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Leitfaden Solarthermie in der Lebensmittelindustrie

Kurzbeschreibung

Die Nutzung von solarer Strahlung zur Versorgung mit thermischer Energie in einem Produktionsprozess über einen Sonnenkollektor. Die Möglichkeiten und Lösungen zur Einbindung der Solarthermie sind vielfältig und auf die Begebenheiten der Prozesse sowie des Energiebedarfs abzustimmen. Der wichtigste Parameter ist benötigte Prozesstemperatur und die Betriebszeiten.

Vorgehensweise zur Integration

Nach der Optimierung der Prozesse (Reduktion des Energiebedarfs, Optimierung der Energieeffizienz) sowie einer Systemoptimierung (Wärmetauschernetzwerk, Optimierung Energieeffizienz) wird für den verbleibenden Energiebedarf ein Lastprofil erstellt, um zu definieren zu welchen Tageszeiten welcher Energiebedarf bei welcher Temperatur vorliegt. Darauf abgestimmt wird eine Simulation durchgeführt, um zum einen Parameter wie den Standort (abhängige Einstrahlung), verfügbare Dachflächen, benötigte Prozesstemperaturen, Aussentemperaturen und bestehende Anlagenkomponenten (Speicher, etc.) und Verteilsysteme (Heisswasser oder Dampf) zu berücksichtigen und zum anderen Parameter wie die mögliche Einbindung, tatsächlich genutzte Flächen, Wirkungsgrade und solare Deckunsgrade zu optimieren.

Das kann über die Verwendung von speziellen Softwareprogrammen passieren oder sehr vereinfacht über sogenannte Nomogramme, die für spezielle Prozesse entwickelt werden. Daraus können für verschiedene Solareinstrahlungen und -erträge sowie den eigentlichen Bedarf Abhängigkeiten unter Einbeziehung von möglichen Speichergrößen erkannt werden. Das angeführte Beispiel wurde für einen Reinigungsprozess am Standort Würzburg entwickelt (Quelle: SO-PRO, Solar Process Heat, www.solar-process-heat.eu)

Derartige Nomogramme für Ihre Prozesse und Ihren Standort können Sie näherungsweise mit dem Programm SOLiS entwickeln. Die integrierte Form von SOLiS in der SolarFoods-Software beinhaltet dabei vorgefertigte Graphiken und ermöglicht eine einfache Dateneingabe. Zu beachten ist dabei, dass nur bestimmte Formen der Einbindung in die Prozesse simuliert werden können.

SolarFoods-Software

Wichtig ist auch die bestmögliche Einbindung, für die es eine Vielzahl an Möglichkeiten gibt. Im folgenden Bild ist ein Überblick gegeben (LITERATURE: “Generic Systems”, 3rd Draft, W.Weiss, D.Jähnig, AEE INTEC). Die Schemata können noch weiter auf Prozesse herunter gebrochen werden. Genaue Infos dazu unter http://wiki-ze.elas-calculator.eu/index.php/EFFICIENCY_FINDER - Menüpunkt “solar integration schemas”

Darauf aufbauend muss eine wirtschaftliche Betrachtung durchgeführt werden. Dabei fließen Kosten für die Kollektoren an sich sowie Systemkosten wie Speicher, Leitungen, Mess- und Regelsysteme, Pumpen ein. Oft vergessen werden Kosten für die prozessseitige Integration, wenn beispielsweise bestehende Dampfverteilsysteme durch Heisswassersysteme ersetzt werden. Neben der Darstellung von Payback-Zeiten sollten vor allem energiebezogene Preise dargestellt werden, um beispielsweise [MWh]-Kosten von Erdgas mit jenen einer Solaranlage vergleichen zu können. Investitions- und Betriebskosten werden dabei unter Berücksichtigung von ökonomischen Faktoren (Preissteigerungen, Zinssätzen, etc.) auf einen Zeitraum von beispielsweise 20 Jahren aufgeteilt.

Kosten

Die Kosten für Solarthermie-Systeme in Österreich können derzeit nur grob angegeben werden. Die Gründe dafür liegen in den erst wenigen realisierten Anlagen, dem dadurch noch nicht vollständig entwickelten Anbieterstrukturen, und den großen Unterschieden in den individuellen Anforderungen der Betriebe. Die zu erwartenden Kosten für das Solarsystem ohne Einbindung in die Versorgungsstruktur bzw. einzelne Prozesse bewegen sich im Bereich von 350 – 650 €/m² Kollektorfläche (Bruttofläche) für Kollektorfeldgrößen unter 1000 m², darüber zwischen 250 – 350 €/m². Die maßgeblichen Komponenten sind dabei die Kollektorkosten (50 – 70%), eventuelle Speicherkosten (10 – 20%) und die Kosten für Rohrleitungen (10%). Die Integration der solaren Wärme in die zu versorgenden Prozesse kann je nach Komplexität zusätzlich 5 bis in Ausnahmefällen 100% der Kosten für das Solarsystem betragen. Für solarthermische Systeme ergeben sich dadurch unter derzeitigen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die meisten industriellen Anwendungen Abschreibdauern im Bereich zwischen 10 und 20 Jahren, die über die vorhandene Großanlagen-Förderung des Klima- und Energiefonds noch einmal um ca. 30% reduziert werden können.

Wirtschaftlichkeit

Soll ein bestimmter Prozess bzw. eine bestimmte Kombination mehrerer Prozesse mit entsprechendem Lastprofil und Temperaturniveau mit einer solarthermischen Anlage versorgt werden, so existiert eine wirtschaftlich optimale Solaranlagengröße für diesen Fall. Dies ist bedingt durch zwei Faktoren. Einerseits sinken die spezifischen Systemkosten für Solaranlagen mit steigender Anlagengröße, gleichzeitig sinken aber auch die spezifischen thermischen Erträge mit steigender Anlagengröße. Ohne Berücksichtigung der in Österreich derzeit vorhandenen Förderung für solare Großanlagen können mit einer Abschreibdauer von 10 Jahren bzw. einem Zinssatz von 4% derzeit Wärmepreise von etwa 0.04 – 0.06 € pro kWh für wirtschaftlich optimale Auslegungen erreicht werden. Eine Erweiterung des Betrachtungszeitraums auf die zu erwartende Lebensdauer von solarthermischen Systemen von ca. 25 Jahren führt zu einer entscheidenden Reduktion der Wärmegestehungskosten auf ca. 0.03 – 0.04 € pro kWh. Zum Vergleich kostet eine kWh Wärme bereitgestellt aus einem bereits abgeschriebenen Gaskessel je nach Abschreibdauer und Annahme der Preissteigerung zwischen 0.05 und 0.07 € pro kWh. Wichtige Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit von Solarthermiesystemen sind die Temperaturen, die vom Solarsystem bereitgestellt werden sollen/müssen, die Rückflusstemperaturen aus den Prozessen in das Solarsystem, wenn es sich um ein geschlossenes System handelt, sowie das Lastprofil der zu deckenden Prozesse. Dabei ist der einflussreichste Faktor die Rückflusstemperatur aus den Prozessen. Wird in einem Betrieb überschüssige Wärme in das Bereitstellungssystem rückgeführt, so erhöht sich die Arbeitstemperatur des Solarsystems. Dadurch verringert sich einerseits die Effizienz der Kollektoren, andererseits wird ein Teil der potentiell über Solarthermie bereitstellbaren Wärmemenge bereits aus der Wärmerückgewinnung gedeckt. Je niedriger die benötigte Prozesstemperatur ist, desto höher ist die Wirtschaftlichkeit der Anlage, da die Kollektoren bei niedrigeren mittleren Temperaturen geringere Verluste besitzen bzw. günstigere Technologien eingesetzt werden können. Je nachdem, wie gut sich das Lastprofil der potentiell zu deckenden Prozesse mit dem solaren Einstrahlungsprofil deckt, ist es mehr oder weniger sinnvoll, einen Wärmespeicher in das Solarsystem zu integrieren. Durch die verhältnismäßig geringen Mehrkosten für Wärmespeicher macht es aber aus wirtschaftlicher Sicht sehr oft Sinn, die solaren Lastspitzen durch einen Wärmespeicher auf die Prozesslastprofile zu verteilen.

Vorteile

Die Vorteile einer richtigen Integration von Solarthermie liegen in der Unabhängigkeit von Preissteigerungen herkömmlicher Energieträger und somit einer besseren Planbarkeit, was für den Betrieb der wichtigste Faktor ist. Zusätzlich wird durch die fossil-freie Energieversorgung ein wichtiger Beitrag zur Erreichung der klimapolitischen Ziele verrichtet. Die Reduktion der Treibhausgasemissionen und die Möglichkeit einer nachhaltigen Produktion, die gerade in der Lebensmittelindustrie wichtig sein sollte, sollten dabei immer berücksichtigt werden.

 → Prozesstemperaturen <100°C
 → Gleichmäßiges Lastprofil
 → Bedarf am Tag, nicht in der Nacht
 → Bedarf auch am Wochenende

Notwendige Rahmenbedingungen

Die Rahmenbedingungen für die Integration von Solarthermie in der Lebensmittelbranche sind gegeben und generell ist das Potential für die Nutzung von Solarthermie in Subbranchen der Lebensmittelindustrie sehr hoch.

 → Der Großteil des Wärmebedarfes liegt zwischen 30°C and 120°C

Die Schwierigkeiten bei der Umsetzung liegt in der Umstellung der derzeitigen Energieversorgung von Dampf/elektrisch auf Warm- und Heisswasser. Die Veränderung der Technologie ist oft aufgrund hoher Investitionskosten für Umbauarbeiten schwierig.

Basierend auf den durchgeführten Fallstudien konnten 4 Szenarien für die Einbindung von Solarthermie in den Betrieben der Lebensmittelindustrie identifiziert werden. Nachfolgend sind diese angeführt.

Szenario 1: Solarthermie als Prozesswärme

–> Wärmebedarf zw. 30°C und 150°C (Beispiele: Pasteurisation, Kochen etc.)

–> Konstante Lastprofile

–> Implementierung von Speichern

–> Hoher solarer Deckungsgrad und ökonomische Implementation

 → Molkereien
 → Fleischverarbeitende Industrie
 → Früchte- und Gemüse-verarbeitende Industrie mit kontinuierlichen Lastprofilen

Schema der Einbindung

Szenario 2: Solarthermie für neue Prozesstechnologien/PI

–> Basierend auf einer Technologieanalyse wurde eine Technologiesubstitution vorgeschlagen

–> Veränderung der Prozesstemperatur

–> Substitution von fossilen Brennstoffen

–> hohes Potential für die Integration von Solarthermie

 → Alle Sub-Branchen

Schema der Einbindung

Szenario 3: Solarthermie für Brauchwasser

–> Großer Bedarf an Brauchwasser

–> Derzeitige Lösung teilweise mit Kaltwasser

–> Veränderung ist nötig wegen Hygienevorschriften

–> Nach der Integration von vorhandener Abwärme wurde immer noch großes Potential für die Integration von Solarwärme identifiziert

 → Alle Sub-Branchen

Schema der Einbindung

Szenario 4: Solarthermie vs. Abwärme

–> die Nutzung vorhandener Abwärme aus Kälteanlagen steht in Konkurrenz zu Solarthermie

–> teilweise sehr große Abwärmemengen vorhanden, wo großer Kühlbedarf in den Betrieben gegeben ist

–> Abwärme kann perfekt mit Reinigungsprozessen kombiniert werden

–> Priorität vor Integration von Solarthermie oder anderen Erneuerbaren

 → Gemüse- und Fruchtverarbeitung
 → Fleischverarbeitung
    

Schema der Einbindung

Einsatzmöglichkeiten in den Sub-Branchen der Lebensmittelindustrie - Beispiele

Fleischverarbeitende Industrie

 → Pasteurisation
 → Kochen
 → Brauchwasser: Reinigung, Heizung
 → neue Prozesstechnologien

Schlächtereien

 → Brauchwasser: Reinigung, Heizung
 → Nacherwärmung Warmwasser
 → Beheizung Brüher-Becken und Kistenwaschanlage

Früchte- und Gemüseverarbeitende Industrie

 → Pasteurisation
 → Brauchwasser: Reinigung, Heizung
 → Vorwärmung Frischwasser

Hersteller von Back- und Dauerbackwaren

 → Brauchwasser: Reinigung, Heizung
 → Schmelzen von Schokolade
 → Warmhalten von Tanks (Palmfett, Schokolade, Sirup, etc.)

Milchverarbeitende Industrie

 → Pasteurisation
 → Erwärmung Rahm
 → Fermenter
 → Molkeerwärmung Entfettung
 → Erwärmung Bruchwaschwasser
 → Erwärmung Milch für verschiedene Produktionslinien
 → Erwärmung Reinigungswasser (CIP Milchhof, Käsehof, Topfenwannen)
 → Vorwärmung Molkeeindampfung
 → Erwärmung Schmelzkäse
 → Vorwärmung Molkekonzentrat Sprühtrocknung
 → Vorwärmung Kesselspeisewasser
start/leitfadensolarthermie.txt · Last modified: 2013/10/21 18:04 by admin