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Technisches Seminar
Solarthermische Anlagen in Gewerbe & Industrie 18. April 2013 - Technisches Seminar – GBE FACTORY: Einsatzmöglichkeiten erneuerbarer Energiequellen in Gewerbe- und Industrie www.gbefactory.eu DI Josef Buchinger S.O.L.I.D. Gesellschaft für Solarinstallation und Design mbH
S.O.L.I.D. Aktivitäten Großsolaranlagen (>100m²) • Projektentwicklung • Planung • Anlagenbau • Betrieb & Wartung • Finanzierung (ESCo) • Forschung & Entwicklung
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S.O.L.I.D. Gruppe Stammsitz in Graz Büros in USA & Singapur
Partner in vielen Ländern Jüngste Referenzanlagen rund um den Äquator
Graz, Austria Phoenix, AZ Harvard DOC Lanta DMHS Hyatt Beverage
SOLID Office KFU Graz KVK Körner SDH Graz Pristina
CGD
Qingdao Al-Ain
DigiCel Hyatt UWC Singapore
Office
Partners
Solar Cooling Heating Process Heat
Anwendungen
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Mögliche Applikationen
WÄRME
WARMWASSER & HEIZUNG
SPEICHER
SOLARERTRAG
PROZESSWÄRME
WARME LUFT
KÜHLWASSER THERM. ANGETR. KÜHLMASCHINE
WÄRMENETZE
SOLARES KÜHLEN
KALTLUFT KÜHLBEDARF
Kollektortechnik
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Übersicht: Art von Kollektoren • Konzentrierende Kollektoren – Parabolrinnen Kollektor – Fresnel Kollektor
• Nichtkonzentrierende Kollektoren – Flachkollektor – Vakuumröhrenkollektoren – Schwimmbadabsorber – Luftkollektoren
Konzentrierende Kollektoren ++ bieten sehr hohe Temparaturen + bis zu 400°C + Dampfproduktion möglich Trackingsystem notwendig wartungsintensiv Reinigung notwendig (ca. 1 x pro Monat) nutzen keine diffuse Strahlung (ca. 12% diffuse Strahlung in Indien 47 % in Österreich) architektonische Integration kaum möglich
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Nichtkonzentrierende Kollektoren ++ bieten höchst-mögliche Effizienz + bis zu 70°C für einfache Typen + bis zu 120°C für bessere Modelle + kein Trackingsystem notwendig + fast wartungsfrei + nutzen auch diffuse Strahlung + einfache architektonische Integration (nicht so gut bei Röhren) - nicht passend für Dampfproduktion
Nichtkonzentrierende Kollektoren Luftkollektor Einfaches System, Speicherung kaum möglich >> sofortige Verwendung, z.B.: Trocknung von Früchten, Hackschnitzel, etc.
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Nichtkonzentrierende Kollektoren Vakuumröhrenkollektoren Direkt durchströmt
⇔
Heat-Pipe
Quelle: Solarplanerausbildung; klima:aktiv
• Nichtkonzentrierende Kollektoren Typischer Flachkollektor
Source: Harvard University, SOLID
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Hocheffizienz Flach-Kollektor Standard Flachkollektor
<>
Hoch-Effizienz Flach-Kol.
bessere Isolierung höhere Leistung bei hohen Temperaturen
Kollektor-Leistungen im Vergleich Collector Performance at G=1000 W, gross area as reference 800 SOLID HT 700
SOLID GS FP (Germany) FP large (Denmark)
600
FP large (Denmark) FP large (Austria) 500
FP (USA)
Q, W
FP (Austria) FP (USA)
400
CPC (Austria) FP (Australia) FP (China)
300
FP large (Austria) ETC (UK) 200
CPC (Germany) ETC (Germany) ETC (Germany)
100
ETC (Switzerland) ETC (China) 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Linear (FP (Austria))
tm - ta, K
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Kollektorfeldhydraulik bei Großsolaranlagen
Anforderung Kollektorverschaltung • Möglichst guter Wärmeübergang zwischen Absorber und Wärmeträger
• Möglichst „geringer“ Druckverlust durch die Kollektordurchströmung • Möglichst wenig Verrohrungsanteil um Materialkosten, Montagekosten und Wärmeverluste zu reduzieren • Berücksichtigung von Dehnungskompensation • Serienschaltung von Kollektoren erwünscht (bis zu 170 m² möglich) • Betriebsweise „Low Flow“ (15-20 kg/m²h)
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Anforderung Kollektorverschaltung • Einsatz von Absperrarmaturen bei parallelen Kollektorfelder • Getrenntes Spülen der Kollektorfelder sollte möglich sein
• Teilbetrieb muss gewährleistet sein • Sicherheitseinrichtung bei komplett absperrbaren Kollektorfelder einbauen • Hydraulischer Abgleich der unterschiedlichen Massenströme Strangregulierventile • Möglichst gleiche hydraulische Längen der Kollektorfelder
Low Flow Betrieb • Geringere Rohrdimensionen niedrige Investitionskosten • Ermöglicht große thermische Längen geringerer Druckverlust • Kleinere elektrische Pumpleistungen • Reduktion des Verrohrungsaufwandes
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Einsatz Großflächenkollektoren • Vorteile – Höherer Energieertrag • Interne Hydraulik wird an Anwendung angepasst
– Einfache und schnelle Installation – Weniger Anschlüsse und Rohre • Geringerer Druckverlust, kleinere Pumpenleistung
Einsatz Großflächenkollektoren Kleinflächenkollektor versus
Großflächenkollektor:
• Kleinere Effizienz • Niedriger Energieausbeute • Nicht kontinuierlicher Durchfluss
• Höhere Effizienz +10% • Hohe Energieausbeute +30% • kontinuierlicher Durchfluss bis +50%
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Pufferspeicher • Pufferspeicher generell als Wasserspeicher drucklos oder druckbeaufschlagt ausgeführt • Trinkwasserspeicher oder Energiespeicher zur Heizungsunterstützung • Materialien: Schwarzstahl bzw. Edelstahl / Email (Trinkwasser) • Wärmedämmung: ca. 15…30 cm Steinwolle • Durchmesser : Höhe >= 1:2
Marktpotential & Situation Österreich
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Marktpotential EU 28 % des gesamten Primärenergieanteils in EU25 wird im Industrie Sektor verbraucht 75 % der Energie wird für Heizanwendungen gebraucht 21 % der Heizanwendungen sind unter 100°C
Kann durch standardisierte/geprüfte ST Technologie bereitgestellt werden Quelle: IEA Task 33/IV and research of AEE Intec
Marktpotential Österreich Solarwärmemarkt in Österreich 1990-2011 400.000
jährl. installierte Kollektorfläche in m²
350.000
300.000
250.000
200.000
150.000
100.000
50.000
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
0
Quelle: Austria Solar, 2012
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Solare Kühlung Technologie
Solare Kühlung – der Vorteil maximaler Kühlbedarf tritt gleichzeitig mit maximaler Solar-Verfügbarkeit ein • Wir nutzen die gleiche Strahlung, die den Kühlbedarf erzeugt • Vermeidet Spitzenlasten und assoziierte Netzprobleme • Spart die teuersten Stromtarife
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Warum Solare Kühlung? • Elektrische Energieeinsparungen – Elektrischer COP Solare Kühlung inkl. Kühlturm – Elektrischer COP Kompressionskälte inkl. Kühlturm Reduzierter Stromverbrauch um 70-80%
• • • • •
~10 ~2.4
Stabilere Energiepreise CFC frei – Keine Ozonschicht-zerstörende Substanzen LEED Zertifizierung – bis zu 10 zusätzliche Punkte möglich Ruhiger Betrieb – keine Vibrationen Verlässlicher Betrieb – keine Abnutzung auf Kolben und Verdichter, da es solche beweglichen Teile nicht gibt
Lange Lebensdauer
Absorptionskältemaschinen haben keine stark bewegten Teile. Diese Kältemaschine ist über 70 Jahre alt!
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LiBr Absorption Chiller & LST Temperaturen und Leistungen
Solare Kühlung - Anlagenschema Back-up Compressor Chiller
Cooling Tower Solar Plant Temperature ~90 ⁰ C
Hot Water Storage Tank
Absorption Chiller
Cold Water Storage Tank
AHUs
Air Diffuser
(Local) Control Unit Legend: Very Hot Water Piping Control Circuit
Internet
Live Monitoring
Cold Very Cold Warm
Cogeneration
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Dimensionierung
•
• • • •
Spitzenlast bestimmt die Auslegung des Kühlsystem. Die gesamte installierte Kühlleistung soll der Spitzenlast des Gebäudes entsprechen. Teillast- Bedingungen bestimmen die Anzahl und Größe der Kühlaggregate. Elektr. Kühlsystem sind meist überdimensioniert! Zur Regelung werden KKM abgeschaltet. Die Sonne kann man nicht abschalten! Daher verwendet man nie die Spitzenlast zur Auslegung von Solarer Kühlung!
Typical load profile of an office building 800 700 600
Hours per year
•
500 400 300 200 100 0 10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Percent of Chiller Load
Solar Cooling Überblick Referenzen
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Solar cooling references Location/Project
Cooling Machine
EAR Tower, Pristina, Kosovo
LiBr-Chiller
Wine Cooling , Leutschach, Austria
Constr.
Cooling Power
Collector Area
2002/3
90 kW
226 m²
Ammonia
2003
10 kW
100 m²
Graz – office, Test Plant
Ammonia
2003
2 kW
8 m²
Stadtwerke, Crailsheim, Austria
LiBr-Chiller
2004
15 kW
500 m²
Renewable Energy House, Brussels, Belgium
LiBr-Chiller
2005/7
35 kW
60 m²
Desert Outdoor Center, Phoenix, USA
LiBr-Chiller
2006
70 kW
126 m²
Olympic Village, Qingdao, China
LiBr-Chiller
2006
512 kW
638 m²
Estellas Restaurant, Tampa, USA
LiBr-Chiller
2007
70 kW
210 m²
CGD Office Building, Lisbon, Portugal
LiBr-Chiller
2008
545 kW
1579 m²
Warehouse, Lanta, Phoenix, USA
LiBr-Chiller
2008
130 kW
504 m²
Service Center Municipality, Gleisdorf, Austria
LiBr Chiller & DEC
2008
35 kW
260 m²
Office, Graz, Austria
Li Br Chiller
2008
17.5 kW
58 m²
Metro MAN, Istanbul, Turkey
LiBr Chiller
2009
Study
Sheikh Zayed Desert Learning Center, UAE
LiBr Chiller
2010/12
400 kW
1108 m²
United World College, Singapore
LiBr Chiller
2010/11
1400 kW
3900 m²
Desert Mountain High School, Scottsdale, USA
LiBr Chiller
2011/12
1700 kW
5000 m²
DigiCel, Kingston, Jamaica
LiBr Chiller
2012
600 kW
982 m²
Anwendungen in der Prozesswärme
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Anwendungsbereiche mit hohem Potential für solare Prozesswärme •
Lebensmittelindustrie – Milch, Gemüse, Fleisch, Obst, Bier etc. – Reinigung, Pasteurisierung, Sterilisierung, Aufkochen benötigt 100°C oder weniger – Auftauen hat Potenzial da niedrige Temperaturen gefordert sind
•
Chemie – In der Pharmaindustrie gibt es Biochemische-Prozesse die ausschließlich mit niedrigen Temperaturen arbeiten
•
Kunststoff-Verarbeitung – Verbinden und Laminieren
•
Textilindustrie – Waschen, Bleichen, Bügeln,…
•
Baustoffindustrie – Trocknung von Ziegelsteinen und Gipskarton-Platten – Wärme zum Beschleunigen des Aushärteprozesses für Betonsteine
Vorläufige Analysen K.O Kriterien: • Braucht das Unternehmen Prozesswärme mit Temperaturen unter 100°C? • Ist genug Platz um Sonnenkollektoren zu Verbauen? • Ist der Platz Süd/Süd-Ost/Süd Westlich ausgerichtet oder auf einem Flachdach? • Benützt das Unternehmen fossile Brennstoffe um die Prozesswärme im Sommer bereitzustellen?
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Vorläufige Analysen O.K. Kriterien • Braucht das Unternehmen Prozesswärme in den Sommermonaten?
• Wird Prozesswärme mindestens 5 Tage die Woche gebraucht? • Ist die benötigte Temperatur der Prozesswärme Großteils unter 50°C? • Sind Änderungen oder Erweiterungen der Gebäude in nächster Zeit geplant? • Ist genug Platz vorhanden um einen großen Speicher aufzustellen?
Vorläufige Analysen Thermische Prozesse – Offene oder Geschlossene Prozesse – Kontinuierliche oder unstetige Prozesse
Augenmerk auf Kontinuierlich laufenden, offenen Prozessen ohne Wärmerückgewinnung
System Integration – Direkte Integration in die verschiedensten Prozesse – Indirekte Integration in das wärme-Verteilungsnetzwerk
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Vorheizen ist die einfachste Lösung • Wärme bis 100°C • Entweder direkt zu den einzelnen Prozessen oder in ein Verteilnetz • Konstantes Vorheizen mit Temperaturen unter 60°C liefert die besten technisch-wirtschaftlichen Ergebnisse Black Box Vorheizen
Wärme
Heizen
SOLAR ERTRAG
Kaltwasser/ Prozesswasser
0-90°C
< 100°C
Kosten Benchmarks 100, 500, 1.000, 2.000 kW
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Kosten Benchmarks • •
Investitionskosten ohne Förderung Stark abhängig von – Unterkonstruktion – Rohleitungslängen – Kollektortype
Leistung [kW]
Solare Wärme (Prozess, Heizen, WW, Desiccant SC) [€/m² ]
SC mit Absorptionskältemaschine [€/kW Kälteleistung ]
100
500 - 600
3800
500
450 - 500
2900
1.000
400 - 450
2700
2.000
300 - 400
2500
Wirtschaftlichkeitsvergleich Solar Prozesswärme 100 – 1.000 kW Inkl. Referenzbeispiele
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Wirtschaftlichkeitsvergleich Solare Prozesswärme - Ausgangsdaten 100 kW
1.000 kW
m² Kollektorfläche
170
1700
Investitionskosten
93.500 €
714.000 €
480 kWh/m²*a
480 kWh/m²*a
Wartung & Betriebskosten (3% Strom v. Solarertrag)
1190 €/a
5338 €/a
Ölpreis (Heizöl leicht)
0,74 €/l
0,74 €/l
Kollektorertrag Graz 30° süd HT Kollektor (Tm=70 °C)
Strompreis
0,12 €/kWh
0,12 €/kWh
Preissteigerung Energie
4%
4%
Wirkungsgrad Ölkessel
0,7
0,7
Langfristiger Zinssatz
4%
4%
Eigenkapital
30%
30%
Förderung KLIEN
42%
42%
Wirtschaftlichkeitsvergleich Solare Prozesswärme – Ergebnisse 100 kW
1.000 kW
Energie Einsparungen pro Jahr
9.376 €
93.763 €
Energie Einsparungen nach 25 Jahre
390.489
3.904.886
ROI (Return on Investment) nach 25 Jahre
39 %
59 %
ROE (Return on Equity) nach 25 Jahre
130 %
197 %
7,1 Jahre
5,1 Jahre
Pay Back Period
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Solare Prozesswärme Überblick Referenzen
Überblick – Referenzen von SOLID Name
Kollektorfeld, m²
Körner KVK Wies
Status
86 In Betrieb seit 2007
Weingut Peitler
100 In Betrieb seit 2003
Gatorade, Phase 1
893 In Betrieb seit 2008
Gatorade, Phase 2
2600 In Betrieb seit 2010
Stonyfield dairy
3118 Machbarkeits Analyse
CB Chicken Slaughtery
1050 Machbarkeits Analyse
Fleischwaren Berger
1200 Bauphase
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Körner KvK, Wies, Austria • Produzent von Beizbehälter für Galvanisierungs-prozesse • Produktion von Beizblechen auf einem „Produktionstisch“ welcher mit Heizschlagen beheizt wird Produktionstemperatur: der Tisch wird auf 30°C gehalten
Körner KvK, Wies, Austria Prozesswärme Kollektoren (GS): 86 m² In Façade montiert Speicher: 10 m³ Ertrag: ~ 41,7 MWh/a Solaranteil: ~60% In Betrieb seit 2007
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Körner KvK, Wies, Austria Wirtschaftliche Kennzahlen Solarertrag: 485 kWh/m²/a Gaspreis: 47.3 €/MWh Strompreis: 120 €/MWh Wirkungsgrad Gaskessel: 0,8 Preissteigerung Energie: 4 % Investment: 35.500 € Förderung: 30% Payback Period: 10,5 Jahre
Fleischwaren Berger, Sieghartskirchen • • • • •
1125 m² HT Flach Kollektoren (Leistung: 790 kW) 60 m³ Speicher Garantierter solar Ertrag: 500 kWh/m²/a EU Förderung für Forschung und Demonstrationsanlage Inbetriebnahme der Anlage ist geplant für Q2/2013
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Fleischwaren Berger, Sieghartskirchen • 80 – 90 tonen/Tag an Fleisch und Wurstwaren • Energiebedarf für solare Anwendung 1. Wärme für die Entfeuchtung der Reifungskammer – 160 m³ tägliche Abnahme – Verbrauch von Abwärme bis 40°C – Solarthermie wärmt bis 60°C
2. Vorerhitzen der Einspeisung für die Dampf Produktion (Schinken Kochen) – 25 m³ tägliche Abnahme – Verbrauch von Abwärme bis 40°C – Solar wärmt bis 98°C
Fleischwaren Berger, Sieghartskirchen Wirtschaftliche Kennzahlen Solarertrag: 500 kWh/m²/a Ölpreis: 0,74 €/l Strompreis: 120 €/MWh Wirkungsgrad Ölkessel: 0,7 Preissteigerung Energie: 4 % Investment: 735.000 € Förderung: 52 % Payback Period: 7,3 Jahre
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Gatorade (Pepsi Cola) Phoenix , AZ Vorwärmung von Prozesswasser für Umkehrosmose Speicher: 38 m³ 2008: 893 m² 2010: Erweiterung auf 2600 m² 2012: Erweiterung auf 3700 m² Nächster Schritt: Solarwärme für Pasteurisierung
Gatorade (Pepsi Cola) Phoenix , AZ
2007
2009
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2011
© Google Earth
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Gatorade (Pepsi Cola) Phoenix , AZ
Inbetriebnahme & Wartung
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Voraussetzung Inbetriebnahme • Anlagenbetreiber (Kunde) für die Übergabe ist anwesend, ist schon übergeben • Druckprobe wurde durchgeführt (mit Luft oder Stickstoff) • Bei größeren Anlagen und Vakuumkollektoren Wetter berücksichtigen
Wartung • Sichtprüfung – Kollektoren – Solarkreis und Speicher
• Überprüfung des Frostschutzes • Kontrolle der Anlagenparameter • Betriebs- und Wartungsanleitung gemäß anlagenspezifischem Wartungsplan
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Ertragsüberwachung • Genügend Wärmemengenzähler einbauen, um Verlustgrößen des Gesamtsystems transparent zu machen • Telemonitoring- System muss aus Wirtschaftlichkeitsgründen zum Standard werden • Garantierte Erträge für Betreiber möglich; Rückerstattung bei Nichteinhaltung
Ertragsüberwachung • Alle relevanten Parameter der Anlage werden regelmäßig abgespeichert ermöglicht eine kontinuierliche Datenaufzeichnung • Störungen werden sofort gemeldet und verhindert damit einen hohen Ertragsausfall • Zukünftige Entwicklung:
Automatische Anlagenüberwachung Sollwerte werden automatisch kontrolliert Programm greift automatisch in die Regelung ein Früherkennung von möglichen Fehlern möglich
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Telemonitoring
MĂśgliche Garantien
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Mögliche Garantien • Je nach Anbieter unterschiedlich – 10 Jahre Garantie auf Kollektoren gegen Leckagen ist Standard – Solar Keymark (EU Produkt Zertifikat) – Umweltzeichen
• SOLID – Ertragsgarantie möglich – ESCO Anlagen möglich (je nach Wirtschaftlichkeit)
Rechtsvorschriften
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Baugesetz Stmk. • Anzeigepflichtige Vorhaben: Solaranlagen bis zu einer Kollektorfläche von insgesamt 100 m² und einer Höhe von Anlagenteilen über 3,50 m
• Baubewilligungspflichtige Vorhaben: Solaranlagen über einer Kollektorfläche von insgesamt 100 m²
• Baubewilligungsfreie Vorhaben: Pufferspeicher bis 100 m³ Volumen
• Info: http://www.technik.steiermark.at/cms/ziel/58813874/DE/
Förderungen Österreich
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Förderungen für Solarwärme in Österreich • KLIEN Große Solarthermische Anlagen – Bis 50 % Zuschuss auf Investition – Einreichfrist September 2013 – www.klimafonds.gv.at
• KPC UFI – Bis 35 % Zuschuss auf Investition, rollierend – www.umweltfoerderung.at/kpc/de/home/umweltfrderun g/fr_betriebe/
• Länderförderungen – www.solarwaerme.at... –Förderungen
• Forschungsförderungsfreibetrag (10%, bis 1 Mio €)
KLIEN Große Solarthermische Anlagen • Investitionsförderung - Förderung von Anlagen zwischen 100 m und 2.000 m² • Innovationscharakter & Multiplizierbarkeit wesentlich – solare Prozesswärme in Produktionsbetrieben – solare Einspeisung in netzgebundene Wärmeversorgungen (Mikronetze, Nah- und Fernwärmenetze) – hohe solare Deckungsgrade (über 20 % am Gesamtwärmebedarf) in Gewerbe- und Dienstleistungsbetrieben – solar unterstützte Klimatisierung und deren Kombination mit solarer Warmwasseraufbereitung und Heizung in Zeiten ohne Kühlbedarf – neue Technologien und innovative Ansätze
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KLIEN Große Solarthermische Anlagen • Förderquote: 40% der UMIK (UIK minus Vergleichsanlage fossil) • Zuschläge: – 5% KMU; – 5% Innovationsbonus Begleitforschung;
• insgesamt max. € 450.000 – Solare Prozesswärme: Maßnahmen zur Prozessintegration können gefördert werden (max. 50% d. Solarsystems) – solare Klimatisierung max. 750 Tsd., auch Kühlanlage wird voll gefördert
UFI - Klimatisierung und Kühlung für Betriebe • bis zu 35 % der förderungsfähigen Kosten! Gefördert werden Adsorptions- und Absorptionskältemaschinen bis zu einer Kälteleistung von 750 kW mit Antriebsenergie aus erneuerbaren Energieträgern, industrieller Abwärme oder Fernwärme, Free CoolingSysteme sowie Prozesskälteanlagen unter Verwendung von alternativen Kältemitteln.
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UFI - Thermische Solaranlagen für Betriebe • bis zu 35 % der förderungsfähigen Kosten! Gefördert werden Solaranlagen zur Versorgung von Betriebsgebäuden mit Wärme oder Kälte. < 100 m² • •
€ 100 / m² (max 30%) Nach Umsetzung
> 100 m² • • • • • •
Max € 675 / Tonne CO2 Min 4 T/a CO2 Einsparung Vor Errichtung 20% + 5% Kombi + 5% EMAS oder UZ
Danke für die Aufmerksamkeit! S.O.L.I.D. Gesellschaft für Solarinstallation und Design mbH Puchstrasse 85, 8020 Graz, Austria CEO: Christian Holter & Franz Radovic Tel: +43 316 292840-0 Fax: +43 316 292840-28 Email: office@solid.at http://www.solid.at
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18. April 2013