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Foto: Foto: Solid Solar Energy Systems
Die solare Nahwärmeanlage neben dem Fernheizwerk in Graz diente als Praxis-Beispiel für die Entwicklung des Leistungs- und Ertragsnachweises.

Solarthermie

Endlich Ertragsnachweis für große Sonnenwärme-Kollektorfelder

Für Wärmeversorger ist es entscheidend, dass sie den garantierten Solarerträgen vertrauen können, um das finanzielle Risiko gering zu halten.

Das Potenzial für Solarwärmenutzung in Nahwärmesystemen in Europa ist riesig. Von den rund 5.000 bestehenden Wärmenetzen nutzen bisher etwa 150 Sonnenwärme. Für Wärmeversorger ist es entscheidend, dass sie den von den Technologielieferanten garantierten Solarerträgen vertrauen können, um das finanzielle Risiko gering zu halten. Deshalb hat das österreichische Forschungsinstitut AEE Intec eine Methode entwickelt, die einen Leistungs- und Ertragsnachweis großer Kollektorfelder im regulären Anlagenbetrieb ermöglicht. 

Nun hängt der Solarertrag allerdings von unterschiedlichen Faktoren ab. Neben dem Wetter ist auch der Wärmebedarf der Abnehmer entscheidend. Die Qualität der Kollektoren spielt ebenso eine wichtige Rolle und eine suboptimale Regelung der Anlagen kann zu Mindererträgen führen.

Forschungsprojekt abgeschlossen

Für die Qualitätsprüfung eines großen Kollektorfeldes müssen wir also aus den gemessenen Betriebsdaten die Faktoren, die den Solarertrag beeinflussen, so gut wie möglich voneinander trennen. Das machen wir mit Hilfe eines physikalischen Grey- Box-Modells. Das zugrunde liegende Forschungsprojekt bei AEE Intec nennt sich MeQuSo. Diese Abkürzung steht für Methodikentwicklung für Qualitätsnachweise Solarthermischer Großanlagen unter realen Betriebsbedingungen. Das vierjährige Forschungsprojekt, finanziert vom österreichischen Klima- und Energiefonds, wurde gerade erfolgreich abgeschlossen.

Wir haben zusammen mit unseren Industriepartnern die gesteckten Ziele voll erreicht und die Testmethode D-Cat für große Kollektorfelder entwickelt. Diese Methode basiert auf einem numerischen Modell, das gut zu den gemessenen Betriebsdaten passt und hilft, das Verhalten der Solarwärmeanlage zu verstehen. Dabei erfolgt die Auswahl der geeigneten Messdaten vollautomatisch.

Für die Methode D-Cat werden die Temperatur und der Massenstrom am Eingang und Ausgang des Kollektorfeldes sowie Daten zur solaren Einstrahlung und zur Außentemperatur benötigt. Um die Kosten der Ertragsprüfung gering zu halten, hat das AEE-Intec-Team darauf Wert gelegt, dass kommerzielle Messtechnik ausreicht, wie sie bei solaren Großanlagen zur Standardausstattung gehört. Dazu gehören handelsübliche Pyranometer, die die Globalstrahlung in Kollektorebene messen, sowie Temperatursensoren und Durchflusssensoren.

Wichtig für einen kostengünstigen Ertragsnachweis ist auch die Tatsache, dass der D-Cat-Test parallel zum Realbetrieb durchgeführt werden kann, es müssen also keine speziellen Testzyklen gefahren werden. Der dritte große Vorteil des Verfahrens ist, dass die Auswahl der geeigneten Messwerte voll automatisch erfolgt. Wir streben eine Softwarelösung an, die vollautomatisch abläuft von der Datenaufbereitung, über die Auswahl der Messpunkte, zur Berechnung der Parameter bis zur Darstellung der Ergebnisse.

Modell bewährt sich in der Praxis

Die D-Cat-Methode kann bei Kollektorfeldern mit einer Größe von wenigen 100 bis zu mehreren 10.000 qm eingesetzt werden. Im Projekt MeQuSo nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von AEE Intec das Kollektorfeld neben dem Fernheizwerk in Graz mit insgesamt 8.249 qm Kollektorfläche (siehe Foto links) um nachzuweisen, dass die neue Auswertungsmethode D-Cat die Vorgänge in der Solarwärmeanlage gut beschreibt. In der Anlage Fernheizwerk Graz sind Flachkollektoren von mehreren namhaften europäischen Herstellern verbaut, die so erstmals in der gleichen Anlage unter gleichen Rahmenbedingungen (Betrieb, Wetter) verglichen werden konnten.

Für das Modell D-Cat 2-N werden die Temperatur und der Massenstrom am Eingang und Ausgang des Kollektorfeldes sowie Daten zur solaren Einstrahlung benötigt. Um die Kosten der Ertragsprüfung gering zu halten, hat das AEE-Intec-Team darauf Wert gelegt, dass kommerzielle Messtechnik ausreicht, wie sie bei solaren Großanlagen zur Standardausstattung gehört. Der D-Cat-Test kann parallel zum Realbetrieb durchgeführt werden, es müssen also keine speziellen Testzyklen gefahren werden.

Die D-Cat-Methode hat derzeit die Entwicklungsstufe eines „Proof of Concepts“. Die Methodik haben wir in allen Details im MeQuSo-Abschlussbericht beschrieben, so dass Zertifizierungsbehörden, Projektentwickler oder Forschungsinstitute das Verfahren erfassen und anwenden können.

Das Verfahren kann also in Zukunft Betreiber von solaren Nahwärmeanlagen dabei unterstützen, die Anlagenregelung zu optimieren und damit den Ertrag zu maximieren. Es wird außerdem helfen, im Garantiefall bei Mindererträgen festzustellen, welcher physikalische Vorgang in welcher technischen Komponente zuständig ist und welche der beteiligten Fachfirmen daher die Verantwortung trägt. So profitieren im Endeffekt alle am Projekt Beteiligten von dem Ertragsnachweis im Realbetrieb.

Autor: Philip Ohnewein, Projektleiter MeQuSo bei AEE Intec

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Foto: Grafik: AEE intec Für D-Cat werden Temperaturdaten gebraucht.
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