Wenn Solaranlagen Wärme für die Warmwasserbereitung und die Heizung liefern sollen, ist die Sache einfach. Die Wärmebedarfe, Lastprofile, Temperaturen und Gleichzeitigkeitsfaktoren sind bekannt und immer sehr ähnlich. Ganz anders sieht es bei der Prozesswärme aus. Jeder Prozess ist anders und darum stellt die Planung einer Solaranlage im industriellen oder gewerblichen Umfeld eine besondere Herausforderung dar. Die zentrale Frage lautet: Solarwärme, ja oder nein? Die neue VDI-Richtlinie 3988 „Solarthermische Prozesswärme“ hilft Energieberatern und Planern bei der Machbarkeitsabschätzung und ermöglicht eine schnelle Vorplanung. Sie schafft damit die Basis, damit das jeweilige Unternehmen eine fundierte Entscheidung für oder gegen die Solaranlage treffen kann.

Solare Prozesswärme in der VDI 3988

„Lohnt sich die Solaranlage, wie groß soll sie sein und was bringt sie? Solche Fragen und die Antworten darauf waren bisher wie eine Blackbox“, sagt Bastian Schmitt, Leiter Prozesswärme im Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik der Universität Kassel, der als einer der Experten die neue Richtlinie mitentwickelt hat. Die VDI 3988 bringt nun Licht ins Dunkel und seit Jahresbeginn ist ihre Anwendung auch die Voraussetzung für Fördermittel des Bundes. Der Gründruck der VDI 3988 erschien im Juli des vergangenen Jahres. Die Einspruchsfrist ist mittlerweile abgelaufen, so dass in Kürze der Weißdruck erscheinen kann.

Der erste Schritt der Machbarkeitsabschätzung besteht in der Ermittlung der Grundlagen. Welche Temperatur erfordert der Prozess? Wie sieht das Lastprofil aus? An welcher Stelle kann die Solaranlage in den Prozess integriert werden und wie groß ist der Aufwand dafür? Im Prinzip kann die Solarenergie parallel oder seriell zum bestehen Kessel eingespeist werden. Alternativ kann die Einspeisung auch dezentral an der jeweiligen Wärmesenke erfolgen.

Außerdem muss eine statisch geeignete Dachfläche oder eine Freifläche in der Nähe zur Verfügung stehen. Nach einer Damenregel können meist etwa ein Drittel eines Flachdaches oder einer Freifläche mit Kollektoren belegt werden. Bei Schrägdächern kann bis auf einen Randabstand die gesamte Fläche genutzt werden. Optimal sind Prozesse mit einem gleichmäßigen Wärmebedarf und einem konstanten Lastprofil im Sommer. Günstig wirkt sich eine eher moderate Temperatur von unter 100 Grad Celsius aus. Denn je höher die geforderte Temperatur ausfällt, desto geringer ist die Effizienz der Kollektoren.

Zu den Grundlagen gehört es auch zu prüfen, ob es im Prozess ungenutzte Abwärmepotenziale gibt. Häufig fällt bei komplexen Abläufen an der einen oder anderen Stelle Abwärme an, die zurückgewonnen werden kann. Diese Abwärme zu nutzen, ist immer der sinnvollste Weg der Prozessoptimierung. Manchmal schließt das die Solarwärme aus. In günstigen Fällen lassen sich Solarwärme und Abwärme aber auch gut kombinieren.

Volldeckung im Sommer ideal

Die wirtschaftlich gesehen beste Dimensionierung ist in der Regel dann erreicht, wenn die Kollektoren den Prozess an einstrahlungsreichen Sommertagen komplett versorgen können. Welche Kollektorfläche unterschiedlicher Kollektorbauarten dafür notwendig ist, kann der Planer anhand der neuen Richtlinie grob abschätzen. Die Speichergröße wird wesentlich vom Lastprofil und dem Temperaturniveau bestimmt. Bei einer durchgehenden Wärmeabnahme kann man auf einen Wärmespeicher verzichten.

Für nicht kontinuierlich betriebene Prozesse mit einer Temperaturanforderung von 50 bis 70 Grad Celsius und einem 7-tägigen Lastprofil sollte man 50 Liter Speichervolumen pro Quadratmeter Kollektorfläche ansetzen. Ruht der Prozess am Wochenende dann sollten es 75 Liter Speichervolumen pro Quadratmeter Kollektorfläche sein. Über 100 L/m2 steigt die sinnvolle Speichergröße dann an, wenn es zu starken Verbrauchsspitzen im Prozess kommt oder durch hohe Rücklauftemperaturen nur kleine Temperaturspreizungen im Speicher möglich sind.

VDI 3988 macht Ertragsabschätzung leicht

Für die Ertragsabschätzung stehen heute Simulationsprogramme zur Verfügung. Auch über das Vorauslegungstool der Internetseite www.solare-prozesswärme.info, gelingt es problemlos den Solarertrag der Kollektoren zu prognostizieren. Mit den Informationen über die Auslegung und den Solarertrag gelangt der Planer nach den Vorgaben der VDI 3988 dann schnell zu der Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der Anlage. Fördermittel und steuerliche Abschreibungen werden bei der Ermittlung der Amortisationszeit und den solaren Wärmegestehungskosten berücksichtigt.

Weitere Teile der neuen Richtlinie befassen sich mit der Entwurfsplanung und geben Hinweise zur Genehmigung und Ausführung. Außerdem werden wichtige Schritte bei der Installation, Inbetriebnahme und Instandhaltung beschrieben. Auch die messtechnische Überwachung ist Thema der VDI 3988. Besondere Anwendungen wie Solaranlagen zur Einspeisung in Nah- und Fernwärmenetze, Anlagen mit konzentrierenden Kollektoren und Anlagen mit Luftkollektoren sind ebenfalls Teil der neuen Richtlinie. Die Vorplanung nach VDI 3988 fällt ab Jahresbeginn auch unter die förderfähigen Investitionskosten einer solaren Prozesswärmeanlage. Die Richtlinie kann über den Beuth Verlag oder über diesem Link beim VDI bezogen werden.

Diesen Beitrag hat das Redaktionsteam des Solarthermie-Jahrbuchs verfasst. Sie können das Solarthermie-Jahrbuch 2023 unter diesem Link bestellen.