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Solarthermie

Abbildung 1: (Quellen: links oben: Aventa AS; rechts oben: Ivan Jerman, National Institute of Chemistry, Slovenia; links unten: Stefan Brunold, SPF; rechts unten: Söhner Kunststofftechnik GmbH)

Die allseits propagierten CO2-Einsparungsziele sind ohne eine gewaltige Steigerung der Verwendung der Solarthermie nicht zu schaffen. Dazu werden zuverlässige, leistungsfähige und kostengünstige Anlagenkomponenten in enormer Stückzahl gebraucht. Da Massenproduktion eine Domäne der Kunststofftechnik ist, ergeben sich speziell in diesem Bereich neue Möglichkeiten für das Kollektor- und Speicherdesign. Damit beschäftigt sich seit drei Jahren die Task 39 des Solar Heating and Cooling Programme der Internationalen Energieagentur.

Kunststoffe unter der Sonne

Von Michaela Meir, Stefan Brunold, Stephan Fischer, Susanne Kahlen, Michael Köhl, Fabian Ochs, Markus Peter, Katharina Resch, Gernot Wallner, Karl-Anders Weiß und Claudius Wilhelms *

Bislang bestehen thermische Sonnenkollektoren hauptsächlich aus Glas und Metallen, wobei besonders bei Metallen bis 2008 ein extremer Preisanstieg zu beobachten war. Diese nicht einfach zu ersetzen, sondern ein grundsätzlich neues Design auf der Basis von Polymermaterialien zu entwickeln, erfordert die Auswahl geeigneter Materialien und Designs, die den Anforderungen für Betrieb und Gebrauchsdauer genügen. Neue Materialien müssen nicht nur kostengünstig, sondern im Sinne der Nachhaltigkeit auch umweltfreundlich und langlebig sein. Bei Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung sowie unverglasten Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung bietet sich der Einsatz von Kunststoffen im Besonderen an. Kunststoffkollektoren versprechen konstruktive Gestaltungsfreiheit und ermöglichen eine nennenswerte Kostensenkung.

Überhitzungsschutz

Voraussetzung für den Einsatz kostengünstiger Kunststoffe ist die sichere Beherrschung der am Kollektor auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen. So müssen beispielsweise unzulässig hohe Temperaturen verhindert werden. Hierfür arbeiten die Experten der Task 39 parallel an zwei Konzepten: Verglaste Absorber aus Massenkunststoffen mit Überhitzungsschutz und verglaste Absorber aus Hochleistungspolymeren.
Bei Kollektoren aus kostengünstigen Massenkunststoffen ist ein materialgerechtes Design vorzusehen, welches insbesondere Einrichtungen zur Begrenzung der maximalen Kollektortemperaturen beinhaltet. Das große Potenzial von thermotropen Schichten als Überhitzungsschutz wurde in einem Projekt am Polymer Competence Center Leoben (PCCL) in Zusammenarbeit mit der AEE INTEC und der Montanuniversität Leoben nachgewiesen. Entsprechend einem über Modellrechnungen erarbeiteten Anforderungsprofil wurden thermotrope Schichten im Labormaßstab hergestellt (Illustration in Abbildung 2) und deren Wirksamkeit zur Begrenzung der Stagnationstemperaturen belegt [Wallner et al., 2008; Resch et al., 2009]. Derzeit werden diese Schichten von den Partnern für die Anwendung in thermischen Sonnenkollektoren weiterentwickelt, optimiert und großflächig hergestellt.

Abbildung 2: Thermotrope Schicht im ungeschalteten (links) und geschalteten Zustand (rechts) (Quelle: PCCL)

Hochleistungspolymere

Beim Einsatz von teueren Hochleistungspolymeren und geeignetem Design ist kein Überhitzungsschutz für verglaste Kunststoffkollektoren nötig. In einer Kooperation zwischen Chevron Philipps Chemicals und der norwegischen Firma Aventa wurde weltweit erstmalig die Extrusion von Polyphenylensulfid (PPS) zu Doppelstegplatten (Absorber) durch Kaysersberg Plastics demonstriert. Beim Absorber wurde Wert auf ein integriertes und materialsparendes Design gelegt. Dies verringert die Produktionszeit und führt zusammen mit der Montagefreundlichkeit des Kollektors zu signifikanten Kosteneinsparungen. Die ersten Demonstrationsanlagen wurden im Herbst 2009 in Norwegen installiert.
Verschiedenfarbige Oberflächen erhöhen die architektonische Gestaltungsfreiheit und die Attraktivität für Kunden. An der Entwicklung von langzeitstabilen, selektiven Beschichtungen für Kunststoffabsorber sowie selbstreinigenden Beschichtungen für unverglaste Absorber und abdeckungen forscht das National Institute of Chemistry in Ljubljana in Kooperation mit den Industriepartnern Color (Slowenien) und Aventa im Rahmen eines MATERA Projekts.

Kollektorgehäuse

Um die Temperaturbelastung der Komponenten eines Flachkollektors zu untersuchen, hat die Firma Söhner Kunststofftechnik GmbH zwei Kollektor-Prototypen aus ABS entwickelt und detailliert vermessen. Baugleiche Kollektoren wurden mit einem selektiv beschichteten Absorber bzw. einem schwarzen Absorber aus modifiziertem HDPE bestückt und mit entspiegeltem Solarglas abgedeckt. Die gemäß EN 12975 berechneten Stillstandtemperaturen bei 1000 W/m² Einstrahlung und 30 °C Umgebungstemperatur betragen ca. 175 °C für den selektiv beschichteten Absorber und etwa 135 °C für den HDPE Absorber. Die Temperaturen der Abdeckscheibe oberhalb des selektiven Absorbers sind nur ca. 10 K höher über dem Absorber aus HDPE. Zum Schutz eines Kunststoffgehäuses ist generell eine ausreichende Wärmedämmung der Rückwand und der Seiten erforderlich.

Wärmespeicher

Bei der Vermarktung von größeren solarthermischen Kombianlagen (>20 m²) sind derzeit verfügbaren Speichertechnologien Grenzen gesetzt. Im Rahmen eines BMU geförderten Forschungsvorhabens wurde ein neuartiger Pufferspeicher aus PP-H entwickelt, der durch einfache Einbaumöglichkeiten und niedrige Herstellungskosten die Marktentwicklung großer thermischer Solaranlagen deutlich verbessern kann. Seit 2009 wird dieses Konzept durch die Firma FSAVE Solartechnik GmbH vermarktet [Wilhelms, 2009].
Kunststoffe finden auch Anwendungen in saisonalen Wärmespeichern. In der Task 39 wurden Material-, Verarbeitungs- und Alterungsstudien für Kunststoff-Abdichtungsbahnen für saisonale Wärmespeicher durchgeführt [Task 39, 2009]. Durch die derzeit noch zu geringe Wasserdampfbarrierewirkung und der fehlenden Alterungsbeständigkeit von flexiblen polymeren Abdichtungsbahnen ist deren Einsatz noch begrenzt. Im Forschungsprojekt zur solaren Nahwärme mit saisonaler Wärmespeicherung in Eggenstein-Leopoldshafen (D) wurde ein 4500 m³ Kies-Wasser-Wärmespeicher mit HDPE-Al-Barriere-Dichtungsbahn realisiert.
Im Rahmen einer österreichischen Beteiligung werden für beide Wärmespeichertypen PP-basierte Kunststoffcompounds durch gezielte Optimierung des Additivsystems weiterentwickelt, um Dauergebrauchstemperaturen von 95 °C zu ermöglichen.

Alterungsbeständigkeit

Die Alterungsbeständigkeit von Kunststoffen ist für die Verwendung in solarthermischen Anlagen von besonderer Bedeutung. Am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg werden Bewitterungsprüfungen und beschleunigte Alterungstests an ausgewählten Polymermaterialien (PP, PA, PC) durchgeführt, die zur Verbesserung der Eigenschaften mit verschiedenen Stabilisierungssystemen und Füllmaterialien beitragen [Weiß et al., 2009]. Es wurden ebenfalls Proben mit optisch selektiver Beschichtung untersucht. Zur Charakterisierung der Materialien vor und nach den Tests werden oberflächensensitive Analyseverfahren wie Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie und Raman-Mikroskopie eingesetzt. Es zeigt sich, dass die Lagerung in feucht-warmem Klima stärkere Schäden hervorruft als eine trockene UV-Bestrahlung wobei die Beschichtungen und Stabilisierungssysteme die Haltbarkeit sehr positiv beeinflussen.
Am PCCL wurde eine systematische Studie zum Alterungsverhalten von ausgewählten Kunststofftypen für Absorberanwendungen mit polymerwissenschaftlichen Methoden durchgeführt [Kahlen, 2009]. Basierend auf experimentellen Ergebnissen, Datenanalysen und Lebensdauermodellierungen wurde die Anwendbarkeit von Polypropylen- und Polyamid-Compounds für schwarze Absorber in verglasten Kollektoren nachgewiesen. Die Firmenpartner Borealis GmbH und EMS Chemie AG arbeiten an der weiteren Optimierung der Compounds und an deren Umsetzung in unterschiedlichen Vollkunststoff-Modellkollektoren.
Die Dauerhaftigkeit von transparenten Kollektorabdeckungen wurde am Institut für Solartechnik SPF der Hochschule in Rapperswil in einer langjährigen Freibewitterungsuntersuchung getestet. Für diese Studie wurden 58 Abdeckungstypen, darunter 42 verschiedene Kunststoffe (PC, PMMA, PVF, FEP, ETFE, PET, PVC) auswählt und über 20 Jahre an zwei Standorten in der Schweiz im Freien exponiert. Alle getesteten Proben aus PMMA weisen eine hervorragende Witterungsbeständigkeit auf, und auch die Folien aus PVF und FEP zeigen keine Degradationserscheinungen. Entgegen aller Erwartungen verschmutzten jedoch fluorierte Kunststoffe stärker als andere Materialien. Die vollständige Studie ist online zugänglich [Ruesch, 2008].
Simulationsrechnungen des Fraunhofer ISE auf der Basis von Finiten Elementen (FEM) erlaubten den Vergleich verschiedener Kollektordesigns und –geometrien bei typischen Belastungsszenarien in Abhängigkeit von gegebenen Materialeigenschaften. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf mechanischen und thermomechanischen Spannungen im Kollektor durch Temperaturgradienten oder externe Lasten (Abbildung 3). Somit können in einem frühen Planungsstadium Ansätze verglichen und optimiert werden, und unter Verwendung der Alterungsprüfungen mögliche Materialien und Designparameter wie z.B. Wandstärken identifiziert werden [Jack et al., 2008].

Abbildung 3: Die FEM-Simulationen zeigen Querschnitte durch Absorberkanäle mit Dreifachstegplatte als Basisgeometrie. Das Wärmeträgermedium fließt hierbei im mittleren Kanal welcher oben die Absorberschicht trägt. Die Verformung ist überhöht dargestellt, zeigt jedoch die Auswirkungen des größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten von PP (rechts) gegenüber PMMA (links). Die Spannungen sind farblich dargestellt. (Quelle: [Jack et al. , 2009])

Öffentlichkeits- und Normungsarbeit in der Task 39

Die existierende Europäische Norm EN 12975 trägt gegenwärtig nicht den Besonderheiten von Kunststoffkollektoren bzw. -komponenten in thermischen Solaranlagen Rechnung. Eine Arbeitsgruppe der Task 39 befasst sich mit einem Vorschlag für die Revision des existierenden Standards EN 12975, um sie für die Prüfung von Polymerkollektoren zu modifizieren.
Eine weitere Arbeitsgruppe in Task 39 erstellt eine Datenbank zur Dokumentation von architektonisch gelungenen, thermischen Solaranlagen [Task 39, 2009].
Mehr Information über Kunststoffe in der Solarthermie und die Task 39 gibt es auf der Webseite, den dort zitierten Quellen und in den halbjährlichen Newslettern [Task 39, 2009]. Für die EUROSUN in Graz im Oktober 2010 ist ein öffentlicher Workshop geplant. Außerdem ist zum Ende des Jahres 2010 die Publikation des Task 39 Handbuchs zum Thema Kunststoffe in der Solarthermie beabsichtigt.

Literatur

  • Jack, S., Köhl, M., Müller, A., Weiss, K.-A. (2008). Optimization of Polymeric Solar Thermal Collectors by Fluid Dynamic Simulations, Eurosun 2008, Lissabon, Portugal, 7.-10. Okt. 2008.
  • Kahlen, S. (2009). Susanne Kahlen, Aging behavior of polymeric absorber materials for solar thermal collectors. PhD thesis, University of Leoben, Leoben, Austria.
  • Ochs, F. (2009). Modeling Large-Scale Thermal Energy Stores. PhD thesis, University of Stuttgart, Germany.
  • Resch, K., Wallner, G.M., Hausner, R. (2009). Phase separated thermotropic layers based on UV cured acrylate resins – Effect of material formulation on overheating protection properties and application in a solar collector, Solar Energy 83, 1689.
  • Ruesch, F., Brunold S. (2008). Langzeitalterungsuntersuchung an Abdeckungsmaterialien für thermische Sonnenkollektoren – Ergebnisse einer 20 jährigen Freibewitterungsstudie, BFE Schlussbericht 2008 (zum Download auf http://www.solarenergy.ch).
  • Task 39 (2009). http://www.iea-shc.org/task39
  • Wallner, G.M., Resch, K., Hausner, R. (2008). Solar Energy Materials & Solar Cells 92, 614.
  • Weiß, K.-A., Kaltenbach, T., Köhl, M., Peike, C., Lichtblau, A., Zäh, M. (2009). Systematic evaluation of different stress factors onto the degradation behaviour of plastics, 4rd European Weathering Symposium EWS, Budapest, Ungarn, 16.-18.9.2009.
  • Wilhelms, C., Vajen, K., Zass, K., Heinze, R., Jordan, U. (2009). Pufferspeicher in Modulbauweise mit bis zu 50 m³ Speichervolumen. 19. Symposium Thermische Solarenergie, Staffelstein, Deutschland, 6.-8. Mai, 2009.

*) Die Autoren sind Experten in IEA-SHC Task 39, deren Kontaktadressen unter http://www.iea-shc.org/about/members/task.aspx?Task=39 aufgeführt sind. Kontaktperson für Task 39 ist Operating Agent Michael Köhl vom Fraunhofer ISE in Freiburg, Email: michael.koehl@ise.fraunhofer.de [^]