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Donnerstag, 14. Dezember 2017

Solarthermie

Warm dank Kunststoff

Von Ariane Rüdiger | 23. Februar 2017 | Ausgabe 08

Plastik statt Metall soll Sonnenkollektoren günstiger machen. Mithilfe des Materials ließe sich auch die Fertigung besser automatisieren.

w - Solarthermie BU
Foto: Roth-Werke

Kunststoff im Solarkollektor: Beim „Heliostar“ der Roth-Werke besteht die Absorberwanne schon aus Polykarbonat. In einem Projekt wurde jetzt untersucht, wie sich ein neuartiger Kollektor nur aus Kunststoff mit einer Glasabdeckung herstellen ließe.

Die Zubaurate solarthermischer Anlagen in Deutschland ist nach Angaben des Bundesverbands Solare Wärme (BSW) meilenweit von den Spitzenwerten des Jahres 2008 entfernt. Damals wurden 2,1 Mio. m2 neu installiert; nach einem kurzen Zwischenhoch 2013 (ca. 1 Mio. Mio. m2) waren es 2015 noch 806 000 m2.

Dass es mit dem Geschäft nicht so gut vorangeht, hat möglicherweise auch mit Produktionsprozessen und Materialien zu tun. „Bei Kollektoren werden noch immer teure Metalle wie Alu und Kupfer verwendet“, weiß Christoph Trinkl, Projektleiter eines Solarthermieprojekts am Institut für neue Energiesysteme der Technischen Hochschule Ingolstadt. Außerdem steckten darin viele Halbzeuge, die häufig manuell montiert werden müssten. „Zudem wiegen die Kollektoren viel, was die Montage auf dem Dach erschwert.“

Ein Team um Trinkl fragte sich, wie man daran durch die Verwendung von Kunststoffen beim Kollektorbau etwas ändern könnte. Mit im Boot bei dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt waren die Roth-Werke, ein regionales Spezialunternehmen für Kunststoffverarbeitung und Wärmetechnik, das mit dem Flachkollektor Heliostar bereits einen konventionell gebauten Solarkollektor produziert.

Ziel des Vorhabens: Der Bau der neuen Kollektoren sollte durch Verwendung von Kunststoffteilen und darauf zugeschnittenen Designs rund 30 % billiger gegenüber den Heliostar-Kollektoren werden, das Gewicht sinken, die Leistung dabei gleich oder besser sein.

Auch die Lebensdauer, so die Vorgabe, möge sich gegenüber den bisherigen Werten – 20 Jahre und mehr – nicht verschlechtern. Weitere Randbedingungen: Die Roth-Werke wollten, wenn möglich, bereits vorhandene Verfahren und Maschinen einsetzen. Präsentiert wurden die Ergebnisse Ende Januar auf dem 2. Solarkollektorforum an der Technischen Hochschule Ingolstadt.

Im Projekt setzte man vor allem beim Design des Absorbers an. Diese von Flüssigkeit durchströmte Struktur, die üblicherweise aus verschweißten Metallrohren besteht, führt das kalte Wärmeträgermedium zu und das durch die Sonneneinwirkung erwärmte wieder ab. Zudem wurde angestrebt, Kollektor und Kollektorgehäuse in einer Struktur zu vereinigen und diese Struktur in einem Arbeitsgang aus dem Kunststoff herzustellen.

Das gesamte System sollte wegen der geringeren Druckbeständigkeit von Plastikmaterialien nahezu drucklos arbeiten. Üblich sind in solarthermischen Systemen sonst Drücke von 2 bar bis 3 bar, die das Wärmemedium in der richtigen Richtung durch das System führen.

In Ingolstadt erprobten die Forscher verschiedene Kollektortypen im praktischen Versuch. Am besten schnitt schließlich ein Kollektorprototyp ab, dessen Absorber aus Polypropylen mit 8 % Glasfaserbeimischung besteht. Andere Materialien hatten sich aus verschiedenen Gründen als ungeeignet erwiesen.

Versehen mit einer Glasoberseite und einer Rückseitendämmung durch Polystyrol, ist der neue Kollektor in der Leistung vergleichbar mit der bisherigen Technologie und kostet im Betrieb etwas weniger. „Wir haben bei der Leistung sogar noch Luft nach oben, wenn wir zum Beispiel als Abdeckung Solarglas oder den Kunststoff PMMA verwenden“, sagte Matthias Ehrenwirth vom Institut für neue Energiesysteme, der das Projekt durchführte.

Gefertigt wurde der Prototyp auf einer Twin-Sheet-Maschine, bei der zwei Schichten des Grundmaterials, zwischen denen an der Stelle geplanter Hohlräume ein Luftpolster liegt, unter Wärmeeinwirkungen von zwei Werkzeugen aufeinandergepresst werden. Dabei nehmen Kollektormaterial und Hohlräume die richtige Form an. Gleichzeitig werden die obere und die untere Platte verschweißt. Allerdings erforderte das Prozessdesign, so Wolfgang Hoellenriegel vom Planungsbüro der Roth-Werke, „viel Herumprobieren“ und bei der Fertigung höchste Genauigkeit.

Als nächsten Schritt würde Projektleiter Trinkl auch die Systemkosten um 30 % nach unten bringen, damit Anwender nicht nur vom geringeren Einkaufspreis profitieren. Doch wären dazu öffentlich geförderte Folgeprojekte nötig.

Foto: Ariane Rüdiger

„Das Prozessdesign erfordert viel Herumprobieren und höchste Genauigkeit bei der Fertigung.“ Wolfgang Hoellenriegel, Roth-Werke.

Ob der günstigere Kollektor jemals gebaut wird, steht vorläufig in den Sternen. „Wir müssten dafür eine neue Maschine für rund eine halbe Million Euro kaufen und wissen nicht, ob sich das angesichts der Marktentwicklung lohnt“, sagte Hoellenriegel.

Im Nachbarland Österreich geht man das Thema Plastiksolarkollektor weit radikaler an. Dort beschäftigen sich die Solarthermiespezialisten im Rahmen des Projekts Solpol, das international angebunden ist an ein Forschungsvorhaben der Internationalen Energieagentur (IEA-SHC Subtask 39), ausgiebig mit Kunststoff-Solarsystemen. Das Start-up Sunlumo wurde für seinen rein kunststoffbasierten Kollektor (One World Kollektor) bereits mehrfach preisgekrönt.

Inzwischen arbeitet Sunlumo an einer Pumpe und einem Wärmespeicher aus Plastik. Im Gesamtsystem wird für jede Komponente sortenreiner Kunststoff, jeweils die optimal geeignete Sorte, verwendet. Diese Teile werden ohne Klebstoff zusammengefügt, so dass sie sich später mühelos sortenrein rezyklieren lassen sollen.

Gesteuert wird eine solche Anlage durch eine Smartphone-App. „Dadurch brauchen wir kaum Elektronik in den Systemen, was für die Kunden unserer Systeme mehr Autonomie bedeutet“, erklärt Produktdesigner Max Wesle.

Neben den Lizenzen für das Design von Kollektor und System lizenziert die seit 2009 bestehende Sunlumo komplette, hochgradig skalierbare Fabrikationsanlagen für Solarkollektoren. Die Fabriken sollten, so das Unternehmen, am besten direkt dort entstehen, wo der Kollektor später eingesetzt wird, zum Beispiel in südlichen Ländern, wo heißes Brauchwasser nicht selbstverständlich ist. Die Kosten für ein Solarsystem sollen dadurch um 70 % sinken. Nun sucht Sunlumo Lizenzpartner, die an der Fertigung und Vermarktung der Lösung interessiert sind.

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