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Projekt «Sun-E»: E-Bikes können unabhängig von der öffentlichen Stromversorgung an einer modularen Solar-Säule geladen werden. (Bild: SPF)

Dieses bereits realisierte Projekt in Liberia zeigt die Verbindung aus Solarenergie und sauberem Wasser auf. (Bild: SPF)

Der 20. SPF Industrietag 2021 fand online statt.

Modulare Solareinheiten: Die Wärmegestehungskosten konnten bis nahe oder sogar unter die Gestehungskosten von fossilen Brennstoffen minimiert werden. (Bild: SPF)

Vision: 100 % Solarer Deckungsgrad. In einem Aluminiumspeicher (so gross wie eine Waschmaschine) wird durch eine chemische Reaktion Aluminium in Aluminiumhydroxid verwandelt. Dabei entstehen Wärme und Strom. (Bild: SPF)

Legionellen vermehren sich zwischen 25 °C und 45 °C (Optimum um 37 °C) und bei einem neutralen oder leicht sauren pH-Wert. (Bild: SPF)

Das Sachbuch «Globi und die Energie» für Kinder ist als komplett überarbeitete 3. Auflage erschienen.

SPF-Industrietag 2021: Solartechnik für die Energiewende

Der 20. SPF-Industrietag fand am 22. Juni 2021 statt. Nicht wie gewohnt als Präsenzveranstaltung, sondern online. In zehn verschiedenen Videovorträgen wurde die grosse Vielfalt der aktuellen Themen im SPF vorgestellt. Zusätzlich gab es die Möglichkeit, in einen Live-Chat mit den Vortragenden einzusteigen.

Das SPF feiert heuer sein 40-jähriges Bestehen. 1981 wurde das Institut für Solartechnik, heute eines von 33 Instituten der Ostschweizer Fachhochschule (OST), von Ueli Frei gegründet. Die OST vereint seit dem 1. September 2020 die drei bewährten Hochschulen FHS St. Gallen, HSR Rapperswil und NTB Buchs mit rund 4000 Studierenden und 1700 Mitarbeitenden und hat einen 4-fachen Leistungsauftrag: Lehre, Forschung, Weiterbildung und Dienstleistung. Forschungsleiter des SPF Michel Haller gab eine Übersicht über die Kern-Kompetenzen des SPF. Anfänglich ging es hauptsächlich um Solarwärme, doch heute gibt es eine Vielfalt von Schwerpunkten. Seit Mitte letzten Jahres gibt es beispielsweise ein neues Team für «Thermische Systeme und Modellierung». Ausgebaut wurde auch im Bereich der Entwicklungszusammenarbeit.

Das SPF ist eng verzahnt mit dem Studiengang "Erneuerbare Energie und Umwelttechnik" an der OST. Zum einen sind Forschende des SPF auch als Dozierende in diesem Studiengang tätig, zum anderen werden am SPF auch viele Studienarbeiten durchgeführt. So entsteht eine praxisnahe Ausbildung mit sehr innovativen Aufgabenstellungen.
Weitere Informationen zum Studiengang finden Sie unter: www.ost.ch > Bachelor Erneuerbare Energien und Umwelttechnik.

In der Einleitung zum SPF-Industrietag wurden einige Beispiele für die Zusammenarbeit zwischen Industriepartnern und Studierenden vorgestellt, So auch ein Projekt in Kamerun mit Salzbatterien in PV-Inselanlagen oder das Projekt «Sun-E» zum autarken Laden von E-Bikes. Diese können an einer modularen Solar-Säule, unabhängig von der öffentlichen Stromversorgung, geladen werden. Seit 2019 wird an der Weiterentwicklung und einer Nullserie von drei Ladestationen gearbeitet. Diese sollen in der Praxis über einen längeren Zeitraum genutzt werden, um die Alltagstauglichkeit zu verifizieren (siehe Bild, sowie unter spf.ch/index.php?id=19114).
Es folgt ein kurzer Einblick in die am SPF-Industrietag 2021 vorgestellte Themenvielfalt.

SPF im Austausch auf Augenhöhe mit dem Globalen Süden
Rias Stalder und Christof Biba skizzierten anhand von Beispielen das Engagement des SPF in der Entwicklungszusammenarbeit – vor allem mit Afrika. Ein besonderer thematischer Schwerpunkt ist die autarke Energieversorgung. Als eine erfolgversprechende Strategie wurde eine Art «Schwarmlösung» genannt, bei der im Kleinen gestartet werden und dann immer mehr vernetzt werden kann. Beim Thema Stromversorgung stehen vor allem die Kosteneffizienz und die Robustheit der Systeme im Fokus. Weitere wichtige Themen sind Wasseraufbereitung bzw. -desinfizierung wie auch der Aufbau von Prüflaboren und die Zusammenarbeit in der Ausbildung. Das SPF ist schon sehr lange in diesem Bereich aktiv und mittlerweile gibt es eine kontinuierliche Zusammenarbeit. Sehr wichtig sind bei derartigen Projekten ein klares Projektmanagement, eine offene Kommunikation und das Stecken von realistischen Zielen.
Beispiel im Bereich Entwicklungszusammenarbeit: Ein bereits realisiertes Projekt in Liberia zeigt die Verbindung von Solarenergie und sauberem Wasser. Dabei waren Rias Stalder vom SPF/UMTEC und aus Liberia Laryee Alieu Sannor von der Hochschule Monrovia beteiligt (siehe Bild, sowie unter spf.ch/index.php?id=19734).

Modulare Solareinheiten für die Industrie
Hybride Energiesysteme mit Solarthermie als Schlüsselkomponente bieten für die Bereitstellung von Prozesswärme wirtschaftlich attraktive Lösungen und Chancen für neue Geschäftsmodelle. Warum aber modulare Solareinheiten? IKEA macht es vor: Modularität ist wichtig, um die Komplexität zu reduzieren. David Theiler und Mercedes Rittmann zeigten, wie durch das Projekt «BillySolar» der kostenintensive Planungsaufwand reduziert werden kann. Dafür ist es wichtig, die Anforderungen der Verbraucherseite gut zu kennen. Es wurden grosse Datenmengen von 13 unterschiedlichen Firmen untersucht und mithilfe des Programms «Polysun» wurden Simulationen und Parameterstudien durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination von einem 100 m2 Kollektor und einem 10 m3 Speicher – also das Verhältnis 10:1 – am optimalsten ist. Die Wärmegestehungskosten werden so bis nahe oder sogar unter die Gestehungskosten von fossilen Brennstoffen minimiert. Die grössten Kostentreiber sind hohe Prozesstemperaturen und zu kleine Solarfelder. Um die Kosten weiter zu senken, wurden auch Kombinationen mit anderen Technologien getestet: Die Kombination mit einer Wärmepumpe kann bei richtiger Anwendung und geeigneten Rahmenbedingungen sinnvoll sein, um die Kollektortemperatur zu reduzieren. Dies ermöglicht die Nutzung günstigerer Kollektortechnologien. Richtig implementiert kann eine Wärmepumpe den Solarertrag um rund 10 % erhöhen und die Wärmekosten reduzieren. Die Grafik zeigt, dass für die wirtschaftliche Attraktivität der Solarwärme die Verknüpfung mit anderen Wärmequellen vorteilhaft ist.

PV-Integration in Altbaudächer
Christ-Andri Hassler, Geschäftsführer von Hassler Energia und Projektpartner des SPF, stellte ein neuartiges Indach-Montagesystem vor, welches insbesondere für Altbaudächer entwickelt wurde und direkt auf die vorhandene, häufig unebene Ziegel-Lattung montiert werden kann. Die Besonderheiten des Systems sowie Erkenntnisse aus den durchgeführten Wind-, Regen- und Schneetests wurden erläutert.

Batteriesysteme auf dem Prüfstand  
Mit einem 3-Tage-Testzyklus können die Effizienz, der Autarkiegrad und weitere Kennzahlen von Batteriesystemen ermittelt werden. Dabei geht es vor allem um Home Batterie versus zentrale Speicher. Das Testverfahren sowie die Ergebnisse von vier geprüften Systemen zur Eigenverbrauchssteigerung und zur Reduzierung der Netzeinspeiseleistung wurden von Evelyn Bamberger vorgestellt.

Alu statt Heizöl
Aluminium hat einen schlechten Ruf, weil die Herstellung so energieaufwendig ist. Für die saisonale Speicherung von erneuerbaren Energien eignet sich aber Aluminium als chemischer Speicher. Die Vorteile von Aluminium sind eine Energiespeicherdichte (8.7 kWh/kg), die vergleichbar ist mit Erdöl, eine hohe Verfügbarkeit und die problemlose und verlustfreie Lagerung. Michel Haller zeigte in seinem Vortrag erste Schritte hin zur Produktion von Wärme und Strom im Winter auf der Basis von Aluminium. Voraussetzung ist der Einsatz von ausschliesslich erneuerbarem Strom (PV, Wind, Wasser) bei der Herstellung des Aluminiums, siehe Bild: Die Vision: 100 % Solarer Deckungsgrad. In einem Aluminiumspeicher (von der Grösse einer Waschmaschine) wird durch eine chemische Reaktion Aluminium in Aluminiumhydroxid verwandelt. Dabei entstehen Wärme (3/4) und Strom (1/4). Ein Energieversorger wandelt das «Abfallprodukt» Aluminiumhydroxid mit erneuerbarer Energie wieder in Aluminium um. Den dafür nötigen Strom liefern hier Photovoltaikanlagen.
Es gibt einen bestehenden Labor-Prototypen, der 200 Watt Wärme und 200 Watt in Form von Wasserstoff produzieren kann. In einem nächsten Projekt soll die Leistung auf ca. 4 kW erhöht werden. Pro Wohneinheit braucht es ca. 300 – 500 kg Aluminium als Speichermedium (< 0.5 m3) um die erneuerbare Energie im Winter «abrufen» zu können.
In etwa drei bis vier Jahren könnte es erste Anlagen im Feld geben, meinte Michel Haller.

Legionellen: oft helfen einfache Massnahmen
Legionellen sind Umweltkeime und können fast in allen natürlichen wässrigen oder feuchten Milieus gefunden werden, meist allerdings in geringen Mengen. Hingegen finden sie in von Menschen geschaffenen Wassersystemen sehr günstige Bedingungen für ihre Vermehrung (künstliche Brutstätten). Die Konzentration der Legionellen im Wasser hängt vor allem von der Temperatur, vom pH-Wert, vom Vorhandensein anderer Mikroorganismen und von weiteren, noch weniger bekannten Faktoren ab. Legionellen vermehren sich zwischen 25 °C und 45 °C (Optimum um 37 °C) und bei einem neutralen oder leicht sauren pH-Wert.
Im Raum Rapperswil-Jona wurde eine Feldstudie zu Legionellen in 110 Trinkwasseranlagen durchgeführt (vorgestellt in HK-GT 1/2021, S. 56-63). Bei 18 Anlagen wurden Werte über dem Höchstwert von 1000 KBE/L an einer der getesteten Zapfstelle gefunden. In einer Nachuntersuchung ein Jahr später konnten erfolgreiche Massnahmen identifiziert und Fehler behoben werden. Schlussendlich wurde der Grenzwert bei keiner der Anlagen mehr überschritten. Einfache wirkungsvolle Massnahmen betreffen vor allem die Überprüfung der Temperaturen im Speicher oder in warm gehaltenen Verteilleitungen. Dabei sollten die in der SIA 385/1 vorgeschriebenen Temperaturen von 55 resp. 52 °C eingehalten werden (siehe Bild). Eine fehlerhafte Kombination der WW-Zirkulation mit Kaltwasser-Beimischung (vgl. suissetec-Merkblatt «Kombination von zentralem Verbrühungsschutz mit Warmwasserzirkulation»), Zapfstellen welche nie ≥ 50 °C gespült werden oder zu kleine Wärmespeicher bergen ein grosses Risiko für das Auftreten von hohen Legionellenkonzentrationen an den Duschen.

Solare Eisspeichersysteme in Mehrfamilienhäusern
Maike Schubert erläuterte anhand der Ergebnisse einer Simulationsstudie die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Systemeffizienz von Solar-Eis-Systemen. Bei diesen sei für alle Regionen der Schweiz eine Jahresarbeitszahl JAZ von 4 erreichbar. Die Daten zur Validierung stammen aus Pilotprojekten. Es wurde ein lineares Regressionsmodell zur raschen Grobauslegung vorgestellt. So lassen sich zukünftig Solar-Eis-Systeme in Machbarkeitsstudien schnell und einfach berücksichtigen. Bezüglich Kosten liegen diese derzeit leicht über Erdwärmesonden ohne Regeneration.

Kostensenkung von Solar-Eis-Heizungen durch Unterkühlung
Daniel Philippen stellte die Entwicklung eines Wärmetauschers vor, mit dem die Latentwärme von Wasser in Solar-Eis-Heizungen mittels Wasserunterkühlung genutzt werden kann. Der Wärmetauscher soll als Verdampfer in Wärmepumpen eingesetzt werden und ermöglicht eine relevante Reduktion der Systemkosten dieser Heizungsarten.  

Speicherschichtung
Robert Haberl stellte die Untersuchung von thermischen Speichern mit Bogenrohren mit und ohne Lochblech sowie mit Sprührohren in verschiedenen Konfigurationen vor. Dazu erfolgte zunächst eine optische Visualisierung der real auftretenden Strömungen und Geschwindigkeitsfelder mittels PIV (Particle Image Velocimetry) und darauf aufbauend eine Simulation von weiteren Varianten in CFD (Computational Fluid Dynamics). Zum Einsatz von Bogenrohren können Empfehlungen aus den Resultaten abgeleitet werden. Der Einsatz von einfachen horizontalen Sprührohren zeigte keine guten Resultate.

Globi und die Energie
Das Thema Energie und der Zusammenhang mit dem Klimawandel beschäftigt nicht nur Wissenschaftler und Politiker. Im Sachbuch «Globi und die Energie» für Kinder ab 8 Jahren (komplett überarbeitete 3. Auflage, siehe Bild) unternimmt Globi eine Reise, bei der viele Expertinnen und Experten die komplexen Zusammenhänge erklären. Atlant Bieri, Autor des Sachbuchs tourt mit Globi durch die Schweiz. Bei der «Globi Energieshow» wird Primarschulklassen gezeigt, warum eine Rakete in die Luft fliegt und wie sich Sonnenlicht in Strom umwandeln lässt. Weitere Informationen unter atlantbieri.ch.  

Ausblick
Letztes Jahr wurde der SPF-Industrietag abgesagt, heuer fand er online statt. Das soll aber eine Ausnahme sein. Alle sind sich einig: nichts ersetzt den direkten Kontakt und das gemeinsame Diskutieren über neue Ideen. Andreas Häberle, Institutsleiter des SPF, ist zuversichtlich, dass die nächste Veranstaltung wieder physisch durchgeführt werden kann: Am 28. Oktober lädt das SPF zum traditionellen Symposium "Solarenergie und Wärmepumpen" ein, welches diesmal unter dem Motto "Sektorkopplung" steht.

spf.ch