Nach den einleitenden Worten der Rektorin erklärte Andreas Eckmanns, Bereichsleiter des BFE für Forschung im Bereich Solarthermie und Wärmespeicherung, die Eckpunkte der Energiestrategie des Bundes. Die Energieszenarien des Bundes sehen vor, dass Solarwärme im Jahr 2050 zehn Prozent des Wärmebedarfs decken sollte. Diese Zielvorgabe wird wohl nur dann erreichbar sein, wenn sowohl die Kosten dieser Technologie gesenkt als auch die dafür zur Verfügung gestellten förderpolitischen Anreize verstärkt werden.
SPF-Kompetenzenfür die Schweizer Energieversorgung 2050
In der Folge stellte Gianfranco Guidati als Gastreferent und Leiter der Joint Activity for Scenarios and Modelling der Swiss Competence Centers of Energy Research (www.sccer-jasm.ch) Szenarien für eine weitestgehend erneuerbare Energieversorgung für 2050 dar. In den Modellen wurden nicht nur Energiebilanzen berechnet, sondern auch die Kosten der entsprechenden Technologien abgeschätzt und einbezogen. Aus den präsentierten Szenarien geht ein Bedarf an installierter Solarwärmekapazität von 4 - 14 GW hervor (derzeit ca. 1 GW), und gleichzeitig auch eine Erhöhung der saisonalen Energiespeicherkapazitäten von 10-18 TWh. Praktisch alle präsentierten Szenarien resultieren in einem Ausbau der Photovoltaik auf 40 GW (derzeit 2 GW). Institutsleiter Andreas Häberle stellte die Kompetenzbereiche des SPF dar und illustrierte die konkreten Aktivitäten zur Unterstützung der Energiewende anhand von einer Auswahl von Projekten, vornehmlich in den Bereichen Solarwärme und Photovoltaik.
Internationale Zusammenarbeit im Bereich Photovoltaik
Christof Biba (SPF) und Gabi Friesen (SUPSI) berichteten aus der internationalen Zusammenarbeit im Bereich der Solaren Ressourcen (Task 16) und der Zuverlässigkeit von Photovoltaik-Systemen (Task 13) des IEA PVPS (http://www.iea-pvps.org). Wie Daten von Meteotest zeigen, verzeichneten Schweizer Standorte in oder nahe an Agglomerationen in den letzten 35 Jahren eine Zunahme der verfügbaren Solarstrahlung um bis zu 13%. Man führt dies darauf zurück, dass die Luftverschmutzung und damit die Konzentration lichtstreuende Partikel in der Luft in dieser Zeit abgenommen hat. Biba führt aus, dass die jährlich in der Schweiz neu installierte Photovoltaikfläche etwas grösser ist als ein Quadratkilometer. Mit diesem Zubau wächst der Anteil der Photovoltaik von heute 3% des jährlichen Strombedarfs alle drei Jahre um ein weiteres Prozent. Die Tatsache, dass zu gewissen Zeiten bereits 50% der Grundlast durch Photovoltaik bereitgestellt werden, macht deutlich, dass Speichertechnologien für den Tag-Nacht Ausgleich wie zum Beispiel Pumpspeicher und Batterien schon bald notwendig sein werden um Leistungsspitzen aufzufangen und sinnvoll zeitlich zu verteilen.
Schwerpunkt Erneuerbare Energien und Umwelttechnik an der HSR
Die Hochschule für Technik HSR in Rapperswil bildet derzeit 1500 Studierende aus. Der Bereich Erneuerbare Energien ist dabei nicht nur bei der Ausbildung ein wichtiger Schwerpunkt, sondern, wie die Rektorin Margit Mönnecke ausführt, mit etwa 100 Mitarbeitenden in F+E auch einer der wichtigsten Forschungsbereiche dieser Bildungsinstitution.
Elektrische Energiespeicher für die Energiewende
Evelyn Bamberger und Robert Haberl stellten Ergebnisse aus verschiedenen Projekten zum Thema elektrische Energiespeicher vor. Im Projekt "16 Ampère-Gebäude" wurde analysiert, ob ein Haushalt mit einem 16 Ampère Stromanschluss (heute üblich: 25 - 63 Ampère) realisiert werden kann, wenn Leistungsspitzen über einen Batteriespeicher bereitgestellt wird, und so das Netz entlastet werden kann. Dadurch könnten Kosten gespart werden bei Anschlussleitungen und Sicherungen, und eine Haushaltsbatterie könnte doppelt genutzt werden: zur Speicherung von Photovoltaik-Spitzen welche nicht ins Netz eingespeist werden sollen, sowie zur Bereitstellung von Bezugsleistungsspitzen mit welchen das Netz nicht belastet werden soll. Die vom SPF durchgeführten Simulationen zeigen, dass dies für einen Standard-Haushalt mit einer Batteriekapazität von 5 kWh (6 kW Leistung) möglich sein sollte, sofern 50% der Kapazität für die Deckung von kurzfristigen Bezugsspitzen vorgehalten werden. Mit einem von Evelyn Bamberger vorgestellten neuen Testverfahren können am SPF Batteriesysteme innerhalb von drei Tagen vermessen und die Zykluseffizienz sowie weitere Kennzahlen bestimmt werden, welche repräsentativ für das Verhalten des Systems im Feld über ein Jahr sind. Die vom SPF durchgeführten Messungen zeigen, dass die im realen Lastzyklus gemessenen Wirkungsgrade von Batteriesystemen (Wechselstrom zu Wechselstrom) herzlich wenig zu tun haben mit den von Herstellern und Verkäufern oft angepriesenen maximalen Wirkungsgraden des Batterie-Wechselrichters. Während letztere in den Verkaufsunterlagen meist mit über 95% angegeben werden, erreichten zwei im Teststand ausgemessene Batteriesysteme reale Lastzyklus-Systemwirkungsgrade zwischen 66 und 75 %. Als einer der Gründe für Wirkungsgrade weit unterhalb dem heute möglichen wurde der Standby-Verbrauch der Batteriesysteme identifiziert, welcher inklusive Batterieregler gemessen wurde und bei einem der beiden Systeme weit höher war als erwartet, respektive weit höher als beim zweiten System.
Aluminium für die saisonale Speicherung von Solarenergie
Im Gegensatz zu den Batteriespeichern zielte ein anderes Projekt auf die saisonale Speicherung von Solarenergie. Auf dem Podium demonstrierten Michel Haller und Mihaela Dudita live, wie aus Aluminium sowohl Wärme als auch elektrische Energie gewonnen werden kann (siehe ee-news.ch vom 29.9.18 >>). Die aufgebaute Apparatur verwandelte 0.5 g Aluminium in Wasserstoff und setzte dabei Wärme frei. Mit dem Wasserstoff wurde in einer Mini-Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt und ein Motor angetrieben. Die Wissenschaftler möchten auf diese Weise aus 1 kg Aluminium 2 kWh elektrische Energie und 6 kWh Wärme gewinnen. Umgerechnet auf das Volumen entspricht dies einer Speicherdichte von 21 MWh/m3, was etwa doppelt so hoch ist wie die Speicherdichte von Heizöl. Voraussetzung für den Einsatz als Energiespeicher ist jedoch nicht nur die Gewinnung von Wärme und Strom aus Aluminium im Winter, sondern auch die Aufbereitung des dabei anfallenden oxidierten Aluminiums mittels erneuerbarer Energie und Schmelzflusselektrolyse im Sommer. Gelingt die Schliessung dieses Stoff- und Energiezyklus, dann könnten Gebäude und industrielle Prozesse in Zukunft auch im Winter mit Solarenergie vorsorgt werden, welche im Sommer als chemische Energie in Aluminium gespeichert wird.
Zusammenarbeit mit der Industrie in den Bereichen Eisspeicher und PVT
Daniel Philippen, Bernard Thissen (Energie Solaire) und Fabio Lichtensteiger berichteten von zwei Projekten in welchen das SPF in Zusammenarbeit mit der Industrie in von der Innosuisse geförderten Projekten neue Systeme und Komponenten entwickelt hat. Im Projekt "Modul-Ice" wurde in Kooperation mit zwei Industriepartnern ein neuartiger Eisspeicher mit Edelstahl-Wärmetauschern entwickelt, im Labor getestet und in einer Demonstrationsanlage installiert. Ein mathematisches Modell des Eisspeichers wurde in eine Simulations-Software integriert, welche nun Fachleuten die Auslegung von Eisspeicher Heizsystemen ermöglicht. Im zweiten Projekt wird in Zusammenarbeit mit Industriepartnern ein System entwickelt, in welchem die durch Photovoltaikmodule erwärmte Luft hinter den Paneelen abgesogen und als Wärmequelle für eine Wärmepumpe verwendet wird. Die Messungen einzelner Betriebspunkte der Wärmepumpe zeigen eine deutliche Steigerung des COP bei Verwendung der durch die PV-Paneele erwärmten Luft im Vergleich zur Verwendung von Umgebungsluft. Bei Jahressimulationen zeigte sich, dass die grösste Herausforderung in einer sinnvollen Regelung und Speicherung liegen, die diesen Vorteil auch effektiv nutzbar macht.
Das grosse Potenzial der solaren Prozesswärme
Das Potenzial der solaren Prozesswärme in der Schweiz wurde von Mercedes Rittmann-Frank erläutert. Die vom SPF in Zusammenarbeit mit LESBAT und Swissolar erstellte Potenzialstudie weist einen jährlichen Wärmeverbrauch der Schweizer Industrie von 3.3 TWh aus, der von Solarwärme-Anlagen bereitgestellt werden könnte. Auf dem Weg zur Umsetzung dieses Potenzials gibt es jedoch noch Hürden, welche überwunden werden müssen. Dazu zählen neben der Finanzierung auch der Bekanntheitsgrad und die technische Integration in bestehende Systeme. Das SPF konzentriert seine Arbeit deshalb auf diese Bereiche.
Mythen und Fakten über Legionellen
Der letzte Beitrag widmete sich dem viel diskutierten Thema der Legionellen. Michel Haller führt aus, dass fast alle Legionellose-Ausbrüche der letzten zehn Jahre auf Nasskühltürme zurückzuführen waren, und auch die deutliche Sommerspitze der gemeldeten Infektionen darauf hindeutet, dass sich die meisten Leute nicht beim Duschen infizieren, sondern im Freien oder an Klimageräten. Dennoch besteht prinzipiell auch die Möglichkeit, sich beim Duschen anzustecken. Deshalb sollten stagnierendes Wasser sowie Temperaturen zwischen 25 und 45 °C in Wasserverteilsystemen möglichst vermieden werden. Das SPF führt derzeit eine Feldstudie durch, und Florian Ruesch zeigt Fälle, in welchen Legionellen in Hausinstallationen gefunden wurden. Bei zwei Anlagen wurden sehr hohe Konzentrationen von Legionellen im unteren Bereich konventioneller (d.h. nicht solar beheizter) Warmwasserspeichers gefunden. In einem Fall war es der mit Öl beheizte Bereitschafts-Warmwasserspeicher welcher im Bodenbereich hochgradig kontaminiert war. Sowohl die zwei solaren Vorwärmspeicher als auch die beprobten Duschen dieser Anlage lagen unter dem Grenzwert. Die zweithöchste Konzentration an Legionellen wies ein klassischer Elektroboiler auf. Auch hier wurde der Grenzwert jedoch in der angeschlossenen Gästedusche nicht überschritten. In sechs Häusern wurde der Grenzwert in der Haupt-Dusche überschritten. In vier dieser Häuser wurden jedoch keine Grenzwertüberschreitungen im unteren Speicherbereich gefunden. Die vollständigen Ergebnisse der Studie werden voraussichtlich am nächsten Industrietag vorgestellt.
Fazit der Veranstaltung
Alles in allem war es wieder ein vielseitiger Industrietag, welche verschiedenste Aspekte der Solarenergienutzung für Wärme und Strom beleuchtete und Einblicke gab sowohl in die Einbettung der Solarenergie in die Energiewende, als auch in die Forschungsarbeiten des SPF Institut für Solartechnik welche darauf abzielen, die Solartechnik sinnvoll in Systeme einzubinden und noch kostengünstiger und zuverlässiger zu machen.
Text: HSR Hochschule für Technik Rapperswil
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