Zeitschrift EE

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2011-01: Polymaterialien

Solarthermie

Der wachsende Markt für solarthermische Anlagen ermöglicht den Einsatz von Polymermaterialien, die durch kostengünstige Massenproduktion ein großes Kosten-Einspar-Potential aufweisen. Sie sind allerdings nur einsetzbar, wenn ihre Gebrauchsdauer vergleichbar mit denjenigen konventionellen Produkten ist.

Polymere Materialien für Solarthermische Systeme

Von Michael Köhl und Michaela Meir *

Zu diesem komplexen Themenbereich wurde bereits 2006 die Task 39 des Solar Heating and Cooling Programme der Internationalen Energieagentur konzipiert. Zwischenzeitlich hat die Finanzkrise zu einer Verzögerung des Wachstums der Nutzung der Solarthermie und der relevanten Rohmaterialpreise geführt. Mittlerweile gibt es jedoch wieder positive Signale von den Solarthermieproduzenten und der Rohstoffbedarf hat zu steigenden Preisen geführt. Ein starkes Echo dieser Signale war in Österreich zu vernehmen (siehe den Beitrag über SolPol). Dies und verstärkte Aktivitäten in anderen Ländern führten zu einer Verlängerung der Task 39 um weitere vier Jahre bis September 2014. Die Struktur bleibt weitgehend erhalten:

Information

Hier steht der Informationsaustausch mit Polymerfirmen und Solarfirmen 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 der Task 39 ist natürlich auch eine wichtige Aufgabe dieser Subtask. Hierfür dient vor allem der halbjährlich herausgegebene Newsletter, der auf der Web-Seite der Task zu finden ist (www.iea-shc.org/task39/newsletters). Außerdem wurde großer Wert darauf gelegt, für die Weiterverbreitung der Solarthermie eine Sammlung guter Anlagenbeispiele aufzubauen (http://www.iea-shc.org/task39/projects/default.aspx). Die bisher aufgearbeiteten praktischen Erfahrungen sowohl von Seiten der Solarthermie als auch der geeigneten Polymertechnik werden 2011 als Buch erscheinen. Subtask A wird geleitet von Michaela Meir, Universität Oslo.

Abbildung 1: Mit Hilfe deines Gesamtkostenverfahrens soll die Wahl von Plymermaterialien beim Produktdesign im Rahmen von Subtask A analysiert werden. (Quelle: B. Carlsson, Linnaeus University)

Abbildung 2: Der neuartige Pufferspeicher FLEXSAVE VARIO aus PP-H in modularer, kubischer Bauweise der Firma FSAVE Solartechnik, ausgezeichnet mit dem INTERSOLAR AWARD 2010 in der Kategorie „Solarthermie“. Quelle: FSAVE

Kollektoren

Da es bereits verschiedene Beispiele von Kunststoff-Kollektoren beziehungsweise Komponenten gibt, sollen diese als Ausgangspunkt für eine polymergerechte Weiterentwicklung solar-thermischer Kollektoren dienen. 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.
Es werden Empfehlungen für die Gestaltung von Flachkollektoren, Speicherkollektoren und unverglasten Kollektoren ausgearbeitet.
Ein Schwerpunkt ist jedoch der Absorber als Herzstück eines Kollektors. Die ungünstigen thermodynamischen Eigenschaften von Kunststoffen müssen durch konstruktive Maßnahmen ausgeglichen werden. Die wenig günstigen mechanisch-thermischen Eigenschaften der kostengünstigen (Massen-)Kunststoffe erfordern zudem eine intensive Betrachtung der Stillstandsproblematik sowie Überlegungen zu alternativen (Niedertemperatur-)Solarsystemen. Subtask B wird geleitet von Philipp Papillon, INES, Frankreich.

Bei der Vermarktung von größeren solarthermischen Kombianlagen (>20 m2) sind derzeit verfügbaren Speichertechnologien Grenzen gesetzt. Der neuartige Pufferspeicher aus PP-H, der durch einfache Einbaumöglichkeiten und niedrige Herstellungskosten die Marktentwicklung großer thermischer Solaranlagen deutlich verbessern kann und seit 2009 durch die Firma FSAVE Solartechnik GmbH vermarktet wird [Wilhelms, 2009], hat den Innovationspreis der Intersolar 2010 erhalten.

Abbildung 3: Konzeptstudien zu Polymerkollektoren wurden im Rahmen der Task 39 durchgeführt, z. B. am INES im Rahmen einer Diplomarbeit [Dumas, 2009]

Abbildung 4: Schmutzabweisende Schichten Quelle: National Institute of Chemistry, Slovenia

Materialien

Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung von Strukturmaterialien für Kollektoren und Wärmespeicher. Dabei stehen vor allem die Verarbeitungsmöglichkeiten und deren Kosten/Nutzen-Relation im Mittelpunkt. Außerdem werden Beständigkeit, Abbaumechanismen und Gebrauchsdauer untersucht und gegebenenfalls optimiert.
Ein weiterer Schwerpunkt sind funktionale Beschichtungen. Thermotrope Schichten zur Temperaturbegrenzung vermindern ihre solare Transmission bei einer bestimmten Umwandlungstemperatur. Sie werden dann milchig trüb und streuen die Solarstrahlung zum Teil zurück. Selektive Lacke können die Effizienz der Absorber erhöhen und PVD-Beschichtungen von metallisierten Polymerfolien können die Effizienz noch weiter steigern. Ferner werden schmutzabweisende Schichten gegen die Verminderung der Transmission von Kollektorverglasung entwickelt. Subtask C wird geleitet von Gernot Wallner, Johannes Kepler Universität, Linz.

Abbildung 5: Thermotrope Schicht im ungeschalteten (links) und geschalteten Zustand (rechts) Quelle: P olymerCompetenceCenter Leoben

Literatur:

  • Wilhelms, C., Vajen, K., Zass, K., Heinze, R., Jordan, U. (2009). Pufferspeicher in Modulbauweise mit bis zu 50 m³ Speichervolumen,19th Symposium Thermische Solarenergie, Staffelstein, Germany, 6-8.5.2009.
  • Dumas J. (2009). Étude de conception d’un capteur solaire thermique en matériaux polymères. Diplomarbeit, Université de Technologie de Compiègne, Frankreich, Februar 2009 (in Zusammenarbeit mit CEA-INES).

*) Dipl. Phys. Michael Köhl ist Mitarbeiter des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, Email: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. und Operating Agent von Task 39
Dr.
Michaela Meir, Universität Oslo, leitet Subtask A in Task 39. Email: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. [^]

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