Solarthermie-Kollektor liefert bis zu 150 Grad – und soll Erdgas in der Industrie ersetzen

Industrie braucht Wärme – und zwar gewaltige Mengen davon. Milch wird pasteurisiert, Lebensmittel werden gekocht, Stoffe gefärbt, Chemikalien destilliert. Für viele dieser Prozesse reichen Temperaturen von bis zu etwa 150 Grad Celsius. Trotzdem stammt die Wärme dafür häufig noch aus verbranntem Erdgas. Während Solaranlagen längst Strom liefern, bleibt dieser Teil der Energieversorgung vieler Fabriken fossil.

Luca Thommen von der ETH Zürich will das ändern. Sein Solarthermie-Kollektor soll Sonnenwärme für die Industrie direkt nutzbar machen: Spiegelnde Flächen bündeln das Sonnenlicht, eine Absorberplatte nimmt die Energie auf und erhitzt Luft oder Wasser. Der erste Prototyp auf einem ETH-Dach erreichte bereits die vorgesehenen Temperaturen. Neu ist dabei weniger das Prinzip als der Aufbau. Thommen versucht, den Kollektor mit möglichst wenig Metall und viel günstigem Dämmmaterial so preiswert zu bauen, dass sich die Technik für Unternehmen rechnen könnte.

Sonnenwärme liefert direkt Prozesswärme für die Industrie

Photovoltaik und Solarthermie nutzen dieselbe Energiequelle, funktionieren aber unterschiedlich. Solarzellen erzeugen elektrischen Strom. Thommens Kollektor gewinnt dagegen direkt Wärme. Reflektierende Elemente lenken Sonnenstrahlen auf eine Absorberplatte. Diese erwärmt anschließend Luft oder Wasser. Dämmmaterial rund um die Konstruktion soll verhindern, dass zu viel Energie verloren geht. Die erzeugte Wärme kann danach unmittelbar in einem Produktionsprozess genutzt werden.

Dafür kommen zahlreiche Anwendungen infrage. In der Lebensmittelindustrie werden Milchprodukte pasteurisiert und sterilisiert. Auch Kochen und Reinigen brauchen Wärme. Chemie- und Pharmaunternehmen benötigen sie unter anderem bei Destillationsverfahren. Viele dieser Prozesse laufen bei Temperaturen von bis zu etwa 150 Grad Celsius. Für diesen Bereich sind erneuerbare Wärmelösungen bislang häufig zu teuer. Deshalb greifen Unternehmen weiterhin oft auf fossile Energieträger zurück.

ETH-Forscher Luca Thommen steht vor dem von ihm entwickelten Solarthermie-Kollektor „SolarHeat“ für industrielle Prozesswärme. — © Michel Büchel / ETH Zürich ETH-Forscher Luca Thommen hat den Solarthermie-Kollektor „SolarHeat“ entwickelt. Die Technik soll Sonnenwärme für die Industrie nutzbar machen und bei geeigneten Prozessen Erdgas ersetzen. © Michel Büchel / ETH Zürich

Weniger Metall soll den Solarthermie-Kollektor deutlich günstiger machen

Solarthermie für industrielle Anwendungen ist keine neue Erfindung. Thommen versucht vielmehr, bestehende Technik wirtschaftlicher zu machen. „Die von mir weiterentwickelte Technologie gibt es grundsätzlich bereits“, sagt er. „Aber sie ist wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig.“ Der Maschinenbauingenieur reduziert deshalb die Zahl der Bauteile und setzt auf günstige Materialien.

Ein großer Teil seines Kollektors besteht aus Dämmstoff. Das Material ist leicht, verfügbar und vergleichsweise preiswert. Metall kommt nur dort zum Einsatz, wo es technisch erforderlich ist. Dadurch sollen die Herstellungskosten sinken, ohne die Leistung zu verschlechtern. „Mein Ziel ist es, die gleiche Leistung zu erreichen, aber deutlich günstiger zu sein als bisher entwickelte Kollektoren“, erklärt Thommen. Wie viel günstiger SolarHeat tatsächlich werden könnte, geht aus den Angaben der ETH bislang nicht hervor.

Schematische Darstellung des SolarHeat-Kollektors mit industrieller Anwendung links und mehrschichtigem Aufbau rechts. — © Luca Thommen / ETH Zürich Die Grafik zeigt, wie der SolarHeat-Kollektor Sonnenwärme für die Industrie nutzbar machen soll. Links ist der industrielle Einsatz dargestellt, rechts der mehrschichtige Aufbau des Kollektors. © Luca Thommen / ETH Zürich

Erster Prototyp erreicht bereits die geplanten Temperaturen

Ein erster praktischer Test verlief nach Angaben der ETH erfolgreich. Der Prototyp wurde auf einem Universitätsgebäude installiert und erreichte dort die vorgesehenen Temperaturen. „Das war ein Schlüsselmoment“, sagt Thommen. „Da wurde klar, dass die Idee funktioniert.“ Damit ist jedoch zunächst die technische Machbarkeit des Prototyps belegt. Daten zum Wirkungsgrad, zu den Kosten pro erzeugter Kilowattstunde oder zum Langzeitbetrieb nennt der Erfinder noch nicht.

Der nächste Schritt führt deshalb weg vom Universitätsdach und näher an den industriellen Alltag. Über ein Pioneer Fellowship erhält Thommen Unterstützung für die Weiterentwicklung. Innerhalb eines Jahres möchte er ein marktfähiges Produkt entwickeln und anschließend in einer Pilotanlage testen. Parallel führt er Gespräche mit potenziellen Kunden und Investoren. Dabei geht es auch darum, Anforderungen aus realen Produktionsanlagen früh in die Entwicklung einzubeziehen.

SolarHeat-Kollektor im Aufbau mit Dämmstoffelement und reflektierender Oberfläche zur Nutzung von Sonnenwärme in der Industrie. — © Michel Büchel / ETH Zürich Der SolarHeat-Kollektor wird aus einem vorbereiteten Dämmstoffelement aufgebaut, auf dem eine reflektierende Oberfläche befestigt wird. Der einfache Materialaufbau soll Sonnenwärme für die Industrie günstiger nutzbar machen. © Michel Büchel / ETH Zürich

Climeworks benötigt Wärme von rund 100 Grad

Ein möglicher Einsatzbereich zeichnet sich bereits ab. Thommen hat unter anderem mit dem Schweizer Unternehmen Climeworks gesprochen. Das ETH-Spin-off betreibt Anlagen, die CO₂ aus der Umgebungsluft entfernen. Für bestimmte Absorptions- und Desorptionsprozesse benötigt das Unternehmen Wärme von rund 100 Grad Celsius. Diesen Temperaturbereich könnte SolarHeat grundsätzlich bereitstellen.

Eine konkrete Zusammenarbeit oder Pilotanlage mit Climeworks nennt die ETH allerdings nicht. Auch bei anderen Betrieben hängt ein möglicher Einsatz davon ab, ob der Kollektor unter realen Bedingungen zuverlässig genug arbeitet. Neben der erreichbaren Temperatur zählen Kosten, verfügbare Fläche und die schwankende Sonneneinstrahlung. Gerade für Unternehmen entscheidet am Ende die Wirtschaftlichkeit darüber, ob bestehende Heizsysteme ersetzt oder ergänzt werden.

Der Preis entscheidet, ob sich der Solarthermie-Kollektor in der Industrie durchsetzt

Für Thommen muss der nächste Entwicklungsschritt zeigen, ob der Solarthermie-Kollektor nicht nur technisch funktioniert, sondern sich auch für Unternehmen rechnet. Seine Konstruktion soll mit möglichst wenig teuren Materialien auskommen und trotzdem genug Wärme für industrielle Prozesse liefern. Gelingt das auch außerhalb des bisherigen Testaufbaus, könnte SolarHeat fossile Prozesswärme in geeigneten Anwendungen ersetzen und Unternehmen zugleich unabhängiger von schwankenden Brennstoffpreisen machen.

Ob aus dem Projekt ein eigenes ETH-Spin-off entsteht, ist noch offen. Zunächst muss sich der Kollektor in einer Pilotanlage bewähren. Thommen selbst formuliert die nächste Hürde nüchtern: „Am Anfang steht die Technik“, sagt er. „Aber am Ende entscheidet der Markt.“

Kurz zusammengefasst:

Der ETH-Forscher Luca Thommen entwickelt einen Solarthermie-Kollektor, der Sonnenwärme direkt als Prozesswärme für die Industrie nutzbar machen soll.
Der Prototyp erreicht Temperaturen von bis zu etwa 150 Grad Celsius und eignet sich damit grundsätzlich für Anwendungen in der Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaindustrie.
Der vereinfachte Aufbau mit wenig Metall und viel Dämmmaterial soll die Technik günstiger machen, damit sie künftig fossile Wärmequellen wie Erdgas ersetzen kann.

Übrigens: Nicht nur bei Energie, auch bei Kleidung könnten ungewöhnliche Materialien fossile Rohstoffe ersetzen – Forscher haben aus lebenden Pilzfäden sogar einen reparierbaren Stoff entwickelt. Im Boden zerfällt das Material binnen 41 Tagen nahezu vollständig. Mehr dazu in unserem Artikel.