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2013-01: Kunststoff-Kollektoren

Solarthermische Systeme aus Polymerwerkstoffen:
Das Großforschungsvorhaben SolPol

Abbildung 1:
JKU Polymer Technology Center (Johannes Kepler Universität Linz)

Das Ende 2009 gestartete Großforschungsvorhaben SolPol-1/2 ist eine Forschungsinitiative des Instituts für Polymerwerkstoffe und Prüfung der Johannes Kepler Universität Linz und wird vom Klima- und Energiefonds (KLI.EN) gefördert und von der FFG im Rahmen des Programms "Neue Energien 2020" administriert. Hauptzielsetzung von SolPol-1/2 ist die Entwicklung neuartiger, gepumpter thermischer Kollektoren in Kunststoffbauweise, die auf optimierten Polymerwerkstoffen und kunststoffgerechten Fertigungstechnologien basieren [1][2].

Von Reinhold W. Lang, Gernot M. Wallner und Jörg Fischer

Das Forschungsvorhaben zeichnet sich durch längerfristige Kooperation von Akteuren aus Wissenschaft und Wirtschaft entlang der gesamten Wertschöpfungskette aus (Tabelle 1). Thermische Kollektoren und Kollektorsysteme werden derzeit in aufwändigen und kostenintensiven Fertigungsprozessen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien mit einem vergleichsweise geringen Kunststoffanteil gefertigt. Abgesehen von der begrenzten künftigen Verfügbarkeit bestimmter Rohstoffressourcen wie beispielsweise Kupfer für Absorber, liegt in der Verwendung eines zunehmenden Anteils von Polymerwerkstoffen in solarthermischen Systemen auch ein hohes Potential für innovative Weiterentwicklungen in Bezug auf Funktionsfähigkeit und attraktiveres Design mit gleichzeitigen Folgewirkungen auf die Wirtschaftlichkeit (Kostenreduktion) und die Marktdurchdringung. Eindrucksvolle Belege für diese Annahme liefern Entwicklungen in zahlreichen anderen Sektoren, wie beispielsweise Automobil-, Elektro- und Elektronik-, Bau- und Verpackungsindustrie.

Tabelle 1: Daten und Fakten zum Forschungsvorhaben SolPol-1/2 Klick mich!

Zielsetzungen

Basierend auf den vorhandenen, bisher aber kaum in Wechselbeziehung stehenden wissenschaftlichen und industriellen Kompetenzen in den Bereichen Solarthermie und Polymertechnologien, ist die übergeordnete Zielsetzung von SolPol-1/2, durch Identifizierung und Lösung der grundsätzlichen wissenschaftlich-technischen aber auch ökonomischen und kostenrelevanten Problemstellungen, einen wesentlichen Beitrag zur Erschließung des Solartechnologiemarktes für die Kunststoffindustrie zu leisten und die Position österreichischer Solar- und Kunststoffunternehmen im internationalen Wettbewerb zu stärken und auszubauen. Gleichzeitig soll damit auch ein wesentlicher Beitrag zur Verbreitung erneuerbarer Energietechnologien und zur Reduktion von Treibhausgasemissionen geleistet werden.

Das Forschungsprogramm

Zur Erreichung obiger Gesamtzielsetzung wurde das Forschungsvorhaben in zwei sich ergänzende kooperative Projekte unterteilt, dem Grundlagenforschungsprojekt SolPol-1 und dem Industriellen Forschungsprojekt SolPol-2. Die Hauptziele des Grundlagenforschungsprojektes SolPol-1 liegen in der Schaffung der wissenschaftlichen und methodischen Voraussetzungen für die Entwicklung neuartiger thermischer Kollektorsysteme in Kunststoffbauweise sowie in der Abschätzung der ökologischen und ökonomischen Folgewirkungen bei entsprechender Marktdurchdringung. Die Industrielle Forschung zur Entwicklung von neuartigen Polymerwerkstoffen sowie daraus herzustellender Modell-Kollektoren und -Komponenten ist Gegenstand des Projektes SolPol-2.

Das Forschungsprogramm besteht aus insgesamt neun Arbeitspaketen, die entlang der Wertschöpfungskette wie in Abb. 2 gezeigt positioniert sind. Im Grundlagenforschungsprojekt SolPol-1 werden in drei Arbeitspaketen (Work Packages, WP) folgende Themen behandelt:

1. Leistungsanforderungen an Polymerwerkstoffe in solarthermischen Kollektoren (Performance Requirements).
2. Entwicklung zeitraffender Prüf- und Charakterisierungsmethoden für Polymerwerkstoffe für solarthermische Komponenten in Kontakt mit Wasser/Glykol und Luft (Test Methods).
3. Ökonomische und ökologische Perspektiven für thermische Kollektorsysteme aus Kunststoff (N/G Perspectives).

Das Industrielle Forschungsprojekt SolPol-2 besteht aus den insgesamt folgenden sechs Arbeitspaketen (AP):

1. Eigentemperatursicherer (überhitzungsgeschützter) solarthermischer Kollektor mit hohem Polyolefinanteil (OHC Collector).
2. Solarthermische Kollektoren ohne Überhitzungsschutz in Kunststoff- und Hybridbauweise (Hybrid Collector).
3. Konzeptstudien zu Folienmembran-Kollektoren (Large-Area Film Collector).
4. Entwicklung von langzeitbeständigen, funktionalen Polyolefinen mit spektral-selektiven Eigenschaften (Functional Compounds).
5. Entwicklung von Polyolefin-Compounds für langzeitbeständige Wasser-Wärmespeicher adaptierbarer Kapazität (Durable Compounds).
6. Neuartige Designkonzepte für Vollkunststoff-Kollektorsysteme (ID Collector Concepts).

Abbildung 2: Das Forschungsprogramm von SolPol-1/2 mit Positionierung der insgesamt 9 Arbeitspakete entlang der Wertschöpfungskette. Klick mich!

Bisher erzielte Zwischenergebnisse

In der vorliegenden Ausgabe der Zeitschrift erneuerbare energie werden erstmals wesentliche Ergebnisse des Forschungsvorhabens SolPol-1/2 in zusammenhängender Form veröffentlicht. Während in diesem Artikel beispielhaft lediglich einige Schlüsselergebnisse aus der Perspektive der Gesamtzielsetzungen von SolPol-1/2 hervorgehoben werden, beschäftigen sich die nachfolgenden drei Beiträge dieses Heftes [3-5] mit weiteren Detailaspekten aus ausgewählten Arbeitspakten.

Eine wesentliche Voraussetzung zum Einsatz von Polymerwerkstoffen in solarthermischen Kollektoren ist die genaue Kenntnis der Leistungsanforderungen sowohl auf der Komponenten- als auch der Werkstoff-Ebene. Zur Berücksichtigung weltweit unterschiedlicher klimatischer Bedingungen wurden in WP-01 von SolPol-1 zunächst in einem ersten Schritt fünf Referenzstandorte, repräsentativ für unterschiedliche Klimazonen (kontinental, mediterran, heiß-trocken, heiß-feucht, gemäßigt), ausgewählt. Basierend auf Meteonorm-Daten wurden dann die für die Referenzstandorte relevanten klimatischen Kenndaten, die für Kunststoffe bezüglich Eigenschaftsanforderungen und Alterungsverhalten von besonderer Bedeutung sind (Lufttemperaturen, relative Luftfeuchte, globale Einstrahlung), in ihrer Jahresverteilung bzw. aggregiert (als Häufigkeitsverteilung und/oder kumuliert) erfasst (s. Beispiel in Abb. 3). In weiterer Folge wurden dann jeweils für die fünf Klimazonen marktkonforme, solarthermische Referenzsysteme definiert, um daraus durch Modellierung und Simulation anhand vorgegebener Kunststoff-Kollektorkennlinien die tatsächlich auftretenden Komponenten- und Werkstoff-Belastungsprofile abzuleiten. Die dabei erzielten Ergebnisse bilden entweder die Vorgaben für die gezielte Werkstoffvorauswahl aus Materialdatenbanken oder für weitere werkstoffliche Entwicklungen in den Arbeitspaketen AP-04 und AP-05 von SolPol-2.

Abbildung 3: Klima-Kenndaten (Lufttemperaturen, relative Luftfeuchte, globale Einstrahlung), die für die Eigenschaften von Kunststoffen von Bedeutung sind (Referenzstandorte: Graz/AT – kontinental; Athen/GR – mediterran; Pretoria/ZA – heiß-trocken; Fortaleza/BR – heiß-feucht; Peking/CN – gemäßigt); Quelle: AEE INTEC Klick mich!

Beispielhaft angeführt sind nachfolgend die Eigenschaftsanforderungen für einen Absorber-Kunststoff eines Niederdruck-Drainback-Systems im kontinentalen Klima (Referenzstandort Graz) für eine Einsatzdauer von 20 Jahren:

• solare Absorption: 93-95%
• höchste Temperaturbeanspruchung (thermische Stabilität): 160°C
• niedrigste Temperaturbeanspruchung: -30°C
• thermische Langzeit-Stabilität in Wasser/Glykol: >9000h/95°C
• thermische Stabilität in Luft/Wasserdampf:
  • 3500 h bei 100 - 125°C
  • >4500 h bei 125 - 150°C
  • >1000 h bei 150 - 175°C

Über diese Simulationsberechnungen steht dem SolPol-Konsortium die wohl umfassendste Datenbank zu weltweiten Anforderungsprofilen für Kunststoff-Kollektoren sowohl auf der Komponenten/Bauteil-Ebene als auch auf der Werkstoff-Ebene zur Verfügung. Weitergehende Details dazu sind im nachfolgenden Artikel von Kaiser et al. [3] beschrieben.

Da für Polymerwerkstoffe aufgrund des neuartigen Einsatzes in solarthermischen Komponenten, insbesondere als Absorberwerkstoff, entsprechende Langzeiterfahrungen im Hinblick auf überlagerte Einflüsse der für einen bestimmten Absorbertyp charakteristischen mechanischen, thermischen und umgebungsbedingten (Luft, Wasser, Wasser/Glykol, Wasserdampf) Beanspruchungen auf die Eigenschaften und das Alterungsverhalten der Polymerwerkstoffe fehlen, beschäftigt sich das Arbeitspaket WP-02 von SolPol-1 eben mit dieser Thematik. Einer der nachfolgenden Artikel von Wallner et al. [4] vermittelt einen Überblick über die im Rahmen des Forschungsvorhabens eingesetzten aber auch neu entwickelten, zeitraffenden Prüf- und Charakterisierungsmethoden. Damit steht dem SolPol-Konsortium, aber auch der Solarthermie-Community generell (z.B. über IEA Task 39, einem Projekt der Internationalen Energieagentur, das sich ebenfalls mit dem Thema Kunststoffkollektoren beschäftigt, Anm. d. Red.), künftig ein Portfolio von leistungsstarken und aussagekräftigen, beschleunigten Methoden für Kunststoffe zur Verfügung, das sich sowohl für weitere Werkstoffentwicklungen (“screening/ranking“ von Werkstoffen), aber auch für die Werkstoff-Zulassung und die Qualitätssicherung in der Serienfertigung eignet.

Abbildung 4: Die Performance-Preis-Pyramide für amorphe und teilkristalline Kunststoffe mit Kennzeichnung der Schwellen für Werkstoffpreise und max. Temperatur-Einsatzgrenzen. Klick mich!

Die Ergebnisse der systembezogenen, werkstofflichen und ökonomischen Untersuchungen im Zusammenhang mit den Arbeitspaketen WP-01 bis WP-03 von SolPol-1 lassen sich kurz wie folgt zusammenfassen (s. Abb. 4). Für kosten- und leistungsoptimierte, überhitzungsgeschützte Kollektoren, wie z.B. dem eigentemperatursicheren Kollektortyp im Arbeitspaket AP-01 von SolPol-2, sind im Vergleich zu derzeit kommerziell verfügbaren Polyolefinen thermoplastisch (weiter)-verarbeitbare PE- und PP-Typen mit einer um etwa 10-15 K höheren thermischen Dauerstabilität unter Medieneinwirkung (95°C, Wasser bzw. Wasser/Glykol) wünschenswert. Entsprechende Werkstoffentwicklungen, über die an anderer Stelle berichtet wird, sind Gegenstand der Arbeitspakete AP-04 und AP-05 von SolPol-2 (s. dazu auch Wallner et al. [4] in diesem Heft). Andererseits gilt für potentielle Absorber-Kunststoffe eines Niederdruck-Drainback-Systems im kontinentalen Klima mit Stagnationstemperaturen bis zu 160 °C (z.B. PPS mit Verweis auf obiges Beispiel zu Eigenschaftsanforderungen), dass die für diese Leistungsklasse typischen Werkstoffpreise von 10 Euro/kg und mehr zumindest zu halbieren sind. Gleichzeitig ist eine adäquate und qualitativ hochwertige Verarbeitbarkeit zu großflächigen Halbzeugen/Produkten zu gewährleisten. Derartige Problemstellungen sind u.a. Gegenstand von AP-02 in SolPol-2.

Schließlich sei als letztes Beispiel eines wichtigen Ergebnisses der bisherigen Arbeiten noch auf die erfolgreiche Konzeption, Modellierung und Simulation, sowie die Fertigung und Vermessung eines eigentemperatursicheren Modell-Kollektors in Kunststoff-Bauweise mit inhärentem Überhitzungsschutz (stromlos geschaltete Rückkühlfunktion ab max. 95 °C) hingewiesen. Abbildung 5 zeigt das Funktionsprinzip für einen derartigen Kollektortyp, den vom Unternehmenspartner Greiner gefertigten Kollektor am Prüfstand der AEE INTEC in Gleisdorf und die Messergebnisse an einem einstrahlungsintensiven Tag im Sommer 2012. Letztere zeigen deutlich, dass über diese Bauweise ein quasi punktgenaues, unverzögertes Umschalten auf Zwangsumlauf mit Rückkühlung bei einer vorgegebenen Temperatur (hier 90 °C) möglich ist. Die angesprochenen Forschungsarbeiten sind Gegenstand des Arbeitspaketes AP-1 von SolPol-2 und werden im Beitrag von Thür et al. [5], ebenfalls in diesem Heft, weitergehend behandelt.

Abbildung 5: Funktionsprinzip eines Kollektors mit Rückkühlfunktion (oben links) und Messergebnisse für den Stagnationsfall bei hoher Einstrahlung (oben rechts); Quelle: AEE-INTEC Klick mich!

Abbildung 6: Überhitzungsgeschützter Kunststoff- Kollektor am Prüfstand; Quelle: AEE-INTEC Klick mich!

Schlussfolgerung und Ausblick

Die hier skizzierten bisherigen Ergebnisse des Großforschungsvorhabens SolPol-1/2 sind wichtige Meilensteine für die Etablierung und Marktdurchdringung von künftigen, durchgängig optimierten solarthermischen Systemen in Kunststoffbauweise. Wesentliche Merkmale derartiger Systeme sind eine hohe Funktionsfähigkeit bei gleichzeitiger Einfachheit, Robustheit und Qualität, attraktives und möglichst multifunktionales Design sowie insbesondere auch deutlich reduzierte Gesamtsystemkosten. Als Mindestzielsetzung für die Gesamtsystemkostenreduzierung ist bei den für Mitteleuropa typischen gepumpten Systemen eine Halbierung anzusetzen. Berücksichtigt man, dass derzeit die Kollektorkosten eines gepumpten solarthermischen Systems bei etwa 10-20% der Gesamtsystemkosten liegen, wird deutlich, dass das genannte Kostenreduktionsziel nur durch eine umfassende Optimierung des Gesamtsystems bei gleichzeitiger Realisierung hoch-integrierter, multifunktionaler “Plug&Function“-Elemente (Komponenten und Baugruppen) mit deutlich reduziertem Installationsaufwand zu bewerkstelligen ist. Die genannten Attribute zu erreichen ist die zentrale Herausforderung künftiger Innovationen und damit auch der bestimmende Faktor zur Wiederbelebung des europäischen Solarthermiemarktes.

Literatur

1. R. W. Lang, G. M. Wallner, J. Fischer: Erneuerbare Energie, ee 1-11, 9-11 (2011).
2. www.solpol.at
3. A. Kaiser, C. Fink, R. Hausner, T. Ramschak, W. Streicher: Erneuerbare Energien, ee 1-13, 12-17 (2013).
4. G. M. Wallner, K. Grabmayer, S. Beissmann, H. Schobermayr, W. Buchberger, R.W. Lang: Erneuerbare Energien, ee 1-13, 18-20 (2013).
5. A. Thür, C. Hintringer, A. Richtfeld, W. Streicher, A. Kaiser, C. Fink, R. Hausner, W. Koller: Erneuerbare Energien, ee 1-13, 21-23 (2013).

O. Univ.-Prof. Dr. Reinhold W. Lang ist Professor an der Johannes Kepler Universität Linz und Vorstand des Instituts für Polymerwerkstoffe und Prüfung. Er ist gleichzeitig Leiter des Großforschungsvorhabens SolPol-1/2. (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)

Ao. Univ.-Prof. Dr. Gernot M. Wallner ist ebenfalls Professor an der Johannes Kepler Universität Linz und stellvertretender Vorstand des Instituts für Polymerwerkstoffe und Prüfung sowie stellvertretender Leiter des Großforschungsvorhabens SolPol-1/2.

Dr. Jörg Fischer ist Senior Scientist und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Polymerwerkstoffe und Prüfung der Johannes Kepler Universität Linz. Er leitet zudem das Büro für "Management und Administration" der SolPol-Projekte.