Parabolrinnenkollektorsystem zur Erzeugung von Prozesswärme (abgeschlossen)

21% des österreichischen Endenergieverbrauchs entfiel 1998 auf die industrielle Prozesswärme. Diese Prozesswärme wird derzeit nur zu 12% mit erneuerbaren Energieträgern gedeckt. Prozesswärme bis zu einem Temperaturniveau von etwa 100°C kann problemlos mit am Markt erhältlichen Sonnenkollektoren (Flachkollektoren bzw. Vakuumröhrenkollektoren) erzeugt werden. Ein großer Anteil der benötigten Prozesswärme liegt aber auch im Temperaturbereich zwischen 100°C und 200°C, dies gilt zum Beispiel für die Lebensmittel-, Textil- und Chemieindustrie. Solche Temperaturniveaus können jedoch nur noch mit konzentrierenden Systemen erreicht werden, da bei herkömmlichen Kollektoren die Wärmeverluste bei diesen Temperaturen zu hoch werden und damit der Wirkungsgrad stark abnimmt. Im vorliegenden Projekt wurde ein kostengünstiger konzentrierender Kollektor mit kleinen Abmessungen nach dem Parabolrinnenprinzip entwickelt. Ein derartiger Kollektor mit kleinen Abmessungen, der ohne großen Aufwand installierbar ist und durch seine kleinen Abmessungen und sein geringes Gewicht auch auf Fabrikdächern montiert werden kann, ist eine Neuheit im Bereich der Solartechnik. Der erste Prototyp des Parabolrinnenkollektors der Firma Knopf Design, Wien, wurde am Teststand der AEE INTEC, Gleisdorf, vermessen. Dabei wurde der optische und thermische Wirkungsgrad des Kollektors bestimmt. Der optische Wirkungsgrad des 1. Prototypen lag mit knapp 50% noch zu niedrig, um mit anderen Kollektoren konkurrieren zu können. Mithilfe von Messungen der Strahlungsintensität in der Brennlinie des Parabolrinnenkollektors wurde herausgefunden, dass eine der Hauptursachen für den vergleichsweise niedrigen optischen Wirkungsgrad eine ungenaue Positionierung des Receivers ist. Diese und andere Verbesserungen wurden konstruktiv von der Firma Knopf Design umgesetzt und ein verbesserter zweiter Prototyp am Teststand in Gleisdorf vermessen. Der optische Wirkungsgrad hat sich durch die umgesetzten Maßnahmen von knapp 50% auf knapp 60% verbessert.

Basierend auf den Messergebnissen des Prototypen wurden im weiteren Projektverlauf Konzepte für das Gesamtsystem (Kollektor, Wärmeabnahme, Einkoppelung in das bestehende Wärmeversorgungssystem des Betriebes, evtl. Speicher) ausgearbeitet. Dabei ergeben sich 6 verschiedene Grundkonzepte. Je nach Anwendungsfall (Lastprofil, angestrebter solarer Deckungsgrad etc.) muss eines dieser Konzepte ausgewählt werden.

Ein Anwendungsfall wurde anschließend im Labormaßstab am Teststand aufgebaut und mit einem realistischen Wärmeabnahmeprofil vermessen. Während der Testphase des Beispielprozesses konnten Erfahrungen mit dem Betrieb eines Parabolrinnenkollektorsystems und insbesondere mit möglichen Regelkonzepten für den Betrieb gewonnen werden.

Die dadurch gewonnenen Erfahrungen dienten zur Erarbeitung einer Fallstudie für einen Prozess eines Betriebes, dessen Wärmebedarf mit dem Parabolrinnenkollektorsystem bereitgestellt werden soll. In der Fallstudie wurden für einen ausgewählten Anwendungsfall ein Parabolrinnenkollektorsystem und ein Vakuumröhrenkollektorfeld bei verschiedenen Betriebstemperaturen verglichen. So kann abgeschätzt werden, ab welcher Betriebstemperatur der Einsatz von Parabolrinnenkollektoren energetisch günstiger ist als konventionelle auf dem Markt erhältliche Vakuumröhrenkollektoren. Das Ergebnis dieser Fallstudie zeigt, dass bei Temperaturen um die 100°C Parabolrinnenkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren einen ähnlichen Ertrag bringen. Wegen der relativ aufwändigen Nachführung der Parabolrinnenkollektoren sollten in diesem Fall eher Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden. Aber schon ab etwa 120°C haben Parabolrinnenkollektoren einen deutlichen Vorteil.

Parallel zur Kollektorentwicklung wurde eine Studie durchgeführt, welche Speichertechnologien für die Speicherung von Wärme im Temperaturbereich bis 300°C geeignet sind. Eine Zusammenstellung der existierenden Speichertechnologien in diesem Temperaturbereich liegt vor. Im zweiten Teil der Studie wurden jene Technologien identifiziert, die für den angestrebten Anwendungsbereich der Parabolrinne besonders geeignet sind.