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Solarthermie Recycling – Grundlagenwissen: Beschichtung der Absorber (2)

Wir beschäftigen uns in dieser Serie mit dem Thema Solarthermie Recycling. Im ersten Teil haben wir gezeigt, woraus Solarthermie-Kollektoren gemacht sind und mit welcher Verbindungstechnik sie zusammengesetzt werden. Das große Thema der Beschichtung der Absorber rücken wir wegen seiner Komplexität in den Fokus des vorliegenden zweiten Teils.

Wie schon dem ersten Artikel unserer Reihe zum Solarthermie-Recycling liegt auch diesem der „WerkstattBericht Nr. 97: Umweltstandards für thermische Solarkollektoren unter besonderer Berücksichtigung der selektiven Beschichtung ihrer Absorberoberflächen“ vom Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT) maßgeblich zugrunde.

Der Absorber gilt als das Herzstück des Solarthermie-Kollektors. Um die Eigenschaften der Absorber – das Ziel ist ganz klar: hohe Absorption und geringe Emission – zu verbessern, beschichtet man diese mit sogenannten selektiven Oberflächen. Das ist aktuell ein bautechnischer Standard.

Die Absorber-Beschichtungen würden traditionell galvanisch als Schwarzverchromung aufgebracht, heißt es in dem genannten Bericht des IZT.

Außerdem seien nicht-galvanische Beschichtungsverfahren gängig, darunter

  • CVD (Chemical Vapour Deposition),
  • PVD (Physical Vapour Deposition),
  • PECVD (PVD-CVD-Kombination),
  • Sputtertechnik,
  • Black Crystal
  • und NiOx (Nickeloxid).
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Aufbau der CPC-Solarthermie-Kollektor von Paradogma: Sowohl senkrechte als auch diffuse Solarstrahlung wird durch die Spiegel-Geometrie stets in die Röhrenmitte zum Absorber gelenkt. Das Vakuum schützt als Isolierung vor Wärmeverlusten. Grafik: Paradigma

Wie Absorber-Beschichtungen funktionieren

Beschichtungen, die auf Lackierungen und galvanischen Verfahren basierten (beispielsweise Schwarzchrom oder Schwarznickel) würden laut den Autoren des Werkstattberichts Nr. 97, Volker Handke und Christian Kamburow, das Licht „verschlucken“. Die Beschichtungen hätten wegen ihrer zum Korrosionsschutz nötigen Stärke eine mehr oder weniger hohe thermische Emission und so eine begrenzte Selektivität und Leistungsfähigkeit.

Bei Beschichtungen im PVD-/Sputterverfahren erfolge das Absorbieren dagegen mit dem „Auslöschen“ verschiedener Wellenlängen des Lichts mittels Interferenz. Wegen der geringen Schichtdicke werde eine hohe Selektivität und Leistungsfähigkeit erzielt.

  • Beim CVD-Verfahren bringe man eine flüchtige chemische Verbindung, die Bestandteile der gewünschten Schicht enthalte, mit dem Absorber in eine Reaktionsraum. Auf dem erhitzten Kupferband zersetze sich die Verbindung und hinterlasse eine Schicht aus anorganischen Verbindungen.
  • Beim PVD-Verfahren lenke man in einer Vakuumkammer einen Elektronenstrahl in einen Tiegel mit Beschichtungsmaterial. Das verdampfe und schlage sich mit hinzugegebenem Sauerstoff und Stickstoff auf einem Kupferband nieder.
  • Beim TiNOX-Verfahren werde auf diese Weise zuerst Titan und dann Quarz aufgetragen.
  • Für das PECVD-Verfahren kombiniere man Prozessschritte aus den PVD- und dem CVD-Verfahren. Neben einer Beschichtung auf Basis des PVD-Verfahrens, werde bei diesem Fertigungsverfahren eine weitere Schicht im CVD-Verfahren aufgetragen.
  • Die Sputtertechnik sei laut IZT Beschichtungstechnologie mit verschiedenen Verfahren: Beim sogenannten Gleichstromsputtern werde in Argon-Gas zwischen einer Anode und dem als Kathode geschalteten Beschichtungsmaterial eine Glimmladung gezündet, in der Argon-Ionen durch das angelegte Feld auf die Kathode hin beschleunigt würden. Diese erodiere aufgrund des Beschusses und werde zerstäubt. Die freigesetzten Ionen würden unter Verbindung mit zugegebenen Gasen auf das Kupferband abgeschieden. So entstünden mehrere Beschichtungslagen, die die Selektivität bildeten.
  • Um Black Crystal® zu erzeugen, habe man laut IZT einen neuen Produktionsprozess entwickelt. Der fuße auf dem Prinzip des „Nieder- oder Raumtemperaturwachstums von Kristallen“. Die Beschichtung werde auch MPNC-Matrix-Beschichtung (Multi-Phasen-Nano-KristallationsMatrix–Beschichtung) genannt. Mit „Black Crystal“ könne man nicht nur Aluminium, Kupfer, Nickel und Edelstahl, sondern auch jedes andere Absorbermaterial beschichten, heißt es im WerkstattBericht Nr. 97 des IZT.
  • Das physikalische Herstellungsverfahren bei NiOx sei elektrochemisch, bei dem in einem Vakuum ein Substrat mit Metallpartikeln beschichtet werde. Das Verfahren bestünde laut IZT aus mehreren Prozessschritten. Eine Rolle von Absorberstreifen mit einer Länge von 1.000 bis 1.200 Meter werde in einer Vakuumkammer platziert. In der Kammer befänden sich sogenannte Spenderplatten (Targets) aus Nickel. Indem ein großes Spannungsfeld zwischen Spenderplatte und Substrat (Absorberstreifen) erzeugt werde sowie ein parallel zur Spenderplatte anliegendes Magnetfeld, würden Nickelatome aus der Spenderplatte herausgelöst und beschleunigt. Diese Atome träfen das Substrat und blieben an der Oberfläche haften. Während des Vorgangs würden die Absorberstreifen insgesamt drei Spenderplatten passieren. Bei der ersten werde eine stabilisierende Nickelschicht aufgelegt. Bei der zweiten reagierten die Nickelatome mit Sauerstoff und bildeten eine absorbierende Schicht Nickeloxid (NiOx). Auf der dritten Platte erfolge die Beschichtung mit einer Antireflexschicht.
  • Bei den galvanischen Beschichtungsverfahren handele es sich den Ausführungen des IZT zufolge um die sogenannte Schwarzverchromung beziehungsweise das Schwarznickel-Verfahren. Um die Kupferbänder mit einer stabilen Schwarzchromschicht auf Nickelgrundlage zu versehen, würden diese zunächst in mehreren Schritten gereinigt. Danach werde galvanisch die Nickelschicht aufgetragen, in einem weiteren Schritt das Schwarzchrom. An diesem Punkt befände sich der potentiell gesundheitsgefährdende Teil der Anlage. Das in saurer Lösung vorliegende Chrom VI sei demnach krebserregend. Auch Nickel werde in der medizinischen Fachliteratur als krebserregend diskutiert. Zu unterscheiden sei das Bandverfahren, bei dem ein Kupferband von der Rolle durch mehrere Bäder mit Lösungs- beziehungsweise Reinigungsmittel, Nickel und Chrom geführt und kontinuierlich beschichtet werde sowie das Badverfahren bei dem ganze Absorberplatten in mehreren Einzelbädern nacheinander beschichtet würden.

Schließlich erwähnen die Autoren des Berichts noch sogenannte selektive Lacke. Die ihnen zufolge jedoch keine große Bedeutung mehr hätten. Der Grund dafür: Selektive Lacke hätten einen hohen Emissionsgrad. Aber: Lacke seien von allen Beschichtungsverfahren die preiswertesten. Gleichwohl seien Lacke mit Nanopartikeln, insbesondere für die Anwendung auf solarthermischen Absorberoberflächen, Gegenstand von Forschungsaktivitäten, so dass sie möglicherweise in Zukunft wieder auf dem Kollektormarkt anzutreffen sein werden. Seit der Markteinführung der im Vakuumverfahren aufgetragenen hochselektiven Beschichtungen sei der Marktanteil der schwarzchrombeschichteten Absorber erheblich zurückgegangen.

Grafik und Foto (Titel): Paradigma