Institute for
HSR

Solarwärme für die Schweizer Industrie

Dr. Mercedes Hannelore Rittmann-Frank

SPF Institut für Solartechnik, HSR Rapperswil

Abbildung 1: Solare Prozesswärme Anlage Saignelégier (Bild: HSR)


In Anbetracht des Klimawandels und der Endlichkeit fossiler Brennstoffe ist klar, dass die Energieerzeugung in der Schweizer Industrie klimafreundlicher gestaltet werden muss. Dieses Ziel wurde auch in der Energiestrategie 2050 aufgenommen, die die Industrie zur Reduktion ihrer CO2-Emissionen auffordert. Gemäss der Gesamtenergiestatistik GEST verbrauchte die Schweizer Industrie im Jahr 2016 156 PJ und machte damit 18% des Endenergieverbrauchs in der Schweiz aus. Davon wird die Hälfte allein für die Bereitstellung von Wärme benötigt und hauptsächlich durch fossile Brennstoffe erzeugt [1]. Um den Forderung der Energiestrategie 2050 zu genügen, wächst daher das Interesse der Industrie nachhaltigere Wege einzuschlagen, ohne ihre Wettbewerbsfähigkeit zu beeinträchtigen. Neben der Verbesserung der Energieeffizienz durch die Nutzung von Abwärme und der Optimierung ihrer Prozesse , wird der Einsatz erneuerbarer Energiequellen immer attraktiver. Die Bereitstellung von Prozesswärme stellt ein enormes Potenzial dar, um anstatt fossile Energieträger solarthermische Kollektoren auf einem tiefen und mittleren Temperaturniveau (60°C-200°C) einzusetzen.

Die solare Prozesswärme nutzt die frei verfügbare Sonnenenergie, ist im Betrieb CO2-neutral und kann Wärme bis zu 200°C über einen Zeitraum von 20 Jahren für einen festen Wärmepreis liefern. Darüber hinaus zieht eine grosse Anlage auf einem Industriegelände die Aufmerksamkeit auf sich und das Unternehmen profitiert, neben der sauberen Energie, von dem positiven und klimafreundlichen Image.


Realisierte Projekte

Weltweit gibt es schon über 500 solare Prozesswärme Anlagen [2][3], mindestens zehn davon in der Schweiz. Sechs dieser Anlagen in unterschiedlichen Industriesektoren werden seit fünf Jahren vom SPF Institut für Solartechnik der HSR begleitet und überwacht [4]. Die Auswertung der laufenden Anlagen zeigt, dass sie zuverlässig funktionieren. Dennoch fehlt der grosse Durchbruch dieser Technologie und es gibt noch einige Hürden zu überwinden, bevor sie sich als wettbewerbsfähige Technologie etablieren kann. Eine dieser Hürden ist die technische Komplexität, die viel Erfahrung von Planern und Installateuren erfordert. Ausserdem fehlen geeignete Geschäftsmodelle und geregelte Förderungen. Die dritte Hürde ist die Unbekanntheit der Technologie und der Vorteile, die der Einsatz von Solarthermie zur Bereitstellung von Prozesswärme mit sich bringen.

Um die Nutzung der solaren Prozesswärme zu fördern, ist es daher notwendig, die Aufmerksamkeit der Industrie- und Energieberater auf das tatsächliche Potenzial zu lenken, parallel zur Entwicklung von Finanzierungsmodellen und Vereinfachungen durch standardisierte Systeme.


Das Projekt Sol-Ind Swiss

Um auf das grosse Potenzial der solaren Prozesswärme in der Industrie aufmerksam zu machen, wurde das von EnergieSchweiz und der Energieagentur St. Gallen unterstützte Projekt Sol-Ind Swiss gemeinsam mit SPF, Swissolar und Lesbat durchgeführt. Das Projekt konzentrierte sich auf den Wärmebedarf bei niedrigen Temperaturen (<130°C) verschiedener Industriezweige und Einzelprozesse. In diesem tiefen Temperaturbereich kann die Wärme mit bekannten, preiswerten und zuverlässigen solarthermischen Flach- und Vakuumröhrenkollektoren bereitgestellt werden, die seit Jahrzehnten im Wohnbereich bekannt sind.


Im Rahmen des Projekts Sol-Ind Schweiz wurde eine Potenzialstudie verschiedener Industriezweige durchgeführt. Die Resultate zeigen deutlich, dass die Lebensmittel-, Textil-, Papier- und chemisch-pharmazeutische Industrie für die Nutzung der solaren Prozesswärme am besten geeignet sind, da sie einen hohen thermischen Energiebedarf für die Prozesswärmeerzeugung und überwiegend niedrige Betriebstemperaturen aufweisen [5]. Zusammen haben diese vier Industriezweige einen Wärmebedarf von rund 33 PJ, was 21% des Energieverbrauchs der Schweizer Industrie im Jahr 2016 entspricht. Aus diesem Gesamtbedarf wird der Anteil des Wärmebedarfs bei niedriger Temperatur (<130°C) auf 14,6 PJ geschätzt. Dies stellt das theoretische Höchstpotenzial dar, das mit konventionellen solarthermischen Systemen in diesen vier Industriezweigen erschlossen werden kann. Dieser Wert entspricht 9% des Endenergieverbrauchs der Schweizer Industrie und 1,7% des Gesamtenergieverbrauchs der Schweiz im Jahr 2016.


Reale Potenziale in der Schweiz

Des Weiteren wurde in den vier identifizierten Branchen der Potenzialstudie eine schweizweite Umfrage durchgeführt. 483 Unternehmen wurden kontaktiert, um einerseits Daten über das tatsächliche Potenzial für solare Prozesswärme und Randbedingungen zu sammeln, andererseits nutzten wir die Gelegenheit, die Unternehmen über solare Prozesswärme zu informieren. Zusätzlich führten wir drei Machbarkeitsstudien in Unternehmen durch. Die Ergebnisse erlaubten das theoretisch nutzbare Potenzial mit dem realen Potenzial zu vergleichen, das durch technische Randbedingungen gegeben ist. Die teilnehmenden Unternehmen aus diesen Branchen informierten über die von ihnen eingesetzten Energieträger, den Energieverbrauch, den Prozesswärmeanteil in bestimmten Temperaturbereichen und Lastprofilen, die Amortisationszeit für Wärmeerzeuger etc. Anhand dieser Informationen konnten wir feststellen, dass 70% der teilnehmenden Unternehmen tatsächlich für die Nutzung solarer Prozesswärme geeignet sind. Die restlichen 30% hatten entweder keine Dachfläche zur Verfügung, keine Prozesse mit dem entsprechenden Temperaturbereich oder wurden aufgrund technischer Kriterien ausgeschlossen.


Wir führten auch eine Grobauslegung von Solaranlagen und ihre Integration durch und holten Angebote von verschiedenen System- und Kollektorlieferanten ein, um eine erste Kostenschätzung zu erhalten. Je nach verfügbarer Dachfläche der untersuchten Unternehmen, zwischen 1000 und 200m2, lagen die Wärmegestehungskosten zwischen 7 ct/kWh und 14 ct/kWh.


Das Solind Tool zur Potenzialabklärung

Basierend auf unseren Fragebögen, Untersuchungen und Erfahrungen wurde ein frei verfügbares Werkzeug entwickelt. Das Solind Tool ist das Resultat des gesammelten Wissens und kann von Industrie, Planern, Energieberatern und anderen Interessenten ohne Vorkenntnisse genutzt werden. Mit dem Solind Tool ist es möglich, schnell festzustellen, ob solare Prozesswärme für ein Unternehmen sinnvoll ist. Das Tool gibt schnell einen Überblick über die möglichen Solarerträge einer Anlage und eine grobe Kostenschätzung. Darüber hinaus werden alle wichtigen Kennzahlen in einem Dokument zusammengefasst, um in die Feinplanungsphase einer solaren Prozesswärme Anlage starten zu können und Angebote einzuholen.


Ziel dieses Projekts war es, zu zeigen, dass es in der Schweiz ein echtes Potenzial für solare Prozesswärme in der Industrie gibt, das dazu beitragen kann, einen erheblichen Anteil des Energieverbrauchs der Industrie mit erneuerbaren Energien zu decken. Die im Projekt entwickelte Methode und das entsprechende Know-how werden an Anlagenplaner und Anlagenbauer weitergegeben. Auf diese Weise soll in Zukunft der Anteil der Solarenergie an der Bereitstellung von Prozesswärme in geeigneten Branchen in der Schweiz erhöht werden.




[1] Bundesamt für Energie (2017). GEST Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2016

[2] www.ship-plants.info

[3] www.solar-payback.com

[4] EvaSP – Evaluation solarer Prozesswärmesysteme, www.spf.ch

[5] M. Guillaume, M. Caflisch et al. "Solar Heat in Industrial Processes in Switzerland- Theoretical Potential and Promising Sectors" Eurosun Conference Paper, 2018