Strategien gegen Stagnation der Solarthermie-Anlage

Der Sommer liefert uns bestenfalls Sonne satt. Mitunter sogar so viel der Sonnenenergie, dass die Solarthermie-Anlage stagniert. Nichts läuft dann mehr, das Wärmeübertragungsmittel in der Anlage steht still, auch im Kollektor. Infolge der Sonneneinstrahlung wird es dort heißer und heißer – es kann sogar verdampfen. Das geht zu Lasten der Anlagenbauteile. Grund genug für die Hersteller von Kollektoren, der Stagnation strategisch zu begegnen. Wie das gelingen soll, habe ich mir angeschaut.

Grundlagenwissen Stagnation kurz & knapp

Was Stagnation ist, wie sie eintritt und warum, das hat Sabine in ihrem Artikel „Thermische Stagnation bei Solaranlagen“ hier auf dem Blog schon mal lang und breit erklärt. Zudem beschrieb Sabine in diesem Artikel: „Warum für hohe Kollektortemperaturen Wasser der bessere Wärmeträger ist“. Deshalb an dieser Stelle nur so viel: Die sogenannte Stagnation bezeichnet den Zustand einer Solarthermie-Anlage, der eintritt, wenn einerseits eine hohe Sonnenstrahlung auf die Anlage trifft und zugleich die Umwälzpumpe, die das Wärmeträgerfluid durch die Anlage wälzt, aus ist. Vom Prinzip her ist das ein regulärer, also durchaus zu erwartender Zustand, der zunächst nicht problematisch bewertet werden muss. Die elektrisch betriebene Solarkreispumpe kann aus mehreren Gründen stillstehen:

• Der Solarspeicher ist voll.
• Die Anlage ist defekt.
• Der Strom ist ausgefallen.

Wobei der volle Pufferspeicher der wohl häufigste Grund für den Stillstand der Pumpe ist. Problematisch wird die Stagnation dann, wenn Zwei-Phasen-Strömungen einsetzen: Die sorgen schlimmstenfalls dafür, dass sich der Dampf, der sich infolge des Verdampfens des Wärmeübertragungsmediums bildet, weit ausbreitet und mit seiner Hitze große Teile der Anlage belastet. Gefährdet sind die Armaturen wie Membranausdehnungsgefäß, Pumpe, Ventile, Rohrdämmung ebenso wie das Fluid selbst. Sabine hat in ihrem Artikel beschrieben, was passieren kann, wenn das in den meisten Anlagen in Deutschland verwendete Wärmeträgerfluid, ein Mix aus Wasser und Glykol, in Hitzewallung gerät: „Das Glykol kann sich thermisch zersetzen. Am Anfang steht nur eine Verfärbung der Flüssigkeit, bei noch extremerer Temperaturbeanspruchung bilden sich wasserunlösliche, teerartige Substanzen (begleitet von einem stechenden Geruch).“

Ganz klar, solche Probleme will ja nun wahrlich keiner. Und deshalb setzen die Hersteller von Kollektoren auf unterschiedliche Strategien, um den Problemen, die eine Stagnation mit sich bringen könnte, Herr zu werden. Das Branchenmagazin „Solarthemen“ hat in seiner diesjährigen Mai-Ausgabe 471, vom 12. Mai, die eine und die andere Strategie vorgestellt.

Strategie 1: Neue Schutzschicht für Absorber

Demnach gäbe es zum einen die Möglichkeit einer sogenannten ThermoProtect-Beschichtung für den Absorber. Die soll, so heißt es in dem Artikel „Kein Stillstand bei Stagnation“, nicht weniger leisten als die üblicherweise verwendete, hochselektive blaue Beschichtung – solange sich der Kollektor im Bereich der Arbeitstemperatur befände. Steige die Temperatur allerdings auf 85 Grad Celsius und höher an, nähme die Emission der Schicht überproportional zu. Das bedeutet für die Ausbeute an Solarwärme, sprich: den Ertrag, den die Anlage einfährt: Der Wirkungsgrad würde mit sich erhöhender Temperatur schlechter.

Ein so beschichteter Flachkollektor geriete – übrigens ähnlich wie sogenannte Heatpipe-Kollektoren dank ihrer vergleichbaren Abschalt-„Automatik“ auch – laut seines Herstellers Viessmann nicht mehr in Stagnation und das Wärmeträgermedium würde kaum mehr verdampfen. Gefahr erkannt, Gefahr gebannt! Doch zu welchem Preis? Die Solarthemen schreibt dazu, dass man mit der seit April 2016 gültigen Preisliste beim Branchenprimus Viessmann als Solarkunde Kollektoren verkauft bekäme, die „fürs gleiche Geld wesentlich weniger aus der Solarstrahlung herausholen“ würden als ihre Vorgängermodelle. Wer mehr solare Deckung wolle, so zitiert das Fachjournal den Hersteller Viessmann, der könne im Zweifelsfall einen zusätzlichen Kollektor aufs Dach bauen. Die Anti-Stagnations-Modelle von Viessmann seien an dem Kürzel FM erkennbar, heißt es weiter, das für „Flachkollektor Modulierend“ stehe. Laut Solarthemen habe Viessmann „fast sein gesamtes Flachkollektorsortiment auf die modulierende Schicht umgestellt“.

Strategie 2: Rücklaufgeführtes System (Drainback)

Rücklauf plus Frostschutz

Auch die bewährte Strategie Drainback erlebe den Solarthemen zufolge eine Renaissance: Hersteller Vaillant setze beispielsweise darauf. Drainback bedeutet, dass immer dann, wenn kein Solarertrag erzeugt und infolgedessen die Solarpumpe ausgeschaltet werde, die Solarflüssigkeit komplett in einen Auffangbehälter fließe – das funktioniere dank der Schwerkraft. Auf diese Weise entleere sich der Kollektor auf dem Dach vollständig. Drainback schütze somit den Kollektor, die Anlage und auch das Wärmeträgerfluid, falls es im Sommer zur Stagnation käme. Es könne demnach sogar Frostschäden im Winter vermeiden helfen – immerhin sei Drainback entwickelt worden, um das Frostschutzmittel Glykol, das der Fachartikel als „lästig und effizienzmindernd“ beschreibt, „aus dem Kollektorkreislauf“ verbannen zu können. Wobei Vaillant nach dem Motto „doppelt hält besser“ laut den Solarthemen sowohl auf Frostschutzmittel als auch Drainback setze und seit April fast alle Anlagenklassen wie bisher „druckgeführt“ neuerdings auch in „rücklaufgeführt“ anbiete.

Wissen muss man zu Drainback, dass die reibungslose Funktion des Prinzips mit der gewissenhaften Planung und Ausführung der Installation der Solarthermie-Anlage durch die Handwerker stehe oder falle. So dürfe weder die Kollektorleitung zu lang nach der Höhenunterscheid zwischen Kollektor und Speicher zu groß sein. Und klar, wenn Schwerkraft wirken soll, müssen auch sämtliche Leitungen an jedem Lagepunkt mit einem Mindestgefälle verlegt worden sein.

Rücklauf ohne Frostschutz

Die Solarthemen nennen mit Consolar sogar einen Hersteller, der Drainback-Systeme mit reinem Wasser im Angebot hatte. Die Betonung liegt hier auf hatte, denn die entsprechenden Produkte habe der Hersteller kürzlich aus dem Programm genommen: Laut dem zitierten  Technikchef wohl deshalb, weil man den Faktor „Handwerker“ unterschätzt hätte.

Im Vergleich der Strategien sieht die Fachzeitschrift Solarthemen die erste vorn: Zum einen müssten die Handwerker beim Installieren der Viessmannschen ThermoProtect-Kollektoren nicht in Richtung Schwerkraft umdenken, zum anderen beschichte Viessmann seine Absorber selbst.

Und dann wäre da noch:

Strategie 3: Wasserführende Vakuumröhrenkollektoren

Laut Solarthemen sei die Strategie, die der Hersteller Paradigma, der Teil der Ritter Energie ist, die auch hinter diesem Blog steht, seit gut einem Jahrzehnt praktiziere – pures Wasser ohne Frostschutzmittel – die eines Davids gegen Goliath. Fakt sei: Das Wasser in Paradigmas Aqua-Systemen verdampft im Stagnationsfall im Kollektor – da kein Glykol im Spiel ist, gibt es keine Gefahr durch crackendes Frostschutzmittel. Den Frostschutz realisiert Paradigma mit extra Energie (der Verbrauch dafür liegt je nach Größe der Anlage zwischen einem bis drei Prozent des Jahresertrags), bei Bedarf wird eine geringe Menge vorgewärmtes Wasser durchs System geschickt, um dieses so aktiv frostfrei zu halten. Und nur der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt: Was auch Paradigmas Wasserkollektorensystem ganz sicher braucht, sind eigens darauf geschulte Planer und Installateure. Die Solarthemen schreiben: Mit seinem System habe der Hersteller Paradigma schon recht früh eine Antwort auf die Stagnationsproblematik gefunden, die „seit langem ein großes und in der Kommunikation  gerade für die Großen der Heizungsbranche ein heikles Thema“ sei.

Fazit

Es bleibt abzuwarten, welche Strategie der Verbraucher zu seiner macht: Solarthermie, die weniger Ertrag einfährt, dafür aber kaum stagniert. Solarthermie, die wegen der Sache mit der Schwerkraft höchst genau installiert werden muss – und Gefahr birgt, bei einer Ungenauigkeit nicht mehr einwandfrei zu laufen. Oder Solarthermie, die Bestleistung bei üblicher Installation bringt – ohne bei Stagnation gefährlich zu werden.

Foto: knallgrün / photocase.de