Stefan Brunold

Über 19 % des Endenergieverbrauchs in der Schweiz fallen auf die Industrie. Davon wird die Hälfte für die Bereitstellung von Prozesswärme eingesetzt und hauptsächlich durch fossile Brennstoffe erzeugt [BFE, Schweizergesamtenergiestatistik 2014]. Der Einsatz von solarer Prozesswärme durch Anlagen mit solarthermischen Kollektoren zeigt daher grosses Potenzial und wird in einer Machbarkeitsstudie «Sol-Ind Swiss» näher untersucht. Dabei wird der Fokus auf den thermischen Energieverbrauch bei Temperaturen unter 130 °C gelegt. Des Weiteren werden im Rahmen des Projektes anhand von drei Fallbeispielen standardisierte Systemlösungen für die Planung und Einbindung einer solarthermischen Anlage in das System der thermischen Energieversorgung bearbeitet. Im Fokus stehen dabei die Ertragsrechnung der Anlage unter Berücksichtigung des Standorts, der Kosten für Kollektorfeld und Integration sowie die CO₂-Einsparung durch den Ersatz von fossilen Brennstoffen durch Solarenergie.

Im Projekt ColourAge wurden umfangreiche Untersuchungen zur Lebensdauerabschätzung von selektiven Solarabsorberschichten auf Aluminium durchgeführt. Der Einfluss von hoher Feuchtigkeit und von Kondensation von Wasser auf der Absorberoberfläche, welche zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften und zu Materialdegradationen führen können, wurden in Abhängigkeit von der Temperatur intensiv studiert. Für die Charakterisierung der Materialeigenschaften und zur Identifizierung der wichtigsten Degardationsmechanismen wurden spezifische Analysetechniken verwendet: XPS, TEM für die Untersuchungen von Oberfläche / Interface, EDX für die chemische Analyse sowie UV-Vis-NIR und FTIR Spektroskopie für optische Messungen.

Eine Solar-Eis-Heizung wurde im Rahmen eines Pilot- und Demonstrationsprojekts ausgelegt und erstellt. Die Heizung versorgt seit 2017 ein Wohn- und Gewerbegebäude mit 2050 m² Energiebezugsfläche mit Raumwärme und Warmwasser. Die Hauptkomponenten der Heizung sind 120 m² unverglaste, spektral selektive Solarwärmekollektoren, ein Eisspeicher mit 210 m³ Volumen, und eine zweistufige Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 45 kW thermischer Leistung (B0/W35). Die Wärmetauscher im Eisspeicher werden im Winter periodisch enteist und konnten deswegen mit geringer Übertragungsfläche ausgelegt werden.

Das 2002 eingeführte "SPF Zertifikat Solarglas" entwickelte sich in der Solarthermiebranche weltweit zu einem willkommenen Werkzeug zur Qualitätssicherung und wurde 2012 auf Solarglas für PV-Module erweitert. Im Rahmen dieser Zertifizierung wird der Einfluss der Transmission, deren Änderung aufgrund von Solarisation, sowie des Winkelfaktors (IAM) auf die Leistungsfähigkeit des Endproduktes (Solarkollektor bzw. PV-Modul) in einen einzigen Faktor kondensiert. Das Zertifizierungsverfahren für Gläser für PV-Module ist jedoch relativ aufwändig und dadurch zeit- und kostenintensiv. Zudem können damit farbige Gläser nicht immer korrekt bewertet werden. Die Nachfrage nach farbigen PV-Modulen, insbesondere für die Integration von Photovoltaik in die Gebäudehülle, steigt stetig. Daher soll im Rahmen des Projektes CoSoG4PV das Verfahren auf farbige Solargläser erweitert und hinsichtlich Aufwand optimiert werden. Hierzu wird am SPF eine neue Messtechnik entwickelt und die Methodik für das SPF-Zertifikat Solarglass PV angepasst.

Gemeinsam mit TVP Solar und Planair SA wird in diesem Projekt eine Industrielle Solarthermieanlage mit neuartigen Vakuumflachkollektoren gebaut. Auf 211 m² Fläche wird eine Anlage mit 164 kW Nennleistung erstellt, die rund 8% des Wärmebedarfs am Standort decken soll. Der Beitrag des SPF beinhaltet ein mehrjähriges Monitoring, Levelized Cost of Heat, Energie- und Exergieberechnungen.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines einfach abgedeckten PVT-Kollektors mit hoher elektrischer und thermischer Effizienz und einem selbstsicheren Überhitzungsschutz realisiert durch Absorber-Shifting. Als Wärmeübertrager kommt ein Aluminium-Rollbondabsorber zum Einsatz, mit welchem einerseits gute thermische Eigenschaften realisiert werden können und andererseits eine smarte Integration des Überhitzungsschutzmechanismus möglich ist. Die Entwicklung umfasst den Aufbau eines Prototyps im Massstab 1:1, dessen Leistungsmessung im Labor sowie eine Beurteilung seines Verhaltens bei Exposition auf dem Testdach des Institutes.

Der Dienstleistungssektor macht etwa 16 % des schweizerischen Endenergieverbrauchs aus (GES 2017). Mehr als die Hälfte der in diesem Sektor verbrauchten Energie wird für die Bereitstellung von Niedertemperaturwärme (< 120 °C) für Heizung, Warmwasserbereitung und Prozesswärme verwendet, welche hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Für diesen Temperaturbereich ist die Solarthermie für die Wärmebereitstellung eine besonders geeignete und umweltfreundliche Technologie, die schon länger im Wohnbereich etabliert ist. Im Projekt SolInd2Service wird der Wärmebedarf in verschiedenen Teilen des Dienstleistungssektors untersucht und Möglichkeiten zur Nutzung solarer Wärme identifiziert. Anschliessend werden best-case Szenarios entwickelt und damit Methoden zur Förderung und Implementierung solarthermischer Wärmeanlagen aufgezeigt.

Ein einfaches Konzept einer Solarwärmeanlage mit Drainback-Prinzip, die als Ergänzung bestehender Warmwassererzeuger in Mehrfamilienhäusern eingesetzt werden kann, wird entwickelt. Drei Konzeptvarianten werden mit Energiesimulation und bzgl. Kosten optimiert. Eine der Varianten wird mit thermohydraulischen Simulationen dimensioniert und im Labor getestet. Mit diesem Demonstrator werden sichere Betriebsbedingungen und die Machbarkeit des Konzepts analysiert und dargestellt.

Im BillySolar Projekt, das vom BFE finanziert wird, untersuchen wir gemeinsam mit der HSLU, Vela Solaris, Soltop und TVP, wie ein fertig konfiguriertes und modular skalierbares solares Wärmesystem für den Einsatz in der Industrie an verschiedenen Produktionsstandorten und für verschiedene Prozesse (Wärmesenken) idealerweise spezifiziert ist. Diese Einheit soll in erster Linie aus einem Solarthermie System, welches ggf. zusätzlich ergänzt wird durch Abwärmenutzung und/oder Kopplung an ein Fernwärmenetz bestehen. Alternativ zur Solarthermie wird aber auch Photovoltaik kombiniert mit Wärmepumpen oder eine Kombination beider Ansätze untersucht. Darauf aufbauend werden Finanzierungsmodelle abgeleitet.

Ziel des Projekts HiPer-PVT war die Entwicklung eines abgedeckten PVT-Kollektors mit hoher elektrischer und thermischer Effizienz. Dank eines bei ca. 100 °C wirksamen Überhitzungsschutzes kann der HiPer-PVT-Kollektor einfach in ein thermisches System eingebunden werden. Das Konzept für den Überhitzungsschutz besteht darin, dass der Absorber, sobald er eine bestimmte Maximaltemperatur erreicht, über einen thermisch aktivierten Hebemechanismus in Kontakt mit der Abdeckscheibe gebracht wird. Damit werden die Wärmeverluste erhöht und die Stagnationstemperatur limitiert.

Das Interesse an solarer Prozesswärme für industrielle Anwendungen steigt weltweit. Für zukünftige Perspektiven und Realisierungen von weiteren Anlagen ist eine Zwischenbilanz des jetzigen Standes notwendig.Im Rahmen des vom Bundesamt für Energie finanzierten Projektes namens EvaSP (Evaluation Solarer Prozesswärmesysteme) werden mehrere bereits erstellte Anlagen in der Schweiz energetisch und ökonomisch ausgewertet. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden eine Übersicht über den aktuellen Status der solaren Prozesswärme in der Industrie in der Schweiz ermöglichen. Auf Grund der Erkenntnisse werden Entscheidungshilfen für Unternehmer und Investoren in der Schweiz sowie Verbesserungsvorschläge für Anbieter und Planer erarbeitet.

Es gibt bisher keine klaren Richtlinien oder universell anwendbare Grenzwerte für reflektiertes Licht im öffentlichen Raum. Deswegen werden im Projekt Reflex geeignete physikalische Parameter ermittelt, die für die Beschreibung und Bewertung der "störenden Blendung" wichtig sind. Gleichzeitig werden Reflexions- und Streuverhalten verschiedener Oberflächen messtechnisch durch die bidirektionalen Reflektanz-Verteilungsfunktionen (BRDF) erfasst. Mit dieser Methode werden Messungen an Gläsern für Bauteile der Gebäudehülle (inklusive Sonnenkollektoren und Fotovoltaikmodulen) durchgeführt. Mit den Messergebnissen wird eine Datenbank aufgebaut, die zentrale Eingabeparameter zur Charakterisierung von Oberflächen in lichttechnischen Programmen zur Verfügung stellt. Dadurch kann bei der Bewertung der Blendwirkung von Reflektionen bereits bei der Planung auf eine fundierte physikalische Grundlage zurückgegriffen werden. Es können ausserdem neue Materialien oder neuartige Oberflächenstrukturen aussagekräftig bezüglich Blendung bewertet werden.

Reflex wird durch das Bundesamt für Energie (BFE) finanziell unterstützt.

In diesem P&D-Projekt (Pilot und Demonstationsprojekt) wird das Potential von grossen PVT Anlagen zur Regeneration von Erdsondenfeldern untersucht. Die Überbauung Oberfeld besteht aus den drei Gebäuden A, B und C. Jedes der drei Gebäude besitzt sein separates Heizungssystem mit Wärmepumpe, Erdsondenfeld und PVT Solaranlage. Die PVT Anlage dieser Überbauung ist eine der grössten dieses Typs in der Schweiz. Sie besteht aus insgesamt 799 PVT Kollektoren und hat eine Gesamtfläche von über 1300 m², verteilt auf die Dächer der drei Gebäude. Die Wärme aus der PVT Anlage wird primär zur Regeneration des Erdsondenfeldes eingesetzt, kann aber auch direkt als Wärmequelle für die Wärmepumpen verwendet werden.

Innerhalb dieses 5 Jahre dauernden P&D Projektes wird das Zusammenspiel der gesamten Wärmeerzeugungsanlage optimiert und die langfristige Temperaturentwicklung und das Verhalten des Erdsondenfeldes bei solarer Regeneration untersucht.