Solare Prozesswärmebereitung für eine Elektronikfertigung
Zusammenfassung
Das Projekt demonstriert eindrucksvoll, wie moderne Anlagentechnik und erneuerbare Energien die Energieeffizienz in der industriellen Fertigung steigern können. Die Kombination aus Solarthermie, intelligenter Speichernutzung und fortschrittlichem Energiemanagement führt zu hoher Wirtschaftlichkeit und verbesserter Betriebssicherheit.
Eine hocheffiziente Solarthermieanlage mit kostengünstiger Hoch- und Niedertemperaturspeicherung ermöglicht eine nachhaltige Kühlung. Die gewonnene Wärme wird für eine Absorptionskältemaschine genutzt, die das Kühlwasser auf 8 °C absenkt. Zudem trägt der thermisch gekoppelte Kältespeicher unter der Bodenplatte zur passiven Kühlung der Produktionshalle bei und reduziert den Gesamt-Kühlbedarf.
Das Konzept entlastet die Stromnetze und erfüllt die Anforderungen der Netzdienlichkeit. Eine bestehende Photovoltaikanlage optimiert die Nutzung der Solarenergie, indem überschüssiger Strom künftig für die Kälteerzeugung verwendet wird. Moderne Gebäudeleittechnik und kontinuierliches Monitoring steigern Betriebssicherheit und Effizienz.
Dank der intelligenten Kombination verschiedener Energiequellen und Speichersysteme kann das System flexibel auf Lastschwankungen und Störungen reagieren. Selbst bei Ausfällen einzelner Komponenten – etwa durch ungünstige Wetterbedingungen – bleibt die Kälteversorgung durch alternative Systeme wie den Gasbrennwertkessel gesichert. So wird das Risiko von Produktionsstillständen minimiert und eine hohe Verfügbarkeit gewährleistet.
Die Nutzung von Solarthermie für Prozesskälte stellte zunächst eine Herausforderung hinsichtlich der Förderfähigkeit dar. Durch einen erfolgreichen Antrag und eine Anpassung der BAFA-Förderrichtlinien wurde jedoch eine wegweisende Entwicklung angestoßen.
Insgesamt konnte das Projekt nicht nur wirtschaftliche Vorteile realisieren, sondern auch zur Optimierung der Energieinfrastruktur beitragen. Neben hoher Energieeffizienz und Resilienz leistet das Konzept einen bedeutenden Beitrag zur Klimaneutralität.
Summary
The project is an impressive demonstration of how modern plant technology and renewable energies can increase energy efficiency in industrial production. The combination of solar thermal energy, intelligent use of storage and advanced energy management leads to high economic efficiency and improved operational reliability.
A highly efficient solar thermal system with cost-effective high and low temperature storage enables sustainable cooling. The heat obtained is used for an absorption refrigerator, which lowers the cooling water to 8 °C. In addition, the thermally coupled cold storage under the floor slab contributes to the passive cooling of the production hall and reduces the total cooling requirement.
The concept relieves the power grids and fulfils the requirements of grid service. An existing photovoltaic system optimises the use of solar energy by using excess electricity for cooling in the future. Modern building management technology and continuous monitoring increase operational reliability and efficiency.
Thanks to the intelligent combination of different energy sources and storage systems, the system can react flexibly to load fluctuations and faults. Even if individual components fail – for example due to unfavourable weather conditions – the cooling supply is secured by alternative systems such as the gas condensing boiler. This minimises the risk of production downtime and ensures high availability.
The use of solar thermal energy for process cooling initially posed a challenge in terms of eligibility for funding. However, a successful application and an adjustment to the BAFA funding guidelines have kick-started a pioneering development.
Overall, the project has not only achieved economic benefits but has also helped to optimise the energy infrastructure. In addition to high energy efficiency and resilience, the concept makes a significant contribution to climate neutrality.
Hohe solare Deckung durch solarthermische Prozesskühlung in einer Elektronikfertigung
Im Rahmen eines geplanten Neubaus einer Produktionshalle für die Fertigung von Elektronikkomponenten stand die Firma Horstmann aus Heiligenhaus vor der Herausforderung, die für die Produktion benötigte Kühlenergie nach Möglichkeit über regenerative Energieträger bereitzustellen. Grundsätzlich bietet sich eine Kühlung über Solarenergie an, da die höchste Kühllast in der Regel ja dann besteht, wenn die Außentemperaturen am höchsten sind. Dies ist in der Regel mit einer hohen Einstrahlung von Sonnenenergie verbunden.
Von der Herausforderung zum Konzept
So war der erste Gedanke, die Dachflächen mit einer großen Photovoltaikanlage zu bestücken und damit die Elektrizität für die Kompressionskältemaschinen bereitstellen zu können. Nach einer ersten Analyse stellte sich jedoch heraus, dass die zur Verfügung stehende Dachfläche selbst bei voller Sonneneinstrahlung nicht ausreicht, um die für die Kühlung erforderliche Antriebsenergie bereitzustellen. Hierzu gesellte sich ein weiteres Problem: Da das Unternehmen am Wochenende nicht produziert, ist der Überschuss an solar erzeugter Elektrizität am Wochenende so hoch, dass dieser nicht mehr sinnvoll genutzt und möglicherweise zu Schleuderpreisen vermarktet werden muss.
Das Ingenieurbüro EUKON nahm dies zum Anlass, ein innovatives Energiekonzept zu entwickeln, mit dem sowohl die vorhandene Dachfläche besser genutzt als auch der Überschuss des Wochenendes in den Zeiten der Produktion genutzt werden kann.
Das Unternehmen
Die Dipl.-Ing. H. Horstmann GmbH ist ein mittelständisches Unternehmen mit Sitz in Heiligenhaus. Es zeichnet sich aus durch langjährige Erfahrung und konsequente Innovations- und Investitionsbereitschaft. Das macht die Fa. Horstmann heute zu einem führenden Hersteller für innovative Prüf- und Messtechnik. In der Mittelspannungstechnik ist die Fa. Horstmann damit auch ein wichtiger Player beim Ausbau unserer Stromnetze – ein wichtiger Baustein unserer Energiewende.
Aufgrund der gestiegenen Nachfrage und neuer Produktlinien begann man 2020 den Bau einer neuen Fertigungshalle, um den gestiegenen Platzbedarf und zusätzliche Fertigungslinien zu bewältigen. Diese Halle umfasst mechanische Fertigungsanlagen, vollautomatische Bestückungsautomaten für die SMD-Technik, Löt- und Lackieranlagen sowie Lagerflächen und Arbeitsplätze für die Qualitätssicherung.
Die Lösung
Um den zuvor beschriebenen Herausforderungen zu begegnen, entstand so die Idee, den Anteil der Dachfläche nicht für die Photovoltaik zu nutzen, sondern hier die wesentlich flächeneffizientere Solarthermie zum Einsatz zu bringen.
Mithilfe der thermischen Solaranlage sollte dann eine Absorptionskältemaschine betrieben werden. Für eine effiziente Kälteerzeugung mittels Absorptionskältemaschine ist es wichtig, Temperaturen von mindestens 70-80° Celsius zu erreichen. Dies wird erreicht durch den Einsatz von hocheffizienten Vakuumröhren-Kollektoren mit einem dahinterliegenden Spiegel, sogenannten CPC-Kollektoren (Compound Parabolic Concentrator). Die Kollektoren werden ohne Frostschutzmittel betrieben. Dies ist möglich, da bei drohendem Einfrieren das Wärmeträgerwasser umgewälzt wird. Hierbei wird Wasser aus den unteren und damit kälteren Bereich des Speichers entnommen und dorthin zurückgeführt, um die Temperaturschichtung in den wärmeren Speicherzonen nicht zu stören.
Durch die vom Ingenieurbüro EUKON entwickelte und über eine als Gebrauchsmuster geschützte Anlagenhydraulik und Regelungstechnik wird der Kollektorkreis auf eine Zieltemperatur von min. 78° Celsius geregelt. Die von der Solaranlage bereitgestellte Wärmeenergie wird sodann in einem 10 m³ fassenden Heißwasserspeicher gepuffert. Der Speicher wird hierbei bis zu einer Maximaltemperatur von 120° Celsius betrieben. Damit ist es möglich, bei entsprechender Sonneneinstrahlung selbst in den Wintermonaten thermische Solarenergie auf einem hohen Temperaturniveau zu erzeugen, wie der nachstehende Auszug aus den Betriebsdaten eindrücklich dokumentiert.
Aus dem Heißwasserpuffer wird die Wärme in einen kleineren Pufferspeicher (1 m³) umgeschichtet. Dieser dient gleichzeitig als hydraulische Weiche und kann im Bedarf über den Gasbrennwertkessel nach erwärmt werden. Gleichzeitig sind an diesen Puffer auch die Heizkreise für die Heizung im Winter angeschlossen.
Das mittels der Absorptionskältemaschine erzeugte Kaltwasser wird in einem 15 m³ Kaltwasserspeicher bis auf eine Temperatur von 8 °C abgekühlt. Der Kaltwasserspeicher ist als liegender Speicher unterhalb der Bodenplatte der mechanischen Fertigung angeordnet. Aufgrund der Tatsache, dass der Speicher nicht gedämmt ist, ist er thermisch an das Erdreich sowie an die Bodenplatte gekoppelt. Hierdurch kühlt sich die Bodenplatte ab. Dies führt dazu, dass der Wärmeeintrag aus dem Raum in die Bodenplatte gleichzeitig zu einer Abdeckung der Kühllast führt, ohne dass hierfür zusätzliche Kühlgeräte installiert werden mussten.
Die Wärmeabgabe und Verteilung im Gebäude erfolgt zum einen über die Nacherwärmung innerhalb der Lüftungsgeräte und zum anderen über statische Heizflächen in den Büroräumen bzw. Deckenstrahlplatten in der Produktion. Die Kühlung erfolgt gleichermaßen über ein Kühlregister im Lüftungsgerät sowie über die Deckenstrahlplatten. Die Deckenstrahlplatten werden zudem im Sommer zur Kühlung genutzt und befinden sich oberhalb der Arbeitsbereiche der Mitarbeiter. Damit es nicht zur Kondensatbildung kommt, wird die Taupunkttemperatur überwacht und entsprechend geregelt.
Die komplette Steuerung sowie das Energiemanagement erfolgt über ein Regelsystemen der Technischen Alternative. Für dieses System werden alle wesentlichen Betriebsdaten entsprechend aufgezeichnet und im Rahmen eines Monitorings entsprechend ausgewertet. Durch die Möglichkeit, die Anlage aus der Ferne zu warten und zu überwachen, wird sie im laufenden Betrieb weiter optimiert bzw. an sich ändernde Bedingungen angepasst.
Technische Details
- thermische Solaranlage (ohne Frostschutz) mit 160 m² Vakuumröhrenkollektoren
- Absorptionskältemaschine mit 70 KWth, Kälte
- 10 m³ Heißwasserspeicher bis 120°C
- 1 m³ Pufferspeicher und hydraulische Weiche für die Wärmeerzeugung
- 1 m³ Pufferspeicher und hydraulische Weiche für die Kälteerzeugung
- 15m³ Kältespeicher im Erdreich unter der Bodenplatte bis 8°C
- Gasbrennwertkessel zur Nachheizung mit 80 kW th
- Photovoltaikanlage mit 145 kWpeak, Elek.
- Zentrale RLT-Anlage mit 18.700 m³/h und Wärmerückgewinnung
Betriebserfahrungen
Nach der Inbetriebnahme der Anlage gab es im ersten Sommer anfänglich Schwierigkeiten, die gewünschten Solltemperaturen in der Produktion einzuhalten. Um das Problem einzugrenzen, wurden die berechneten Kühllasten nochmals überprüft und mit den gemessenen Kühlleistungen verglichen. Um die Problematik weiter eingrenzen zu können, wurden die von der Lüftungsanlage übertragenen Messdaten erweitert. Hierdurch konnte dann schnell festgestellt werden, dass offensichtlich die Umluftklappe im Lüftungsgerät nicht ordnungsgemäß funktionierte. Ursache war eine nicht angezogene Schraube beim Antrieb der Umluftklappe. Seitdem dieser Mangel beseitigt wurde, funktioniert das System seit nunmehr zwei Jahren planmäßig. Das Monitoring bestätigt die Simulationsergebnisse sowie die Effizienz der Anlage. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Kühllasten sich zum Zeitpunkt der Fertigstellung durch einen weiteren Zubau an Produktionsmaschinen so erhöht haben, dass der Gasbrennwertkessel auf eine zusätzliche Laufzeit von 6.8 Stunden kommt. Lediglich zu Wochenanfang ist noch genügend Wärme und Kälte gespeichert, dass hier die Speicherkapazität ausreicht, eine Anforderung des Gasbrennwertkessels zu verhindern. Mit dem weiteren Ausbau der Produktionskapazität befindet sich derzeit ein weiterer Aus- und Anbau in Planung. Zudem soll aus Gründen der Qualitätssicherung und Erhöhung der Produktionskapazität für das Innenklima neben der Temperatur zusätzlich auch die Raumluftfeuchte konditioniert werden. Dies erfordert eine zusätzliche Kühlleistung und Speicherkapazität. Aus diesem Grunde ist geplant, zusätzlich zur Absorptionskälte zusätzlich eine Kompressionskältemaschine einzusetzen. Diese soll durch eine niedrigere Kaltwassertemperatur den Puffer bis zu einer Temperatur von 4°C nutzen können. Hierdurch erhöht sich die Speicherkapazität im Kältepuffer. Durch die thermische Kopplung an das Erdreich trägt dieses bei den weiter abgesenkten Temperaturen ebenfalls deutlich zu einer Erhöhung der Speicherkapazität bei. Neben der Anpassung der Kühlleistung auf den nunmehr erhöhten Bedarf können dann auch die zeitweiligen Überschüsse der über die Photovoltaikanlage erzeugten Elektrizität in Form von Kühlenergie gespeichert und nutzbar gemacht werden.
Kosten und Wirtschaftlichkeit
Eine Gegenüberstellung der Investitionskosten unterschiedlicher Varianten zeigte, dass die Mehrkosten für die Solaranlage sowie die Absorptionskälteanlage insgesamt bei etwa 250.000 € lagen. Durch eine Förderung von rund 116.000 € durch die BAFA sowie das Land NRW (progres.NRW) wurden diese Mehrkosten zum Teil kompensiert. Zusätzlich konnten weitere Minderkosten wie die Kosten für eine konventionelle Kälteanlage, die Einsparung der Perimeterdämmung unter der Bodenplatte sowie eine kleinere Photovoltaikanlage gegengerechnet werden.
Unter Berücksichtigung aller Aspekte lagen die Nettomehrkosten dann nur noch bei 14.000 €. Diese Kosten werden sich aufgrund des höheren regenerativen Anteils innerhalb weniger Jahre amortisieren.
Anpassung der Förderrichtlinien
Eine Überraschung gab es dann jedoch, als der Förderantrag bei der BAFA im Rahmen solarer Prozesswärme eingereicht wurde. Hier kam dann zunächst ein ablehnender Bescheid. Begründung: Es handele sich bei den Förderprogrammen um die Förderung solarer Prozesswärme. In unserem Falle handelt es sich jedoch um die Erzeugung von Kälte.
Unserer Argumentation, dass es rein physikalisch keine Kälte gebe und selbst Eis physikalisch betrachtet Wärme sei und Prozesskälte damit auch genau genommen Prozesswärme sei, war nicht zu widersprechen. Allerdings sei die BAFA aufgrund der Verwaltungsvorschriften nicht in der Lage, hier eine Entscheidung zu treffen. Nach drei Monaten Diskussion und Bangen darüber, ob das Projekt schließlich an einer fehlenden Förderung scheitern könnte, kam dann die Entscheidung vom Bundeswirtschaftsministerium, dass die Richtlinien angepasst wurden und nun auch solare Prozesskälte förderfähig sei.
Insofern hat dieses Projekt den positiven Nebeneffekt, dass die BAFA-Förderrichtlinien entsprechend angepasst wurden.
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