium Solarthermie und Innovative Wärmesysteme, Online-Konferenz 27.-29. April 2021
• Schumann, J.; Schiebler, B.; Giovannetti, F.: “Performance Evaluation of an Evacuated Tube Collector with a Low-Cost Diffuse Reflector”, Energies, Bd. 14, Nr. 24, https://doi.org/10.3390/en14248209, 2021
• Jensen, J.; Schiebler, B.; Giovannetti, F.: „Simulationsstudie stagnationssicherer Wärmerohrkollektoren – Vergleich zwischen Simulation und Praxis“. Konferenzbeitrag 32. Symposium Solarthermie und Innovative Wärmesysteme, Bad Staffelstein, 3.-5. Mai 2022
• Schiebler, B.; Wagner, L.; Jensen, J.; Giovannetti, F.: „Innovatives Systemkonzept mit stagnationssicheren Wärmerohrkollektoren im Praxistest“: Ergebnisse aus den Feldtestanlagen. Konferenzbeitrag 32. Symposium Solarthermie und Innovative Wärmesysteme, Bad Staffelstein, 3.-5. Mai 2022
• Schiebler, B.; Beier, T.; Köhler, J.; Jensen, J.; Giovannetti, F.: „Projektabschluss HP-SYS: Entwicklung und Demonstration innovativer, stagnationssicherer solarthermischer Anlagen mit Heat-Pipe-Kollektoren“. Konferenzbeitrag 32. Symposium Solarthermie und Innovative Wärmesysteme, Bad Staffelstein, 3.-5. Mai 2022
• Jensen, J.; Schiebler, B.; Giovannetti, F: “A TRNSYS Type for the simulation of temperature limiting heat pipe collectors”, Conference Proceedings, EuroSun-Conference, Kassel, 25.-29. September 2022 (in press)
• Schiebler, B.; Köhler, J.; Wagner, L.; Jensen, J.; Giovannetti, F.: „Heat pipe collectors with overheating prevention in a cost-optimized system concept: Monitoring of system performance and stagnation loads under real conditions”, Solar Energy Advances, Bd. 3, S. 100040, https://doi.org/10.1016/j.seja.2023.100040, 2023.
• Schiebler, B.; Jensen, J.; Giovannetti, F.; Rompel, A.: Entwicklung und Demonstration innovativer, stagnationssicherer solarthermischer Anlagen mit Heat-Pipe-Kollektoren, Abschlussbericht FKZ: 03ETW005, ISFH, 2022