ACR Innovationsradar 2016 Umwelttechnik & erneuerbare Energien by ACR Österreich

Inhalt 1.

Einleitung ......................................................................................................5

Trends bei erneuerbarer Wärme.........................................................................7 2.1.

2.1.1

Gegenwart und Zukunft bei biogenen Energiequellen ..................................7

2.1.2

Aktuelle Ergebnisse und Aktivitäten Biomasse-Forschungsverbund BioUp ........ 11

2.1.3

Wind Diesel......................................................................................18

2.2.

Solarthermie........................................................................................... 22

2.2.1

Trends in der Solarthermie ................................................................. 22

2.2.2

Zukünftige Anwendungen für neue Wärmespeicher.................................... 27

2.3. 3.

Bio-Brennstoffe ........................................................................................7

Thermische Netze ....................................................................................31

Trends in der Photovoltaik.............................................................................. 33 3.1.

Gebäudeintegrierte PV.............................................................................. 34

3.2.

Monitoring-Systeme ................................................................................. 36

3.3.

Energiespeicherung .................................................................................. 38

3.4.

Hybridsysteme .........................................................................................41

Energieeffizienz und Energieoptimierung.............................................................. 45 4.1.

Energieeffizienz in der Industrie ................................................................. 45

4.2.

Energieeffizienz in (Büro-)Gebäuden ......................................................... 48

4.3.

Mobiles FEI-Labor fürs Bauwesen.............................................................. 50

Literatur ...................................................................................................... 52

Einleitung

Ständig in ausreichendem Maß verfügbare Energie ist eine zentrale Grundlage entwickelter Volkswirtschaften von der Warenproduktion über private oder staatliche Dienstleistungen bis hin zur Gestaltung individueller Lebensstandards. Um die dafür benötigten Energieressourcen bereitzustellen, werden nach wie vor überwiegend fossile Energieträger eingesetzt, was bei einem steigenden Energiebedarf von Haushalten und Industrie zunehmend negative Auswirkungen (vor allem über die damit meist einhergehenden CO2-Emissionen) auf den globalen Klimawandel hat. Es ist daher dringend geboten, den weiteren Anstieg von klimarelevanten Emissionen zu drosseln. Österreich ist in diesem Bereich bereits unter den Technologieführern und die Strategie 2020 des Rats für Forschung und Technologieentwicklung regt dementsprechend an, die Themen Nachhaltigkeit, Umwelt und Energie als Schwerpunktthemen für Forschung und Innovation zu forcieren. Das Schwerpunktfeld Umwelttechnik & erneuerbare Energien leistet hier mit den darin gebündelten Expertisen der beteiligten ACR-Institute einen wertvollen Beitrag. Das vorliegende Innovationsradar präsentiert auf Basis der entsprechenden ACR-Kompetenzen detaillierte Informationen zu innovativen Technologien und deren Anwendung auch für kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Unterteilt wird das Innovationsradar in den Bereich der erneuerbaren Wärmegewinnung, in das Gebiet der Photovoltaik und in das Themenfeld der Energieeffizienz und -optimierung. Besonderes Augenmerk wird vor allem auf zukünftige Entwicklungen und Trends gelegt. Das Kapitel der erneuerbaren Wärmebereitstellung beschäftigt sich mit der Gegenwart und Zukunft bei biogenen Brennstoffen und berichtet über aktuelle Ergebnisse beim BiomasseForschungsverbund BioUp sowie über Power2Liquid im Projekt "WindDiesel". Ein zweiter Abschnitt beleuchtet Anwendungsgebiete bei solarthermischen Systemen und deren Marktsituation, wobei anschließend auf die thermische Energiespeicherung eingegangen wird, in der Österreich eine hervorragende Rolle im Bereich der Forschungsaktivitäten spielt. Das zweite Kapitel dieses Innovationsradars geht auf die elektrische Energiegewinnung durch photovoltaische Systeme und vor allem auf für den österreichischen Wirtschaftraum wichtige Fragestellungen ein. Neben den technischen Möglichkeiten bei der Gebäudeintegration von PV-Modulen und dem Monitoring des PV-Ertrages wird auch auf die zukünftigen Rahmenbedingungen zur Steigerung der direkten Nutzung des PV-Stromes ohne Netzeinspeisung

eingegangen. Abschließend werden hybride Systeme vorgestellt, die sowohl Wärme als auch Strom in effizienter Weise aus Solarenergie gewinnen. Der letzte Abschnitt beschäftigt sich mit allgemeinen Ansätzen zur Effizienzsteigerung und Energieoptimierung in der Industrie und in Gebäuden.

Trends bei erneuerbarer Wärme 2.1.

Bio-Brennstoffe

2.1.1 Gegenwart und Zukunft bei biogenen Energiequellen Die Suche nach nachhaltigen und erneuerbaren Energiequellen beschäftigt die internationale F&ESzene, Politik, Wirtschaft und Industrie in hohem Maße. Bio-Brennstoffe helfen, die aktuellen Klimaschutzziele zu erfüllen, wobei der steigende Energiebedarf Fragen einer gleichmäßigen Versorgung aufwirft. Der Bereich der neuen Biomassepotenziale kann grundsätzlich in land- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte (z.B. Stroh, Kleie, Trester, Sägespäne) und den expliziten Anbau von Energiepflanzen unterteilt werden. Soll eine Biomassefraktion energetisch verwertet werden, ist die Wahl der passenden Technologie essentiell. Im Folgenden wird vor allem auf feste Biomasse eingegangen, die einer Verbrennung zugeführt werden soll. Der Anbau von Energiepflanzen in Form von Energiegräsern und Energieholz steht im Fokus vieler internationaler FEI-Aktivitäten1. FEI steht für Forschung, Entwicklung und Innovation. Unter Energiegras werden landwirtschaftlich angebaute Gräser zur energetischen Nutzung verstanden. In Österreich wird Miscanthus (Miscanthus giganteus, auch Chinaschilf oder Elefantengras) großes Potenzial zugeschrieben. Der hohe Heizwert, die günstige CO2-Bilanz und die hohe jährliche Ertragsmenge zeichnen diese Energiepflanze aus. Informationsmaterial und Erfahrungsberichte werden u.a. von den Landwirtschaftskammern bereitgestellt. Energieholz, schnell wachsende Bäume oder Sträucher, werden in Kurzumtriebsplantagen angebaut. Innerhalb kurzer Umtriebszeiten von drei bis zehn Jahren werden sie maschinell geerntet. Zunehmend werden längere Umtriebszeiten z.B. für Pappel bis zu 20 Jahre und die Ernte mit herkömmlicher Forsttechnik in Betracht gezogen. In gemäßigten Klimazonen werden zu diesem Zweck vorwiegend Pappeln oder Weiden eingesetzt, die sich neben ihrem schnellen Wachstum durch erneuten Austrieb abgeernteter Triebe auszeichnen. Nach zehn bis 20 Jahren ist die Plantage erschöpft und muss neu bepflanzt werden. Das Potenzial einer Pflanze als biogener Brennstoff wird durch viele Kriterien bestimmt, allen voran ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften. Bis zu einem gewissen Grad können diese auch durch Veredelung positiv beeinflusst werden. Ob eine grundsätzlich geeignete Biomassefraktion in weiterer Folge zu einer breiten Anwendung als Brennstoff kommen kann, hängt stark von ihrem Aufkommen, ihrer saisonalen Verfügbarkeit, der Wirtschaftlichkeit ihres Transports und ihrer Lagerfähigkeit sowie der Möglichkeit, eine gleich bleibende Qualität zu garantieren, ab. Fällt die Bewertung dieser Kriterien nicht ausreichend positiv aus, kann eine dezentrale Nischenlösung den richtigen Weg darstellen.

Technologische Trends Biomasseverbrennungsanlagen müssen auf eine bestimmte Qualität von Biomassebrennstoffen dimensioniert werden. Dies bedeutet, dass der Brennstoff so homogen wie möglich der Feuerung zugeführt werden muss, um einen reibungsfreien Betrieb gewährleisten zu können. Zu den relevanten Eigenschaften gehören der Feuchtegehalt und die Korngröße, da sie u.a. den Heizwert sowie die Förder- und Lagerfähigkeit beeinflussen. Die folgende Abbildung 1 zeigt den Entscheidungsprozess, ob sich eine Biomassefraktion überhaupt zur Energiegewinnung eignet.

Abbildung 1: Entscheidungsweg "Biomasse zur energetischen Nutzung"

Zu Beginn steht jeweils die detaillierte Charakterisierung des Rohstoffs. Im Anschluss kann durch unterschiedliche Aufbereitungsschritte eine Nutzbarmachung bzw. eine Veredelung der Biomasse erreicht werden. Dem konventionellen Pelletierverfahren müssen die Prozessschritte Zerkleinerung und Trocknung bzw. Konditionierung vorgelagert werden. Dies stellt Anlagenplaner vor die Frage, wie diese zusätzlichen Prozessschritte am energie- und kosteneffizientesten integriert werden können. Für Pelletswerke in direkter Nachbarschaft zu Sägewerken ist diese Fragestellung eher von untergeordneter Bedeutung. Eine optimale, kaskadische Nutzung der Sägenebenprodukte wird jedoch vor allem bei Großproduktionen (z.B. >100.000 t Jahresproduktion) immer problematischer, da eine permanente, unterbrechungsfreie Produktion für den wirtschaftlichen Erfolg unerlässlich ist. Eine vermehrt stattfindende Integration der Prozessschritte am Beginn des Verarbeitungsprozesses bietet ein Feld von neuen Optimierungsmöglichkeiten in Bezug auf die Energieeffizienz des Gesamtprozesses und die erzielbare Pelletsqualität. 8

Die derzeit verwendete Technologie zur Holzpelletsproduktion stammt aus unterschiedlichen Branchen (z.B. der Futtermittelproduktion). Sie waren ursprünglich nicht für die Aufbereitung unterschiedlichster, biogener Rohstoffe zu pelletierfähigem Material entwickelt worden. Vor allem in vergleichenden Untersuchungen der unterschiedlichen Trocknungs- und Zerkleinerungstechnologien und ihrer Eignung für die unterschiedlichen Biomassen sowie deren Einfluss auf die Pelletsqualität liegt technisches Innovationspotenzial für kooperative Forschung. Nicht nur Maschinen- oder Anlagenbauer können ihr Produktportfolio ergänzen oder erweitern, sondern auch die Planung neuer oder Optimierung bestehender Anlagen wird an Bedeutung gewinnen. Unter Zusammenarbeit von drei ACR-Instituten wurde ein europaweit führendes Biomassezentrum aufgebaut (siehe auch Kapitel 2.1.2). Dieses Zentrum bietet die Möglichkeit, unterschiedliche Technologien direkt miteinander zu vergleichen und die optimale Kombination sowie mögliches Verbesserungspotenzial zu identifizieren. Torrefikation wird derzeit international als eine der wichtigsten Entwicklungen im Bereich fester Biomassebrennstoffe betrachtet. Die Grundzüge des Prozesses an sich sind relativ leicht erklärt, die Gesamtheit der Reaktionen stellt jedoch, insbesondere im industriellen Maßstab, eine Herausforderung dar. Holzartige und krautartige Biomasse besteht hauptsächlich aus Wasser, Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Im Torrefikationsprozess wird bei 200°C bis 300°C unter Sauerstoffausschluss zuerst das gesamte vorhandene Wasser ausgetrieben, danach zersetzt sich die Hemizellulose und teilweise auch das Lignin des Rohmaterials. Diese Prozesse führen zur Änderung der chemischen und physikalischen Eigenschaften. Darüber hinaus kommt es zu einem Masseverlust von ca. 70 Prozent, wobei 90 Prozent des Energieinhalts im Feststoff erhalten bleibt. Das Verfahren ist in der Lage, insbesondere biogene Reststoffe, wie z.B. Waldrestholz, Maisspindeln oder Zuckerrohrrückstände aber auch Energiegräser zu einem relativ homogenen Brennstoff umzuwandeln. Die Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Holzpellets sind u.a. eine hohe Energiedichte, wasserabweisende Eigenschaften oder geringere biologische Aktivität. Das entstehende Produkt zielt vorwiegend auf den Einsatz als Kohlesubstitut ab. Die Umsetzung der österreichischen Technologie, des ACB-Prozesses (accelerated carbonisation biomass), findet in der Steiermark statt. Auf einem ähnlichen Entwicklungsstand stehen vergleichbare Forschungsgruppen in Skandinavien, Frankreich und Belgien. Große Energieversorger haben sich bereits die ersten Kontingente torrefizierten Materials gesichert. Die gesamte verfügbare Produktmenge wird problemlos Absatz finden, ganz gleich, welches der Entwicklungsteams letztendlich den Wettlauf um die wirtschaftlichste industrielle Anlage gewinnen wird. Das Rohstoffportfolio zur Energieversorgung muss zukünftig signifikant erweitert werden, um die ambitionierten Schlüsselziele des Europäischen Rats im Bereich der festen Biomasse zu erreichen. Das Ziel der Forschungsarbeiten liegt in der Entwicklung von Mischpellets aus verschiedenen Ausgangsmaterialien, die sich analog zu den hohen Qualitätsstandards für Holzpellets (z.B. ENplus, DINplus, ÖNORM M 7135) an eigenen gerade entwickelten Standards orientieren (z.B. EN 14961-6, ÖNORM C 4000 oder ÖNORM C 4002). 9

Die Vorteile dieser Neuentwicklung bestehen vor allem in der Sicherstellung der nötigen Ressourcen. Ein wichtiger Aspekt, der im Rahmen des gesamten Entwicklungsprozesses einbezogen werden muss, ist die Vermeidung einer Konkurrenzsituation zur Nahrungs- bzw. Futtermittelproduktion. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass alternative Biomassefraktionen im Vergleich zu Holz schlechtere Verbrennungseigenschaften besitzen. Zu den besonders kritischen Parametern zählen das Ascheschmelzverhalten, die Stickoxid- (NOx) und Staubemissionen sowie die korrosiven Eigenschaften, die durch einen hohen Chlorgehalt verursacht werden. Zur Entwicklung eines standardisierten Brennstoffes zielt die Forschung darauf ab, die kritischen Parameter der zukünftigen Mischpellets zu optimieren. Beim Ascheschmelzverhalten wurden gute Ergebnisse durch die Beimengung des Additivs Kalk erzielt, wodurch der Ascheerweichungspunkt bis auf ein holzähnliches Niveau angehoben werden kann. Zur Reduktion der NOx-Emissionen können unterschiedliche Strategien gewählt werden. Bei mittleren und großen Biomassefeuerungen können durch hoch entwickelte Verbrennungssteuerungen Verbesserungen erzielt werden. Für kleinere Anlagen müssen Möglichkeiten zur Reduktion des Stickstoffgehalts im Brennstoff durch spezielle Vorbehandlung des Rohstoffs gefunden werden. Hier wird z.B. der Einsatz von bestimmten Enzymen analysiert, die den brennstoffseitigen Stickstoff eliminieren. Die Staubemissionen stellen besonders bei Kleinanlagen einen heftig diskutierten Punkt dar. Die in Deutschland bereits gesetzlich verankerte, wiederkehrende Messung der Staubemissionen von Kleinanlagen gibt die Forschungsrichtung vor. Neben der Entwicklung von Messtechnik ist die Entwicklung besonders emissionsarmer Feuerungen und Sekundärmaßnahmen wie z.B. Staubfilter für Kleinanlagen notwendig. Durch die unterschiedlichen Optimierungsmaßnahmen bei den Produkteigenschaften sowie den Verbrennungsparametern kann ein signifikanter Beitrag zur Erfüllung der europaweiten Ziele zur nachhaltigen Energieversorgung bei gleichzeitig geringen Schadstoffemissionen geleistet werden. KMU, die im Zuge ihrer Produktion pelletierfähige Nebenprodukte zur Verfügung haben, können durch den Einsatz geeigneter Blends eine zusätzliche Einkommensquelle erreichen. Insbesondere im Kundensegment der privaten Haushalte kann durch optimierte Pellets ein Wettbewerbsvorteil entstehen, da auch zukünftig eingeführte Vorschriften oder strengere Grenzwerte eingehalten werden können. Pelletsanlagen entsprechen einerseits in hohem Maße dem Bedarf nach einer automatisierten Heizung und stellen eine komfortable Möglichkeit dar, im Niedrigstenergie- und Passivhaus den vorhandenen Restwärmebedarf zu decken. Andererseits sind herkömmliche Pelletskessel hinsichtlich ihrer Leistung für die niedrige, benötigte Heizlast oftmals überdimensioniert. Dies führt zu verstärktem Teillastbetrieb und verursacht bei geringerer Effizienz höhere Emissionen sowie zahlreiche Probleme beim Betrieb (z.B. erhöhter Wartungsaufwand). Analysen am Markt erhältlicher Systeme haben wesentliches Optimierungspotenzial ergeben.

Zielsetzung der aktuellen Entwicklungen sind Kleinstbrenner (6 kW), die sowohl bei Nennlast als auch bei Teillast (30 Prozent) strengen Emissions- und Wirkungsgradvorgaben sowie Vorgaben an den Hilfsenergieverbrauch entsprechen. Die wesentlichen Innovationen, die zur Erreichung der hoch gesteckten Ziele geführt haben, beziehen sich insbesondere auf die Brennkammer, den Brennteller bzw. Rost und auf die Brennstoffzufuhr. Den Endkunden stehen nun automatische Pellets-Zimmerheizgeräte zur Verfügung, die sowohl ökologisch als auch hinsichtlich ihrer Investitionskosten eine echte Alternative darstellen. Die Frage nach den Umweltauswirkungen eines Produktes bzw. einer Technologie spielt eine wichtige Rolle für die nachhaltige Sicherung des sozioökonomischen Fortschritts und allgemeinen Lebensstandards. Aufstrebende Branchen mit Wachstumspotenzialen sind von dieser Fragestellung besonders betroffen. Die Wertschöpfungskette rund um die Energiebereitstellung aus fester Biomasse gehört dazu. Nicht zuletzt, da auch zukünftig alternative Energiebereitstellung intensiv ausgebaut werden muss, um den steigenden Energiebedarf decken zu können. Eine wesentliche Kenngröße zur Bewertung der Klimarelevanz stellt der Product Carbon Footprint dar. Er ist ein Maß für die treibhausrelevanten Emissionen, die über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes entstehen. Obwohl das Rohmaterial Holz bzw. andere biogene Rohstoffe an sich klimaneutral sind, sind die Produktionsschritte entlang seiner Wertschöpfungskette und die Nutzungsphase vielfach mit Material und Energieeinsatz verbunden und haben somit einen nicht unwesentlichen Einfluss auf unser Klima. Speziell im Gebäudeverband werden bereits jetzt Deklarationen zu den ökologischen Auswirkungen jeder eingebauten Komponente verlangt, in Bezug auf den "CO2-Rucksack" gehen die Bestrebungen international in die gleiche Richtung. Bei der Umsetzung gibt es allerdings national unterschiedliche Strategien. Diese reichen von einer bloßen Information für Planer bis hin zu einem Zertifikat, das den Konsumentinnen und Konsumenten als Vergleichsbasis innerhalb einer Produktgruppe dienen soll. In naher Zukunft wird sich jedes Unternehmen mit seinen Umweltauswirkungen bzw. den Umweltauswirkungen seiner Produkte auseinander setzen müssen. Die ernsthafte Beschäftigung mit dieser Thematik hat auch Vorteile, da Optimierungsmaßnahmen zumeist mit Einsparungen im Bereich Energie, Material oder Verwertung von Produktionsrückständen einhergehen. 2.1.2 Aktuelle Ergebnisse und Aktivitäten Biomasse-Forschungsverbund BioUp Drei ACR Institute - HFA, OFI und KOV - haben sich im Jahr 2013 zum Forschungsverbund BioUp zusammengeschlossen. Er versteht sich als Wissensgenerator und F&E Dienstleister für die Branche der Biomasseaufbereitung und Biomasseverwertung. In kooperativen Projekten und gemeinsamen Forschungsaufträgen werden Themen rund um die Aufbereitung und Veredelung von Biomasse bearbeitet. Seit der Eröffnung des BioUp Biomassetechnikums im April 2013 konnte eine beachtliche Anzahl von Themen und Fragestellungen technischer und wissenschaftlicher Natur rund um die Aufbereitung von Biomasse bearbeitet und beantwortet werden. Meist geht man hier von Schüttgütern als Aufgabematerial aus. Hierbei gibt es eine große Vielzahl an Rohstoffen und Prozessen, welche im Biomasse-Technikum un11

tersucht wurden. Neben diversen prozesstechnischen Fragestellungen rund um die mehrstufige Verarbeitung von Holz bis hin zu Energiepellets wurden in jüngster Zeit zum Beispiel auch folgende Fragestellungen außerhalb dieses Bereiches behandelt: 

Optimierung des Trocknungsverlaufes für Restmüll sowie für Rückstände aus der Futtermittelindustrie und der Erdölverarbeitung bis hin zur Potentialabschätzung der Bandtrocknungstechnologie für den Anwendungsfall



Optimierung des mechanischen Aufschlusses von Produktionsresten aus der Forst- und Holzwirtschaft für stoffliche Anwendungsgebiete wie die Produktion von innovativen Dämmplatten oder die Bereitstellung optimierter Rohstoffen für die WPC Produktion



Optimierung der Pelletierung von Futtermitteln, Pelletierversuche für Biomasse unter Einsatz verschiedener organischer und anorganischer, fester oder flüssiger Additive sowie Pelletierung neuer Energiepflanzen wie Silphium perfoliatum oder Sida hermaphrodita zur Herstellung von Testbrennstoffen für Verbrennungsversuche

Die Themenvielfalt zeigt bereits die große Breite der angesprochenen Zielgruppen des Forschungsverbundes: Die angebotenen F&E-Leistungen sind für Pelletproduzenten ebenso interessant wie für die Abfallbranche, Landwirtschaft, Lebensmittelindustrie, Anlagenhersteller oder Planungsbüros. Neben den Fragestellungen, die von außen an die Forscher herangetragen werden, verfolgt der Forschungsverbund auch eigenständig Fragestellungen und Forschungsgebiete. Zentral sind derzeit hierbei Emissionen bei der Lagerung und in der gesamten Logistikkette von Holzpellets, die Prozessoptimierung in der Holzpelletproduktion sowie insgesamt das Thema der Reduktion des Energieeinsatzes bei derartigen Herstellungsverfahren.

Abbildung 2: Das BioUp Biomassetechnikum am Standort Arsenal in Wien – vom primären Rohstoffaufschluss bis zur Kompaktierung mittels Pelletpressen werden alle Produktionsschritte modular eingesetzt und zentral gesteuert

Emissionen in der Holzpellets-Kette Seit etwa. zehn Jahren ist bekannt, dass verschiedenste Emissionen bei der Lagerung, dem Umschlag und dem Transport von Holzpellets auftreten können. Ein Teil davon lässt sich 12

den flüchtigen organischen Verbindungen (engl. volatile organic compounds – VOC) zuordnen. Eine weitere höchst relevante Substanz, welche aus Holzpelletlagern emittiert wird, ist Kohlenmonoxid. Es kommt ihm wegen seiner Giftigkeit besondere Bedeutung zu. Vor fünf Jahren begannen HFA und OFI, sich mit dem Thema im Rahmen des COIN Aufbau Projekts BioUpgrade zu befassen. Mittlerweile ist es dem Forschungsverbund gelungen, eine Reihe von Fragen zu beantworten. So wurde klar, dass die Emissionen aus Holzpellets abhängig von der verwendeten Rohstoffbasis sind. Dabei hat die Konzentration von ungesättigten Fettsäuren im Rohstoff einen entscheidenden Einfluss. Dieser Sachverhalt ist bereits bei Holzwerkstoffen gut bekannt. Anhand aufwändiger Produktions- und Lagerversuche konnte die Emissionskinetik von Holzpellets exakt dargestellt werden: Die emissionsaktive Phase von Holzpellets erstreckt sich auf einen Zeitraum von bis zu sechs Wochen nach der Produktion, wobei die höchsten Emissionsraten nach zwei bis vier Wochen auftreten. Die auftretenden VOC Emissionen lassen sich in primäre und sekundäre VOC's unterteilen. Primäre VOC stellen in der Regel keine Belastung dar, da es sich um natürliche Holzinhaltsstoffe handelt, die an den Geruch von frisch geschnittenem Holz erinnern. Bei den sekundären VOC Emissionen spielen Aldehyde und fallweise Ketone die Hauptrolle. Wichtige Vertreter dieser geruchsintensiven VOC's sind Hexanal, Pentantal und Aceton. In den auftretenden Mengen sind diese VOC's nicht gesundheitsbedenklich, werden jedoch als unangenehm wahrgenommen. Betroffene Heizungsbesitzer berichten von einem Geruch nach Lack bzw. chemischen Lösungsmitteln. Das Auftreten von gesundheitsschädlichen Substanzen wie Formaldehyd oder Acetaldehyd kann nicht per-se ausgeschlossen werden, lässt sich jedoch durch Optimierungsmaßnahmen weitestgehend vermeiden und spielt üblicherweise eine untergeordnete Rolle, zumal derartige Substanzen oft jenseits der Nachweisgrenze vorliegen. Aus internationalen Studien geht hervor, dass man von einer gewissen Korrelation zwischen den Emissionen von VOC's und dem giftigen Kohlenmonoxid ausgehen kann. Meist gehen hohe Kohlenmonoxidemissionen auch mit erhöhten VOC Emissionen einher. Es kann aber daraus nicht geschlossen werden, dass das geruchlose Kohlenmonoxid immer mit wahrnehmbaren VOC Emissionen einhergeht. Die Reaktionsmechanismen, die zur Bildung von Kohlenmonoxid führen, sind momentan Gegenstand der Forschung. Vor diesem Hintergrund hat die Holzforschung Austria das Collective Research Projekt Smell-Process gestartet (siehe weiter unten).

Abbildung 3: Prozessablaufdetail aus Emissionsversuch im BioUp Technikum mit diversen Probenahmepunkten und innovativem Messaufbau basierend auf der ISO 16000-10 Messung mittels FLEC (field and laboratory emission cell)

Emissionsminderung braucht Zeit - Pilze können helfen Ebenfalls konnte durch den Forschungsverbund nachgewiesen werden, dass die Vorlagerungszeit von Rohstoffen einen wesentlichen Einfluss auf das Emissionspotenzial des Fertigproduktes hat. Werden die frischen, noch nicht getrockneten Späne für eine Dauer von drei bis vier Wochen gelagert, sinkt das Emissionspotenzial der unangenehmen VOC Emissionen auf ein unkritisches Niveau, da die Vorläufersubstanzen in ausreichendem Maß abgebaut wurden. So sinkt etwa die Emissionsrate von reinen Kiefernpellets durch eine drei- bis vierwöchige Vorlagerung des Rohstoffes auf das Niveau von Fichtenholzpellets. Sind die Späne getrocknet dauert es länger, bis das Emissionspotenzial sinkt. Ebenfalls wurde untersucht, ob durch gezieltes Beimpfen mit Bläuepilzen das Emissionspotenzial von Kiefernholzpellets reduziert werden kann. Bläuepilze sind besonders effizient in der Verstoffwechselung von sekundären Holzinhaltsstoffen wie Fettsäuren und Harzen. Eine Reihe dieser Pilze wurde in Laborversuchen hinsichtlich ihrer Wachstumsaktivität und der Fähigkeit zum Abbau von Holzinhaltsstoffen bewertet. Aufgrund dieser Voruntersuchungen 14

wurde der Pilz Ceratocystis coerulescens ausgewählt und damit Rohstofflagerungsversuche durchgeführt. Kiefernsägespäne wurden mit einer Agar-Agar Kultur von Ceratocystis coerule-

scens beimpft und für Zeiträume von zwei bis vier Wochen inkubiert und im Anschluss im Technikum getrocknet, zerkleinert und pelletiert. Als Vergleichsvariante kam frisches unbehandeltes Kiefernholz zum einen frisch verarbeitet und zum anderen über einen Zeitraum von drei Wochen gelagert für die Produktion von Pellets zum Einsatz. Die Lagerdauer von drei Wochen hilft generell dabei, den Abbau der Vorläufersubstanzen so weit voranzutreiben, dass die erzeugten Pellets keine Emissionen in störendem Ausmaß mehr erzeugen. Für die Beimpfung mit Bläuepilzen konnte keine eindeutig beschleunigende Wirkung für die Reduktion des Emissionspotenzials während der Rohstofflagerung nachgewiesen werden. Mikrobiologische Untersuchungen wiesen auch in unbeimpften Rohstoffen eine ausreichende biologische Aktivität nach, um sekundäre Holzinhaltsstoffe abzubauen. Die Möglichkeiten zur Optimierung der Reduktion des Emissionspotenzials sind Teil zukünftiger Forschungsprojekte.

Abbildung 4: Diffusionsoffene Lagerung von frischen Sägespänen über Wasser und unter Regenwasserausschluss zur Förderung eines gezielten Pilzwachstums im nicht sterilen Bereich

Emissionen und Prozessbedingungen Da die Prozessbedingungen ebenfalls einen Einfluss auf das Emissionspotenzial von Holzpellets haben können, wurde eine Auswahl näher in diesem Hinblick untersucht. Betrachtet wurden der Einfluss der Pressentechnologie, d.h. Ringmatrize im Gegensatz zu Flachmatrize, die Trocknungstemperatur in einem Bandtrockner und schließlich der Vermahlgrad des Rohspanes für die Pelletsproduktion. Es zeigte sich, dass die Pressentechnologie keinen signifikanten Einfluss auf das Emissionspotenzial aufweist und die aufgetretenen Unterschiede sehr wahrscheinlich auf zufällige Unterschiede im Rohstoff zurückzuführen sind. Die Trocknungstemperatur hingegen zeigte einen unerwarteten Einfluss: Entgegen der aufgestellten Hypothese dass bei erhöhter Trocknungstemperatur die VOC-Emissionen steigen, bewirkt eine niedrigere Trocknungstemperatur ein erhöhtes Emissionspotenzial. Dies lässt sich dadurch erklä15

ren, dass bei einer milden Niedrigtemperaturtrocknung ein relativ großer Anteil der VOCVorläufersubstanzen im Rohstoff verbleibt und daher im Endprodukt für die Bildung von Emissionen zur Verfügung steht. Das Ergebnis bezüglich des Vermahlgrades lässt keine eindeutige Aussage zu, es kann am meist beobachtet werden, dass ein sehr feiner Vermahlgrad zu höheren Emissionen führt.

Abbildung 5: Partikelform und Partikelgröße sind entscheidende Stellgrößen für Prozess- und Produktoptimierungen

Nachfolgeuntersuchungen im Projekt Smell-Process Das durch den Forschungsverbund generierte Wissen stellt eine wertvolle Basis dar, um anwendbare Lösungen für die industrielle Praxis zu erarbeiten. Gemeinsam mit Forschern des Bioenergy 2020+ und der TU Graz, welche ebenfalls seit mehreren Jahren an dieser Thematik arbeiten, wurde daher das Projekt Smell-Process gestartet. Das Projektkonsortium unter der Koordination von proPellets Austria setzt sich aus mehreren Pelletproduzenten, Additivherstellern und einem Anlagenhersteller zusammen. Das Projekt widmet sich unterschiedlichsten Prozessbedingungen und der Rohstoffauswahl, welche das Emissionspotenzial von Holzpellets beeinflussen. Beispielsweise wird die Wirkung unterschiedlicher Rohstoffmischungen oder der Einsatz antioxidativer Additive untersucht, aber auch die Möglichkeit zur Einflussnahme durch Variation von Prozessparametern wie Wassergehalt, Prozesstemperatur und Matrizendesign stehen im Zentrum. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Maßnahmen, welche von Pelletsproduzenten umgesetzt werden können. Das Projekt wurde im September 2015 gestartet und hat eine Laufzeit von zwei Jahren.

Abbildung 6: Beschleunigter Matrizenverschleiß beim Einsatz von mineralischen Additiven stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar und ist demnach Gegenstand vieler Untersuchungen

Prozessoptimierung in der Pelletproduktion - Projektantrag EQ-Pell Dem Forschungsverbund ist es in Vorläuferprojekten gelungen, wichtige Grundlagen im Bereich der Prozessoptimierung zu schaffen. So konnte im Projekt Bioupgrade gezeigt werden, dass die Partikelform, welche bei der Zerkleinerung des Rohstoffes erzeugt wird, wesentlichen Einfluss auf den Energieverbauch in der Pelleiterung hat. Konvexe Formen mit vielen Einbuchtungen haben sich bisweilen als leichter pelletierbar dargestellt. In Trocknungsversuchen mittels Bandtrockner im Technikumsmaßstab konnten Zusammenhänge zwischen den drei

Hauptstellgrößen

Betthöhe,

Bandgeschwindigkeit

und

Trocknungstemperatur

abgeleitet

werden. Um die in diesem Bereich erarbeiteten Grundlagen zu vertiefen und in die industrielle Forschung überzuführen, wurde in einem Konsortium aus fünf Unternehmen und drei Forschungspartnern (HFA, OFI und Wood K plus) das Projekt "Effiziente Ressourcennutzung und Qualitätssicherung durch Simulation und Modellierung in der Holzpelletierung" (kurz: EQ-Pell) konzipiert. Ziel ist es mittels Methoden der statistischen Versuchsplanung, valide Modelle im Technikumsmaßstab zu generieren, welche im Industriemaßstab verifiziert werden. Basierend auf statistischer Prozesskontrolle werden in Zukunft Vorhersagen zu Qualitätsabweichungen in Echtzeit ermöglicht. Hierdurch kann frühzeitig auf Abweichungen im Prozess reagiert und wertvolle Rohstoff- und Energieressourcen eingespart werden. Es soll im April 2016 beginnen und hat eine Laufzeit von drei Jahren.

Abbildung 7: Methodischer Ansatz zur Versuchsplanung mittels Central Composite Design – basierend auf einer systematischen Variation mehrere Untersuchungsgrößen werden sowohl Wechselwirkungen zwischen diesen Stellgrößen aufgezeigt, als auch die Anzahl benötigter Versuche reduziert.

Rohstoffvielfalt: native Nebenprodukte aus der Landwirtschaft und der Lebensmittelproduktion, Produktionsreste der Holzverarbeitung und mittels Torrefikation aufgewertete Rohstoff

2.1.3 Wind Diesel Am 28. April 2015 hat die Europäische Kommission die iLUC-Direktive beschlossen, welche Erleichterungen zur Erreichung der Beimischungsverordnung vorsieht. Grundsätzlich sind die europäischen Mitgliedsstaaten verpflichtet, bis 2020 10 Prozent an erneuerbaren Treibstoffen in ihrem Energiemix nachzuweisen4. Einerseits wird in der iLUC-Direktive die Deckelung der Treibstoffmenge, welche aus Pflanzen produziert wird, die in Konkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie stehen, mit 7 Prozent festgelegt. Dies stellt einen weiteren Grund dar, warum F&E im Bereich "Teller in den Tank" nicht sinnvoll ist. Andererseits werden verschiedene Maßnahmen definiert, durch welche die Substitution von fossilen Energieträgern mehrfach gezählt

werden.

Darunter

fallen

auch

"Advanced

Biofuels",

welche

durch

die

ACR-

Mitgliedsinstitute in den nächsten Jahren verstärkt erforscht werden. Diese fortgeschrittenen Treibstoffe zählen im Sinne der Erreichung des für 2020 gesteckten Zieles einer 10 Prozentigen Beimischung von Treibstoffen doppelt so viel, als Treibstoffe, welche in der 7 Prozent Regel enthalten sind, wie z.B. Treibstoffe aus Nahrungsmitteln. Die Mitgliedsstaaten müssen diese Direktive bis Mitte 2017 umsetzen. Im Vergleich zu den Vorjahren wird ab dann eine nennenswerte Rechtssicherheit vorhanden sein, welche die bisher herrschende Zurückhaltung bei Investitionen in diesem Bereich verringern wird. 18

Die ACR-Mitgliedsinstitute forschen seit Jahrzehnten an Technologien zur Produktion von Treibstoffen, Gasen und festen Brennstoffen aus erneuerbaren Energieträgern, oder biogenen Reststoffen. Aufgrund der Finanzierungsstruktur von solchen Forschungsprojekten dauert es ca. 10 Jahre vom Beginn der Grundlagenforschung bis zur Inbetriebnahme einer Demonstrationsanlage. Die Güssing Energy Technologies war in wesentliche Schritte zur Errichtung des Biomassekraftwerkes Güssing und die "Methan aus Holz" Methanierungsanlage (Bio-SNG) in Güssing eingebunden. Derzeit arbeitet sie mit den Forschungspartnern TU Wien und bioenergy2020+ an einem Projekt zur Optimierung des Fischer-Tropsch-Prozesses. Im Projekt wurde in den letzten 10 Jahren der Prozess so weit entwickelt, dass nun im Technikum Güssing die erste 1-barrel/day FT-Anlage errichtet und in Betrieb genommen werden kann. Die Kopplung dieser Anlagen und Produktion von flüssigen Treibstoffen aus Brennstoffen, wie Biomasse, oder in weiterer Folge auch biogenen Reststoffen und mittelfristig Abfällen ist zum Teil bereits weit entwickelt. In den vergangenen Jahren haben dazu die Know-How Träger TU Wien, Repotec und bioenergy2020+ zahlreiche nationale und internationale Projekte mit Industriepartnern, wie Volvo, Fiat, SGC oder VNG abgeschlossen. Dabei wurden die Eigenschaften der FT-Produkte analysiert. So haben die Motorenentwickler etwa Emissionsmessungen von Fahrzeugen durchgeführt, welche mit Fischer-Tropsch-Diesel betrieben wurden. Die Emissionen sind geringer und die Produkteigenschaften besser. Grundsätzlich sind die Produkteigenschaften den Treibstoffen ähnlich, welche bereits heute bei Tankstellen als "Premium" Sorten zu einem deutlich höheren Preis abgegeben werden. Abbildung 8 zeigt ein sehr einfaches Experiment. Beide Petroleumlampen werden unter gleichen Bedingungen betrieben, wobei man deutlich beobachten kann, dass Diesel, welcher aus Erdöl produziert wird, mehr Ruß bei der Verbrennung in dieser Lampe erzeugt.

Abbildung 8: Experiment linke Lampe FT-Diesel, rechte Lampe Erdöl-Diesel

Aktuell wird in einer Kooperation mit der TU Wien und dem österreichischen Anlagenbauer Repotec der bereits skizzierte Fischer Tropsch Prozess optimiert. Dabei wird das bestehende Konzept einer FICFB-Vergasungsanlage mit angeschlossener Fischer-Tropsch-Anlage erweitert, damit Spitzenstrom gespeichert werden kann. Dieses Konzept wurde "Winddiesel" genannt und basiert auf Resultaten aus einem französischen EU-Forschungsprojekt, wo herausgefunden wurde, dass durch Ersetzen der Dampffluidisierung mittels CO 2 das Verhältnis zwischen H2 und CO geändert werden kann. Dieses H 2:CO Verhältnis, auch Synthesegasverhältnis genannt, muss für verschiedene Synthesen von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen in gewissen Grenzen liegen. Für die Umwandlung von Synthesegas, etwa aus einer Biomassevergasungsanlage, in Fischer-Tropsch-Produkte ist ein Synthesegasverhältnis von 2:1 erforderlich. Dieses Verhältnis liegt bei einer FICFB-Biomasse-Vergasungsanlage im Normalbetrieb bereits vor. Die Kohlenstoffkonversion von eingesetzter Biomasse zu FischerTropsch-Produkten beträgt in diesem Fall 0,31, wobei etwa 50 Prozent der eingesetzten chemischen Energie in Fischer-Tropsch-Produkte umgewandelt werden. Der Rest auf den Gesamtwirkungsrad von 80 Prozent kann entweder als Hochtemperaturwärme eingespeist, oder mittels Rankine Cycle zum Teil in elektrischen Strom umgewandelt werden. Soll nun zusätzlicher Wasserstoff eingespeist werden, muss das Synthesegasverhältnis geändert werden. Wie in Abbildung 9 dargestellt wird dazu CO2 aus dem Produkt, bzw. Synthesegas abgetrennt und in den Vergasungsteil zurückgeführt. Das Synthesegasverhältnis ändert sich damit so weit, dass 70 Prozent der Brennstoffwärmeleistung der Vergasungsanlage in Form von elektrischer Energie in das System eingespeist werden kann. Dieser Strom kann z.Bsp. aus Windkraftwerken stammen, oder dazu verwendet werden, um Überschussstrom in FT-Produkte umzuwandeln. Wenn kein Strom in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden muss, wird die Anlage in Basislast betrieben. Das derzeitige Winddiesel Konzept basiert auf dem Einsatz einer PEM Brennstoffzelle, in der Wasser, das in der Vergasungsanlage anfällt, in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Der Wasserstoff wird mit dem durch CO2-Rückführung abgereicherten Synthesegas vermischt, wodurch das ideale H2:CO Verhältnis wieder eingestellt wird. Im Winddiesel-Betriebsfall, wo die volle elektrische Leistung eingespeist wird, erhöht sich der Kohlenstoffkonversionsgrad auf 0,53, bei einer FT-Produktausbeute von 57 Prozent. Das heißt es finden sich 53 Prozent des eingesetzten Kohlenstoffs in Fischer-Tropsch Produkten umgewandelt und der Energieinhalt der Fischer-

Tropsch-Produkte

beträgt

Prozent

der

zugeführten

Energiemenge.

Abbildung 9: Funktionsprinzip "Winddiesel"2

Neben dem erzielbaren Preis für derartig produzierte Biotreibstoffe ist der Preis für den Brennstoff ein wesentlicher Faktor. Freies Biomassepotential ist in Ländern, wie Österreich, Italien und Deutschland derzeit keines mehr vorhanden. Die Errichtung von großen Hackgutverbrauchern, wie einer Winddiesel Anlage steht daher in direkter Nutzungskonkurrenz mit bestehenden, regionalen Abnehmern. In den Ländern fortgeschrittener Biomassenutzung werden daher voraussichtlich zunächst Anlagen ersetzt, welche in den letzten 15 Jahren aufgrund der Biomasse-KWK-Förderungen errichtet worden sind. Gleichzeitig wird der Druck zur Erzeugung von Biotreibstoffen der zweiten Generation in den nächsten Jahren ansteigen, die Winddiesel Technologie wird dann eine sehr gute Wahl sein. Mittelfristig gesehen werden Winddiesel Anlagen dort errichtet, wo keine Wärmeabnehmer, große Biomassepotentiale und kostengünstiger Strom verfügbar sind. Verschiedene Studien haben Potentiale an verfügbarer Biomasse zur Produktion von erneuerbaren Treibstoffen ermittelt. Es ist höchst wahrscheinlich, dass mittelfristig 10 Prozent des europäischen Treibstoffbedarfs für den Straßenverkehr durch Biomasse gedeckt werden können3. Das bedeutet, es sind derzeit schon genügend Biomasserressourcen verfügbar, um allein damit die Ziele der iLUC-Direktive4 zu erfüllen. Zusätzlich werden in Zukunft Abfälle oder biogene Reststoffe eingesetzt werden können. Aktuell verbraucht die EU täglich 7 Mio. Barrel an Diesel und Benzin5. Dies entspricht einer Leistung von 500 GW. 50 GW wären also durch Verfahren bereitzustellen, welche dem Winddiesel Prozess ähnlich sind. Derzeit gibt es nur einen Produzenten, Neste Oil, welcher 21

schon einige großtechnische Anlagen zur Produktion von hydrierten Pflanzenöl kommerziell betreibt. Viele andere Technologien von weiteren Herstellern werden in den nächsten Jahren folgen. Unter der Annahme einer durchschnittlichen Anlagengröße von 100 MW beträgt das theoretische Potential daher 500 Anlagen in Europa, auf lange Sicht gesehen 5000 Anlagen, bzw. noch mehr wenn der Bedarf an Treibstoffen für den Flugverkehr und weitere Verbraucher von Kohlenwasserstoffen aus der Industrie und Haushalten mit berücksichtigt wird. Aus dieser Sicht stellt das Marktpotential nicht den limitierenden Faktor dar. Die Stärke der österreichischen KMU ist die Spezialisierung. Know-How ist in diesen Nischenmärkten der entscheidende Wettbewerbsvorteil und die Grundlage, damit auch größere Projekte abgewickelt werden können. Sobald der entscheidende Technologievorsprung vorhanden ist findet sich auch meist ein internationaler Großkonzern, welcher diese Anlagen und Nischenprodukte großflächig umsetzt. Für österreichische KMU bietet sich in vielen Bereichen hohes Potential. So ist etwa die Förderung der festen Brennstoffe, wie biogene Reststoffe oder Abfälle, bisher noch nicht völlig zufriedenstellend gelöst. Prozessoptimierungen sind in manchen Bereichen noch notwendig, um die Wartungskosten zu verringern und die Verfügbarkeit der Anlagen zu erhöhen.

2.2.

Solarthermie

2.2.1 Trends in der Solarthermie Eine steigende Weltbevölkerung, Industrialisierung von Schwellenländern und weltweit steigende Mobilitätsanforderungen werden den weltweiten Energiebedarf stark ansteigen lassen, der nur in geringem Ausmaß durch Effizienzmaßnahmen gedämpft werden kann. Erneuerbare Energietechnologien werden dabei in den nächsten Jahrzehnten einen deutlich steigenden Anteil am Energiemix aufweisen, wie zahlreiche Studien 6, 7 belegen. Thermische Energie macht einen wesentlichen Anteil des gesamten weltweiten Energiebedarfs aus. Allein der Gebäudesektor verbraucht 35,3 Prozent, von denen 75 Prozent auf die Bereiche Raumheizung und Brauchwassererwärmung fallen. Neben dem Gebäudebereich besteht ein beträchtlicher Verbrauch thermischer Energie auch bei industriellen Prozessen und wärmeintensiven Dienstleistungen. Obwohl Effizienzmaßnahmen den weltweit steigenden Verbrauch nur abschwächen werden können, schaffen diese die notwendigen Voraussetzungen für eine zunehmende Deckung des thermischen Energiebedarfs auf Basis erneuerbarer Energieträger. So werden die knappen fossilen Ressourcen frei, um sie in Bereichen einzusetzen, in denen sie weniger leicht zu substituieren sind. Es ist dabei zu bemerken, dass schon aktuell die solarthermische Ener22

giebereitstellung in den meisten Fällen weit vor anderen (elektrischen) erneuerbaren Technologien liegt (Abbildung 10).

Abbildung 10: Weltweite Gesamtleistung / Energie bei erneuerbaren Energietechnologien8

Die Innovationen im Bereich der solarthermischen Energienutzung betreffen einerseits die Neu- und Weiterentwicklung von Komponenten aber auch die Erschließung von neuen Anwendungsgebieten. Einen ersten Boom erlebte die thermische Solarenergie in Österreich im Bereich der Warmwasser-bereitung und der Erwärmung von Schwimmbädern bereits in den 1980er Jahren. Zu Beginn der 1990er Jahre gelang es den Anwendungsbereich der Raumheizung für die thermische Solarenergie zu erschließen. Zwischen dem Jahr 2002 und 2009 stiegen die Verkaufszahlen signifikant und erreichten im Jahr 2009 den Höhepunkt. Diese Entwicklung war auf den Anstieg der Energiepreise, sowie die Erweiterung der Einsatzbereiche der thermischen Solarenergie auf den Mehrfamilienhausbereich, den Tourismussektor und die Einbindung von Solarenergie in Nah- und Fernwärmenetze sowie in gewerbliche und industrielle Anwendungen zurückzuführen. Nach der Phase des massiven Wachstums bis zum Jahr 2009 ist der Inlandsmarkt nun seit fünf Jahren in Folge rückläufig, was unter anderem auf die Auswirkungen der Wirtschafts- und Finanzkrise sowie auf deutlich gesunkene Preise von Photovoltaikanlagen und fossilen Energieträgern zurückzuführen ist.

Abbildung 11: Die Marktentwicklung der Solarthermie in Österreich bis 2014, Quelle: AEE INTEC

Mit Ende des Jahres 2014 waren in Österreich 5,2 Millionen Quadratmeter thermische Sonnenkollektoren in Betrieb, was einer installierten Leistung von 3,6 GW th entspricht. Der Nutzwärmeertrag dieser Anlagen lag bei 2.100 GWh th. Damit werden unter Zugrundelegung des österreichischen Wärmemixes 440.898 Tonnen an CO 2-Emissionen vermieden. Im Jahr 2014 wurden 155.170 m² thermische Sonnenkollektoren, entsprechend einer Leistung von 108,6 MWth neu installiert. Im Vergleich zum Jahr 2013 verzeichnete der Solarthermiemarkt in Österreich damit einen Rückgang um 15 Prozent. Der Exportanteil thermischer Kollektoren betrug wie im Vorjahr rund 82 Prozent. Der Umsatz der Solarthermiebranche wurde für das Jahr 2014 mit 255 Mio. Euro abgeschätzt, die Anzahl der Vollzeitarbeitsplätze kann mit ca. 2.300 beziffert werden.

Internationale Markttrends Trotz der oben dargestellten aktuellen Entwicklungen können thermische Solaranlagen auf eine erstaunliche Erfolgsgeschichte in den vergangenen 20 Jahren verweisen. Weltweit betrachtet, liegt die Solarthermie mit einer installierten Leistung von 406 GW th bei den "neuen Erneuerbaren" an erster Stelle vor der Windenergie und weit vor der Photovoltaik (siehe Abbildung 10). Diese Tatsache wird sowohl von der Energiepolitik, wie auch von der breiten Bevölkerung nicht in diesem Ausmaß wahrgenommen. Den mit Abstand größten Markt stellt China dar, wo Ende des Jahres 2013 rund 70 Prozent der weltweiten Kollektorfläche installiert war. An zweiter Stelle im Ranking der Wirt-

schaftszonen liegt Europa mit immerhin noch 12 Prozent der weltweiten Installationen. Die Entwicklung dieser Märkte ist in Abbildung 12 gegenübergestellt. Sieht man vom österreichischen oder europäischen Markt der vergangenen 5 Jahre ab und verfolgt weltweite Trends, so wird deutlich, dass thermische Solaranlagen erstaunliche Zuwachsraten erzielten, auch wenn sich die Wachstumskurve im weltweiten Trend etwas abflacht.

Abbildung 12: Vergleich der jährlich installierten Kollektorleistungen von Flach- und Vakuumrohrkollektoren in China und Europa zwischen 2000 und 2012, Quelle: Mauthner und Weiss, 2015

Wie in Abbildung 13 dargestellt ist, haben neben China auch Indien (Asien ohne China), Zentral- und Lateinamerika sowie die MENA Länder9 beachtliche Zuwachsraten bei der jährlich installierten Solarthermieleistung.

Abbildung 13: Jährlich installierte Leistung von Flach- und Vakuumröhrenkollektoren im Zeitraum zwischen 2000 und 2013 in ausgewählten Regionen. Quelle: Mauthner und Weiss, 2015

Auch wenn 96 Prozent der weltweit installierten Solaranlagen im Jahr 2013 auf die Bereiche der Warmwasserbereitung und Raumheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern entfielen, so wurde in den letzten Jahren dennoch ein signifikantes Wachstum in den neuen Anwendungssegmenten Fernwärme und industrielle Prozesswärme sichtbar. Weltweit entfielen im Jahr 2013 rund 3 Prozent der gesamt installierten Kollektorfläche auf diese Anwendungssegmente. Insbesondere in Dänemark gibt es - bedingt u.a. durch günstige energiepolitische Rahmenbedingungen,

innovative

Finanzierungsinstrumente

und

eine

genossenschaftliche

Eigentü-

merstruktur - seit einigen Jahren einen wahren Boom bei Solaranlagen, welche in lokale Fernwärmenetze einspeisen. Die größte Anlage, die 2014 im dänischen Ort Dronninglund ihren Betrieb aufnahm, hat eine Kollektorfläche von 37.573 m². Dies entspricht einer installierten thermischen Leistung von rund 26 MWth. Im europäischen Vergleich liegt Österreich mit 25 Anlagen und einer installierten Gesamtleistung von 27 MWth an dritter Stelle nach Dänemark und Deutschland.

Abbildung 14: Solarunterstützte Wärme- und Kältenetze in Europa

Obwohl thermische Solarenergienutzung für die Bereitstellung von Prozesswärme in der Industrie derzeit noch einen Nischenmarkt darstellt, steigt die Anzahl der jährlich installierten Anlagen signifikant. Die Anlagengröße variiert von kleinen Systemen bis zu Großanlagen im MW-Sektor. Auch in Österreich wurden zahlreiche Anlagen errichtet. Die weltweit größte solare Prozesswärmeanlage mit einer Kollektorfläche von 39.300 m² (27,5 MWth) befindet sich in Chile. Die solar bereitgestellte Wärme wird im Kupferbergbau in einem Auswaschverfahren genutzt. 26

Im Rahmen des IEA SHC Task 49 wurden bis zum Ende des Jahres 2014 151 Solaranlagen zur Prozesswärmenutzung im Detail erfasst. Die Größenklassen der Anlagen sowie die jeweilige Anzahl der Anlagen sind in Abbildung 15 dargestellt.

Abbildung 15: Thermische Solaranlagen zur Prozesswärmenutzung – weltweit. Quelle: IEA SHC Task 49, 2015

2.2.2 Zukünftige Anwendungen für neue Wärmespeicher Sowohl thermische als auch elektrische Energiespeicher werden bei der künftigen Energieversorgung eine herausragende strategische Bedeutung haben. Allerdings fehlt es bisher an wirtschaftlichen Techniken, um fluktuierende Angebote aus erneuerbaren Energien direkt in einem Medium zu speichern. Aktuell wird jedoch an unterschiedlichen neuen Speichertechnologien geforscht, die mittelfristig neue Anwendungen erwarten lassen. Dadurch ergeben sich auch erweiterte Betätigungsfelder für KMU in einem stetig wachsenden Marktsegment. Die optimale Verwendung von Wärme in solarthermischen Anlagen für die ganzjährige Bereitstellung von Warmwasser und Raumwärme oder die verbesserte Abwärmenutzung ist eng verbunden mit der Entwicklung von kompakten Langzeit-Wärmespeichern. Die Möglichkeit, Wärme in verschiedenen Temperaturbereichen über gewisse Zeiträume (Stunden bis Monate) zu speichern, ist eine Schlüsseltechnologie für verschiedene Energieversorgungsmethoden. Neue, effiziente und verlustarme Speichertechnologien machen auch neue Anwendungen, wie z.B. thermische Speicher in Nutzfahrzeugen oder bei PKW, möglich. So werden vermutlich 27

auch rein elektrisch betriebene Fahrzeuge zukünftig einen Wärmespeicher zur Kabinenheizung und zur Enteisung der Frontscheibe beinhalten. Die Entwicklung neuer Speichertechnologien steht für bestimmte Einsatzzwecke erst am Anfang. Grundlagenforschung, angewandte Forschung und Demonstrationsprojekte sind für die Entwicklung dieser Speicheranwendungen notwendig. Der aktuelle Status bei neuen Speichertechnologien wird in einem internationalen Arbeitskreis diskutiert 10, wo die ACR-Mitglieder ASiC und AEE-INTEC die Rolle Österreichs vertreten.

Sensible thermische Speicher Bei dieser Art der Speicherung wird ein Speichermedium erhitzt oder abgekühlt. In den meisten Fällen wird Wasser eingesetzt, da es eine hohe spezifische Wärmekapazität besitzt und sehr kostengünstig ist. Kleinere Speicher werden als Pufferspeicher in thermischen Solaranlagen (Warmwasserbereitung) für eine Speicherung über Tage oder Wochen eingesetzt. Große Wasserspeicher (bis zu mehreren tausend m 3) werden zur saisonalen Speicherung solarer Wärme zum Heizen im Gebäudebereich meist in Verbindung mit einem Nahwärmenetz gebaut. Mit großen saisonalen Wärmespeichern kann in Deutschland etwa die Hälfte des Gesamtwärmebedarfs von größeren Gebäudeeinheiten solar gedeckt werden. Wärme und Kälte wird auch im Erdreich gespeichert. Hier kann beispielsweise thermische Energie mit einem Temperaturniveau von ca. 10 °C im Winter von einer Wärmepumpe genutzt und im Sommer direkt zur Gebäudekühlung eingesetzt werden. In solarthermischen Kraftwerken werden Salzspeicher oder andere Hochtemperaturspeicher zur Kurzzeitspeicherung (Tageszyklus) in großem Maßstab eingesetzt.

Latentwärmespeicher PCM-Speicher (Phase Change Materials) oder Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel des Speichermediums – meist fest zu flüssig – zur Energiespeicherung. Dadurch kann in einem kleinen Temperaturintervall (um den Phasenwechsel) deutlich mehr thermische Energie gespeichert werden als z.B. bei sensibler Speicherung. Dies ist vor allem bei der Kältespeicherung von Vorteil. In die Gebäudestruktur integrierte PCM können z.B. mit Schmelztemperaturen um 25 °C die Raumtemperatur bei komfortablen Werten halten: Bei Umgebungstemperaturen über 25 °C nehmen diese Materialien die überschüssige Energie auf und schützen so vor Überhitzung, bei niedriger Umgebungstemperatur geben sie die gespeicherte Energie wieder ab. Obwohl diese Form der Wohnraumkonditionierung funktional 28

gesehen keine Speicheranwendung darstellt (keine steuerbare Be- und Entladung) ist sie ein wichtiges Einsatzgebiet der PCM-Materialien.

Thermochemische Speicherprozesse Zur Speicherung thermischer Energie können reversible chemische Reaktionen oder Sorptionsreaktionen genutzt werden. Es wird dadurch ein chemisches Potential unabhängig von der tatsächlichen Temperatur des Speichermaterials zur Speicherung von Energie verwendet. Solche Systeme verfügen potentiell über sehr hohe Energiespeicherdichten, die im Idealfall bis zum Faktor 10 höher liegen als die in Wasser speicherbaren Energiemengen. Die meisten thermochemischen Speicherkonzepte befinden sich jedoch erst im Stadium der Grundlagenforschung. Am weitesten entwickelt sind bislang Ad- und Absorptionsprozesse. Hierbei wird in der Regel Wasserdampf an festen, mikroporösen Adsorbentien (z.B. Zeolith oder Silicagel) oder an wässrigen Salzlösungen (z.B. Lithiumchlorid) sorbiert. Dabei wird Wärme freigesetzt. Zum Laden des Speichers muss durch Wärme der Wasserdampf wieder desorbiert werden. Offene Sorptionsspeicher werden für ihren Einsatz bei der Nutzung industrieller Abwärme untersucht. Vor allem im Bereich industrieller Trocknungsprozesse können hier effiziente und wirtschaftlich interessante Systeme entstehen. Neben der Speicherung bieten offene Sorptionsspeicher auch die Möglichkeit, Wärme in Kälte zu transformieren, was z.B. für die solare Gebäudeklimatisierung genutzt wird. Die für Sorptionsreaktionen nötigen Regenerationsund Nutzungstemperaturen liegen typischerweise im Bereich von 20 °C bis 150 °C.

Technologische Trends bei sensiblen Speichern Großspeicher (Wasserspeicher) spielen in Wärmenetzen auch in Österreich eine zunehmend wichtigere Rolle (Linz, Wels, Wien, Theiß). Neben der reinen Bevorratung von Wärme machen sie neue Betriebskonzepte für Kraftwerke möglich (Stichwort: wärmebedarfsgesteuerter Betrieb). Die Entwicklung von flexiblen Planungskonzepten sollte es möglich machen, die Speicherkonzepte in Zukunft leichter an die geologischen Anforderungen anpassen zu können (Kiesspeicher,

Aquiferspeicher,

Bohrlochspeicher

etc.).

Verbesserte

Dämmungen

und

Schichtungseinrichtungen haben das Ziel, den wirtschaftlichen Betrieb der großen Speicher ohne zusätzliche Wärmepumpe zu ermöglichen. Damit ist eine weitere Verbreitung, auch zur Bevorratung von Solarwärme in Siedlungen, möglich.

Bei

Kraft-Wärme-Kältekopplungsanlagen

ermöglichen

Wärmespeicher

einen

stromgeführten

(eventuell vom Energieversorgungsunternehmen gesteuerten) Betrieb. Dies können sowohl neue, kompakte Speichertechnologien aber prinzipiell auch konventionelle Wärmespeicher sein. Die Ausführung hängt hauptsächlich von wirtschaftlichen Randbedingungen ab. Verbesserung von Dämmungen bei kleineren Wasserspeichern (bis ca. 1.000 Liter) oder neue Konstruktionskonzepte (Doppelwand-Vakuum) helfen, die thermischen Verluste zu reduzieren. Solarthermische Kraftwerke nutzen eutektische Mischungen von Salzschmelzen, um Wärme im Temperaturbereich von 200 °C bis 400 °C zu speichern. Diese Schmelzen weisen den niedrigsten möglichen Schmelzpunkt auf. Neue Materialentwicklungen werden diese Salze auch im Bereich niedrigerer Temperaturen (100 °C bis 200 °C) verwendbar machen.

Technologische Trends bei Phasenwechselspeichern (PCM) PCM stehen mit verschiedenen Schmelztemperaturen zur Verfügung. Momentan wird verstärkt an neuen Materialien mit hohen Speicherkapazitäten und günstigen ökonomischen Randbedingungen geforscht (Zuckeralkohole, Salzhydrate). Prinzipiell sind auch Stoffe (Kunststoffe) denkbar, die durch Rekristallisation in festem Zustand Wärme aufnehmen und freisetzten. Daneben wird angestrebt, kleine gekapselte PCM-Kugeln in einer Flüssigkeit pumpbar zu machen. Seitens der Anwendung werden PCM hauptsächlich für die Stabilisierung thermischer Zustände (z.B. Raumtemperatur, Körpertemperatur, Überhitzungsschutz) verwendet. Neue Materialien machen in Zukunft jedoch auch neue Anwendungen möglich.

Technologische Trends bei Thermochemischen Speicher-Technologien Einige laufende Projekte beschäftigen sich in Österreich mit der Nutzung von thermochemischen Prozessen. Dafür müssen Anwendungen mit den passenden Randbedingungen gefunden werden und die entsprechenden Apparate (Speicher, Wärmereaktor, Wärmetauscher) entwickelt werden. In Labor-Prototypen ist es bisher gelungen, etwa die zwei- bis dreifache Speicherdichte von Wasserspeichern zu erreichen. Da in diese Technologie langfristig die größten Erwartungen gesetzt werden, finden Forschungsentwicklungen in mehreren Richtungen statt: 

industrielle Abwärmespeicherung und -verteilung



saisonale Speicher



mobile Speicher in Fahrzeugen.

Ziel der Forschungsaktivitäten ist es, bis 2020 etwa die fünffache Speicherdichte von Wasser im kleinen Maßstab nutzbar zu machen.

2.3.

Thermische Netze

Niedertemperatur-Fernwärme Moderne Gebäude kommen heutzutage, aufgrund der eingesetzten Niedertemperatursysteme und energiesparenden Bauweise, mit immer kleiner werdenden Vorlauftemperaturen aus. Der Einsatz von Niedertemperatur-Fernwärme hat daher bereits jetzt ein enormes Marktpotential. Das ACR Forschungsinstitut Güssing Energy Technologies (GET) hat im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojekts (unterstützt vom Klima- und Energiefond), gemeinsam mit namhaften Partnern, wie AIT, Wien Energie, MCI, AEA, GEA, marktreife Einbindungskonzepte entwickelt, die anhand von Jahressimulationen technisch und wirtschaftlich ausgewertet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Niedertemperatur-Fernwärme nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich und ökologisch bereits sinnvoll ist. Niedertemperatur-Fernwärme-Systeme werden mit primären Vorlauftemperaturen zwischen 40 und 65°C betrieben. Diese niedrigen Temperaturen ermöglichen die Einbindung von bisher meist ungenutzten Wärmequellen, wie Solarthermie, Wärmepumpen und industrielle Abwärme, sowie die Verringerung der Netzverluste. Beispielsweise können dezentrale Inselnetze (z.B. neue Wohnsiedlung) bei bestehenden Fernwärmenetzen in den Rücklauf eingebunden werden, verringern dadurch die NetzRücklauftemperatur und erhöhen somit die Transportkapazität des Netzes, das vor allem bei Netzengpässen entscheidend sein kann. Eine durch die GET entwickelte verbraucherseitige kaskadische Nutzung zeigte am Beispiel eines Pflegeheims eine Reduktion des primären Volumenstroms um 16,6 Prozent, sowie eine um etwa 4K geringere Netzrücklauftemperatur. Der Rückgang der elektrischen Pumpenergie beträgt etwa 34 Prozent. Die Implementierung ist technisch einfach und günstig umsetzbar. Die Nutzung von Niedertemperatur-Fernwärme stellt vor allem für die hygienische Trinkwarmwasserbereitung eine Herausforderung dar. Zur innovativen Lösung wurden hier Übergabestationen entwickelt, die Mikro-Wärmepumpen, E-Heizstäbe, Durchlaufsysteme, Wohnungsstationen, dezentrale Fernwärmespeicher und Ladesysteme einsetzen. Der

Einsatz

der

neu

entwickelten

Einbindungskonzepte

für

Niedertemperatur-Fernwärme

brachte bei den Fallbeispielen Graz (Wohnblöcke, Pflegeheim) und Güssing (Hotels, Villen) nicht nur einen geringeren Primärenergiebedarf, sondern vor allem auch geringere 31

Wärmegestehungskosten. Abbildung 16 zeigt ein Niedertemperatur-Sekundärnetz mit Nutzung des primären Fernwärmerücklaufs.

Abbildung 16: Niedertemperaturfernwärme als Sekundärnetz und Nutzung des primären Fernwärmerücklaufs als technisch/wirtschaftliche Optimierungsmöglichkeit und Marktchance

Die Nutzung von Niedertemperatur-Fernwärme ist kein Thema für die ferne Zukunft, sondern bereits heute anwendbar. Das Marktpotential ist enorm und stellt daher eine Chance für KMUs dar, die fertige Lösungsmöglichkeiten (Übergabestationen, Regelung, Leitungsnetz, Wärmeabgabesysteme, Wärmepumpen, Contracting uvm.) anbieten wollen.

Trends in der Photovoltaik

In den letzten Jahren erfuhr die Photovoltaik (PV), also die Stromerzeugung direkt aus Sonnenlicht, einen enormen Aufschwung. So wurden im Jahr 2013 rund 159 MWp (Mega Watt peak = maximale Leistung einer PV-Anlage bei Normbedingungen) an Leistung in Österreich neu installiert. Insgesamt waren damit am Ende des Jahres 2014 785 MWp installiert, welche rund 1,4 Prozent des Gesamtstromaufkommens bereitstellen11,12. Dies bedeutet eine Steigerung von 25,4 Prozent im Vergleich zum Jahr 201311. Für 2020 ist bereits eine installierte PV-Leistung von 6,4 GWp für Österreich prognostiziert, was dann einem PV-Anteil am Stromverbrauch von 8 Prozent entsprechen wird12 .

Der erneute Wachstumssprung ist dabei primär auf die weiter gefallenen Preise und die steigende Akzeptanz der Technologie zurückzuführen 11.

3.1.

Gebäudeintegrierte PV

Für Mitteleuropa und Österreich im Speziellen – einem gebirgigen Land, in dem die freiliegenden Flächen hauptsächlich landwirtschaftlich genutzt werden – sehen Experten die potentiellen Installationsflächen für Photovoltaik-Anlagen überwiegend am Gebäude. Das technische Potenzial von "Building-integrated photovoltaics" (BIPV) in Österreich beträgt ca. 140 km² Dachfläche und ca. 50 km² Fassadenfläche. Gemäß einem Bericht der Internationalen Energieagentur13 ist es möglich, durch den Ausbau des theoretisch gebäudeintegrierten Potenzials in Österreich einen jährlichen elektrischen Ertrag von rund 18,7 TWh zu erzeugen. Daraus lässt sich ableiten, dass in Österreich allein durch den Ausbau der BIPV ein bedeutender Anteil

des zukünftigen Strombedarfs gedeckt werden kann 14,15. 2014

waren

aber nur

2,4 Prozent der neu-installierten PV Anlagen gebäudeintegriert, der fassadenintegrierte Anteil betrug nur 1,2 Prozent11. Weltweit wurden bis Anfang 2014 0,1 GWp der PV-Anlagen in die Gebäudehülle integriert, 8 GWp an PV-Anlagen Leistung wurde an Gebäuden angebracht. PV-Module werden derzeit meist additiv in Form von Standardmodulen an Gebäuden und dabei v.a. auf Dachflächen angebracht. Allerdings ergeben diese Auf-Dach-Lösungen oft ästhetisch fragwürdige Objekte, die langfristig und bei höherer Verbreitung – wie das z.B. in Bayern bereits beobachtet werden kann – optisch störend wirken. Dies kann wiederum zu einer verminderten Akzeptanz der Technologie in der Gesellschaft führen. Vor allem für historisch gewachsene Städte wie z.B. Wien sind solche Installationslösungen nicht denkbar. Da die EU-Gebäuderichtlinie ab 2020 strenge Richtlinien für den Energieverbrauch von Gebäuden vorgibt ("nearly Zero energy")16, muss es Ziel sein, wirtschaftlich und optisch verträgliche Lösungen für bauteilintegrierte PV zu entwickeln. Die symbiotische Vereinigung von Architektur mit dem aktuellen Trend zu nachhaltigen Energietechnologien bietet für ein Technologie- und Kulturland wie Österreich große Chancen. Denn ganz im Gegensatz zu den preislich stark unter Druck geratenen Standard-PVModulen, deren Produktion heutzutage zu einem Gutteil in Asien stattfindet, kann bei der BIPV eine wesentlich höhere regionale Wertschöpfung erreicht werden. Teile der Gebäudehülle wie z.B. Dach, Fassade, Fenster, Brüstungen, Sonnenschutzeinrichtungen oder Balkone können durch Kombination mit PV-Zellen mit dem "Zusatznutzen" Stromgewinnung ausgestattet werden und so durch ihre Multifunktionalität einen hohen Mehrwert bieten. Außer Glas/Glas-Fassadenelementen, basierend auf kristalliner Silizium Technologie, gibt es heutzutage keine technisch, wirtschaftlich und ästhetisch ansprechende gebäudeintegrierte Lösung vor allem für Fassaden, die sich am Markt durchsetzen konnten. Neben der Nut34

zung üblicher mono- und polykristallinen Solarzellen in BIPV-Modulen (die jedoch den optischen Ansprüchen v.a. in Richtung Farbgestaltung oft nicht genügen), spielen für die Gebäudeintegration der PV vor allem neue Entwicklungen wie organische Solarzellen oder Dünnschichtfolien eine bedeutsame Rolle, um dem Anspruch der Multifunktionalität von BIPV sowie architektonischen Anforderungen gerecht zu werden. Des weiteren stellen Oberflächenbedruckungen der Module, farbliche Variation der Zelloberflächen sowie ein Einfärben der polymeren Einkapselungen oder der silberfarbenen Zellverbinder mögliche Ansätze dar, um das Erscheinungsbild der PV-Module in der Gebäudehülle ästhetisch ansprechender zu machen. Die Entwicklung innovativer Produkte für die bauteilintegrierte Photovoltaik ist somit ein innovatives Forschungsthema mit hoher Interdisziplinarität, denn es müssen neben 

Materialentwicklungen,



Bauteiloptimierungen und



PV-Modulentwicklungen auch viele



elektrotechnische



bautechnische- und bauphysikalische sowie



energiesystemtechnische Probleme

gelöst werden. Die Implementierung der stromerzeugenden PV-Module in die Gebäudeteile erfordert aber auch eine Abstimmung mit Bauherrn, Architekten und Stadtplanern. Durch den Aufbau des notwendigen Know-hows und der technischen Grundlagen werden die ACRInstitute gemeinsam mit den österreichischen Wirtschaftspartnern einen international anerkannten Technologie-Schwerpunkt entlang der gesamten Wertschöpfungskette auf dem Gebiet der BIPV in Österreich etablieren. Österreich beteiligt sich auch am neuen Forschungsschwerpunkt der Internationalen Energieagentur IEA, der unter dem Thema "Beschleunigung von BIPV" (=TASK 15 der IEA PVPS) eine höhere Marktdurchdringung von BIPV zum Ziel hat15. Ausgehend vom aktuellen Status (2014) 

kleiner Marktanteil: 1-3 Prozent des gesamten PV-Marktes



teuer (Preisrahmen : Faktor 1,3 - 40 BIPV/BAPV)



geringe Marktdurchdringung, hauptsächlich Prototypen

sollen durch Initiativen des Task 15 bis 2020 folgenden Zielvorgaben erreicht werden: 

Marktanteil 10 Prozent



Preisrahmen : Faktor 1,0-1,6 BIPV/BAPV



höhere Marktpenetration

3.2.

Monitoring-Systeme

Die Überwachung von PV-Systemen spielt eine immer wichtigere Rolle am PV-Markt. Dies hat mehrere Gründe: 

Aufgrund sinkender Förderungen ist eine voll funktionsfähige Anlage ein wesentliches Kriterium für den wirtschaftlichen Betrieb über die lange Lebensdauer von PV-Systemen.



Für den Handel der erzeugten Energie am Strommarkt sind exakte Prognosen der Erzeugung notwendig. Monitoring Systeme bieten hier durch die Zusammenführung mit Wetterdaten ein effektives Tool.



Insbesondere große Anlagen sind für Betreiber oftmals unübersichtlich, demgegenüber wollen Privatanwender für die Überwachung möglichst wenig Zeit investieren. Automatisierte Systeme bieten hierfür funktionale Mittel zur einfachen Fehlererkennung.



Installierte Anlagen müssen laufend überprüft und gewartet werden. Aufgrund der Zuwächse in den letzten Jahren besteht entsprechend hohes Potential.

Anlagenüberwachung kann in zwei wesentliche Gruppen unterteilt werden. Zum einen werden Datensysteme verwendet, welche periodisch Messdaten erheben und diese auswerten bzw. visualisieren. Dabei können Erträge überprüft und Betriebsabweichungen aus der Ferne festgestellt werden. Zum anderen gibt es mittlerweile eine Fülle von messtechnischen Methoden, wie Anlagenkomponenten direkt vor Ort auf ihrer Leistungsfähigkeit getestet werden können. Hierbei werden Messungen durchgeführt und eine Vergleichbarkeit mit den ursprünglichen Ausgangsparametern geschaffen. Im Bereich der (Fern-)Überwachung werden Messdaten wie Spannungen, Leistungen und Energien wie auch Umgebungsbedingungen (Einstrahlung, Temperatur und Windgeschwindigkeit) erfasst. Es folgt meist eine Aufbereitung der Daten sowie deren Speicherung. Für Kunden bzw. Betreiber werden die Ergebnisse in unterschiedlichster Form visualisiert, um mögliche Abweichungen von einem gewünschten Verhalten darzustellen. Neben diesem klassischen Ansatz der einfachen Darstellung der Daten wird immer mehr eine automatisierte Analyse der Anlagenergebnisse gefordert. Kleine Fehler können aufgrund der hohen Leistung und großen Anzahl an Einzelkomponenten kaum mehr erkannt werden, verursachen über längere Zeiträume jedoch wesentliche Einbußen. Komplexe Modelle und Algorithmen werden eingesetzt, um Messergebnisse auf Plausibilität zu überprüfen. Geringste Abweichungen vom Normbetrieb können somit erkannt und abhängig von ihrer Auswirkung charakterisiert werden. Nach dem Erkennen eines Fehlers wird in einem nächsten Schritt die Ursache des Fehlers (Art, Auftreten, Ort und Auswirkung) analysiert und der Kunde automatisiert informiert (SMS, E-Mail etc.). Notwendiges Kriterium ist auch die Vermeidung 36

von falschen Alarmen, diese können schnell zu ungewollten Veränderungen in der Verwendung führen. Das ASiC hat in diesem Bereich durch diverse Projekte mit namhaften Industriepartnern umfangreiche Expertise aufgebaut17. Vor allem durch den Einsatz von modulbasierten Optimierern, Wechselrichtern bzw. Überwachungseinheiten steigt die Menge an Daten, welche zum Monitoring dauerhaft zur Verfügung stehen. Neben entsprechenden Möglichkeiten des Datenmanagements müssen einfache, kostengünstige und vor allem langzeitstabile Hardware-Komponenten zur Integration in die Modulanschlussdosen entwickelt werden. Daneben bieten Monitoring-Systeme bereits eine Fülle von weiteren Möglichkeiten bei der Integration ins Netz bzw. in Energiemanagementsystemen. Hierzu zählen unter anderem die Regelung von PV-Anlagen durch den Netzbetreiber im Falle von Netzüberlastung. Aufgrund der teilweise beträchtlichen Anschlussleistung in einzelnen Netzbereichen kann es erforderlich sein, die Anlagenleistung zu Spitzenzeiten zu drosseln. Eine entsprechende Kommunikation zwischen den Akteuren ist hierbei wesentlich, weshalb Monitoring-Systeme aufgrund ihrer Flexibilität und Datenbereitstellung dafür eingesetzt werden. Im Bereich Energiemanagement stellen Monitoring-Systeme die Verbindung zwischen Erzeuger und Verbraucher her. Verschiedenste Geräte können erzeugungsgesteuert aktiviert und der Eigenverbrauch dadurch gesteigert werden. Durch die Integration von Wettervorhersagen können Energieprognosen erstellt werden, welche sowohl für den Handel an der Strombörse essentiell aber auch im Privaten für höhere Eigenverbrauchsquoten notwendig sind. Zu den Vor-Ort-Services von PV-Anlagen zählen unter anderem die Reinigung und Überprüfung von Anlagenkomponenten, insbesondere den Modulen. Für die rasche Auffindung von defekten Modulen kann vor allem die Infrarot-Thermografie eingesetzt werden. Besonders innovativ ist beispielsweise der Einsatz von Drohnen als Kameraträger. Große Flächen können in kürzester Zeit analysiert werden. Mobile Teststände unterstützen bei der Analyse von Schadensbildern und der Erstellung von Garantiegutachten. Studien zeigen, dass bei einem weltweiten PV-Zubau von rund 37 GW der Markt für Monitoring Systeme rund 39,7 GW beträgt18. Dies resultiert in erster Linie aus einer verstärkten Nachrüstung von bereits bestehenden Installationen. Abbildung 17 zeigt die Marktverteilung aufgeschlüsselt nach Unternehmen und Zuwachsraten. Für Unternehmen bieten sich daher gute Möglichkeiten an, unabhängig von Neuinstallationen durch Monitoring ihren Umsatz hochzuhalten bzw. zu steigern.

Aufgrund oft wechselnder politischer und behördlicher Vorgaben gilt es, diese rasch umzusetzen und im optimalen Fall stets einen Schritt voraus zu sein. Hohe Innovationskraft ist daher von den Unternehmen gefordert. Zusätzlich ist auch die Vernetzung mit dem Energiesystem wesentlicher Entwicklungsbereich. Komplette Lösungen sind für den effizienten Einsatz in Smart Homes und Smart Grids notwendig. PV-Monitoring bietet vor allem für kleine und mittlere Unternehmen die Möglichkeit, sich in ausgewählten Fachgebieten zu spezialisieren. Neben der Entwicklung und Installation der Komponenten zählen hierzu im Besonderen die Bereiche der Datenverarbeitung (Übermittlung, Speicherung, Analyse) und Messtechnik.

Abbildung 17: Überwachte Anlagenleistung im Jahr 2013 nach Unternehmen und neu hinzugekommener Leistung19.

3.3.

Energiespeicherung

Die Erhöhung des Eigenverbrauchs – also der direkt verbrauchte Strom einer PhotovoltaikAnlage, der nicht in Netze eingespeist wird – ist gerade bei nicht- oder investitionsgeförderten Anlagen ein wesentliches Mittel zur Erhaltung der Wirtschaftlichkeit. Neben gesunkenen Preisen haben sich auch Förderungen deutlich verringert. Beispielsweise beträgt die geförderte Einspeisevergütung in Österreich 2015 nur mehr rund 0,14 €/kWh, während im Jahr 2006 noch 0,42 €/kWh ausbezahlt wurde20. Betrachtet man die Gestehungskosten von PV-Strom, liegen diese selbst aus kleinen Anlagen bereits unterhalb des durchschnittlichen Haushaltsstromtarifs. Es ist deshalb sinnvoll, einen möglichst großen Anteil an PV-Strom selbst zu verbrauchen und nur mehr den 38

Überschuss

abzugeben.

Werden

herkömmliche

Dimensionierungsrichtlinien

herangezogen

(durchschnittlicher Haushalt mit rund 5 kWp PV) zeigt sich jedoch, dass maximal bis zu 30 Prozent des PV-Stroms direkt verbraucht werden können und rund 70 Prozent mit geringem Ertrag an den Stromhändler gehen. Die mögliche Eigenverbrauchsrate, also das Verhältnis von direkt selbst verbrauchter PV-Energie zu gesamt produzierter PV-Energie, ist in erster Linie vom Verbrauchsverhalten abhängig. Da die PV-Anlage nur bei Solarstrahlung Strom produziert, können nur untertags betriebene Lasten den Eigenverbrauch erhöhen. Beispielsweise passt dies in einem Bürogebäude, wo elektrischer Bedarf vor allem zum Betrieb von

Beleuchtung,

Computern

und

Klimatisierung

vorhanden

ist,

sehr

gut.

Ein

Zwei-

Personen-Haushalt, wo beide Personen untertags berufstätig sind, wird hierbei schlechter abschneiden. Auch im Gewerbe können PV-Anlagen effektiv zur Eigenstromversorgung eingesetzt werden. Besonders bei hohen Verbräuchen tagsüber können der Stromzukauf verringert und die Amortisationszeiten gesenkt werden. In der Kalkulation müssen jedoch etwaige Steuern entsprechend berücksichtigt werden. Die Grenze für die Elektrizitätsabgabe für Eigenstromverbrauch wurde jedoch 2014 auf 25 kWp bzw. 25000 kWh/a erhöht. Zur Erhöhung des Eigenverbrauchs bieten sich verschiedene Maßnahmen an. Die einfachste Variante ist eine Verringerung der installierten PV-Leistung. Dadurch wird weniger Energie erzeugt, von welcher ein größerer Anteil selbst verbraucht werden kann. Die Wirtschaftlichkeit ist jedoch nicht in gleichem Maße gegeben, da kleine Anlagen verhältnismäßig teurer sind. Durch eine Ost-West-Ausrichtung der PV-Anlage wird ein gleichmäßigeres Erzeugungsprofil erreicht. Bedarfsspitzen in der Früh beziehungsweise am Abend können dadurch besser abgedeckt werden. Eine entsprechende Möglichkeit zur Ausrichtung der Montagefläche ist jedoch notwendig. Sofern möglich, stellt die Optimierung des Nutzerverhaltens eine wirkungsvolle Variante zur Erhöhung des Eigenverbrauchs dar. Verschiebbare Lasten, oftmals werden hier Waschmaschine und Geschirrspüler genannt, ermöglichen einen gesteigerten Verbrauch in Zeiten hoher Einstrahlung. Der Nutzer muss hierfür jedoch gewisse Abstriche in Kauf nehmen bzw. seine Lebensgewohnheiten verändern, wozu aufgrund der geringen Energiepreise und der begrenzten Einsparungsmöglichkeiten nur wenig Anreiz besteht. Energiemanagementsysteme geben anhand von Erzeugung und Verbrauch Handlungsempfehlungen oder übernehmen diese Aufgaben bereits automatisiert durch gesteuerte Steckdosen oder die direkte Kommunikation mit dem betroffenen Gerät. 39

Energiespeicher Eine umfassende Möglichkeit zur Eigenverbrauchserhöhung stellt die Nutzung von Speichern dar, da diese Erzeugung und Verbrauch zeitlich voneinander entkoppeln. Hierbei können sowohl Wärme- als auch elektrochemische Systeme eingesetzt werden. Wasserboiler werden seit Langem als Energiespeicher eingesetzt. In Zusammenhang mit Photovoltaik können sie zur Verwendung von Überschussenergie genutzt werden. Kann erzeugter Strom nicht im Haushalt genutzt werden, wird mittels elektrischem Heizstab der Puffer aufgeladen. Verschiedenste Geräte ermöglichen hier einen automatisierten Betrieb mit Überschussenergie. Teilweise werden auch bereits PV-Anlagen installiert, die nur zur Erwärmung von Wasser eingesetzt werden und über keinen Netzanschluss verfügen. Durch die stark gefallenen Systempreise stellt diese Variante eine Konkurrenz gegenüber der "klassischen" Solarthermie dar. Die Speicherung von elektrischer Energie ist durch den Einsatz von Batteriespeichern möglich. Die verhältnismäßig hohen Akkukosten erfordern jedoch die Entwicklung spezifischer Business-Cases um einen rentablen Betrieb zu gewährleisten. Für stationäre Heimspeicher haben sich ab dem Jahr 2014 Förderungen in einzelnen Bundesländern etabliert. Obwohl damit nur in seltenen Fällen ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist, ist die Kundennachfrage verhältnismäßig hoch. So waren beispielsweise die bisherigen Fördertranchen in Oberösterreich binnen weniger Tage vergriffen. Im Bereich der Heimspeichersysteme haben sich vor allem Lithium-Ionen-Akkus durchgesetzt. Diese zeichnen sich durch lange Nutzungsdauern (manche Hersteller garantieren bis zu 20 Jahre) und eine hohe Effizienz aus. Aufgrund der gestiegenen Absatzzahlen durch stationäre und mobile Anwendungen kann auch ein signifikanter Preisrückgang beobachtet werden. Li-Speicher werden aufgrund ihrer Flexibilität auch in zentralen Anlagen zur Netzstabilisierung eingesetzt. Ist vor allem eine große Speicherkapazität gefragt, werden Natrium-Schwefel (NAS) oder Redox-Flow Batterien eingesetzt. Neben der Weiterentwicklung der Batterietechnologien müssen vor allem Regelstrategien, zur Eigenverbrauchserhöhung

bei

gleichzeitiger

Netzdienlichkeit

entwickelt werden. Durch

die

Kommunikation mit anderen Geräten im Haushalt und dem Einsatz von Wetterprognosen kann die Effizienz gesteigert werden. Das ASiC arbeitet beispielsweise im Projekt EStore-M gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Forschung an der Entwicklung optimierter Regelungsalgorithmen. Dabei werden insbesondere Wetterprognosen eingesetzt um den Batterie40

speicher effizient zu nutzen. Durch die Einbindung von steuerbaren Lasten, wie beispielsweise Wärmepumpen, kann die Speicherkapazität von Solarstrom zusätzlich noch virtuell erweitert werden. Für Unternehmen bietet sich im Bereich der Speicherung ein großes Betätigungsfeld, welches unterschiedlichste Bereiche bedient. Zu erwähnen sind beispielsweise Meteorologie, Automatisierungstechnik, Home Automation und Elektronik. Aber auch ein breiterer Blick auf das Thema ist notwendig, um Geschäftsmodelle für den wirtschaftlichen Einsatz von Speichern zu entwickeln.

3.4.

Hybridsysteme

Im Projekt Cool PV haben sich die ACR-Forschungsinstitute GET und ASiC sowie die Forschung Burgenland und die Gesellschaft für Solarenergie und Design (SOLID) zu einem schlagkräftigen Konsortium zusammengeschlossen. In dieser einzigartigen Konstellation wird ein wesentlicher Beitrag zur Verbesserung der Kombination von Solarenergie und Wärmepumpensystemen erarbeitet.

Problemstellung Die Leistungsfähigkeit von PV-Elementen ist stark von der Modultemperatur abhängig. Als Faustregel gilt: eine Temperaturerhöhung von 10 °C vermindert die Leistungsfähigkeit des PV-Moduls um bis zu 5 Prozent. Abhilfe schaffen sogenannte PV-Hybridmodule. Dabei werden die PV-Module auf einem Absorber platziert, der Wärme über ein Flüssigkeitskühlsystem abführen kann (siehe Abbildung 18).

Abbildung 18: PV-Hybridmodul von Volther pv-t hybrid collectors (Quelle: Volther Hybridkollektoren: Effizienz im Doppelpack, Produktinformation Solimpeks Solar GmbH)

Diese Hybridkollektoren sind dazu geeignet, durch aktive Kühlung die Temperatur des PVModuls zu verringern und damit den elektrischen Stromertrag zu erhöhen. Dazu muss allerdings eine Wärmesenke zur Verfügung stehen, die in Zeiten von hoher solarer Einstrahlung dauerhaft Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aufnehmen kann. Erdreichkollektoren für Wärmepumpen sind Wärmesenken, die diese Kriterien erfüllen. Diese arbeiten üblicherweise auf einem Temperaturniveau von etwa -5 °C bis 10 °C und stellen die meistgenutzte Wärmequelle für Heizungswärmepumpen in Einfamilienhäusern dar. Das Temperaturniveau des Erdreichs ist am Ende der Heizperiode am geringsten, die Regeneration erfolgt üblicherweise zum Großteil durch Sickerwasser. Durch eine Kombination von PV-Hybridkollektoren und Wärmepumpenanlagen mit Erdreichkollektor kann die Effizienz beider Systeme erhöht werden: 

Die PV-Hybridkollektoren können bei hoher Sonneneinstrahlung durch Wärmeabfuhr gekühlt werden, wodurch ihre Effizienz und damit der Energieertrag steigt.



Die Einspeicherung von Wärme in den Erdreichkollektor unterstützt dessen Regeneration und erhöht dadurch das Verdampfungstemperaturniveau für die Wärmepumpe und damit auch ihre Leistungszahl.

Abbildung 19: Energieflüsse im Sommer- und Winterbetrieb der Systemkombination

Im Projekt Cool PV werden die wissenschaftlichen Grundlagen zur Quantifizierung dieser Effekte erarbeitet. Das Ziel ist die Erstellung eines Software-Tools, mit dessen Hilfe es möglich ist, eine fundierte Abschätzung der Auswirkungen auf den Energieertrag des PVHybridkollektorfeldes sowie die energetische Verbesserung des Wärmepumpensystems zu treffen.

Die Innovation in diesem Projekt ist die wissenschaftliche Analyse der naturwissenschaftlichen Wechselwirkungen der Systeme untereinander und mit ihrer Umgebung. Mit Hilfe der im Projekt erstellten Simulationswerkzeuge ist es mĂśglich, die gegenseitige Beeinflussung der Systeme besser zu verstehen, als dies nur durch Monitoring mĂśglich ist. Dadurch wird die Grundlage fĂźr eine gesamtheitliche Optimierung geschaffen.

Energieeffizienz und Energieoptimierung 4.1.

Energieeffizienz in der Industrie

Steigende Energiekosten und klimapolitische Zielsetzungen wie auch das EnergieeffizienzGesetz (EEffg) erhöhen die Herausforderungen in Bezug auf Energieverbrauch nicht nur für Gebäude sondern vor allem für Industriebetriebe. Im Rahmen von Energieaudits oder Energiemanagementsystemen können in regelmäßigen Abständen Analysen des Energieverbrauches des Prozesses durchgeführt werden. Das Ziel: Ressourcen- und Energieeffizienz zu erhöhen und Kosten zu senken. Dadurch soll der negative Einfluss auf die Betriebskosten und Produktivität vermindert und die Wettbewerbsfähigkeit erhöht werden. Die Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung sind aufgrund der zahlreichen und unterschiedlichen industriellen Prozesse vielfältig. Neben den klassischen Methoden wie die Nutzung der Abwärme oder der Tausch von alten Pumpen und Motoren werden innovative Lösungen entwickelt. Die Herausforderung liegt dabei in den zum Teil bereits erreichten thermodynamischen Grenzen, welche die Energieeffizienzpotentiale bereits ausgeschöpft erscheinen lassen. In F&E-Projekten werden optimierte Prozesse und neue Technologien entwickelt.

Konventionelle Lösungen Abwärmenutzung In der österreichischen Sachgüterproduktion sind zwei Drittel der benötigten Energie für Wärmeanwendungen erforderlich, in Deutschland rund drei Viertel. Große Mengen an Abwärme (bis zu 70 Prozent), die bei der Dampferzeugung, Erwärmung von Einsatzstoffen und Materialien oder bei Trocknungs- und Reinigungsprozessen entstehen, werden ungenutzt über die Abluft oder das Abwasser freigesetzt. Mithilfe geeigneter, dem Prozess angepassten Wärmerückgewinnungssystemen kann diese Wärme wieder dem Prozess zugeführt werden. Der Leitfaden von klimaaktiv empfiehlt dabei folgende Maßnahmen zur Optimierung des Wärmebedarfs21: 

Vermeidung bzw. Minimierung der Abwärmeströme



Optimierung der bestehenden Wärmetauscher



Analyse zur Nutzung der betrieblichen Abwärme

Ob die Wärmerückgewinnung über Wärmetauscher, Wärmepumpen oder über die Nutzung von Speichern erfolgt, muss individuell für den Prozess entschieden werden. Wichtige Parameter stellen dabei unter anderem Temperaturniveaus, Abwärmemenge, Inhaltsstoffe, Leistung, Auslastung sowie Betriebszeiten dar. Kann die Abwärme konstant und zuverlässig ge45

nutzt werden, werden Aufwendungen für Heiz- und Rückkühlsysteme reduziert. Die Vorteile der Abwärmenutzung liegen in der Reduzierung des Energiebedarfs und -kosten, Verringerung der Umweltbelastung, größere Unabhängigkeit von externen Energieversorgern und daraus resultierende Verbesserung der Produktivität. Ein willkommener Nebeneffekt: es wird ein besseres Verständnis der Energie- und Stoffströme ermöglicht. Aufgrund der Kopplung der Prozesse durch die Abwärmenutzung werden Abhängigkeiten geschaffen, die bei Ausfällen und Stillständen nachteilig sein können. Daher müssen Reserveinfrastrukturen vorhanden sein, die im Notfall schnelle Abhilfe schaffen. Es ist zu beachten, dass zusätzliche Flächen, Aufwendungen und Wartungen der Anlagentechnik benötigt werden22. Pumpen Pumpensysteme benötigen 20- 25 Prozent der weltweit erzeugten elektrischen Energie23. Die Energiekosten von Pumpen haben einen großen Anteil an den Gesamtkosten in einem produzierenden Unternehmen – je nach Art, Alter und Anwendung der Pumpe bis zu 4585 Prozent. Um Einsparungspotentiale optimal nutzen zu können, ist immer eine Betrachtung des Gesamtsystems (Motor, Antrieb, Pumpe, Leitungen, Armaturen, Regelung) erforderlich. Schwanken die Volumenströme beispielsweise stark, können bei einem Einsatz drehzahlgeregelter Antriebe bis zu 70 Prozent eingespart werden24. Die Hauptproblematiken liegen in veralteten Systemen und geänderten Pumpenaufgaben. Folgende Maßnahmen können die Energieeffizienz von Pumpen erhöhen: 

Tausch von Altgeräten gegen richtig dimensionierte, effiziente Pumpen, Abschalten/Entfernen von nicht erforderlichen Pumpen



Regelmäßige Wartung



Reduktion der Rohrnetzlängen



Reduktion der Druckverluste im Leitungssystem (Vermeidung von Engpässen und Bögen, größere Rohrleitungsdurchmesser)



Reduktion des erforderlichen Förderstroms oder der Förderhöhe



Frequenzumrichter statt Drosselventile

Regelmäßige Messungen, Datenerfassung, Aufzeichnung und Auswertung sind zusätzlich empfehlenswert, um ein transparentes System zu erhalten und auf Änderungen reagieren zu können23. Druckluft Die Erzeugung von Druckluft ist sehr energie- und kostenintensiv und weist trotzdem mit drei Viertel der eingesetzten Endenergie sehr hohe Verluste auf, welche durch Kompressi46

onswärme und Leerlaufverluste entstehen. Hier ist ein enormes Einsparungspotential mit Wärmerückgewinnung (90 Prozent) zu finden. Bis zu 20 Prozent der betrieblichen Energiekosten kann die Druckluftbereitstellung verursachen. Folgende Einsparungsmaßnahmen sind unter anderem möglich: die Reduktion der Druckverluste sowie Leckagen und die, wenn möglich, resultierende Verringerung des Druckniveaus kann den Energieverbrauch um 5-10 Prozent pro bar reduzieren. Auch regelmäßige Wartung und Filterwechsel können bis zu 10 Prozent einsparen. Etwa 25 Prozent weniger Energieverbrauch kann mit einer optimierten Steuerung des Kompressors erzielt werden. Neben der Druckluftreduzierung und Leckagenminimierung ist die Verbesserung der Druckluftverbraucher eine weitere Methodik zur Steigerung der Effizienz, da diese das höchste Potential in pneumatischen Systemen aufweisen (bis zu 40 Prozent). Eine Optimierung beeinflusst auch die anderen Systemkomponenten und führt zu einer kleineren Dimensionierung der Gesamtanlage 24,

Beispiele für Forschungs- und Entwicklungsprojekte Wärmepumpen für den industriellen Einsatz Die in der Industrie entstehende Abwärme weist zumeist ein Temperaturniveau von ca. 30 bis 60°C auf, was deutlich über den erforderlichen Temperaturen von konventionellen Heizungswärmepumpen liegt. In Österreich wäre mit Nutztemperaturen von 100°C eine theoretische Abdeckung von 30 Prozent des gesamten Nutzenergiebedarfs der Industrie möglich. Um diese exergetisch hochwertige Wärmequelle nutzen zu können, sind spezielle "Hochtemperatur-Wärmepumpen", elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen mit ein- oder mehrstufigen Kaltdampfkreisläufen, erforderlich. In Forschungsprojekten werden beispielsweise Absorptions-/Kompressions-Wärmepumpen für den

industriellen

Einsatz

experimentell

und

simulationstechnisch

analysiert.

Als

Kälte-

/Lösungsmittel wurde NH3 / LiNO3 verwendet, ein Stoffgemisch mit dem Vorteil, dass das Druckniveau bei der Absorption und Desorption durch die Veränderung der Lösungskonzentration in Abhängigkeit vom Wärmesenken- und Wärmequellentemperaturniveau reguliert werden kann. Auch die Heizleistung kann mit dieser Methode variiert werden. Mit NH3 / LiNO3 ist es zudem möglich, Austrittstemperaturen über 100°C zu erreichen, trotz Begrenzung des Hochdruckniveaus auf max. 20 bar. Mit Hilfe von Messungen wurde das Modell optimiert und für Simulationsstudien zur wirtschaftlichen Umsetzung herangezogen 26. Solare Prozesswärme für Brauereien Die bereits am Markt verfügbaren Solartechnologien ermöglichen eine Anwendung für industrielle Prozesse im Temperaturbereich bis zu 400°C, der derzeit in Österreich wirtschaftlich 47

optimale Bereich liegt aber bis 100°C. Da Brauereien bei 50 – 100°C arbeiten, ist hier der Einsatz von solarer Prozesswärme prädestiniert. Bei der Brauei Göss wurde im Rahmen eines von AEE INTEC geleiteten EU-Projekts ein Konzept für einen solarunterstützten Maischprozess realisiert. Dabei wurden 1.400 m² Gesamtkollektorfläche, welche an einen 200 m³ Energiespeicher gekoppelt ist, installiert. Zu 30 Prozent kann der Energiebedarf für den Maischprozess solarthermisch gedeckt werden, der Rest wird über Abwärme aus einem holzverarbeitenden Betrieb sowie über eine Biogasanlage versorgt26.

4.2.

Energieeffizienz in (Büro-)Gebäuden

"Low-hanging fruits" für Optimierung dargestellt anhand von Lüftungsanlagen Bei der Bewertung von gebäudetechnischen Systemen und bei der Identifizierung von Optimierungsansätzen zeigen sich häufig ähnliche Planungs- bzw. Betriebsfehler, welche zu überhöhtem Energieverbrauch, nachteiligem Raumklima oder störanfälligem Betrieb führen können. Investitionen zur Optimierung gebäudetechnischer Anlagen rechnen sich dabei oft in kurzer Zeit, häufig lassen sich aber bereits durch geringfügige Maßnahmen (z.B. regelungstechnische Anpassungen) große Einsparungen realisieren. Dies soll im Folgenden anhand von Optimierungspotentialen von Lüftungsanlagen kurz dargestellt werden. Lüftungs- und Klimaanlagen stellen oft Systeme mit großem Optimierungspotential dar. Durch das Zusammenspiel mehrerer Energiesysteme (Heizregister, Kühlregister, ev. Luftbefeuchtung) und eine hohe Zahl an Betriebsstunden (oft ein 24/7-Betrieb) hat die Auslegung der Lüftungsanlage große Auswirkungen auf den Verbrauch von Heizenergie, Kühlenergie und elektrischer Energie. In folgender Tabelle werden variable Arbeitszeiten einer Anlage dargestellt. Arbeitszeit

Arbeitsstunden [h/d]

Ganzjährig Ganzjährig Ganzjährig 6 Tage 6 Tage 6 Tage 5 Tage 5 Tage 5 Tage Betriebsstunden bei

Tage [d/a]

Jahresstunden [h/a]

24 365 8.760 16 365 5.840 8 365 2.920 24 313 7.512 16 313 5.008 8 313 2.504 24 261 6.264 16 261 4.176 8 261 2.088 unterschiedlicher Arbeitszeit

Man sieht, dass bedarfsgerechte Anpassungen der Betriebszeiten wesentliche Auswirkungen auf die Betriebsstunden im Laufe eines Jahres haben. So ist in der Tabelle z.B. zu erkennen, dass gegenüber einem ganzjährigen 24-h-Betrieb eine Reduktion der Betriebszeiten 48

auf einen 16-h-Betrieb, 5 Tage die Woche, zu einer Verminderung der jährlichen Betriebsstunden von über 50 Prozent führt. Neben der Energieeinsparung ergeben sich durch angepasste Betriebszeiten Vorteile durch die Reduktion von Wartungsintervallen und einen reduzierten Filtertausch. Für einen energieeffizienten Betrieb einer Lüftungsanlage ist neben einer spezifischen Einstellung der Betriebszeiten auch eine bedarfsgerechte Einstellung des Volumenstroms unbedingt notwendig. Die Antriebsleistung des Ventilators ändert sich mit dritter Potenz zur Drehzahl eines Ventilators, welche sich etwa proportional zum Volumenstrom verhält. Das bedeutet, dass bereits geringfügige Anpassungen des Volumenstroms große Auswirkungen auf die Leistungsaufnahme von Lüftungsventilatoren haben. Dies wird auch in folgender Abbildung grafisch dargestellt, wo man eine typische, gemessene Leistungskurve eines Lüftungsventilators sieht. Beispielsweise kann man sehen, dass eine Verringerung des Volumenstroms durch Drehzahlregelung auf 80 Prozent einen Rückgang der Ventilator-Antriebsleistung auf 50 Prozent bedeutet. 100

Antriebsleistung [%]

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 30

100

Volumenstrom [%] Typische Kurve eines Lüftungsventilators – Antriebsleistung in Verhältnis zum Volumenstrom (in Prozent)

Einsparungen von Heiz- und Kühlenergie bei der Lüftungstechnik sind abhängig von der Regelung der Anlage – wird mit einem hohen Frischluft-Anteil belüftet, erhöhen sich die Einsparpotentiale von Heiz- und Kühlenergie bei einer Reduzierung des Volumenstroms. Wird ein wesentlicher Teil über Umluft geführt, reduzieren sich die Einsparpotentiale entsprechend. Teilweise sind die Ventilatoren bestehender Lüftungsanlagen bereits mit Frequenzumrichtern ausgestattet, die eine Anpassung der Drehzahl in einem großen Bereich ermöglichen, jedoch wird oft bei der Inbetriebnahme von einer bedarfsgerechten Regelung der Luftmengen abge49

sehen. Häufig wird als Auslegungsgrundlage für das Gebäude "Vollbesetzung bei maximaler Auslastung" unterstellt, was den tatsächlichen Gegebenheiten oft nicht entspricht. Eine regelungstechnische Anpassung des Volumenstroms kann dabei relativ einfach erfolgen, z.B. über eine zeitabhängige Regelung, kann aber auch deutlich aufwändiger, deshalb oft präziser, durchgeführt werden – etwa über Sensoren (z.B. Bewegungs- oder CO2-Sensoren). Sind keine Frequenzumformer vorhanden und ist ein Betrieb unterschiedlicher Lüfterstufen nicht möglich, kann man die Regelung dahingehend optimieren, dass die Anlage außerhalb der Betriebszeiten (Wochenende, Nacht) ausgeschaltet wird. Becker et al. (2010) gehen davon aus, dass durch eine bedarfsgerechte Belüftung Energieeinsparungen von über 70 Prozent im Vergleich zu Systemen mit konstantem Volumenstrom möglich sind.

Abbildung 20: Typische Lüftungsanlage (Quelle: OFI)

4.3.

Mobiles FEI-Labor fürs Bauwesen

Die Motivation Themen wie Energieeffizienz, Nachhaltigkeit und Anforderungen an die Behaglichkeit oder den

Schallschutz

werden

Bauwesen

immer

präsenter

und

folglich

nimmt

die

Komplexität am Bau ständig zu. Nur durch bauphysikalisch einwandfreie Planung und plangerechte Ausführung des Gebäudes und der richtigen Auslegung, Einregulierung, Überprüfung und Monitoring von haustechnischen Anlagen kann die optimale Betriebsweise des Systems Gebäude und Technik gewährleistet werden. 50

Häufig sind jedoch Anbieter einer Dienstleistung zur einfachen Nachkontrolle des in der Planung angestrebten Leistungsniveaus schwer zu finden und es besteht für die Betreiber keine wirtschaftliche Möglichkeit, Fehler zu erkennen und die Leistung ihrer Anlage zu beurteilen.

Daher

fehlt

oftmals

eine

Funktionskontrolle,

wodurch

Planungs-

und

Ausführungsfehler unentdeckt bleiben.

Die Lösung In Kooperation mehrerer ACR-Institute (ASiC, BTI, OFI) wurde ein mobiles Labor für Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsdienstleistungen angeschaffen. Der Klein-LKW ist

mit

Messgeräten

Schreibtischfläche,

und

einen

einem

Laborbereich,

Bildschirm,

zwei

der

Notebooks

unter und

anderem einen

eine

klappbare

Multifunktionsdrucker

enthält, ausgestattet. Ebenso befindet sich im Fahrzeug ein Stromgenerator, wodurch ein netzunabhängiger Einsatz möglich ist. Das mobile Labor wird bei FEI-Projekten zur Untersuchung

und

Verifizierung

der

Planungsübereinstimmung

von

Neubauten

und

Sanierungsobjekten sowie der Verifizierung der Leistungsfähigkeit innovativer Technologien im

Hochbau eingesetzt. Zentrale Ziele sind die Steigerung und Sicherstellung der

Energieeffizienz sowie der technischen Funktionsfähigkeit der analysierten und betreuten Objekte und Anlagen. Die Einsatzbereiche umfassen u.a. folgende Punkte: 

Überprüfung der Gebäudehülle: IR-Thermographie, Luftdichtheit (BlowerDoor-Test), Nebeltest



Beurteilung der Bausubstanz: Feuchtebestimmung, Festigkeit, Haftzugprüfung, Bestimmung der Rutscheigenschaften (Gleitreibung)



Solare-energetische Analyse für Solarthermie- und PV-Anlagen: Systemplanung, Fehlerdetektion, Systemoptimierung, Wirtschaftlichkeitsanalyse



Hygiene-Analytik: Luftqualität (Probensammler), Schimmelnachweis, Emissionen



Endoskopie



Mikroskopie



Probenlogistik: Entnahme, Lagerung und Transport von Materialproben in geeigneten (luftdichten) Laborbehältern

Die Vorteile des mobilen FEI-Labors liegen im integrierten Laborbereich und der damit einhergehenden Erfassung und Auswertung der Daten an Ort und Stelle. Das gleichzeitige Erfassen aller Daten verbessert die Qualität der Untersuchung. Des Weiteren können unmittelbare Entscheidungen über die Verbesserung von der Konstruktion oder Anlage getroffen, Mehrfach-Anfahrten vermieden und der Arbeitsaufwand minimiert werden. 51

Literatur

Siehe beispielsweise www.fnr.de, www.energiepflanzen.at P. Groß, R. Rauch, H. Hofbauer, C. Aichernig, und R. Zweiler, "WINDDIESEL TECHNOLOGY – AN ALTERNATIVE TO POWER TO GAS SYSTEMS", in Proceedings of the 23rd European Biomass Conference & Exhibition, Vienna 2015, Vienna, 2015. 3 A. Vogel, D. Thrän, J. Muth, und D. Beiermann, "Renewable Fuels for advanced Powertrains", Endbericht SES6CT2003-502705, 2007. 4 European Comission, iLUC - Fuel quality directive and renewable energy directive ***II - P8_TAPROV(2015)0100. 2015, S. 98 5 C. Walla, I. Darnhofer, und H. K. Wytrzens, "Entwicklung des Treibstoffverbrauchs in der EU - Biodiesel als Chance für den Ölsaatenanbau", Facultas, S. 165–171, 2006. 6 W. Streicher, et.al., Energieautarkie für Österreich 2050, Feasibility Study (2011) 7 Wissenschaftlichen Beirat der deutschen Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU), 2003 8 Mauthner, F., Weiss,W.: Solar Heat Worldwide – markets and contribution to the energy supply 2013, Ed. IEA Solar Heating and Cooling Programme, Edition 2015 9 MENA: Mittlerer Osten und Nordafrika 10 SHC-Task 42 der IEA, siehe http://task42.iea-shc.org/ 11 Peter Biermayr, Manuela Eberl, Monika Enigl, Hubert Fechner,Christa Kristöfel, Kurt Leonhartsberger,Florian Maringer, Stefan Moidl, Christoph Schmidl, Christoph Strasser, Werner Weiss, Elisabeth Wopienka2014. Innovative Energitechnologien in Österreich Marktentwicklung 2014. Berichte aus Energie und Umweltforschung 11/2015. Erhältlich unter: http://www.pvaustria.at/wp-content/uploads/Marktstatistik_2014-Final.pdf . 12 Photovoltaik Austria Federal Association (Hrsg): Fact Sheet – PV Branche Österreich. Die österreichische Photovoltaik Branche in Zahlen. November 2015. Erhältlich unter: http://www.pvaustria.at/wp-content/uploads/2015-06-11-Fact-sheetPV-Branche.pdf. 13 Internationale Energieagentur IEA "Potential for Building Integrated Photovoltaics IEA-T7-2002" 14 Gebäudeintegrierte Photovoltaik Teil 1: "Technologiestatus, Erfahrungen, Best Practice-Beispiele und Visionen der BIPV Technologie", Studie im Auftrag des Österreichischen Klima- und Energiefonds Oktober 2009; H. Fechner, E. Sehnal, R. Haas, A. López-Polo und D. Kletzan-Slamanig 15 Gebäudeintegrierte Photovoltaik Teil 2: "Perspektiven, Potenziale und volkswirtschaftliche Betrachtung der BIPVTechnologie", Studie im Auftrag des Österreichischen Klima- und Energiefonds Oktober 2009; H. Fechner, E. Sehnal, R. Haas, A. López-Polo und D. Kletzan-Slamanig 16 RICHTLINIE 2010/31/EU DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES, vom 19. Mai 2010, über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäude; http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:153:0013:0035:DE:PDF 17 Projekte "PVplus” und "PV-SFD"; http://www.asic.at 18 http://www.pv-tech.org/news/burgeoning_pv_monitoring_market_outstripped_pv_instals_in_2013_gtm, 8.11.2015. 19 http://www.greentechmedia.com/content/images/reports/PV_Monitoring_2014_graphic2.png, 8.11.2015. 20 Bundesgesetzblatt, 285. Verordnung: Änderung der Ökostrom-Einspeisetarifverordnung 2012 (ÖSET-VO 2012), ausgegeben am 11.11.2014 21 Kulterer K., Mair am Tinkhof, O. (2015) "Leitfaden für Energieaudits für betriebliche Abwärmenutzung", Wien 22 Hirzel, C., Sontag B., Rohde, C. (2013) "Industrielle Abwärmenutzung", Kurzstudie, Karlsruhe 23 Hoffmann, M., Kulterer, K. (2013) "Leitfaden für Pumpenaudits", Wien 24 Blesl, M., Kessler, A. (2013) "Energieeffizienz in der Industrie", Springer Verlag, Berlin Heidelberg 25 Kulterer, K., Huber, J., Ruthner, H., Pucher, C., Steinbrugger, C. (2015) "Leitfaden für Energieaudits zur Optimierung von Druckluftsystemen", Wien 26 Klima- und Energiefonds (2014) "watt² - leistungsstarke und energieeffiziente Industrie", Science Brunch, Wien 2