Wie man Probleme mit Thermischer Stagnation vermeidet

Thermische Stagnation ist ein regulärer Betriebszustand von Solaranlagen. Thermische Stagnation bedeutet, dass der Solarkreislauf stillsteht, weil der Solarspeicher voll ist. Vor allem im Sommer, wenn nicht geheizt wird und Sonnenenergie im Überfluss vorhanden ist. Wie oft der Stillstand auftritt und wie die Solaranlage damit zurecht kommt, sagt auch etwas darüber aus, wie die Anlage konzipiert ist und wie (gut) sie arbeitet.

Was passiert bei der thermischen Stagnation?

Bei der thermischen Stagnation ist die Solarkreispumpe ausgeschaltet, weil keine Wärme mehr abgenommen wird und der Speicher voll ist, oder auch bei technischen Defekten und Stromausfall. Das heißt, das Wärmeträgerfluid steht im Kollektor und heizt sich ungeniert auf. Die Temperaturen können dann bei Flachkollektoren auf um die 150 Grad ansteigen, bei Vakuumröhrenkollektoren sogar auf über 200 bis zu 300 Grad. Die Anlage geht dann “in Dampf” und ist hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt. Mögliche Auswirkungen:

• Druckanstieg und Dampfbildung im Kollektor
• Ausbreitung des Dampfes im Solarkreislauf
• Geräusche
• Hohe Belastung der Anlagenbauteile
• Verzundern von Kupfer-, Messing- und Gussteilen (Korrosion durch Sauerstoff)
• Cracken von Glykol in der Wärmeträgerflüssigkeit

Cracken von Wasser-Glykol-Gemisch als Wärmeträger?

Diese Phänomene belasten die Anlage unter Umständen über Gebühr und können zu Schäden führen. Besonders gefährdete Komponenten bei der thermischen Stagnation sind Membranausdehnungsgefäß (MAG), Pumpe, Ventile, Rohrdämmung und eben das Wärmeträgermedium, sofern die Anlage mit Wasser-Glykol-Gemisch betrieben wird wie die Mehrheit der Solaranlagen im deutschsprachigen Raum. 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). Manche Hersteller von Frostschutzmittel für Solaranlagen werben aber mit hochverdampfungssicheren Eigenschaften bis über 200 Grad.

Wenn die Anlage gut konzipiert ist, hat sie keine Stagnationsprobleme

Bei gut konzipierten Anlagen mit Flachkollektoren, bei denen die Temperaturen weit unter 200 Grad bleiben (dies ist der entscheidende Teil), besteht kaum Gefahr, dass das Frostschutzmittel crackt. Darauf sollten Planer und Solarteure achten:

• sorgfältige Planung und Ausführung sind das A und O – Herstellerhandbuch beachten!
• gutes Entleerungsverhalten des Kollektorfeldes, d.h. das Wasser kann möglichst schnell der Schwerkraft folgend abfließen bzw. vom Dampf herausgedrückt werden, ohne dass sich Wassersäcke bilden – Rohrführung beachten!
• Minimierung der Stillstandszeiten durch ausreichende Speichergröße (große Anlagen zur Heizungsunterstützung sind weniger gefährdet als reine Warmwasseranlagen)
• steiler Aufstellwinkel (Optimierung für den Winter und Abmilderung sommerlicher Ertragsspitzen)
• Bei großen Kollektorfeldern ist besondere Vorsicht in der Planung geboten (da können die 200° schon mal passieren), in den Wirtschaftlichkeitsberechnungen eventuell den Tausch der Flüssigkeit während der Lebensdauer einkalkulieren.

Dadurch, dass mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Kollektortemperatur der Wirkungsgrad insbesondere von Flachkollektoren stark absinkt, heizt sich der Kollektor gar nicht so stark auf. Dieses Verhalten bietet dem Flachkollektor gewissermaßen einen natürlichen Schutz vor thermischer Stagnation bzw. vor ihren Auswirkungen.

Vakuumröhrenkollektoren hingegen erreichen eher Temperaturen, die das Wasser-Glykol-Gemisch in Gefahr bringen können; hier ist eine sorgfältige Planung und das Zusammenspiel der Anlagenparameter wie Aperturfläche, Speichergröße und Einfallswinkel noch wichtiger.

Anlagen ohne Glykol kochen nur mit Wasser 🙂

Will man dieses Problem ganz verhindern, sollte man darauf achten, dass Wasser als Wärmeträger eingesetzt wird. Einige Anlagen mit Vakuumröhrenkollekoren arbeiten ohne Glykol, mit reinem Wasser als Wärmeträger: Das AquaSystem steckt hohe Drücke und Temperaturen auch in großen Anlagen problemlos weg, und Drain-Back-Systeme entleeren den Kollektor bei Stillstandsgefahr und auch bei Frost.

Solare Spitzenerträge sinnvoll nutzen

Sofern die Anlage sie verkraftet, sind hohe Kollektortemperaturen sehr wertvoll. Sie erhöhen den Wirkungsgrad der Gesamtanlage bzw. ermöglichen sogar den Verzicht auf konventionelle Heizkessel. Ideal ist natürlich, wenn man möglichst viel von der gewonnenen Wärme nutzen kann, zum Beispiel

• Gebäudeklimatisierung
• solarthermische Großanlagen
• solare Prozesswärme
• Haushaltsgeräte mit Warmwasseranschluss

Letztlich gilt: Egal welches System man wählt, die Anlagenkomponenten müssen gut aufeinander abgestimmt sein. Flachkollektoren speisen eher in große Saisonspeicher ein, um Stillstände zu minimieren und Zeiten geringer Sonneneinstrahlung zu überbrücken. Das von Timo Leukefeld bewohnte energieautarke Haus in Freiberg beispielsweise war in diesem Sommer nur an wenigen Tagen für kurze Zeit in Stagnation. Bei hoch effizienten Vakuumröhrenkollektoren mit hohem Wirkungsgrad und kleinem Speicher dagegen ist es wichtig, dass die Kollektoren hohe Temperaturen aushalten und auch im Winter noch genügend Ertrag bringen, wie bei dem hier vorgestellten Haus in Wildenberg.

Was sind eure Erfahrungen mit thermischer Stagnation? Die Meinung der Solarteure würde mich hier besonders interessieren, weil sie bestimmt schon viel erlebt haben!

Foto: himberry / photocase.de

Quellen und Links zum Weiterlesen:

• Das Verhalten von Solarsystemen im Stagnationsfall (PDF), Fachartikel
• Forschungsprojekt zur thermischen Stagnation am Institut für Solarenergieforschung GmbH (ISFH)
• Betriebssicherheit thermischer Solaranlagen (PDF), Informationsblatt Nr. 34 des BDH
• Stagnation – thermische Solaranlagen, Artikel bei Haustechnikdialog
• Vercracktes Glykol – ein unterschätztes Phänomen, Fachartikel im IHKS-Fachjournal