Solare Wärme für industrielle Trocknungs- und Heizprozesse

Entwicklung eines solarthermischen Luftkollektors aus Kunststoff zur Bereitstellung von geregelter Wärme für die industrielle Trocknung

Im Rahmen des Forschungsprojekts SolIntro wurde ein hoch effizientes Trocknungssystem entwickelt, das auf einem neuartigen Solarluftkollektor aus Kunststoff basiert, der die Nutzung von solar erwärmter Luft für industrielle Prozesse möglich macht. Dabei sind hohe Wirkungsgrade, eine beträchtliche Energieausbeute und gleichzeitig geringe Anschaffungs- und Betriebskosten entscheidend. Das neu entwickelte solare Trocknungssystem wurde in Form eines Demonstrators bei der äußerst sensiblen Hopfentrocknung erprobt.

Trocknungsprozesse von landwirtschaftlichen oder industriellen Produkten erfordern sehr große Warmluftmengen, die nur durch ein großflächiges Solarkollektorfeld zu erbringen sind. Marktübliche Kollektoren aus Metall sind zu schwer, um sie in großer Anzahl auf Industriedächern oder landwirtschaftlichen Gebäuden installieren zu können.

Daher wurde ein Solarluftkollektor entwickelt werden, dessen Komponenten aus leichtem Kunststoff bestehen. Hierzu war es notwendig bestehende Kunststoffe und Verarbeitungstechnologien weiterzuentwickeln. Da Kunststoff im Vergleich zu Metall über eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit verfügt, wurde zudem ein Absorber mit dreidimensionaler Strukturierung entwickelt, der einen höchst effizienten Wärmeübergang gewährleistet. Zusätzlich  wurde ein exakt steuerbares Luftführungssystems konzipiert, um den neuen Kollektor auch in bestehende Trocknungsanlagen eingliedern zu können. 

Absaugsystem der Solar-Kollektoren

Das SolIntro-System wurde in eine kombinierte Trocknungsanlage für Mais, Hopfen, Gerste und Hackschnitzeln integriert und auf einem Scheunendach installiert. Mit einem 81m² großen Kollektorfeld hat die mit solarer Luft betriebene Demonstratoranlage bereits an Herbsttagen zu einer erheblichen Kapazitätssteigerung von 12t mehr Trocknungsgut pro Tag beigetragen. Aus den Ergebnissen der ersten Betriebsmonate lässt sich eine Einsparung von insgesamt 81 MWh Energie und ca. 21,1 t CO2 p.a. ermitteln.

Die Produktentwicklung wurde komplett mittels der virtuellen Methoden des fluiosience-Teams realisiert. Allein auf Basis von Strömungsanalysen wurde das optimale Design für einen Solarluftkollektor entwickelt, der im Vergleich zu den herkömmlichen Kollektoren größtenteils aus Kunststoff besteht und hierdurch neue physikalische Gegebenheiten zu berücksichtigen waren. Außerdem wurde der Zusammenschluss mehrerer Einzelkollektoren in ein geschlossenes Großsystem sowie das Anschlusskonzept an die Trocknungsanlage untersucht und so optimiert, dass eine größtmögliche Wärmeausbeute bei geringster Betriebsenergie möglich wurde. 

Ohne auch nur ein Gebrauchsmuster zu fertigen konnten Konzeptideen überprüft und alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt werden.

‍Strukturierung der Absorberschicht für optimale Strömungsleitung 

Erst als das virtuelle Gesamtkonzept optimiert war und durch dessen Berechnung die erforderliche Leistung nachgewiesen werden konnte, wurden die realen Kollektoren mit den entsprechenden Anlagenkomponenten gefertigt und in ein bestehendes Trocknungssystem integriert. Den Projektpartnern steht nun eine leistungsstarke, funktionstüchtige Referenzanlage zur Trocknung von Mais, Hopfen und Hackschnitzel zur Verfügung, die die Vermarktung des neuartigen Solarkollektorensystems unterstützt (POLYSOLAIR®).

Virtuelles Engineering hat im Forschungsprojekt Solintro wertvolle Entwicklungsressourcen frei gesetzt und arbeitsaufwändige Mess- und Testprozesse verkürzt. Dadurch wurden die Projektziele auf direktem Weg erreicht und der geplante Zeit- und Kostenrahmen exakt eingehalten. Der Projektträger DLR, der das Projekt mit BMBF-Mitteln unterstützt hat, ist sehr zufrieden und nutzt das Projekt als Referenz- und Musterprojekt. Ein Folgeforschungsprojekt ist bereits in Arbeit und überzeugt durch den berechenbaren Innovations-Kick „virtuelle Entwicklung“ die Projektpartner und die Geldgeber

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Forschungspartner:

Söhner Kunststofftechnik GmbH

nordluft Wärme- und Lüftungstechnik GmbH & Co. KG

Fraunhofer-Institut ICT

Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft LfL Pflanzenbau