Wärmeträgerflüssigkeiten müssen hohen Anforderungen standhalten

TYFO Produkte
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30.07.2018

Wie gut eine Solarthermie-Anlage arbeitet, hängt zum einen von der Wärmeleitfähigkeit des Absorbermaterials ab und zum anderen von der Wärmekapazität der Wärmeträgerflüssigkeit. Gebraucht wird deshalb eine Wärmeträgerflüssigkeit, die u. a. eine hohe Wärmekapazität hat, im Winter nicht einfriert, die Leitungen vor Korrosion schützt und sich mit sämtlichen Metall- und Dichtungsmaterialien verträgt.

Wolfgang Böhmer

Von der Idee her ist Solarthermie keine „große Sache“: Sonnenstrahlen treffen auf einen Absorber, eine wärmeleitende, gut absorbierende Fläche, an der flüssigkeitsführende Rohre aus Kupfer oder Aluminium befestigt sind. Die kühlere Flüssigkeit nimmt die Wärme auf und leitet sie weiter. Soweit alles sehr unkompliziert – sollte man meinen. Ist es aber nicht. Denn wie gut eine Anlage arbeitet, hängt zum einen von der Wärmeleitfähigkeit des Absorbermaterials ab und zum anderen von der Wärmekapazität der Wärmeträgerflüssigkeit.

Reines Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit würde zu Korrosion in der Anlage führen. Außerdem würde es im Winter frieren, sich ausdehnen und die Leitung zerstören. Das Gleiche kann passieren, wenn die Solaranlage im Sommer von der Sonne zwar beschienen, die Wärme aber nicht abgeleitet wird, weil die Heizung im Sommer nicht arbeitet oder die Warmwassertanks voll und „auf Temperatur“ sind. In diesen Fällen heizt sich die Anlage auf: Flachkollektoren auf bis zu 200°C, bei Vakuumröhrenkollektoren können es sogar 300°C werden.

Vielfältige Eigenschaften gewünscht

Gebraucht wird deshalb eine Wärmeträgerflüssigkeit, die eine hohe Wärmekapazität hat, im Winter nicht einfriert, die Leitungen vor Korrosion schützt, sich mit sämtlichen Metall- und Dichtungsmaterialien verträgt, unentzündbar und ungiftig ist. Zudem muss die Flüssigkeit noch alterungsbeständig sein. Denn wenn handelsübliche Fluids altern, entstehen in Abbaureaktion fast immer korrosive Komponenten – und die bekommen keiner Solaranlage.

Thermische Solaranlagen stellen hohe Anforderungen an die Eigenschaften der Wärmeträgerflüssigkeit: Sowohl in kalten Winternächten als auch in der heißen Mittagssonne im Hochsommer muss die Solaranlage störungsfrei laufen – und das über Jahre. Wärmeträgerflüssigkeiten müssen auch bei – 30°C noch flüssig sowie pumpbar bleiben und dürfen sich auch bei nahezu 200°C nicht zersetzen. Solarflüssigkeiten müssen aufgrund der Möglichkeit einer havariebedingten Kontamination des Brauchwassers gesundheitlich unbedenklich sein, sie sind deshalb auf Basis des ungiftigen 1,2-Propylenglykols formuliert.

Wärmeträgerflüssigkeiten für geothermische Anlagen haben hingegen ein leichteres Leben. Hier kommt es besonders darauf an, die Wärmeübertragung aus dem Erdreich in die Wärmepumpe auch bei Temperaturen unter 0°C sicherzustellen und dabei alle Anlagenteile zuverlässig vor Korrosion zu schützen. Für Trinkwasserschutzgebiete und Areale mit besonderen behördlichen Auflagen sind glykolfreie Wärmeträger auf dem Markt.

Unterschieden wird zwischen Kältemittel, Kühlsole, Kälteträger und Wärmeträger. Als Kältemittel werden Produkte bezeichnet, die durch den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig der Umgebung Wärmeenergie entziehen und sich dadurch abkühlen. Sie erzeugen somit Kälte. Kältemittel sind z.B. Ammoniak, Kohlendioxid, Wasser, Kohlenwasserstoffe sowie z.B. fluorierte und chlorierte Kohlenwasserstoffe – die FCKW. Kühlsole ist ein anderer, etwas veralteter Begriff für Kälteträger. Traditionelle Sole ist eine wässrige Natriumchloridlösung. Somit sind Kühlsolen im klassischen Sinne wässrige Salzlösungen. Aufgrund ihrer Fähigkeit weit unter den Gefrierpunkt des Wassers abgekühlt werden zu können, verwendet man sie zur Kühlung von Anlagen.

Fehler beim Befüllen

Beim Befüllen von Anlagen mit Kälte- bzw. Wärmeträgerflüssigkeiten kommt es häufig zu Fehlern. Typische Fehler sind hier die Verwendung des falschen Produkts, der falschen Konzentration und die Mischung unterschiedlicher Produkte. Medien mit unterschiedlichen Basisflüssigkeiten, z.B. Ethylenglykol und Propylenglykol, dürfen nicht miteinander gemischt werden. Die Gründe sind weder physikalischer noch chemischer Natur, sondern vielmehr besteht dadurch keine Möglichkeit mehr, auf einfachem Wege Rückschlüsse auf Frostschutz bzw. Abkühlungsgrenzen zu ziehen. Auch verschiedene Korrosionsinhibitoren oder -stabilisatoren, die nicht miteinander korrespondieren, dürfen nicht gemischt werden, da dies zu Korrosion führen kann. Unterschiedliche Korrosionsinhibitoren können sich in ihrer Wirkung nicht ergänzen, da sie auf verschiedenen Technologien beruhen.

Korrosion verhindern

Korrosionsinhibitoren sind Additive, die die Korrosion von Materialien verhindern oder verlangsamen. Sie sind in geringer Konzentration in Wärmeträgerflüssigkeiten enthalten und sorgen dafür, dass Materialien wie Metalle und polymere Werkstoffe nicht der Korrosion oder Alterung unterliegen. Entsprechend den zu schützenden Metallen und Werkstoffen müssen spezifische Pakete an Korrosionsinhibitoren eingesetzt werden.

Korrosionsinhibitoren wirken i.d.R. im leicht alkalischen Bereich (pH 8) am besten. Der thermische Abbau von Wärmeträgermedien ist oft dadurch gekennzeichnet, dass saure Komponenten entstehen. Und diese sauren Komponenten würden bewirken, dass sich der pH-Wert ins Neutrale oder leicht Saure verschiebt, was wiederum die Wirksamkeit der Korrosionsinhibitoren drastisch reduzieren würde. Deswegen werden den Wärmeträgermedien Puffer zugesetzt. Sie sind in der Lage, eine gewisse Menge an sauren Komponenten aufzunehmen, ohne dass sich der pH-Wert merklich ändert.

Bei einer Unterinhibierung enthält die Wärmeträgerflüssigkeit zu wenig Korrosionsinhibitoren. Das Verhältnis der Konzentration an Korrosionsinhibitoren zum Korrosionsschutz verläuft nicht linear. Eine zu geringe Menge an Inhibitoren bewirkt eine Reduktion des Korrosionsschutzes. Aber auch eine zu große Menge kann zu einer höheren Korrosivität führen. Ein Medium mit einer sehr kleinen Menge an zugesetzten Korrosionsinhibitoren kann einen geringeren Korrosionsschutz aufweisen als ohne Inhibitoren.

Minderwertige Kälte-/Wärmeträger sind an zu niedrigen Konzentrationen von Korrosionsinhibitoren oder -stabilisatoren zu erkennen. Schlechte Produkte sind nahezu nicht inhibiert. Im Labor lassen sich diese Mängel leicht identifizieren.

www.tyfo.de

Nachgefragt

bei Dr. Marco Bergemann, Leiter Marketing und Vertrieb bei der Tyforop Chemie GmbH aus Hamburg.
 

Wozu dienen die unterschiedlichen Einfärbungen der Produkte?

M.Bergemann: Die Farbe ist ein Kennzeichnungsmerkmal. Sie dient dem Anwender als Unterscheidungsmerkmal, um Produkte unterschiedlicher Farben nicht zu mischen.

 

Wann verwendet man Konzentrat, wann eine Fertigmischung?

M.Bergemann: Konzentrate werden grundsätzlich nicht angewendet. Sie werden ausschließlich aus logistischen Gründen bestellt, sprich: Die Kunden sparen Fracht- und Lagerkosten. Sie haben dann aber auch einen höheren Aufwand und tragen die Verantwortung für die Herstellung der richtigen Konzentration. Für wen das keine Option ist, der ordert Fertigmischungen.

Was passiert, wenn man das vorgeschriebene Mischungsverhältnis von Wasser zum Konzentrat nicht einhält?

M. Bergemann: Überschreitet man die empfohlene Konzentration, führt das zum Rückgang des Frostpunktes, die Wärmeleitung verschlechtert sich, die Viskosität steigt und die Wärmekapazität der Flüssigkeit sinkt. Wird die Mindestkonzentration unterschritten, schlägt sich das in zu niedrigen Frost- und Korrosionsschutz nieder. Außerdem besteht die Möglichkeit des Befalls mit Bakterien.

Wann muss eine Kälte- bzw. Wärmeträgerflüssigkeit ausgetauscht werden?

M. Bergemann: Die Wärmeträgerflüssigkeit sollte ausgetauscht werden, wenn ihr pH-Wert niedriger als 7 ist. Das ist ein Indiz dafür, dass die Reservealkalität aufgebraucht ist und die Korrosionsinhibitoren abgebaut sind. Sollte sich der Frostpunkt verschoben haben oder die Flüssigkeit visuelle Schäden aufweisen, z. B. Verfärbungen oder Eintrübungen, sollte sie ebenfalls gewechselt werden.