Solarthermie Recycling – Grundlagenwissen: Werkstoffe und Fertigung (1)

Laut dem BSW Solar, dem Bundesverband der Solarwirtschaft e.V., waren Ende 2018 in Deutschland 20,5 Millionen Quadratmeter (m²) Solarthermie-Kollektoren installiert. Das ist eine ganze Menge: eine Menge High-Tech, solange die Systeme ihren Dienst tun und solare Energie in nutzbare Wärme umwandeln, und eine Menge High-Tech-Schrott, wenn die Systeme ihren Dienst geleistet haben. Wir nehmen uns in dieser kleinen Serie des Themas Solarthermie Recycling an.

Im ersten Teil dieser Artikelreihe zum Solarthermie Recycling gucken wir uns einmal genauer an, woraus Solarthermie-Kollektoren gemacht sind und wie sie zusammengesetzt werden. Denn sowohl die verwendeten Werkstoffe als auch deren Verarbeitung geben uns Hinweise darauf, wie sich ausgediente Kollektoren recyceln lassen.

Das Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT) zeigt in seinem „WerkstattBericht Nr. 97: Umweltstandards für thermische Solarkollektoren unter besonderer Berücksichtigung der selektiven Beschichtung ihrer Absorberoberflächen“ auf, welche Werkstoffe bei der Fertigung von Solarthermie-Kollektoren zum Einsatz kommen und wie sie verarbeitet werden.

Verbindungstechnik

Das IZT unterscheidet bei der Verbindungstechnik der Absorber grundsätzlich zwischen

• Löten
• und Schweißen (Ultraschall- und Plasmaschweißen).

Die Autoren des IZT-WerkstattBerichts Nr. 97, Volker Handke und Christian Kamburow, schreiben, dass vor allem kleine Kollektor-Hersteller die Löttechnologie bevorzugen würden. Grundsätzlich hätten ultraschall-geschweißte Absorber jedoch den größten Marktanteil.

Absorber: Löten vs. Schweißen

Die Verbindungstechnik Löten sei demnach kostengünstig. Lötverbindungen hätten zudem einen guten Wärmeübergang und würden auch optisch mehr hermachen – aber: Sie seien hinsichtlich ihrer Temperaturbeständigkeit begrenzt. Das spiele eine Rolle, weil die Absorber stetig besser und selektiver Absorber werden würden, und infolgedessen auch höhere Stagnationstemperaturen aufträten, die die Lötnähte an ihre Belastungsgrenzen brächten.

Das sei laut dem IZT der Grund, warum das Schweißen als Verbindungstechnik bei Absorbern im Trend läge. Vor allem das Plasmaschweißen punkte, da beim Verschmelzen von Rohr und Absorber die Verbindung bis zum Schmelzpunkt des Kupfers thermisch belastet werden könne. Zunehmend an Bedeutung gewinne demnach das Laserschweißen.

Absorber

Bei den Absorbermaterialien dominiere laut IZT das Material Kupfer mit 97 Prozent Anteilen den Markt. Daneben seien zunehmend Aluminiumabsorber im Angebot sowie Absorber aus Kombinationen der beiden Werkstoffe Kupfer und Aluminium.

Als Grund für die zunehmende Verwendung von Aluminium nennen Handke und Kamburow den stark gestiegenen Kupferpreis. Aluminium besitze demnach zwar eine geringere Wärmeleitfähigkeit, das kompensiere man aber mit dem Einsatz stärkerer Aluminiumbleche.

Bei der Werkstoff-Kombination von Kupfer und Aluminium bestünde laut den Autoren wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten die Gefahr von Verformungen. Daher sei als Verbindungstechnik das technisch anspruchsvollere Laserschweißen nötig.

Außerdem gebe es Absorber aus Edelstahl, die vor allem großflächig in nicht abgedeckten Dachkollektoren zum Einsatz kämen, die die Dachhaut ersetzten.

Bei der Absorberfläche seien zwei Bauformen üblich:

1. Vollfläche
2. und Finne.

Mit etwa 85 Prozent würden demnach Absorber mit Vollfläche überwiegen. Bei den Absorbern mit Finnen werde das durchströmte Rohr als Rohrregister in Form einer Harfe realisiert, bei der jede Finne mit einem Registerrohr verbunden sei, welches man an den Enden jeweils mit einem Sammlerrohr verbinde.

Mit dem Trend zur Vollfläche würden die Hersteller verstärkt auf die sogenannte Mäanderform setzen, bei dem der Absorber mit einem einzigen, gebogen Rohr verbunden werde. Das sei vorteilhaft, weil diese Bauform weniger fehleranfällig sei. Vor allem sei das Risiko für Undichten geringer. Zugleich könne der Kollektor gleichmäßiger von der Solarflüssigkeit durchströmt und gegebenenfalls eingeschlossene Luft effektiver ausgetrieben werden. Aber: Der Druckverlust sei bei dieser Bauweise sehr viel höher, was die Anzahl der in Reihe schaltbaren Kollektoren begrenze.

Außerdem, so schreiben Handke und Kamburow, würden Absorber in Mäanderform träger reagieren: In der Harfenform steige die solar erwärmte Flüssigkeit demnach schneller nach oben, so dass der Temperaturfühler infolgedessen die Solarpumpe frühzeitig starte und auch das Beladen des Speichers schneller beginne.

Kollektor-Rahmen

Auch die Rahmenkonstruktion würde sich bautechnisch unterscheiden: So gebe es ein- und zweiwandige Rahmen und mitunter auch sogenannte Wannenkonstruktionen.

Der Großteil der Kollektor-Hersteller würde stranggepresste einwandige Rahmen aus Aluminium verwenden. Doppelwandige Rahmen seien dagegen steifer, was helfe, Spannungsbrüche bei der Glasabdeckung zu vermeiden. Außerdem dämme das für doppelwandige Rahmen typische Luftpolster im Profil und senke so die Wärmeverluste des Kollektors.

Kunststoff, Edelstahl und verzinktes Stahlblech seien als Rahmenmaterial eher die Ausnahme.

Kollektoren, die ins Dach integriert würden, seien laut dem IZT häufig mit Holzrahmen ausgestattet.

Zwar hätte die In-Dachmontage Vorteile wie:

• eingesparte Eindeckung der Dachhaut,
• höhere Dämmungseffizienz
• und geringere Materialintensität bei der Rahmengestaltung.

Dennoch sei der Wartungs- und Reparaturaufwand von Kollektoren im Dach höher als bei aufs Dach aufgeständerten Kollektoren (auf-Dach-Montage), die einfach die besseren Zugangsmöglichkeiten böten.

Lesetipp: Mehr zu In- und Aufdach-Montage von Kollektoren lest ihr hier.

Um die Rahmenkonstruktion zusätzlich zu stabilisieren, würden die Rahmen meist eine Rückwand bekommen. Die sei In der Regel aus Aluminium, es gebe aber auch Rückwände aus Kunststoff oder aus Hartschaumplatten aus Polyurethan (PU).

Dämmung

Hinsichtlich der Dämmung ist am häufigsten Mineralwolle anzutreffen, daneben werde ganz oder teilweise auch PU-Schaum (PU = Polyurethan) eingesetzt. Wesentliches Problem bei der Dämmung sei ihre Temperaturbeständigkeit sowie die Gefahr der Ausgasung bei hohen Temperaturen.

Lesetipp: Mehr zur Dämmung von Solarthermie-Anlagen steht hier.

Wärmeträgermedium

In Deutschland würden den Wärmeträgermedien laut IZT wegen der klimatischen Bedingungen häufig Frostschutzmittel zugesetzt. Nur zur Info: Die CPC Vakuumröhrenkollektoren von Paradigma / Ritter Energie arbeiten mit purem Wasser als Wärmeträgermedium (Solarflüssigkeit).

Lesetipp: Hier stehr alles zu Wasser vs. Wasser-Glykol als Wärmeträgermedium.

 Warum Frostschutzmittel im Kollektor zum Problem werden können

Zum Frostschutz schreibt das IZT, dass es in Deutschland Standard sei, der Trägerflüssigkeit Glykol beizumengen. Überwiegend komme Propylenglykol, mitunter auch das giftigere Ethylenglykol zum Einsatz. Wissen müsse man demnach, dass bei Temperaturen von über 170 ° C der Sauerstoff mit Glykol reagiere und organische Säuren bilde, die die Metalloberflächen des Kollektors angreifen würden. Daher setze man dem Glykol auch noch sogenannte Inhibitoren zu, die verhindern sollen, dass die Metallrohre der Solarthermie-Anlage rosten (korrodieren).

Die Inhibitoren wirken der Bildung organischer Säuren entgegen, indem sie eine sogenannte Reservealkalität vorhalten, die verhindere, dass der pH-Wert kritisch saure Werte annehme.

Bis Ende der 1990er Jahren habe man laut IZT vorwiegend feste Inhibitoren verwendet. Mit neuen Kollektortechnologien ergäben sich jedoch immer höhere Stagnationstemperaturen. Und feste Inhibitoren würden bei höheren Temperaturen zur Kristallisierung und zur thermischen Zersetzung neigen. Das sei der Grund, warum man inzwischen eher und bei Vakuumröhrenkollektoren standardmäßig auf flüssige Inhibitoren setze.

In Solarthermie-Kollektoren mit sogenannten Schottröhren, in denen das Wärmeträgerfluid durch Glasrohre ströme, verwende man außerdem einen Zusatz, die die Glasoberfläche nicht angreife.

Weitere Nachteile von Frostschutzmittel auf Glykolbasis seien laut IZT: Das Mittel altere. Und je nach Material- und Dichtungsverträglichkeit, Sauberkeit beim Befüllen der Solarthermie-Anlage sowie Temperaturbedingungen, vor allem im Falle von Stagnation, zersetze sich das Frostschutzmittel. Daher sei eine regelmäßige Prüfung des Wärmeträgermediums unabdinglich.

Im Schnitt stünde ein Wechsel des Wärmeträgermediums

• bei Flachkollekten alle 5 bis 12 Jahre
• und bei Vakuumröhrenkollektoren alle 3 Jahre,

um den gewünschten Frostschutz zu erzielen und aufrechtzuerhalten.

Die Autoren Handtke und Kamburow weisen zudem daraufhin, dass wegen der Alterung des Frostschutzmittel Glykol alternativ auch aromatische synthetische Zusätze verwendet würden, die auf dem Stoff Biphenyl basierten. Sie besäßen demnach eine thermische Stabilität von bis zu 400° C und kämen in solarthermischen Parabolrinnenkraftwerken zum Einsatz. Nachteilig sei ihre deutlich niedrigere Wärmekapazität und ihre Toxizität, weshalb sie in Flach- und Röhrenkollektoren eher selten zum Einsatz kämen.

Abdeckung

Bei der Abdeckung von Solarthermie-Kollektoren, so sie denn typischerweise vonnöten sei, sei eisenarmes Solarglas Standard. Eisenarmes-Rohglas sei Laut den Autoren vom IZT das Basismaterial zum Fertigen von Solar-Flachglas. Es sei Mindeststandard beim Abdecken von Solarthermie-Kollektoren. Sein geringer Anteil an Eisenoxid mache das Solarglas besonders durchlässig für Sonnenstrahlen. Es komme demnach als Struktur- oder Floatglas zum Einsatz.

Strukturglas

Strukturglas entstünde, wenn Walzen dem heißen und noch formbaren Rohglas (Gusselglas) eine feine Oberflächenstruktur aufprägten. Es reflektiere so einfallendes Licht nicht mehr in einem definierten Winkel, sondern leicht diffus. Dank der somit erzielten leichten Entspiegelung werde das Glas blendfrei und wirke weniger transparent. Beim Fertigen von Strukturglas komme es zu einer geringeren Umsetzung von Licht-schluckendem Eisen-III-Oxid (Fe2O3) und damit zu einer höheren Transmission.

Floatglas

Anders Floatglas: Es schwimme während seiner Fertigung auf einem Zinnbad und werde von dort zu einem endlosen transparenten Glasband abgezogen. Wegen der spiegelglatten Oberfläche des Zinnbades sei Floatglas so durchsichtig wie Fensterglas, allerdings reflektiere es auch das einfallende Licht ebenso stark. Antireflexbeschichtungen würden diesem unerwünschten Effekt entgegenwirken.

Solche Antireflexbeschichtungen hätten vor allem Hochleistungskollektoren. Wegen der gleichbleibenden Bedingungen bei der Fertigung, gelte Floatglas laut IZT als qualitativ hochwertigeres Glas.

Alternativ ließe sich die Reflexion verringern und damit die Transmission erhöhen, indem man die Glasoberfläche ätze. Die beim Ätzprozess erzeugte feine, poröse Oberflächenstruktur verändere den Brechungsindex des Glases. Infolgedessen erhöhe sich die Transmission um etwa 5 Prozent.

Um nicht extra eine kleine Menge der Glasoberfläche entferne zu müssenn, könne man auch eine Antireflexbeschichtung aufbringen. Das geschehe

• entweder im Tauchverfahren in SiO₂-haltigen Beschichtungslösungen (Sol-Gel-Verfahren)
• oder mit dem Aufdampfen im sogenannten Sputterverfahren.

In der Regel komme Glas in der Stärke von 3,2 Millimetern (mm) zum Einsatz. Wegen der Sicherheit verbaue man dem IZT zufolge gegen Windbelastung, Hagelschlag und Schneelast auch Glasstärken von 4 mm. Hier sei jedoch nachteilig, dass das dickere Glas auch die Transmissionsverluste und das Gewicht der Kollektoren erhöhe.

Montage der Glasscheiben

Zum Montieren der Glasscheiben habe man zwei Möglichkeiten:

• Abdichtungen mit einem umlaufenden EPDM-Gummi
• oder Verkleben (in der Regel) mit Silikon.

Ein EPDM-Band fange laut IZT zwar variierende thermische Ausdehnungen wirkungsvoll auf, aber seine Montage sei aufwendiger, da das an den Ecken vulkanisierte Gummi per Hand exakt eingelegt werden müsse.

Die Silikon-Verklebung dagegen könne automatisiert werden und gelte als langlebig. Aber: Die Verklebung müsse aushärten und erfordere eine hohe Sauberkeit bei geringen Fehlertoleranzen.

Zum Teil würden Hersteller laut IZT die beiden Abdichtungstechniken auch kombinieren. Dann würden sie

• EPDM-Dichtungen zusätzlich mit Silikon verkleben
• oder die Scheibe werde innen mit einem selbstverschweißenden Butylband fixiert und zudem mit Silikon verklebt.

Im nächsten Teil dieser Reihe geht es um die Materialien, die als Absorberbeschichtungen bei Solarthermie-Kollektoren zum Einsatz kommen. Und in Teil 3 werden wir dann auf die möglichen Umweltbelastungen von Solarthermie-Kollektoren schauen, die eher aus dem Verbrauch von Materialien zu ihrem Bau resultieren, denn aus ihrem Betrieb.

Foto: andybahn/photocase