ACRInnovationsradar 2015

Aktuelle Technologietrends für KMU

Umwelttechnik & er-neuerbare Energien

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Inhalt1. Einleitung......................................................................................................................................... 5

2. Trends bei erneuerbarer Wärme .................................................................................................... 7

2.1. Bio-Brennstoffe ....................................................................................................................... 7

2.1.1 Gegenwart und Zukunft bei biogenen Energiequellen ................................................... 7

2.1.2 Projekt BioUpgrade ....................................................................................................... 11

2.1.3 Feinstaubemissionen und –messung ............................................................................ 13

2.2. Solarthermie.......................................................................................................................... 16

2.2.1 Trends in der Solarthermie............................................................................................ 16

2.2.2 Zukünftige Anwendungen für neue Wärmespeicher.................................................... 17

2.2.3 Thermisches Kühlen ...................................................................................................... 20

2.2.4 Kopplung von Wärmepumpen und Solarthermie ......................................................... 21

2.3. Mobile Energieoptimierung .................................................................................................. 23

3. Trends in der Photovoltaik ............................................................................................................ 25

3.1. Gebäudeintegrierte PV.......................................................................................................... 26

3.2. Materialien ............................................................................................................................ 28

3.3. Qualitätssicherung................................................................................................................. 29

3.4. Monitoring-Systeme.............................................................................................................. 30

3.5. Eigenverbrauchserhöhung .................................................................................................... 33

3.6. Hybridsysteme....................................................................................................................... 35

4. Literatur......................................................................................................................................... 37

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1. Einleitung

Ständig in ausreichendem Maß verfügbare Energie ist eine zentrale Grundlage entwickelter Volks-wirtschaften von der Warenproduktion über private oder staatliche Dienstleistungen bis hin zur Ge-staltung individueller Lebensstandards. Um die dafür benötigten Energieressourcen bereitzustellen,werden nach wie vor überwiegend fossile Energieträger eingesetzt, was bei einem steigenden Ener-giebedarf von Haushalten und Industrie zunehmend negative Auswirkungen (vor allem über die da-mit meist einhergehenden CO2-Emissionen) auf den globalen Klimawandel hat. Es ist daher dringendgeboten, den weiteren Anstieg von klimarelevanten Emissionen zu drosseln. Österreich ist in diesemBereich bereits unter den Technologieführern und die Strategie 2020 des Rats für Forschung undTechnologieentwicklung regt dementsprechend an, die Themen Nachhaltigkeit, Umwelt und Energieals Schwerpunktthemen für Forschung und Innovation zu forcieren.

Das Schwerpunktfeld Umwelttechnik & erneuerbare Energien leistet hier mit den darin gebündeltenExpertisen der beteiligten ACR-Institute einen wertvollen Beitrag. Das vorliegende Innovationsradarpräsentiert auf Basis der entsprechenden ACR-Kompetenzen detaillierte Informationen zu innovati-ven Technologien und deren Anwendung auch für kleine und mittlere Unternehmen (KMU).

Unterteilt wird das Innovationsradar in den Bereich der erneuerbaren Wärmegewinnung und in dasGebiet der Photovoltaik, einer Paradedisziplin bei der erneuerbaren Stromgewinnung. BesonderesAugenmerk wird vor allem auf zukünftige Entwicklungen und Trends gelegt.

Das Kapitel der erneuerbaren Wärmebereitstellung beschäftigt sich einerseits mit biogenen Brenn-stoffen und geht dabei auf den Herstellungsprozess, Versuche im Technikumsmaßstab sowie schluss-endlich die Emissionsentwicklung bei der Verbrennung und deren Messung ein. Ein zweiter Abschnittbeleuchtet andererseits neue zukunftsträchtige Anwendungsgebiete bei solarthermischen Systemen.Dabei wird der Fokus auf solar betriebene Kühlsysteme und die Kopplung von Wärmepumpen mitsolarthermischen Anlagen gelegt, daneben werden auch aktuelle österreichische Fördersystemeskizziert.

Die Speicherung von Energie kann getrost als Schlüsselthematik bei zukünftigen Energiekonzeptenbetrachtet werden. Das vorliegende Innovationsradar trägt diesem Umstand Rechnung, indem aktu-elle und neue thermische Speichertechnologien vorgestellt und mögliche zukünftige Anwendungsfel-der ausgelotet werden. Der erste Abschnitt endet mit allgemeinen Lösungsvorschlägen im Bereichder Energieeffizienz.

Der zweite Abschnitt dieses Innovationsradars geht auf die elektrische Energiegewinnung durch pho-tovoltaische Systeme und vor allem auf für den österreichischen Wirtschaftraum wichtige Fragestel-lungen ein. In diesem Kapitel werden technische Möglichkeiten der Qualitätssicherung von PV-Anlagen behandelt, dies kann sowohl über die Vermessung von Einzelmodulen bei der Warenaus-gangskontrolle als auch durch das Energie-Monitoring von laufenden Systemen erfolgen. Neben dentechnischen Möglichkeiten bei der Gebäudeintegration von PV-Modulen wird auch auf die zukünfti-

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gen Rahmenbedingungen zur Erhöhung des Eigenverbrauchs von photovoltaisch erzeugter Energieeingegangen. Abschluss findet dieser Innovationsradar in der Darstellung von hybriden Systemen, diesowohl Wärme als auch Strom in effizienter Weise aus Solarenergie gewinnen.

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2. Trends bei erneuerbarer Wärme

2.1. Bio-Brennstoffe

2.1.1 Gegenwart und Zukunft bei biogenen Energiequellen

Die Suche nach nachhaltigen und erneuerbaren Energiequellen beschäftigt die internationale F&E-Szene, Politik, Wirtschaft und Industrie in hohem Maße. Bio-Brennstoffe helfen, die aktuellen Klima-schutzziele zu erfüllen, wobei der steigende Energiebedarf Fragen einer gleichmäßigen Versorgungaufwirft.

Der Bereich der neuen Biomassepotenziale kann grundsätzlich in land- und forstwirtschaftliche Ne-benprodukte (z.B. Stroh, Kleie, Trester, Sägespäne) und den expliziten Anbau von Energiepflanzenunterteilt werden. Soll eine Biomassefraktion der energetischen Verwertung zugeführt werden, istdie Wahl der passenden Technologie essentiell. Im Folgenden wird vor allem auf feste Biomasse ein-gegangen, die einer Verbrennung zugeführt werden soll.

Der Anbau von Energiepflanzen in Form von Energiegräsern und Energieholz steht im Fokus vielerinternationaler FEI-Aktivitäten1. FEI steht für Forschung, Entwicklung und Innovation.

Unter Energiegras werden landwirtschaftlich angebaute Gräser zur energetischen Nutzung verstan-den. In Österreich wird Miscanthus (Miscanthus giganteus, auch Chinaschilf oder Elefantengras) gro-ßes Potenzial zugeschrieben. Der hohe Heizwert, die günstige CO2-Bilanz und die hohe jährliche Er-tragsmenge zeichnen diese Energiepflanze aus. Informationsmaterial und Erfahrungsberichte werdenu.a. von den Landwirtschaftskammern bereitgestellt.

Energieholz, schnell wachsende Bäume oder Sträucher, werden in Kurzumtriebsplantagen angebaut.Innerhalb kurzer Umtriebszeiten von drei bis zehn Jahren werden sie maschinell geerntet. Zuneh-mend werden längere Umtriebszeiten z.B. für Pappel bis zu 20 Jahre und die Ernte mit herkömmli-cher Forsttechnik in Betracht gezogen. In gemäßigten Klimazonen werden zu diesem Zweck vorwie-gend Pappeln oder Weiden eingesetzt, die sich neben ihrem schnellen Wachstum durch erneutenAustrieb abgeernteter Triebe auszeichnen. Nach zehn bis 20 Jahren ist die Plantage erschöpft undmuss neu bepflanzt werden.

Das Potenzial einer Pflanze als biogener Brennstoff wird durch viele Kriterien bestimmt, allen voranihre chemischen und physikalischen Eigenschaften. Bis zu einem gewissen Grad können diese auchdurch Veredelung positiv beeinflusst werden. Ob eine grundsätzlich geeignete Biomassefraktion inweiterer Folge zu einer breiten Anwendung als Brennstoff kommen kann, hängt stark von ihrem Auf-kommen, ihrer saisonalen Verfügbarkeit, der Wirtschaftlichkeit ihres Transports und ihrer Lagerfä-higkeit sowie der Möglichkeit, eine gleich bleibende Qualität zu garantieren, ab. Fällt die Bewertungdieser Kriterien nicht ausreichend positiv aus, kann eine dezentrale Nischenlösung den richtigen Wegdarstellen.

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Technologische Trends

Biomasseverbrennungsanlagen müssen auf eine bestimmte Qualität von Biomassebrennstoffen di-mensioniert werden. Dies bedeutet, dass der Brennstoff so homogen wie möglich der Feuerung zu-geführt werden muss, um einen reibungsfreien Betrieb gewährleisten zu können. Zu den relevantenEigenschaften gehören der Feuchtegehalt und die Korngröße, da sie u.a. den Heizwert sowie die För-der- und Lagerfähigkeit beeinflussen.

Die folgende Abbildung 1 zeigt den Entscheidungsprozess, ob sich eine Biomassefraktion überhauptzur Energiegewinnung eignet.

Abbildung 1: Entscheidungsweg "Biomasse zur energetischen Nutzung"

Zu Beginn steht jeweils die detaillierte Charakterisierung des Rohstoffs. Im Anschluss kann durchunterschiedliche Aufbereitungsschritte eine Nutzbarmachung bzw. eine Veredelung der Biomasseerreicht werden.

Dem konventionellen Pelletierverfahren müssen die Prozessschritte Zerkleinerung und Trocknungbzw. Konditionierung vorgelagert werden. Dies stellt Anlagenplaner vor die Frage, wie diese zusätzli-chen Prozessschritte am energie- und kosteneffizientesten integriert werden können. Für Pelletswer-ke in direkter Nachbarschaft zu Sägewerken ist diese Fragestellung eher von untergeordneter Bedeu-tung. Eine optimale, kaskadische Nutzung der Sägenebenprodukte wird jedoch vor allem bei Groß-produktionen (z.B. >100.000 t Jahresproduktion) immer problematischer, da eine permanente, un-terbrechungsfreie Produktion für den wirtschaftlichen Erfolg unerlässlich ist.

Eine vermehrt stattfindende Integration der Prozessschritte am Beginn des Verarbeitungsprozessesbietet ein Feld von neuen Optimierungsmöglichkeiten in Bezug auf die Energieeffizienz des Gesamt-prozesses und die erzielbare Pelletsqualität.

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Die derzeit verwendete Technologie zur Holzpelletsproduktion stammt aus unterschiedlichen Bran-chen (z.B. der Futtermittelproduktion). Sie waren ursprünglich nicht für die Aufbereitung unter-schiedlichster, biogener Rohstoffe zu pelletierfähigem Material entwickelt worden. Vor allem in ver-gleichenden Untersuchungen der unterschiedlichen Trocknungs- und Zerkleinerungstechnologienund ihrer Eignung für die unterschiedlichen Biomassen sowie deren Einfluss auf die Pelletsqualitätliegt technisches Innovationspotenzial für kooperative Forschung. Nicht nur Maschinen- oder Anla-genbauer können ihr Produktportfolio ergänzen oder erweitern, sondern auch die Planung neueroder Optimierung bestehender Anlagen wird an Bedeutung gewinnen.

Unter Zusammenarbeit von drei ACR-Instituten wird ein europaweit führendes Biomassezentrumaufgebaut (siehe auch Kapitel 2.1.2). Dieses Zentrum bietet die Möglichkeit, unterschiedliche Tech-nologien direkt miteinander zu vergleichen und die optimale Kombination sowie mögliches Verbesse-rungspotenzial zu identifizieren.

Torrefikation wird derzeit international als eine der wichtigsten Entwicklungen im Bereich fester Bi-omassebrennstoffe betrachtet. Die Grundzüge des Prozesses an sich sind relativ leicht erklärt, dieGesamtheit der Reaktionen stellt jedoch, insbesondere im industriellen Maßstab, eine Herausforde-rung dar. Holzartige und krautartige Biomasse besteht hauptsächlich aus Wasser, Zellulose, Hemizel-lulose und Lignin. Im Torrefikationsprozess wird bei 200°C bis 300°C unter Sauerstoffausschluss zu-erst das gesamte vorhandene Wasser ausgetrieben, danach zersetzt sich die Hemizellulose und teil-weise auch das Lignin des Rohmaterials. Diese Prozesse führen zur Änderung der chemischen undphysikalischen Eigenschaften. Darüber hinaus kommt es zu einem Masseverlust von ca. 70 Prozent,wobei 90 Prozent des Energieinhalts im Feststoff erhalten bleibt. Das Verfahren ist in der Lage, insbe-sondere biogene Reststoffe, wie z.B. Waldrestholz, Maisspindeln oder Zuckerrohrrückstände aberauch Energiegräser zu einem relativ homogenen Brennstoff umzuwandeln. Die Vorteile im Vergleichzu herkömmlichen Holzpellets sind u.a. eine hohe Energiedichte, wasserabweisende Eigenschaftenoder geringere biologische Aktivität. Das entstehende Produkt zielt vorwiegend auf den Einsatz alsKohlesubstitut ab.

Die Umsetzung der österreichischen Technologie, des ACB-Prozesses (accelerated carbonisation bio-mass), findet in der Steiermark statt. Auf einem ähnlichen Entwicklungsstand stehen vergleichbareForschungsgruppen in Skandinavien, Frankreich und Belgien. Große Energieversorger haben sichbereits die ersten Kontingente torrefizierten Materials gesichert. Die gesamte verfügbare Produkt-menge wird problemlos Absatz finden, ganz gleich, welches der Entwicklungsteams letztendlich denWettlauf um die wirtschaftlichste industrielle Anlage gewinnen wird.

Das Rohstoffportfolio zur Energieversorgung muss zukünftig signifikant erweitert werden, um dieambitionierten Schlüsselziele des Europäischen Rats im Bereich der festen Biomasse zu erreichen.Das Ziel der Forschungsarbeiten liegt in der Entwicklung von Mischpellets aus verschiedenen Aus-gangsmaterialien, die sich analog zu den hohen Qualitätsstandards für Holzpellets (z.B. ENplus, DIN-plus, ÖNORM M 7135) an eigenen gerade entwickelten Standards orientieren (z.B. EN 14961-6,ÖNORM C 4000 oder ÖNORM C 4002).

Die Vorteile dieser Neuentwicklung bestehen vor allem in der Sicherstellung der nötigen Ressourcen.Ein wichtiger Aspekt, der im Rahmen des gesamten Entwicklungsprozesses einbezogen werden muss,ist die Vermeidung einer Konkurrenzsituation zur Nahrungs- bzw. Futtermittelproduktion.

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Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass alternative Biomassefraktionen im Vergleich zuHolz schlechtere Verbrennungseigenschaften besitzen. Zu den besonders kritischen Parametern zäh-len das Ascheschmelzverhalten, die Stickoxid- (NOx) und Staubemissionen sowie die korrosiven Ei-genschaften, die durch einen hohen Chlorgehalt verursacht werden. Zur Entwicklung eines standardi-sierten Brennstoffes zielt die Forschung darauf ab, die kritischen Parameter der zukünftigen Misch-pellets zu optimieren. Beim Ascheschmelzverhalten wurden gute Ergebnisse durch die Beimengungdes Additivs Kalk erzielt, wodurch der Ascheerweichungspunkt bis auf ein holzähnliches Niveau an-gehoben werden kann.

Zur Reduktion der NOx-Emissionen können unterschiedliche Strategien gewählt werden. Bei mittle-ren und großen Biomassefeuerungen können durch hoch entwickelte VerbrennungssteuerungenVerbesserungen erzielt werden. Für kleinere Anlagen müssen Möglichkeiten zur Reduktion des Stick-stoffgehalts im Brennstoff durch spezielle Vorbehandlung des Rohstoffs gefunden werden. Hier wirdz.B. der Einsatz von bestimmten Enzymen analysiert, die den brennstoffseitigen Stickstoff eliminie-ren.

Die Staubemissionen stellen besonders bei Kleinanlagen einen heftig diskutierten Punkt dar. Die inDeutschland bereits gesetzlich verankerte, wiederkehrende Messung der Staubemissionen vonKleinanlagen gibt die Forschungsrichtung vor. Neben der Entwicklung von Messtechnik ist die Ent-wicklung besonders emissionsarmer Feuerungen und Sekundärmaßnahmen wie z.B. Staubfilter fürKleinanlagen notwendig. Weitere Informationen zu Feinstaubemissionen und deren Messung findensich auch in Abschnitt 2.1.3 dieses Innovationsradars.

Durch die unterschiedlichen Optimierungsmaßnahmen bei den Produkteigenschaften sowie denVerbrennungsparametern kann ein signifikanter Beitrag zur Erfüllung der europaweiten Ziele zurnachhaltigen Energieversorgung bei gleichzeitig geringen Schadstoffemissionen geleistet werden.KMU, die im Zuge ihrer Produktion pelletierfähige Nebenprodukte zur Verfügung haben, könnendurch den Einsatz geeigneter Blends eine zusätzliche Einkommensquelle erreichen. Insbesondere imKundensegment der privaten Haushalte kann durch optimierte Pellets ein Wettbewerbsvorteil ent-stehen, da auch zukünftig eingeführte Vorschriften oder strengere Grenzwerte eingehalten werdenkönnen.

Pelletsanlagen entsprechen einerseits in hohem Maße dem Bedarf nach einer automatisierten Hei-zung und stellen eine komfortable Möglichkeit dar, im Niedrigstenergie- und Passivhaus den vorhan-denen Restwärmebedarf zu decken. Andererseits sind herkömmliche Pelletskessel hinsichtlich ihrerLeistung für die niedrige, benötigte Heizlast oftmals überdimensioniert. Dies führt zu verstärktemTeillastbetrieb und verursacht bei geringerer Effizienz höhere Emissionen sowie zahlreiche Problemebeim Betrieb (z.B. erhöhter Wartungsaufwand). Analysen am Markt erhältlicher Systeme haben we-sentliches Optimierungspotenzial ergeben.

Zielsetzung der aktuellen Entwicklungen sind Kleinstbrenner (6 kW), die sowohl bei Nennlast als auchbei Teillast (30 Prozent) strengen Emissions- und Wirkungsgradvorgaben sowie Vorgaben an denHilfsenergieverbrauch entsprechen.

Die wesentlichen Innovationen, die zur Erreichung der hoch gesteckten Ziele geführt haben, beziehensich insbesondere auf die Brennkammer, den Brennteller bzw. Rost und auf die Brennstoffzufuhr.

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Den Endkunden stehen nun automatische Pellets-Zimmerheizgeräte zur Verfügung, die sowohl öko-logisch als auch hinsichtlich ihrer Investitionskosten eine echte Alternative darstellen.

Die Frage nach den Umweltauswirkungen eines Produktes bzw. einer Technologie spielt eine wichti-ge Rolle für die nachhaltige Sicherung des sozioökonomischen Fortschritts und allgemeinen Lebens-standards. Aufstrebende Branchen mit Wachstumspotenzialen sind von dieser Fragestellung beson-ders betroffen. Die Wertschöpfungskette rund um die Energiebereitstellung aus fester Biomassegehört dazu. Nicht zuletzt, da auch zukünftig alternative Energiebereitstellung intensiv ausgebautwerden muss, um den steigenden Energiebedarf decken zu können. Eine wesentliche Kenngröße zurBewertung der Klimarelevanz stellt der Product Carbon Footprint dar. Er ist ein Maß für die treib-hausrelevanten Emissionen, die über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes entstehen.

Obwohl das Rohmaterial Holz bzw. andere biogene Rohstoffe an sich klimaneutral sind, sind die Pro-duktionsschritte entlang seiner Wertschöpfungskette und die Nutzungsphase vielfach mit Materialund Energieeinsatz verbunden und haben somit einen nicht unwesentlichen Einfluss auf unser Klima.Speziell im Gebäudeverband werden bereits jetzt Deklarationen zu den ökologischen Auswirkungenjeder eingebauten Komponente verlangt, in Bezug auf den „CO2-Rucksack“ gehen die Bestrebungeninternational in die gleiche Richtung. Bei der Umsetzung gibt es allerdings national unterschiedlicheStrategien. Diese reichen von einer bloßen Information für Planer bis hin zu einem Zertifikat, das denKonsumentInnen als Vergleichsbasis innerhalb einer Produktgruppe dienen soll.

In naher Zukunft wird sich jedes Unternehmen mit seinen Umweltauswirkungen bzw. den Umwelt-auswirkungen seiner Produkte auseinander setzen müssen. Die ernsthafte Beschäftigung mit dieserThematik hat auch Vorteile, da Optimierungsmaßnahmen zumeist mit Einsparungen im BereichEnergie, Material oder Verwertung von Produktionsrückständen einhergehen.

2.1.2 Projekt BioUpgrade

Abbildung 2: Tätigkeitsspektrum des Forschungsverbundes BioUp

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Neben der ökologisch notwendigen und politisch verbindlichen Reduktion von Treibhausgasen spre-chen vor allem eine Erhöhung der Versorgungssicherheit sowie eine gesteigerte heimische Wert-schöpfung für den Ausbau von Biomasse als Energieträger. Biomasse wird aber auch als Rohstoff fürdie stoffliche Verwertung – wie etwa für die Herstellung von Holzwerkstoffen – immer wichtiger.Darüber hinaus gibt es eine globale Diskussion über die Flächenkonkurrenz zwischen Lebensmittel-,Rohstoff- und Energieerzeugung.

Um komplexe Fragestellungen in diesem brisanten Kontext professionell zu bearbeiten, haben sichdrei Mitglieder der Austrian Cooperative Research (ACR) zum Forschungsverbund BioUp2 zusammen-geschlossen. Neben der Holzforschung Austria (HFA) sind auch das OFI und der Österreichische Ka-chelofenverband (KOV) an diesem Projekt beteiligt.

Ziel ist die Erforschung von Biomasse-Rohstoffen und deren Umwandlung zu Produkten und Halbfer-tigprodukten für die energetische und stoffliche Nutzung. Kernstück ist dabei das Biomasse-Technikum3, das im Frühjahr 2013 nach dreijähriger Planungs- und Bauphase eröffnet wurde. DasTechnikum bietet einzigartige Möglichkeiten für die Erforschung und Entwicklung von Produkten undProzessen auf Grundlage von Biomasse-Rohstoffen.

Die Einführung des Technikumsmaßstabs mit ca. 150 kg Produktdurchsatz pro Stunde ermöglicht es,industrienahe Produkt- und Prozessentwicklung zu betreiben. Soll etwa ein Mischpellet aus Holz undeinem landwirtschaftlichen Nebenprodukt entwickelt werden, so ermöglicht das Technikum die Ana-lyse und Optimierung des gesamten Herstellungsprozesses einschließlich Rohstoffzerkleinerung,Störstoffabscheidung, Trocknung, Mischung und Pelletierung. Der Technikumsmaßstab stellt einenentscheidenden Vorteil gegenüber Laborversuchen dar, da sich die Ergebnisse wesentlich leichter aufden industriellen Maßstab übertragen lassen.

Dies ist vor allem für Klein- und Mittelbetriebe, die keine eigene Entwicklung betreiben können, vonunschätzbarem Wert. Durch robuste Zerkleinerungstechnologien, die vorliegende Störstoffabschei-dung und den Bandtrockner können auch schwierige Materialien (z.B. nasse Abfallfraktionen) bear-beitet und damit dem F&E-Prozess zugänglich gemacht werden. Ebenso können Wasch- und Extrak-tionsverfahren realisiert werden, denen eine immer größere Bedeutung zukommt.

Die Entwicklung und Ausstattung des Maschinenparks im neuen Technikum folgte dem Grundsatz,die Fragestellungen der KMU mit möglichst hoher Flexibilität bearbeiten zu können. Alle Maschinensind daher auf breite Einsatzfähigkeit ausgelegt. Die Firma Andritz hat eigens für das Technikum ei-nen Bandtrockner entwickelt und gebaut, der im Aufbau einem industriellen Trockner inklusive Re-zirkulation und Kondensation der Trocknungsluft entspricht. Die Zerkleinerung der Rohstoffe erfolgtje nach Bedarf mittels 4-Wellenzerkleinerer, Kollermühle oder Hammermühle, die sowohl für nassenals auch trockenen Betrieb geeignet sind. Nach der Befeuchtung und Reifung in einer Konditionier-station kann das Material mit Pelletspressen verschiedener Bauart (Flach- und Ringmatrizenpresse)sowie einer Brikettpresse kompaktiert werden.

Alle Aggregate des Technikums können aufgrund flexibel einsetzbarer Fördertechnik in beliebigerWeise miteinander kombiniert werden. Daneben können verschiedene homogene Rohstoffmischun-gen unter feindosierter Zugabe von Additiven erzeugt werden, um für spezielle Aufgabenstellungenoptimierte Produkte herzustellen. Eine auf den Forschungsbetrieb abgestimmte Anlagensteuerungermöglicht eine variable Ansteuerung der Maschinen und eine umfassende Datenauswertung für alle

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Prozesse. Für die Analyse der neuartigen Biobrennstoffe steht auch eine Messeinrichtung für Stau-bemissionen zur Verfügung.

Zielgruppen des Biomassezentrums sind sowohl Anlagenhersteller als auch Unternehmen, bei denenBiomasse zur Verwertung anfällt, wie z.B. Unternehmen der Wertschöpfungskette Holz, Landwirt-schaftsbetriebe, Lebensmittelverarbeiter und alle anderen Stakeholder aus dem Biomassebereich.Der Forschungsverbund befasst sich intensiv mit der kaskadischen Nutzung von Biomasse. Daherwerden mögliche stoffliche Nutzungskonzepte für Biomasse energetischen Konzepten ergebnisoffengegenübergestellt, damit optimale Verwertungslösungen für einen bestimmten Ausgangsstoff defi-niert werden können.

Der Forschungsverbund BioUp hat sich zum Ziel gesetzt, langfristige Partnerschaften mit der Indust-rie und KMU einzugehen, um die optimierte Nutzung von Biomasse voranzutreiben. Ein Hauptfokusder Aktivitäten liegt auf der Mobilisierung bisher ungenutzter Ressourcen und den damit verbunde-nen Möglichkeiten für die Wirtschaft.

2.1.3 Feinstaubemissionen und –messung

Rahmenbedingungen

Gasförmige sowie Feinstaub- bzw. Partikelemissionen sind wegen ihrer potenziellen Auswirkungenauf die Gesundheit im Fokus des öffentlichen Interesses. Dies spiegelt sich zum Beispiel darin wider,dass es in der Europäischen Union für alle Länder verpflichtend ist, neben Ozon regelmäßig und flä-chendeckend auch Feinstaubemissionen zu messen4. Diese Messpflicht gilt für alle Partikel mit einemDurchmesser von weniger als 10 µm, also kleiner einem Hundertstel Millimeter. Das ist weniger alsdie Dicke eines dünnen Menschenhaars. Diese kleinen Partikel erregen deshalb so viel Aufmerksam-keit, da sie eingeatmet werden können. Je kleiner sie sind, desto tiefer können sie in den menschli-chen Körper eindringen. Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 µm können sogar bis indie Lunge gelangen.

Daher gibt es seit einiger Zeit in vielen Bereichen Vorschriften für den Ausstoß solcher kleinen Parti-kel. Dies gilt sowohl für den Verkehr, als auch für die Industrie, die Landwirtschaft und auch für Heiz-geräte. Österreich hat für Raumheizgeräte bereits seit einigen Jahren strenge gesetzliche Vorschrif-ten, die den Ausstoß von Feinstaubpartikeln stark limitieren. Diese Vorschriften der Vereinbarunggemäß Artikel 15a Bundes-Verfassungs-Gesetz (B-VG) über „das Inverkehrbringen von Kleinfeuerun-gen und die Überprüfung von Feuerungsanlagen und Blockheizkraftwerken“ werden zu Jahresbeginn2015 weiter verschärft. Dies betrifft einerseits die Anforderungen an die Energieeffizienz. So wird derzulässige Mindestwirkungsgrad von 78 auf 80 Prozent angehoben. Andererseits werden die Grenz-werte für den „organisch gebundenen Kohlenstoff“ von 80 auf 50 mg/MJ und für den Staub von60 auf 35 mg/MJ deutlich verschärft. Parallel dazu kommt es zu einer Verschärfung der Anforderun-gen in Deutschland, wo die sehr anspruchsvollen Grenzwerte für Kohlenmonoxid von 1,25 g/m³ so-wie für Staub von 0,04 g/m³ in Kraft treten.

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Abbildung 3: Moderner Kachelofen (Quelle: Österreichischer Kachelofenverband/Sommerhuber)

Auf europäischer Ebene gibt es bereits weitgehend fertig gestellte Entwürfe zu einer Ökodesignricht-linie für Raumheizgeräte. Bekannt sind Ökodesignrichtlinien zum Beispiel aus dem Bereich von Kühl-schränken oder Glühbirnen. Sie regeln unter anderem die Energiekennzeichnung (das Labelling) die-ser Produkte in Klassen – meist von A+++ bis G. Im Rahmen der Richtlinie für Raumheizgeräte wird eskünftig Europa weit sehr strenge Anforderungen an die Energieeffizienz (saisonale Nutzungsgrade)und an die Verbrennungsqualität geben. Dabei werden neben Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden(NOx) und Organisch Gebundenem Kohlenstoff (OGC) vor allem auch Feinstaubemissionen strenglimitiert. Die Regelung soll mit Jänner 2022 in Kraft treten. Die dann geltenden Grenzwerte werdensich an den ab 2015 in Deutschland und Österreich festgeschriebenen Anforderungen orientieren,d.h. ab 2022 wird in ganz Europa der Standard eingeführt werden, der heute im deutschsprachigenRaum bereits vorhanden ist. Diese Aussicht stellt eine interessante Exportchance für die heimischenKMU dar, da dieser technologische Standard heute noch keineswegs in allen europäischen Ländernverankert ist.

Messtechnik

Mit dem derzeit gültigen Messverfahren werden die Staubemissionen in einem vorgegebenen Inter-vall in mit Glaswolle gestopften Staubhülsen oder -filtern aufgefangen und anschließend ausgewer-tet. Letztendlich kann die Staubkonzentration über den gesamten Abbrand bestimmt werden. Eskann aber nicht bewertet werden, wann es zu Emissionsspitzen kommt. Damit können nur sehrschwer Maßnahmen zur Verringerung der Feinstaubemissionen gesetzt werden.

Die Versuchs- und Forschungsanstalt der Hafner (VFH) des Österreichischen Kachelofenverbandesforscht gegenwärtig an einer Methode, die es ermöglichen soll, die Feinstaubemissionen bei Raum-heizgeräten kontinuierlich zu messen. Damit soll es künftig vor allem auch für die Wirtschaft möglich

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sein, bereits in der Produktentwicklung gezielt Maßnahmen zu setzen, die zu möglichst geringenEmissionen führen.

Der Forschungsansatz geht davon aus, dass die gasförmigen Emissionen von OGC (Organisch Gebun-dener Kohlenstoff) und Feinstaub in einer direkten Beziehung stehen. D.h. steigt der Ausstoß vonOGC, werden sich in einem bestimmten Verhältnis die Feinstaubemissionen ebenfalls erhöhen. Diekontinuierliche Messung der Emissionen von OGC mittels Flammenionisationsdetektor ist seit vielenJahren erfolgreich etabliert. Die Schwierigkeit ist, das genaue Verhältnis zu ermitteln.

Zur Untermauerung dieses Ansatzes verfügt die VFH über ein Messgerät (siehe Abbildung 4), daszeitlich begrenzt die Feinstaubemissionen kontinuierlich messen und anzeigen kann. Dieses Gerätentnimmt über eine Entnahmesonde das Rauchgas direkt aus dem Abgasstrom. Ein Rotationsver-dünner vermischt das Rohgas mit Umgebungsluft. Um eine Kondensation während der Messung zuverhindern, ist die Messsonde mit einem Heizelement ausgestattet. Der Verlauf der Ergebnisse kannwährend der maximal halbstündigen Messung direkt in einer Grafik abgelesen werden. Außerdemkönnen die Daten problemlos auf den Computer übertragen und dort weiter verarbeitet werden.

Abbildung 4: Messgerät zur Bestimmung der Feinstaubemissionen

Nach Abschluss der Forschungsarbeiten wird den KMU der österreichischen Ofenbranche eine Me-thode zur Verfügung stehen, die ihre heute vorhandene technologische Führerschaft durch die wei-tere Optimierung der Feinstaubemissionen auch für die Zukunft sicherstellt.

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2.2. Solarthermie

2.2.1 Trends in der Solarthermie

Eine steigende Weltbevölkerung, Industrialisierung von Schwellenländern und weltweit steigendeMobilitätsanforderungen werden den weltweiten Energiebedarf stark ansteigen lassen, der nur ingeringem Ausmaß durch Effizienzmaßnahmen gedämpft werden kann. Erneuerbare Energietechno-logien werden dabei in den nächsten Jahrzehnten einen deutlich steigenden Anteil am Energiemixaufweisen, wie zahlreiche Studien5, 6 belegen.

Thermische Energie macht einen wesentlichen Anteil des gesamten weltweiten Energiebedarfs aus.Allein der Gebäudesektor verbraucht 35,3 Prozent, von denen 75 Prozent auf die Bereiche Raumhei-zung und Brauchwassererwärmung fallen. Neben dem Gebäudebereich besteht ein beträchtlicherVerbrauch thermischer Energie auch bei industriellen Prozessen und wärmeintensiven Dienstleistun-gen.

Obwohl Effizienzmaßnahmen den weltweit steigenden Verbrauch nur abschwächen werden können,schaffen diese die notwendigen Voraussetzungen für eine zunehmende Deckung des thermischenEnergiebedarfs auf Basis erneuerbarer Energieträger. So werden die knappen fossilen Ressourcenfrei, um sie in Bereichen einzusetzen, in denen sie weniger leicht zu substituieren sind. Es ist dabei zubemerken, dass schon aktuell die solarthermische Energiebereitstellung in den meisten Fällen weitvor anderen (elektrischen) erneuerbaren Technologien liegt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Weltweite Gesamtleistung / Energie bei erneuerbaren Energietechnologien7

Die Innovationen im Bereich der solarthermischen Energienutzung betreffen einerseits die Neu- undWeiterentwicklung von Komponenten aber auch die Erschließung von neuen Anwendungsgebieten.

In diesem Innovationsradar wird dabei speziell auf die mit hohem Innovations- und Zukunftspotenzialbetrachteten Einsatzgebiete des „solarthermisch unterstützten Kühlens“ und in der vermehrt durch-geführten Kopplung von konventioneller Wärmepumpentechnik mit solarthermischen Anlagen ein-

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gegangen. Gerade erneuerbare Energiequellen treten meist fluktuierend auf, daher muss der Wär-mespeicherung besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. In diesem Fachgebiet werden aktuellviele neue Forschungsfragen aufgeworfen. Vor allem wird die Entwicklung von neuen Speichertech-nologien intensiv diskutiert, die eine langfristige Speicherung von thermischer Energie mit geringenVerlusten ermöglicht.

Abschluss findet dieses Kapitel in der Darstellung von Messmöglichkeiten für Stoff- und Energieströ-me, um Effizienzsteigerung und -optimierung im betrieblichen Umfeld zu erzielen.

2.2.2 Zukünftige Anwendungen für neue Wärmespeicher

Sowohl thermische als auch elektrische Energiespeicher werden bei der künftigen Energieversorgungeine herausragende strategische Bedeutung haben. Allerdings fehlt es bisher an wirtschaftlichenTechniken, um fluktuierende Angebote aus erneuerbaren Energien direkt in einem Medium zu spei-chern. Aktuell wird jedoch an unterschiedlichen neuen Speichertechnologien geforscht, die mittel-fristig neue Anwendungen erwarten lassen. Dadurch ergeben sich auch erweiterte Betätigungsfelderfür KMU in einem stetig wachsenden Marktsegment.

Die optimale Verwendung von Wärme in solarthermischen Anlagen für die ganzjährige Bereitstellungvon Warmwasser und Raumwärme oder die verbesserte Abwärmenutzung ist eng verbunden mit derEntwicklung von kompakten Langzeit-Wärmespeichern. Die Möglichkeit, Wärme in verschiedenenTemperaturbereichen über gewisse Zeiträume (Stunden bis Monate) zu speichern, ist eine Schlüssel-technologie für verschiedene Energieversorgungsmethoden.

Neue, effiziente und verlustarme Speichertechnologien machen auch neue Anwendungen, wiez.B. thermische Speicher in Nutzfahrzeugen oder bei PKW, möglich. So werden vermutlich auch reinelektrisch betriebene Fahrzeuge zukünftig einen Wärmespeicher zur Kabinenheizung und zur Entei-sung der Frontscheibe beinhalten.

Die Entwicklung neuer Speichertechnologien steht für bestimmte Einsatzzwecke erst am Anfang.Grundlagenforschung, angewandte Forschung und Demonstrationsprojekte sind für die Entwicklungdieser Speicheranwendungen notwendig. Der aktuelle Status bei neuen Speichertechnologien wird ineinem internationalen Arbeitskreis diskutiert8, wo das ACR-Mitglied ASiC die Rolle Österreichs ver-tritt.

Sensible thermische Speicher

Bei dieser Art der Speicherung wird ein Speichermedium erhitzt oder abgekühlt. In den meisten Fäl-len wird Wasser eingesetzt, da es eine hohe spezifische Wärmekapazität besitzt und sehr kosten-günstig ist. Kleinere Speicher werden als Pufferspeicher in thermischen Solaranlagen (Warmwasser-bereitung) für eine Speicherung über Tage oder Wochen eingesetzt. Große Wasserspeicher (bis zumehreren tausend m3) werden zur saisonalen Speicherung solarer Wärme zum Heizen im Gebäu-debereich meist in Verbindung mit einem Nahwärmenetz gebaut. Mit großen saisonalen Wärmespei-chern kann in Deutschland etwa die Hälfte des Gesamtwärmebedarfs von größeren Gebäudeeinhei-ten solar gedeckt werden.

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Wärme und Kälte wird auch im Erdreich gespeichert. Hier kann beispielsweise thermische Energiemit einem Temperaturniveau von ca. 10 °C im Winter von einer Wärmepumpe genutzt und im Som-mer direkt zur Gebäudekühlung eingesetzt werden.

In solarthermischen Kraftwerken werden Salzspeicher oder andere Hochtemperaturspeicher zurKurzzeitspeicherung (Tageszyklus) in großem Maßstab eingesetzt.

Latentwärmespeicher

PCM-Speicher (Phase Change Materials) oder Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel desSpeichermediums – meist fest zu flüssig – zur Energiespeicherung. Dadurch kann in einem kleinenTemperaturintervall (um den Phasenwechsel) deutlich mehr thermische Energie gespeichert werdenals z.B. bei sensibler Speicherung. Dies ist vor allem bei der Kältespeicherung von Vorteil. In die Ge-bäudestruktur integrierte PCM können z.B. mit Schmelztemperaturen um 25 °C die Raumtemperaturbei komfortablen Werten halten: Bei Umgebungstemperaturen über 25 °C nehmen diese Materialiendie überschüssige Energie auf und schützen so vor Überhitzung, bei niedriger Umgebungstemperaturgeben sie die gespeicherte Energie wieder ab. Obwohl diese Form der Wohnraumkonditionierungfunktional gesehen keine Speicheranwendung darstellt (keine steuerbare Be- und Entladung) ist sieein wichtiges Einsatzgebiet der PCM-Materialien.

Thermochemische Speicherprozesse

Zur Speicherung thermischer Energie können reversible chemische Reaktionen oder Sorptionsreakti-onen genutzt werden. Es wird dadurch ein chemisches Potential unabhängig von der tatsächlichenTemperatur des Speichermaterials zur Speicherung von Energie verwendet. Solche Systeme verfügenpotentiell über sehr hohe Energiespeicherdichten, die im Idealfall bis zum Faktor 10 höher liegen alsdie in Wasser speicherbaren Energiemengen. Die meisten thermochemischen Speicherkonzepte be-finden sich jedoch erst im Stadium der Grundlagenforschung.

Am weitesten entwickelt sind bislang Ad- und Absorptionsprozesse. Hierbei wird in der Regel Was-serdampf an festen, mikroporösen Adsorbentien (z.B. Zeolith oder Silicagel) oder an wässrigen Salz-lösungen (z.B. Lithiumchlorid) sorbiert. Dabei wird Wärme freigesetzt. Zum Laden des Speichers mussdurch Wärme der Wasserdampf wieder desorbiert werden.

Offene Sorptionsspeicher werden für ihren Einsatz bei der Nutzung industrieller Abwärme unter-sucht. Vor allem im Bereich industrieller Trocknungsprozesse können hier effiziente und wirtschaft-lich interessante Systeme entstehen. Neben der Speicherung bieten offene Sorptionsspeicher auchdie Möglichkeit, Wärme in Kälte zu transformieren, was z.B. für die solare Gebäudeklimatisierunggenutzt wird. Die für Sorptionsreaktionen nötigen Regenerations- und Nutzungstemperaturen liegentypischerweise im Bereich von 20 °C bis 150 °C.

Technologische Trends bei sensiblen Speichern

Großspeicher (Wasserspeicher) spielen in Wärmenetzen auch in Österreich eine zunehmend wichti-gere Rolle (Linz, Wels, Wien, Theiß). Neben der reinen Bevorratung von Wärme machen sie neueBetriebskonzepte für Kraftwerke möglich (Stichwort: wärmebedarfsgesteuerter Betrieb). Die Ent-wicklung von flexiblen Planungskonzepten sollte es möglich machen, die Speicherkonzepte in Zukunftleichter an die geologischen Anforderungen anpassen zu können (Kiesspeicher, Aquiferspeicher,

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Bohrlochspeicher etc.). Verbesserte Dämmungen und Schichtungseinrichtungen haben das Ziel, denwirtschaftlichen Betrieb der großen Speicher ohne zusätzliche Wärmepumpe zu ermöglichen. Damitist eine weitere Verbreitung, auch zur Bevorratung von Solarwärme in Siedlungen, möglich.

Bei Kraft-Wärme-Kältekopplungsanlagen ermöglichen Wärmespeicher einen stromgeführten(ev. Energieversorgungsunternehmen-gesteuerten) Betrieb. Dies können sowohl neue, kompakteSpeichertechnologien aber prinzipiell auch konventionelle Wärmespeicher sein. Die Ausführunghängt hauptsächlich von wirtschaftlichen Randbedingungen ab. Verbesserung von Dämmungen beikleineren Wasserspeichern (bis ca. 1.000 Liter) oder neue Konstruktionskonzepte (Doppelwand-Vakuum) helfen, die thermischen Verluste zu reduzieren.

Solarthermische Kraftwerke nutzen eutektische Mischungen von Salzschmelzen, um Wärme im Tem-peraturbereich von 200 °C bis 400 °C zu speichern. Diese Schmelzen weisen den niedrigsten mögli-chen Schmelzpunkt auf. Neue Materialentwicklungen werden diese Salze auch im Bereich niedrigererTemperaturen (100 °C bis 200 °C) verwendbar machen.

Technologische Trends bei Phasenwechselspeichern (PCM)

PCM stehen mit verschiedenen Schmelztemperaturen zur Verfügung. Momentan wird verstärkt anneuen Materialien mit hohen Speicherkapazitäten und günstigen ökonomischen Randbedingungengeforscht (Zuckeralkohole, Salzhydrate). Prinzipiell sind auch Stoffe (Kunststoffe) denkbar, die durchRekristallisation in festem Zustand Wärme aufnehmen und freisetzten. Daneben wird angestrebt,kleine gekapselte PCM-Kugeln in einer Flüssigkeit pumpbar zu machen. Seitens der Anwendung wer-den PCM hauptsächlich für die Stabilisierung thermischer Zustände (z.B. Raumtemperatur, Körper-temperatur, Überhitzungsschutz) verwendet. Neue Materialien machen in Zukunft jedoch auch neueAnwendungen möglich.

Technologische Trends bei Thermochemischen Speicher-Technologien

Einige laufende Projekte beschäftigen sich in Österreich mit der Nutzung von thermochemischenProzessen. Dafür müssen Anwendungen mit den passenden Randbedingungen gefunden werden unddie entsprechenden Apparate (Speicher, Wärmereaktor, Wärmetauscher) entwickelt werden. In La-bor-Prototypen ist es bisher gelungen, etwa die zwei- bis dreifache Speicherdichte von Wasserspei-chern zu erreichen.

Da in diese Technologie langfristig die größten Erwartungen gesetzt werden, finden Forschungsent-wicklungen in mehreren Richtungen statt:

• industrielle Abwärmespeicherung und -verteilung• saisonale Speicher• mobile Speicher in Fahrzeugen.

Ziel der Forschungsaktivitäten ist es, bis 2020 etwa die fünffache Speicherdichte von Wasser im klei-nen Maßstab nutzbar zu machen.

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2.2.3 Thermisches Kühlen

Abbildung 6: Prinzipskizze solarthermisches Kühlen

Was auf den ersten Blick unvereinbar klingt, zeigt in der Praxis erhebliches Potenzial. Das solarther-mische Kühlen ist eine Möglichkeit, einen Teil des Energiebedarfs zur Gebäudekühlung mit Hilfe vonSonnenenergie abzudecken.

Die Idee von solarem Kühlen existiert schon seit vielen Jahren: Hohe Solarstrahlung bewirkt bei Ge-bäuden einen großen Kühlbedarf – aber auch durch die Strahlung ein großes Angebot an An-triebsenergie für die Klimatisierung. Doch was sich auf den ersten Blick als ideale technische Lösungpräsentiert, zeigt bei genauerer Betrachtung noch einige Herausforderungen, die gelöst werden müs-sen. Dazu gehören unter anderem die noch deutlich höheren Investitions- und Wartungskosten sol-cher Anlagen, wodurch gekoppelt mit den niedrigen Preisen für elektrische Energie eine wirtschaftli-che Umsetzung dieser Projekte erschwert ist. Aktuell sind in Europa deshalb nur etwa 1.000 De-monstrationsanlagen installiert worden.

Technologisch werden folgende Anlagen eingesetzt:

Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen funktionieren im Wesentlichen wie eine herkömmlicheKältemaschine. Durch die Verdichtung und Entspannung eines Kältemittels kann Wärmeenergie auf-genommen und an anderer Stelle wieder abgegeben werden. Beide gemeinsam besitzen die Fähig-keit, die für die Funktion notwendige Verdichtung des Kältemittels nicht durch einen elektrisch be-triebenen Kompressor zu erreichen, sondern hierfür thermische Energie (z.B. aus einer solarthermi-schen Anlage) zu nutzen.

DEC-Anlagen (desiccant cooling) sind als offene Systeme konzipiert, die durch eine geschickte Kom-bination von Wärmetauschern sowie Be- und Entfeuchtungseinrichtungen die Zuluft so vorkonditio-nieren können, dass damit eine Klimatisierung möglich ist. Hier wird die Wärmeenergie aus einersolarthermischen Anlage dazu verwendet, die sorptive Entfeuchtungseinrichtung wieder zu regene-rieren.

Technologische Trends

Die Technologie der solarthermischen Kühlung hat durch die installierten Demonstrationsanlagenbewiesen, dass signifikante Energieeinsparungen möglich sind. Gleichzeitig hat man auch erkannt,dass viele Firmen mit den im Vergleich zur Kompressionskälte komplexeren hydraulischen und rege-

thermischangetriebenerKühlprozessWärme

klimatisierteLuft

Kaltwasser

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lungstechnischen Anforderungen überfordert sind. In den letzten Jahren haben die ACR-Institutezahlreiche Projekte abgewickelt, um die Qualität und Effizienz von Kühlanlagen zu erhöhen. Die Her-ausforderungen für die nächsten Jahre stellen sich wie folgt dar:

Aufbau von Qualitätssicherungsmaßnahmen zur Vermeidung von Fehlern in Installation undRegelung sowie Sicherstellung der optimalen Betriebsweise.

Aus- und Weiterbildung von Fachpersonal sowie Verbreitung von Know-how: Die Installation,die Planung oder der hydraulische Abgleich erfordern einen höheren Planungsaufwand alsder Einbau von elektrisch betriebenen Kältemaschinen. Fachfirmen für diese Tätigkeiten sindmomentan noch gering an der Zahl.

Schrittweise Verminderung von Aufwand und Kosten für die Errichtung derartiger Systemedurch Standardisierung, um eine bessere Ausgangsbasis für den wirtschaftlichen Vergleichmit konventionellen Systemen zu schaffen.

Etablierung von potentiellen Märkten, damit die Hersteller ihre Produktion auf größereStückzahlen auslegen und somit die Herstellungskosten vermindert werden können.

2.2.4 Kopplung von Wärmepumpen und Solarthermie

Abbildung 7: Kombination von Wärmepumpe und Solarthermie9

Wärmepumpen- und Solarthermieanlagen sind in Österreich bereits gut etablierte Energiegewin-nungs-Systeme. Die beiden Branchen haben sehr viel Arbeit investiert und damit hohe Qualitätsstan-dards erreicht sowie das Know-how zur korrekten Installation der Systeme an Installationsbetriebeerarbeitet.

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In den letzten Jahren ist jedoch eine Stagnation des Wachstums in beiden Branchen zu erkennen.Neue Impulse erhofft man sich durch die Kombination von Wärmepumpen mit thermischen Sonnen-kollektoren.

Die ersten Ansätze zur Kombination der beiden Technologien waren meist Luft-Wasser-Wärmepumpen, bei denen die Ansaugluft der Wärmepumpe entweder über einfache Dachkollekt-oren geführt oder an kalten Tagen durch das Erdreich vorgewärmt wurde.

Eine weitere Möglichkeit stellen Systemkombinationen dar, die zwar den gleichen Pufferspeicherbenutzen, sonst aber voneinander unabhängig arbeiten. Eine solche Kombination von thermischenKollektoren mit einer Wärmepumpe erlaubt die Deckung des Warmwasserbedarfs außerhalb derHeizsaison zum Großteil durch Solarthermie. Dadurch sinken die Jahreslaufzeiten von Kompressor(und Sole- bzw. Brunnenwasserpumpe); bei der Wärmequelle Erdreich wird die Regenerationsfähig-keit des Erdreichkollektors durch kürzere Nutzung erhöht. Die für die Wärmepumpe energetisch un-günstige Warmwasserbereitung (Warmwassertemperatur ist höher als die Heizungstemperatur) wirdreduziert, was zu verbesserten Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe führt.

Weitere Optimierung beider Systeme verspricht die Kombination von thermischen Kollektoren mitWärmepumpen, bei der auch eine Zufuhr von Energie direkt aus der Solaranlage an die Wärmequelleder Wärmepumpe ermöglicht wird. Dadurch können deutlich niedrigere Temperaturniveaus derthermischen Kollektoren genutzt werden, wodurch der Jahresertrag der Solaranlage gesteigert wer-den kann. Bei einer Kombination mit einer Erdreichwärmepumpe kann die Stagnation der Solaranla-ge bei solarem Überangebot im Sommer wirkungsvoll verhindert werden, während gleichzeitig eineverbesserte Regeneration des Erdreichkollektors erreicht werden kann. Die Wärmepumpe profitiertvon der Erhöhung des Verdampfungstemperaturniveaus, wodurch sich die Jahresarbeitszahl verbes-sert.

Ein weiteres interessantes System stellt die Kombination von Wärmepumpe, Solaranlage und Eisspei-cher dar. Der Eisspeicher dient der Wärmepumpe als Wärmequelle und wird durch die Solaranlageregeneriert. Durch die hohe Energiedichte (Nutzung der Latentwärme des Phasenwechsels zwischenEis und flüssigem Wasser) und das geringe Temperaturniveau sind Platzbedarf und Verluste des Eis-speichers gering, wodurch das System auch bei eingeschränkten Platzverhältnissen eingesetzt wer-den kann.

Die Hindernisse, die bei den genannten Systemen zu beobachten sind, erinnern sehr stark an jeneaus den Anfängen von Solarthermie- und Wärmepumpensystemen: Es gibt noch keinen „Stand derTechnik“, die Installationsbetriebe sind oft mit der Komplexität von Hydraulik und Regelung überfor-dert und immer wieder werden mit überzogenen Versprechen bezüglich Einsparungen Erwartungenbei den Endkunden geweckt, die dann nicht erfüllt werden können.

Die Herausforderungen der nächsten Jahre sind dabei folgende Punkte:

Etablierung eines „Stand der Technik“ Weiterbildung von Fachpersonal Werkzeuge zur realistischen Abschätzung der zu erwartenden Erträge

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2.3. Mobile Energieoptimierung

Die Motivation

Der Nationalrat beschloss im Juli 2014 das neue Energieeffizienzgesetz (EEffG). Neben der gesetzli-chen Verpflichtung für Großunternehmen zur Einführung eines Energiemanagementsystems sindzukünftig auch Energielieferanten (u.a. EVUs, aber auch Heizwerkbetreiber und Pelletsproduzenten)zur Verbesserung von Energieeffizienz (in der Erzeugung und beim Endverbraucher) verpflichtet.Aber auch für die nicht durch dieses Gesetz verpflichteten KMU macht ein effizienterer Energieein-satz durchaus Sinn. Die wirtschaftliche Rentabilität ist in allen Industriezweigen und in Betrieben allerGrößenordnung in den letzten Jahren zunehmend in den Mittelpunkt gerückt: Maximale Produktivi-tät bei minimalem Ressourcenverbrauch lautet der Vorsatz. Die exakte Erfassung, Auswertung undAnalyse der Anlagenparameter stellt dabei die Basis für weitere Vorgehensschritte dar.

Die Lösung

Die drei ACR-Institute OFI, GET und KOV haben sich aus diesem Grund zusammengetan und mit demEnO-Mobil die entsprechende Infrastruktur angeschafft – welche teilweise über BMWFW-Fördergelder kofinanziert wurde – um ihren Kunden zukünftig mobile FEI-Dienstleistungen im Be-reich der Energieoptimierung anbieten zu können. Das EnO-Mobil ermöglicht es – direkt Vorort beimKunden – Stoff- und Energieströme zu bestimmen, zu bilanzieren und in weiterer Folge zu optimie-ren.

Abbildung 8: EnO-Mobil - Mobile Energieoptimierung

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Ergebnisse aus hochmoderne Messtechnik wie bspw. von einem FTIR Multigasanalysator (zur simul-tanen Bestimmung von Gaskomponenten) oder mehreren Ultraschall-Durchflussmessgeräten (zurErmittlung der Durchflussmengen flüssiger und gasförmiger Medien in Rohrleitungen), sowie weite-ren Messgeräten werden in einem mathematischen Modell einer Energiebilanzierungssoftware ver-knüpft und mittels Parametervariation können daraus Optimierungspotentiale abgeleitet werden.

Großes Augenmerk wurde dabei auch auf die eingesetzten Schnittstellen und die Softwareprogram-mierung bei der Datenerfassung und -speicherung gelegt, die ein Zusammenfassen und synchronesDarstellen der Ergebnisse „just in time“ vorsieht. Mit diesem essenziellen Asset kann die Auswirkungder Veränderungen einzelner Einflussgrößen direkt beim Kunden erfasst, visualisiert und ausgewer-tet werden, sodass Rückschlüsse zur Energieoptimierung erstmals Vorort und im unmittelbarem zeit-lichen Zusammenhang mit der Datenerfassung möglich sind.

Durch die Bündelung der Institutskapazitäten und -kompetenzen, gepaart mit dem zusätzlichen Aus-bau in Form der mobilen Datenerfassung und -auswertung, können auf sehr effiziente Art und WeiseEnergie- und damit auch Kosteneinsparpotentiale in unterschiedlichsten Gewerbe- und Industriebe-reichen aufgezeigt werden. Die Umsetzung dieser trägt in weiterer Folge nicht nur zur Reduktion desCO2-Ausstoßes bei, sondern sichert auch nachhaltig die Konkurrenzfähigkeit der Betriebe und dieArbeitsplätze der dort tätigen Mitarbeiter.

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3. Trends in der Photovoltaik

In den letzten Jahren erfuhr die Photovoltaik (PV), also die Stromerzeugung direkt aus Sonnenlicht,einen enormen Aufschwung. So wurden im Jahr 2013 rund 263 MWp (Mega Watt peak = maximaleLeistung einer PV-Anlage bei Normbedingungen) an Leistung in Österreich neu installiert. Insgesamtwaren damit am Ende des Jahres 2013 626 MWp installiert, welche rund 1,1 Prozent des Gesamt-stromaufkommens bereitstellen10, 11. Dies bedeutet eine Steigerung von 81 Prozent im Vergleich zumJahr 2012 (0,61 Prozent) 10. Für 2020 ist bereits eine Installierte PV-Leistung von 6,4 GWp für Öster-reich prognostiziert, was dann einem PV-Anteil am Stromverbrauch von 8 Prozent entsprechenwird11.

Der erneute Wachstumssprung ist dabei primär auf die weiter gefallenen Preise und die steigendeAkzeptanz der Technologie zurückzuführen10.

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3.1. Gebäudeintegrierte PV

Für Mitteleuropa und Österreich im Speziellen – einem gebirgigen Land, in dem die freiliegendenFlächen hauptsächlich landwirtschaftlich genutzt werden – sehen Experten die potentiellen Installa-tionsflächen für Photovoltaik-Anlagen überwiegend am Gebäude. Das technische Potenzial von„Building-integrated photovoltaics“ (BIPV) in Österreich beträgt ca. 140 km² Dachfläche und ca.50 km² Fassadenfläche. Gemäß einem Bericht der Internationalen Energieagentur12 ist es möglich,durch den Ausbau des theoretisch gebäudeintegrierten Potenzials in Österreich einen jährlichenelektrischen Ertrag von rund 18,7 TWh zu erzeugen. Daraus lässt sich ableiten, dass in Österreichallein durch den Ausbau der BIPV ein bedeutender Anteil des zukünftigen Strombedarfs gedecktwerden kann13, 14. In Österreich waren 2012 aber nur 2,2 Prozent aller installierten PV Anlagen ge-bäudeintegriert, der fassadenintegrierte Anteil betrug nur 0,6 Prozent (3.850 kWp)10. Weltweit wur-den bis Anfang 2014 0,1 GWp der PV-Anlagen in die Gebäudehülle integriert, 8 GWp an PV-AnlagenLeistung wurde an Gebäuden angebracht.

PV-Module werden derzeit meist additiv in Form von Standardmodulen an Gebäuden und dabei v.a.auf Dachflächen angebracht. Allerdings ergeben diese Auf-Dach-Lösungen oft ästhetisch fragwürdigeObjekte, die langfristig und bei höherer Verbreitung – wie das z.B. in Bayern bereits beobachtet wer-den kann – optisch störend wirken. Dies kann wiederum zu einer verminderten Akzeptanz der Tech-nologie in der Gesellschaft führen. Vor allem für historisch gewachsene Städte wie z.B. Wien sindsolche Installationslösungen nicht denkbar. Da die EU-Gebäuderichtlinie ab 2020 strenge Richtlinienfür den Energieverbrauch von Gebäuden vorgibt („nearly Zero energy“)15, muss es Ziel sein, wirt-schaftlich und optisch verträgliche Lösungen für bauteilintegrierte PV zu entwickeln. Die symbioti-sche Vereinigung von Architektur mit dem aktuellen Trend zu nachhaltigen Energietechnologien bie-tet für ein Technologie- und Kulturland wie Österreich große Chancen.

Denn ganz im Gegensatz zu den preislich stark unter Druck geratenen Standard-PV-Modulen, derenProduktion heutzutage zu einem Gutteil in Asien stattfindet, kann bei der BIPV eine wesentlich höhe-re regionale Wertschöpfung erreicht werden. Teile der Gebäudehülle wie z.B. Dach, Fassade, Fenster,Brüstungen, Sonnenschutzeinrichtungen oder Balkone können durch Kombination mit PV-Zellen mitdem „Zusatznutzen“ Stromgewinnung ausgestattet werden und so durch ihre Multifunktionalitäteinen hohen Mehrwert bieten.

Außer Glas/Glas-Fassadenelementen, basierend auf kristalliner Silizium Technologie, gibt es heutzu-tage keine technisch, wirtschaftlich und ästhetisch ansprechende gebäudeintegrierte Lösung vorallem für Fassaden, die sich am Markt durchsetzen konnten. Neben der Nutzung üblicher mono- undpolykristallinen Solarzellen in BIPV-Modulen (die jedoch den optischen Ansprüchen v.a. in RichtungFarbgestaltung oft nicht genügen), spielen für die Gebäudeintegration der PV vor allem neue Ent-wicklungen wie organische Solarzellen oder Dünnschichtfolien eine bedeutsame Rolle, um dem An-spruch der Multifunktionalität von BIPV sowie architektonischen Anforderungen gerecht zu werden.Des weiteren stellen Oberflächenbedruckungen der Module, farbliche Variation der Zelloberflächensowie ein Einfärben der polymeren Einkapselungen oder der silberfarbenen Zellverbinder möglicheAnsätze dar, um das Erscheinungsbild der PV-Module in der Gebäudehülle ästhetisch ansprechenderzu machen.

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Die Entwicklung innovativer Produkte für die bauteilintegrierte Photovoltaik ist somit ein innovativesForschungsthema mit hoher Interdisziplinarität, denn es müssen neben

- Materialentwicklungen,- Bauteiloptimierungen und- PV-Modulentwicklungen auch viele- elektrotechnische- bautechnische- und bauphysikalische sowie- energiesystemtechnische Probleme

gelöst werden. Die Implementierung der stromerzeugenden PV-Module in die Gebäudeteile erfor-dert aber auch eine Abstimmung mit Bauherrn, Architekten und Stadtplanern. Durch den Aufbau desnotwendigen Know-hows und der technischen Grundlagen werden die ACR-Institute gemeinsam mitden österreichischen Wirtschaftspartnern einen international anerkannten Technologie-Schwerpunktentlang der gesamten Wertschöpfungskette auf dem Gebiet der BIPV in Österreich etablieren.

Österreich beteiligt sich auch am neuen Forschungsschwerpunkt der Internationalen EnergieagenturIEA, der unter dem Thema „Beschleunigung von BIPV“ (= TASK 15 der Internationale EnergieagenturPVPS) eine höhere Marktdurchdringung von BIPV zum Ziel hat15. Ausgehend vom aktuellen Status(2014)

kleiner Marktanteil: 1-3% des gesamten PV-Marktes teuer (Preisrahmen : Faktor 1,3 - 40 BIPV/BAPV) geringe Marktdurchdringung, hauptsächlich Prototypen

sollen durch Initiativen des Task 15 bis 2020 folgenden Zielvorgaben erreicht werden:

→ Marktanteil 10 Prozent→ Preisrahmen : Faktor 1,0-1,6 BIPV/BAPV

(Building integrated photovoltaic/Building attached Photovoltaic)→ höhere Marktpenetration

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3.2. Materialien

Ein PV-Modul stellt vom Aufbau her einen Multimaterialverbund dar, der neben den meist anorgani-schen, PV-aktiven Komponenten (kristalline Silizium-Zellen oder Dünnschichtzellen aus verschiede-nen Halbleitermaterialien wie CdTe, Si, CIGS oder CZTS) polymere Einbettungen und Glas bzw. poly-mere Rückseitenfolien als Einkapselungen enthält. Für die Verbindung der Zellen und zur Stromab-führung werden leitende Metall-Bändchen und Verbinder eingesetzt, die metallischen Rahmen undKunststoffanschlussdosen werden über polymere Dichtungen mit dem Modul verbunden (siehe Ab-bildung 9).

Abbildung 9: Aufbau Solarmodul16

Durch das Zusammentreffen mehrerer, sehr unterschiedlicher Materialien sind deren Abstimmungbetreffend chemischer Verträglichkeit, Anpassung der thermischen und mechanischen Eigen-schaftsprofile sowie eine Optimierung der optischen Charakteristika ganz wesentliche Faktoren, diedie Langzeitbeständigkeit und Energieausbeute des Gesamtsystems „PV-Modul“ mitbestimmen. Be-schleunigte Alterungstests an neu entwickelten Modulaufbauten in Kombination mit innovativenAnalysemethoden können eine deutliche Minimierung der Produktentwicklungszeiten ermöglichen.

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3.3. Qualitätssicherung

Für die Qualitätssicherung ist in der Photovoltaikbranche neben der Eingangskontrolle der eingesetz-ten Materialien und Einzelkomponenten vor allem die Ausgangskontrolle der produzierten Modulevor Installation und die laufende Überprüfung der PV-Module im Feld von Bedeutung. Während fürdie Überprüfung der Materialien VOR dem Einbau ins Modul zahlreiche chemische, physikalische,elektrische und mechanische Prüfverfahren zur Verfügung stehen, müssen für die Qualitätssicherungdes fertigen PV-Moduls vor allem zerstörungsfreie Analysenmethoden zum Einsatz kommen.

Neben den standardisierten Testprozeduren17, 18, 19, die jede neue Modultype betreffend Sicherheits-qualifikation, Designqualifizierung und Typengenehmigung durchlaufen muss, werden am Ende derProduktionskette elektrische Leistungsmessungen an den Modulen und in vielen Betrieben auch eineÜberprüfung der Funktionalität der stromliefernden Komponenten durch bildgebende Verfahren wieElektrolumineszenz (EL) und/oder Thermographie durchgeführt. Damit können inaktive Zellen odergebrochene Leiterbahnen detektiert werden (Abbildung 10).

Abbildung 10: EL-Aufnahme eines kristallinen Si-Moduls mit Fehlstellen – markiert in rot20

Für die Überprüfung der Funktionalität im Feld setzen sich Thermographiemethoden immer mehrdurch (siehe Abbildung 11). An einer systematisierten Auswertung von aufgenommenen Thermogra-phieaufnahmen und einem automatisierten Fehlerzuordnungskonzept wird gearbeitet21. Auch imProjekt „InSolTec“ werden unterschiedliche Verfahren zur Fehlererkennung in PV-Modulen entwi-ckelt22.

Abbildung 11: Thermographie-Aufnahme

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3.4. Monitoring-Systeme

Die Überwachung von PV-Systemen spielt eine immer wichtigere Rolle am PV-Markt. Dies hat mehre-re Gründe:

- Aufgrund sinkender Förderungen ist eine voll funktionsfähige Anlage ein wesentliches Krite-rium für den wirtschaftlichen Betrieb über die lange Lebensdauer von PV-Systemen.

- Für den Handel der erzeugten Energie am Strommarkt sind exakte Prognosen der Erzeugungnotwendig. Monitoring Systeme bieten hier durch die Zusammenführung mit Wetterdatenein effektives Tool.

- Insbesondere große Anlagen sind für Betreiber oftmals unübersichtlich, demgegenüber wol-len Privatanwender für die Überwachung möglichst wenig Zeit investieren. AutomatisierteSysteme bieten hierfür funktionale Mittel zur einfachen Fehlererkennung.

- Installierte Anlagen müssen laufend überprüft und gewartet werden. Aufgrund der Zuwächsein den letzten Jahren besteht entsprechend hohes Potential.

Anlagenüberwachung kann in zwei wesentliche Gruppen unterteil werden. Zum einen werden Da-tensysteme verwendet, welche periodisch Messdaten erheben und diese auswerten bzw. visualisie-ren. Dabei können Erträge überprüft und Betriebsabweichungen aus der Ferne festgestellt werden.Zum anderen gibt es mittlerweile eine Fülle von messtechnischen Methoden, wie Anlagenkompo-nenten direkt vor Ort auf ihrer Leistungsfähigkeit getestet werden können. Hierbei werden Messun-gen durchgeführt und eine Vergleichbarkeit mit den ursprünglichen Ausgangsparametern geschaffen.

Im Bereich der (Fern-)Überwachung werden Messdaten wie Spannungen, Leistungen und Energienwie auch Umgebungsbedingungen (Einstrahlung, Temperatur und Windgeschwindigkeit) erfasst. Esfolgt meist eine Aufbereitung der Daten sowie deren Speicherung. Für Kunden bzw. Betreiber wer-den die Ergebnisse in unterschiedlichster Form visualisiert, um mögliche Abweichungen von einemgewünschten Verhalten darzustellen.

Neben diesem klassischen Ansatz der einfachen Darstellung der Daten wird immer mehr eine auto-matisierte Analyse der Anlagenergebnisse gefordert. Kleine Fehler können aufgrund der hohen Leis-tung und großen Anzahl an Einzelkomponenten kaum mehr erkannt werden, verursachen über län-gere Zeiträume jedoch wesentliche Einbußen. Komplexe Modelle und Algorithmen werden einge-setzt, um Messergebnisse auf Plausibilität zu überprüfen. Geringste Abweichungen vom Normbetriebkönnen somit erkannt und abhängig von ihrer Auswirkung charakterisiert werden. Nach dem Erken-nen eines Fehlers wird in einem nächsten Schritt die Ursache des Fehlers (Art, Auftreten, Ort undAuswirkung) analysiert und der Kunde automatisiert informiert (SMS, E-Mail etc.). Notwendiges Kri-terium ist auch die Vermeidung von falschen Alarmen, diese können schnell zu ungewollten Verände-rungen in der Verwendung führen. Das ASiC hat in diesem Bereich durch diverse Projekte mit nam-haften Industriepartnern umfangreiche Expertise aufgebaut23.

Vor allem durch den Einsatz von modulbasierten Optimierern, Wechselrichtern bzw. Überwachungs-einheiten steigt die Menge an Daten, welche zum Monitoring dauerhaft zur Verfügung stehen. Ne-ben entsprechenden Möglichkeiten des Datenmanagements müssen einfache, kostengünstige undvor allem langzeitstabile Hardware-Komponenten zur Integration in die Modulanschlussdosen entwi-ckelt werden.

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Daneben bieten Monitoring-Systeme bereits eine Fülle von weiteren Möglichkeiten bei der Integrati-on ins Netz bzw. in Energiemanagementsystemen. Hierzu zählen unter anderem die Regelung vonPV-Anlagen durch den Netzbetreiber im Falle von Netzüberlastung. Aufgrund der teilweise beträcht-lichen Anschlussleistung in einzelnen Netzbereichen kann es erforderlich sein, die Anlagenleistung zuSpitzenzeiten zu drosseln. Eine entsprechende Kommunikation zwischen den Akteuren ist hierbeiwesentlich, weshalb Monitoring-Systeme aufgrund ihrer Flexibilität und Datenbereitstellung dafüreingesetzt werden.

Im Bereich Energiemanagement stellen Monitoring-Systeme die Verbindung zwischen Erzeuger undVerbraucher her. Verschiedenste Geräte können erzeugungsgesteuert aktiviert und der Eigenver-brauch dadurch gesteigert werden. Durch die Integration von Wettervorhersagen können Energie-prognosen erstellt werden, welche sowohl für den Handel an der Strombörse essentiell aber auch imPrivaten für höhere Eigenverbrauchsquoten notwendig sind.

Zu den Vor-Ort-Services von PV-Anlagen zählen unter anderem die Reinigung und Überprüfung vonAnlagenkomponenten, insbesondere den Modulen. Für die rasche Auffindung von defekten Modulenkann vor allem die Infrarot-Thermografie eingesetzt werden. Besonders innovativ ist beispielsweiseder Einsatz von Drohnen als Kameraträger. Große Flächen können in kürzester Zeit analysiert wer-den. Mobile Teststände unterstützen bei der Analyse von Schadensbildern und der Erstellung vonGarantiegutachten.

Studien zeigen, dass bei einem weltweiten PV-Zubau von rund 37 GW der Markt für Monitoring Sys-teme rund 39,7 GW beträgt24. Dies resultiert in erster Linie aus einer verstärkten Nachrüstung vonbereits bestehenden Installationen. Abbildung 12 zeigt die Marktverteilung aufgeschlüsselt nachUnternehmen und Zuwachsraten. Für Unternehmen bieten sich daher gute Möglichkeiten an, unab-hängig von Neuinstallationen durch Monitoring ihren Umsatz hochzuhalten bzw. zu steigern.

Aufgrund rasch wechselnder politischer und behördlicher Vorgaben gilt es, diese rasch umzusetzenund im optimalen Fall stets einen Schritt zuvor zu sein. Hohe Innovationskraft ist daher von den Un-ternehmen gefordert. Zusätzlich ist auch die Vernetzung mit dem Energiesystem wesentlicher Ent-wicklungsbereich. Komplette Lösungen sind für den effizienten Einsatz in Smart Homes und SmartGrids notwendig.

PV-Monitoring bietet vor allem für kleine und mittlere Unternehmen die Möglichkeit, sich in ausge-wählten Fachgebieten zu spezialisieren. Neben der Entwicklung und Installation der Komponentenzählen hierzu im Besonderen die Bereiche der Datenverarbeitung (Übermittlung, Speicherung, Analy-se) und Messtechnik.

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Abbildung 12: Überwachte Anlagenleistung im Jahr 2013 nach Unternehmen und neu hinzugekommener Leistung25.

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3.5. Eigenverbrauchserhöhung

Die Erhöhung des Eigenverbrauchs ist gerade bei nicht- oder investitionsgeförderten Anlagen einwesentliches Mittel zur Erhaltung der Wirtschaftlichkeit. Neben gesunkenen Preisen haben sich auchFörderungen deutlich verringert. Beispielsweise beträgt die geförderte Einspeisevergütung in Öster-reich 2015 nur mehr rund 0,14 €/kWh, während im Jahr 2006 noch 0,42 €/kWh ausbezahlt wurde26.

Betrachtet man die Gestehungskosten von PV-Strom, liegen diese selbst aus kleinen Anlagen bereitsunterhalb des durchschnittlichen Haushaltsstromtarifs. Es ist deshalb sinnvoll, einen möglichst gro-ßen Anteil an PV-Strom selbst zu verbrauchen und nur mehr den Überschuss abzugeben. Werdenherkömmliche Dimensionierungsrichtlinien herangezogen (durchschnittlicher Haushalt mit rund5 kWp PV) zeigt sich jedoch, dass maximal bis zu 30 Prozent des PV-Stroms direkt verbraucht werdenkönnen und rund 70 Prozent mit geringem Ertrag an den Stromhändler gehen. Die mögliche Eigen-verbrauchsrate, also das Verhältnis von direkt selbst verbrauchter PV-Energie zu gesamt produzierterPV-Energie, ist in erster Linie vom Verbrauchsverhalten abhängig. Da die PV-Anlage nur bei Solar-strahlung Strom produziert, können nur untertags betriebene Lasten den Eigenverbrauch erhöhen.Beispielsweise passt dies in einem Bürogebäude, wo elektrischer Bedarf vor allem zum Betrieb vonBeleuchtung, Computern und Klimatisierung vorhanden ist, sehr gut. Ein Zwei-Personen-Haushalt,wo beide Personen untertags berufstätig sind, wird hierbei schlechter abschneiden.

Auch im Gewerbe können PV-Anlagen effektiv zur Eigenstromversorgung eingesetzt werden. Beson-ders bei hohen Verbräuchen tagsüber können der Stromzukauf verringert und die Amortisationszei-ten gesenkt werden. In der Kalkulation müssen jedoch etwaige Steuern entsprechend berücksichtigtwerden. Die Grenze für die Elektrizitätsabgabe für Eigenstromverbrauch wurde jedoch 2014 auf25 kWp bzw. 25000 kWh/a erhöht.

Zur Erhöhung des Eigenverbrauchs bieten sich verschiedene Maßnahmen an. Die einfachste Varianteist eine Verringerung der installierten PV-Leistung. Dadurch wird weniger Energie erzeugt, von wel-cher ein größerer Anteil selbst verbraucht werden kann. Die Wirtschaftlichkeit ist jedoch nicht ingleichem Maße gegeben, da kleine Anlagen verhältnismäßig teurer sind.

Durch eine Ost-West-Ausrichtung der PV-Anlage wird ein gleichmäßigeres Erzeugungsprofil erreicht.Bedarfsspitzen in der Früh beziehungsweise am Abend können dadurch besser abgedeckt werden.Eine entsprechende Möglichkeit zur Ausrichtung der Montagefläche ist jedoch notwendig.

Sofern möglich, stellt die Optimierung des Nutzerverhaltens eine wirkungsvolle Variante zur Erhö-hung des Eigenverbrauchs dar. Verschiebbare Lasten, oftmals werden hier Waschmaschine und Ge-schirrspüler genannt, ermöglichen einen gesteigerten Verbrauch in Zeiten hoher Einstrahlung. DerNutzer muss hierfür jedoch gewisse Abstriche in Kauf nehmen bzw. seine Lebensgewohnheiten ver-ändern, wozu aufgrund der geringen Energiepreise und der begrenzten Einsparungsmöglichkeitennur wenig Anreiz besteht. Energiemanagementsysteme geben anhand von Erzeugung und VerbrauchHandlungsempfehlungen oder übernehmen diese Aufgaben bereits automatisiert durch gesteuerteSteckdosen oder die direkte Kommunikation mit dem betroffenen Gerät.

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Energiespeicher

Eine umfassende Möglichkeit zur Eigenverbrauchserhöhung stellt die Nutzung von Speichern dar, dadiese Erzeugung und Verbrauch zeitlich voneinander entkoppeln. Hierbei können sowohl Wärme- alsauch elektrochemische Systeme eingesetzt werden.

Wasserboiler werden seit Langem als Energiespeicher eingesetzt. In Zusammenhang mit Photovoltaikkönnen sie zur Verwendung von Überschussenergie genutzt werden. Kann erzeugter Strom nicht imHaushalt genutzt werden, wird mittels elektrischem Heizstab der Puffer aufgeladen. VerschiedensteGeräte ermöglichen hier einen automatisierten Betrieb mit Überschussenergie. Teilweise werdenauch bereits PV-Anlagen installiert, die nur zur Erwärmung von Wasser eingesetzt werden und überkeinen Netzanschluss verfügen. Durch die stark gefallenen Systempreise stellt diese Variante eineKonkurrenz gegenüber der „klassischen“ Solarthermie dar.

Die Speicherung von elektrischer Energie ist durch den Einsatz von Batteriespeichern möglich, auf-grund der hohen Akkukosten jedoch meist noch nicht wirtschaftlich. Lediglich in manchen Spezialfäl-len können Amortisationszeiten im Bereich der Nutzungsdauer erzielt werden. Im Jahr 2014 habensich jedoch Förderungen für Heimspeicher in einzelnen Bundesländern etabliert, welche die Installa-tion von Batterien unterstützen. Obwohl auch damit kaum ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist, istdie Kundennachfrage verhältnismäßig hoch. So waren beispielsweise beide Fördertranchen inOberösterreich binnen weniger Tage vergriffen.

Für Heimsysteme werden üblicherweise Blei- oder Lithiumsysteme eingesetzt, wobei üblicherweisenur Letztere gefördert werden. Blei-Akkumulatoren zeichnen sich durch einen verhältnismäßig nied-rigen Preis und sehr umfassende Erfahrungswerte aus, da dieser Batterietyp bereits seit Jahrzehntenzur Energiespeicherung in photovoltaisch versorgten Inselnetzen eingesetzt wird. Dagegen sind Lithi-um-Akkumulatoren eine relativ neue Entwicklung, welche vor allem durch eine lange Lebensdauer(manche Hersteller garantieren bis zu 20 Jahre) überzeugen. Dafür sind die Investitionskosten ver-hältnismäßig hoch.

Lithium-Speicher werden auch in Großspeicheranlagen für PV- oder Windkraftwerke sowie zur Netz-stabilisierung eingesetzt. Günstigere Alternativen sind dafür Natrium-Schwefel (NAS) oder Redox-Flow Batterien.

Neben der Weiterentwicklung der Batterietechnologien müssen vor allem Regelstrategien, welchesowohl Vorteile für den Eigenverbrauch aber auch für die Netzbelastung liefern, entwickelt werden.Vor allem die Standardisierung von Kommunikationstechnologien zum vernetzten Betrieb unter-schiedlicher Geräte ist notwendig. Intelligente Algorithmen, welche eine Vielzahl von Einflussfakto-ren auswerten, können eine weitere Steigerung der Eigenverbrauchsquote ermöglichen. Vor allemder Einfluss des Wetters spielt hierbei eine enorme Rolle, weshalb im Bereich von WetterprognosenEntwicklungspotential gegeben ist.

Die bisher erhältlichen Lösungen zur Eigenverbrauchserhöhung bieten aktuell noch erhebliches Op-timierungspotential, wodurch sich auch für kleine und mittlere Unternehmen vielversprechendeEntwicklungsmöglichkeiten auftun.

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3.6. Hybridsysteme

Im Projekt Cool PV haben sich die ACR-Forschungsinstitute GET und ASiC sowie die Forschung Bur-genland und die Gesellschaft für Solarenergie und Design (SOLID) zu einem schlagkräftigen Konsorti-um zusammengeschlossen. In dieser einzigartigen Konstellation wird ein wesentlicher Beitrag zurVerbesserung der Kombination von Solarenergie und Wärmepumpensystemen erarbeitet.

Problemstellung

Die Leistungsfähigkeit von PV-Elementen ist stark von der Modultemperatur abhängig. Als Faustregelgilt: eine Temperaturerhöhung von 10 °C vermindert die Leistungsfähigkeit des PV-Moduls um bis zu5 Prozent. Abhilfe schaffen sogenannte PV-Hybridmodule. Dabei werden die PV-Module auf einemAbsorber platziert, der Wärme über ein Flüssigkeitskühlsystem abführen kann (siehe Abbildung 13).

Abbildung 13: PV-Hybridmodul von Volther pv-t hybrid collectors (Quelle: Volther Hybridkollektoren: Effizienz im Dop-pelpack, Produktinformation Solimpeks Solar GmbH)

Diese Hybridkollektoren sind dazu geeignet, durch aktive Kühlung die Temperatur des PV-Moduls zuverringern und damit den elektrischen Stromertrag zu erhöhen. Dazu muss allerdings eine Wärme-senke zur Verfügung stehen, die in Zeiten von hoher solarer Einstrahlung dauerhaft Wärme auf nied-rigem Temperaturniveau aufnehmen kann.

Erdreichkollektoren für Wärmepumpen sind Wärmesenken, die diese Kriterien erfüllen. Diese arbei-ten üblicherweise auf einem Temperaturniveau von etwa -5 °C bis 10 °C und stellen die meistgenutz-te Wärmequelle für Heizungswärmepumpen in Einfamilienhäusern dar. Das Temperaturniveau desErdreichs ist am Ende der Heizperiode am geringsten, die Regeneration erfolgt üblicherweise zumGroßteil durch Sickerwasser.

Durch eine Kombination von PV-Hybridkollektoren und Wärmepumpenanlagen mit Erdreichkollektorkann die Effizienz beider Systeme erhöht werden:

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- Die PV-Hybridkollektoren können bei hoher Sonneneinstrahlung durch Wärmeabfuhr gekühltwerden, wodurch ihre Effizienz und damit der Energieertrag steigt.

- Die Einspeicherung von Wärme in den Erdreichkollektor unterstützt dessen Regenerationund erhöht dadurch das Verdampfungstemperaturniveau für die Wärmepumpe und damitauch ihre Leistungszahl.

Abbildung 14: Energieflüsse im Sommer- und Winterbetrieb der Systemkombination

Im Projekt Cool PV werden die wissenschaftlichen Grundlagen zur Quantifizierung dieser Effekte er-arbeitet. Das Ziel ist die Erstellung eines Software-Tools, mit dessen Hilfe es möglich ist, eine fundier-te Abschätzung der Auswirkungen auf den Energieertrag des PV-Hybridkollektorfeldes sowie dieenergetische Verbesserung des Wärmepumpensystems zu treffen.

Die Innovation in diesem Projekt ist die wissenschaftliche Analyse der naturwissenschaftlichenWechselwirkungen der Systeme untereinander und mit ihrer Umgebung. Mit Hilfe der im Projekterstellten Simulationswerkzeuge ist es möglich, die gegenseitige Beeinflussung der Systeme besser zuverstehen, als dies nur durch Monitoring möglich ist. Dadurch wird die Grundlage für eine gesamt-heitliche Optimierung geschaffen.

KoordinationGerald Steinmaurer, ASiC

AutorInnenGabriele Eder, OFIHilbert Focke, ASiCKlaus Jörg, OFIKatharina Kreuter, GETKlaus Paar, GETWilfrid Pichler, HFAPhilipp Rechberger, ASiCAngelika Rubick, HFAThomas Schiffert, KOVGerald Steinmaurer, ASiCBernhard Zettl, ASiC

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4. Literatur1 Siehe beispielsweise www.fnr.de, www.energiepflanzen.at2 www.bioup.at3 Im Rahmen des FFG-geförderten Projekts (BioUpgrade – Substitution fossiler Brennstoffe mit veredelter Biomasse)4 Artikel 15 der RICHTLINIE 2008/50/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 21. Mai 2008 über Luftqua-lität und saubere Luft für Europa5 W. Streicher, et.al., Energieautarkie für Österreich 2050, Feasibility Study (2011)6 Wissenschaftlichen Beirats [fehlt da was?] der deutschen Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU), 20037 Internationale Energieagentur IEA, Programme „Solar Heating and Cooling“: „Solar Heating Worldwide.“ Edition 20138 SHC-Task 42 der IEA, siehe http://task42.iea-shc.org/9 http://deinbauguide.de, abgerufen am 31.10.201310 Peter Biermayr, Manuela Eberl,Monika Enigl,Hubert Fechner, Christa Kristöfel,Kurt Leonhartsberger,Florian Maringer,Stefan Moidl, Christoph Strasser, Werner Weiss, Manfred Wörgette 2013. Innovative Energitechnologien in ÖsterreichMarktentwicklung 2013. Berichte aus Energie und Umweltforschung 26/2014. Erhältlich unter:http://www.nachhaltigwirtschaften.at/e2050/e2050_pdf/201426_marktentwicklung_2013.pdf [].11 Photovoltaik Austria Federal Association (Hrsg): Fact Sheet – PV Branche Österreich. Die österreichische PhotovoltaikBranche in Zahlen. November 2014. Erhältlich unter: http://www.pvaustria.at/wp-content/uploads/2013/07/2014-06-12-Fact-sheet-PV-Branche2.pdf.12 Internationale Energieagentur IEA „Potential for Building Integrated Photovoltaics IEA-T7-2002“13 Gebäudeintegrierte Photovoltaik Teil 1: „Technologiestatus, Erfahrungen, Best Practice-Beispiele und Visionen der BIPVTechnologie“, Studie im Auftrag des Österreichischen Klima- und Energiefonds Oktober 2009; H. Fechner, E. Sehnal, R.Haas, A. López-Polo und D. Kletzan-Slamanig14 Gebäudeintegrierte Photovoltaik Teil 2: „Perspektiven, Potenziale und volkswirtschaftliche Betrachtung der BIPV-Technologie“, Studie im Auftrag des Österreichischen Klima- und Energiefonds Oktober 2009; H. Fechner, E. Sehnal, R. Haas,A. López-Polo und D. Kletzan-Slamanig15 RICHTLINIE 2010/31/EU DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES, vom 19. Mai 2010, über die Gesamtenergie-effizienz von Gebäude; http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:153:0013:0035:DE:PDF16 http://www.renewable-energy-concepts.com/german/sonnenenergie/solaranlage-solartechnik/solarmodule-aufbau.html, zuletzt abgerufen am 27.10.201317 IEC 61215, „Crystalline silicone terrestrial photovoltaic modules – design qualification and type approval“; 2005-0418 IEC 61646, „Terrestrische Dünnschicht-Photovoltaik(PV)-Module“, Bauarteignung und Bauartzulassung; 2009-0319 ÖVE/ÖNORM EN61730-1 und 2, „Photovoltaik Module – Sicherheitsqualifikation; Teil1: Anforderungen an den Aufbau;Teil 2: Anforderungen an die Prüfung“, 2007-1220 R. Ebner, S. Zamini, G. Újvári, A. Allmer: Photovoltaics World Conference 2011, Tampa, USA; 2011; in: „2011 ConferenceProceedings“, PennWell, (2011)21 FFG-Forschungsprojekt: „Photovoltaic Performance Analysis Method based on infrared Teechnology“, 2013-2015; AIT,OFI, Infratec, Encome22 RSA-Projekt „InSolTec – Inspection Tools for Solar Technology“, 2011-2014, www.asic.at23 Projekte „PVplus” und „PV-SFD“; www.asic.at24 http://www.pv-tech.org/news/burgeoning_pv_monitoring_market_outstripped_pv_instals_in_2013_gtm, 12.11.201425 http://www.greentechmedia.com/content/images/reports/PV_Monitoring_2014_graphic2.png, 12.11.201426 Bundesgesetzblatt, 285. Verordnung: Änderung der Ökostrom-Einspeisetarifverordnung 2012 (ÖSET-VO 2012), ausgege-ben am 11.11.2014