Zeitschrift EE

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2006-04: Solarwärme boomt

Forschung und Entwicklung

Der wachsende Markt für solarthermische Anlagen ermöglicht den Einsatz von Polymermaterialien, die durch kostengünstige Massenproduktion ein großes Einsparungspotenzial aufweisen. Sie sind aber nur einsetzbar, wenn ihre Gebrauchsdauer vergleichbar mit der konventioneller Produkte ist.

Polymere Materialien für solarthermische Systeme

Von Michael Köhl*

Die Solartechnik weist Wachstumszahlen auf, die für die meisten Unternehmer traumhaft sind. Alle Szenarien gehen davon aus, dass dieses Wachstum zunehmen muss, um unsere Energieversorgung zu sichern und gleichzeitig die sich bereits manifestierenden Klimaveränderungen im Zaum zu halten oder rückgängig zu machen.
Die Verknappung wichtiger Rohstoffe wie Silizium bei der Photovoltaik, oder beim Kupfer für die Solarabsorber verursacht eine Kostenentwicklung, welche die Nachfrage hemmen oder die Suche nach alternativen Werkstoffen beschleunigen kann. Die gewachsene Produktion ermöglicht den Einsatz von Materialien und Fertigungsverfahren, die bei geringeren Stückzahlen nicht wirtschaftlich sind.
Die solarthermische Energiewandlung hat diesen Punkt erreicht. Das Solar Heating and Cooling Programme (www.iea-shc.org) der Internationalen Energieagentur (www.iea.org) hat deshalb die Forschungsaktivität Task 39 initiiert, die zum Ziel hat, die Wirtschaftlichkeit der Verwendung von Polymermaterialien in Sonnenkollektoren und Wärmespeichern zu untersuchen. Dabei soll nicht nur die Eignung neuer Werkstoffe und Produktionsverfahren untersucht werden, sondern auch das Potenzial der Anpassung der solarthermischen Systeme an die polymeren Materialien ausgelotet werden.
Eine schnelle Umsetzung der Erkenntnisse in die Praxis soll durch engen Kontakt mit der Industrie und die kontinuierliche Mitarbeit von Firmen in dieser Gruppe erreicht werden. Folgende Schwerpunktthemen werden in der Task bearbeitet.

Information

Subtask A wird von Michaela Meir von der Universität Oslo geleitet. Der Informationsaustausch mit Polymerfirmen und Solarfirmen steht im Mittelpunkt. Zum einen sollen aussichtsreiche, stabile und gut verarbeitbare Polymermaterialien identifiziert werden. Zum andern sollen in geeigneten Simulationsprogrammen konventionelle Solaranlagen so modifiziert werden, dass sie für die Verwendung von Polymerkomponenten tauglicher werden und sich dann deren Vorteile gut darstellen lassen. Außerdem sollen relevante Prüfnormen und Bauvorschriften gesammelt werden, die sich als Steine auf dem Weg zu Plastik-Solaranlagen und deren Gebäudeintegration erweisen könnten. Die Verbreitung der Arbeitsergebnisse ist eine wichtige Aufgabe dieser Subtask.

Abbildung 1: Kupfer- und Aluminiumpreisentwicklung der letzten Jahre(Quelle: http://www.econbrowser.com/)

Abbildung 2: Entwurf einer 2-Komponenten-Kunststoffwanne, der den konventionellen Kollektor-Rahmen, die transparente Abdeckung, die Wärmedämmung und die Rückwand integrieren kann(Quelle: Kompetenzzentrum Solartechnik der Fachhochschule Ingolstadt)

Abbildung 3: Entwurf einer tiefgezogenen Kunststoffwanne als Ersatz für die heutigen Kollektor-Rahmen oder Aluminium-Wannen (Quelle: Kompetenzzentrum Solartechnik der Fachhochschule Ingolstadt)

Kollektoren

Subtask B wird von Wilfried Zörner von der Fachhochschule Ingolstadt geleitet.
Bereits bekannte Beispiele von Kunststoff-Kollektoren dienen als Ausgangspunkt für eine polymergerechte Weiterentwicklung solar-thermischer Kollektoren. Um das gesamte Potenzial der polymeren Werkstoffe ausnutzen zu können, muss der Kollektor dabei als Ganzes betrachtet werden: Polymere Verglasung, Kunststoffgehäuse, Wärmedämmung und Absorber müssen aufeinander abgestimmt werden, um die fertigungstechnischen Vorteile beispielsweise einer Koextrusion, oder eines integrierten Spritzgiessens ausschöpfen zu können.
Ein Schwerpunkt ist der Absorber. Die ungünstigen thermodynamischen Eigenschaften von Kunststoffen müssen durch konstruktive Maßnahmen ausgeglichen werden. Die wenig günstigen mechanisch-thermischen Eigenschaften der kostengünstigen (Massen-)Kunststoffe erfordern eine intensive Betrachtung der Stillstandsproblematik sowie Überlegungen zu alternativen (Niedertemperatur-)Solarsystemen.

Materialien

Subtask C wird von Gernot Wallner von der Montan-Universität Leoben geleitet. Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung von Strukturmaterialien für Kollektoren und Wärmespeicher. Die Verarbeitungsmöglichkeiten und deren Kosten/Nutzen-Relation stehen im Mittelpunkt. Beständigkeit, Abbaumechanismen und Gebrauchsdauer werden untersucht und optimiert. Ein weiterer Schwerpunkt sind funktionale Beschichtungen. Thermotrope Schichten ändern ihre solare Transmission bei einer bestimmten Umwandlungstemperatur. Sie werden milchig trüb und streuen die Solarstrahlung zum Teil zurück, wenn die Temperatur zu hoch wird, und können auf diese Weise die Stillstandstemperaturen vermindern. Selektive Lacke können die Effizienz der Absorber erhöhen und PVD-Beschichtungen von metallisierten Polymerfolien können die Effizienz noch weiter steigern.

*) Dipl.-Phys. Michael Köhl ist Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. [^]

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