Winter-Experimente am Solarprüfstand: Wasser-Glykol-Gemisch vs. Wasser

Ihr habt’s sicher längst bemerkt, die Begeisterung an Christoph Zinganells Diplomarbeit zur solaren Fernwärme ist ungebrochen. Zumindest bei mir. Und ich hoffe, auch Euch macht die Lektüre der hier auf dem Blog in verdaulichen Häppchen präsentierten wissenschaftlichen Erkenntnisse Freude. Heute habe ich mir ein kleines Schmankerl aus dem Text gefischt: Es geht Messprobleme am Solarprüfstand, die die Wasser-Glykol-Mischung im Winterbetrieb verursachte.

Doch eins nach dem anderen. Wie Ihr bereits wisst, hat der Christoph für seine Diplomarbeit die Funktionsweise verschiedener Solarthermie-Systeme (Flackkollektor, Vakuumröhrenkollektor, Parabolrinne und Solarwand alle Artikel unten) untersucht und miteinander verglichen. Zum einen rechnerisch mit Hilfe eines Simulationsprogramms namens ScenoCalc, auf das ich hier bereits näher eingegangen bin. Zum anderen hat Christoph die Solarthermie-Technologien auf einen Solarprüfstand gebracht und in der Praxis getestet – quasi unter der Sonne Wiens. Näheres dazu steht in diesem Artikel hier.

Christoph Zinganell schreibt selbst dazu: „Um das Verhalten der verschiedenen Solarthermie-Systeme experimentell zu ermitteln, wurden im Sommer beziehungsweise Herbst 2012 sowie im Frühjahr und Sommer 2013 unterschiedliche Experimente und Messungen am Solarprüfstand durchgeführt.“

Hydraulischer Ausflug

Um die Probleme, die sich mit dem Wärmeträgermedium Wasser-Glykol-Mischung im Winterbetrieb ergaben, einzuordnen, will ich zuvor jedoch so kurz wie möglich  den hydraulischen Aufbau der von Christoph aufgebauten Experimente vorstellen. Das geht am besten mit der Grafik aus Christophs Arbeit:

Die Grafik zeige laut Christoph den hydraulischen Aufbau am Solarprüfstand. Links befänden sich die drei solaren Kreise, welche unabhängig voneinander geregelt würden. Rechts sähe man den notwendigen Rückkühlkreis, da die gewonnene Energie der einzelnen solaren Kreise keinem konventionellen Wärmeabgabesystem zugeführt würde. Stattdessen werde mittels zweier 25 kW-Tischrückkühler die erzeugte Wärme an die Umgebungsluft abgegeben beziehungsweise in den Pufferspeicher geladen. Der Pufferspeicher diene zusätzlich als hydraulische Weiche, welche Abnehmer (Rückkühlung) und Erzeuger (Solarthermie-Systeme) entkopple. Der Effekt: Die Volumenströme in beiden Kreisen (Kühlkreis und Solarkreis) würden unabhängig voneinander. Noch ein Hinweis von Christoph: Orange hinterlegte Werte seien errechnete Größen und grau hinterlegte gemessene Werte.

Soviel zum hydraulischen Aufbau. Kommen wir jetzt zur Sache. Also zu den Problemen mit dem Wärmeträgermedium.

Wasser-Glykose-Gemisch oder reines Wasser als Wärmeträgermedium?

Christoph schreibt dazu folgendes: „Nach Abschluss der Messungen im November 2012 musste zur Frostsicherung ein Wasser-Glykol-Gemisch als Wärmeträgermedium eingesetzt werden, dies führte zu mehreren Schwierigkeiten bei den Messungen.“ Und weiter: „Das für den Solarprüfstand gewählte Frostschutzmittel basiert auf einer wässrigen Lösung von höher siedenden Glykolen und ist speziell für hohe thermische Belastungen, welche bei Stagnation am Versuchsstandort durchaus auftreten können, konzipiert. Das gemischte Frostschutzmittel wurde mit entionisiertem Wasser auf eine Frostsicherheit von etwa minus 23 Grad Celsius eingestellt und ist phosphat-, borat- sowie nitritfrei [ANTIFROGEN 2011].“

Für die Wahl des Wärmeträgermediums sei es Christoph zufolge wichtig gewesen, dass

• es mit einem großen Temperaturbereich zurechtkomme und
• dass es einen gewissen Korrosionsschutz für die verschiedenen verbauten Metalle der hydraulischen Anlage (Stahl, Kupfer und Edelstahl) biete.

In der hydraulischen Anlage am Solarprüfstand Kagran steckten demnach insgesamt etwa 500 Liter Flüssigkeit, die netto einen Wert von 1.140 Euro hatten, also ohne Umsatzsteuer. Ende November 2012 wechselte Christoph den Wärmeträger. Er tauschte Wasser gegen die speziell angefertigte Wasser-Glykol-Mischung. Dadurch hätten sich jedoch einige Schwierigkeiten und Probleme bei der Messung von verschiedenen wichtigen Parametern am Solarprüfstand ergeben:

• Hauptproblem sei der nichtlineare Verlauf der kinematischen Viskosität des Wasser-Glykol-Gemisches in Abhängigkeit von der Mediums-Temperatur gewesen. Um zu verdeutlichen, was damit gemeint ist, liefert Christoph folgende Grafik:

Das Problem habe sich als Erstes mit höheren als erwarteten Pumpleistungen bemerkbar gemacht. Es mussten leistungsfähigere Pumpen eingebaut werden, da der geforderte Volumenstrom in den einzelnen Systemen nicht mehr erreicht wurde.

• Ein noch viel schwerwiegenderes Problem sei Christoph zufolge jedoch die nichtlineare Abhängigkeit der Viskosität von der Mediums-Temperatur gewesen. Die gemessenen Volumenströme entsprachen nicht mehr den realen, weil die angegeben KV-Werte, welche einen normierten Druckabfall bei den eingesetzten Ventilen erzeugen, auf Wasser normiert sind. Zum besseren Verständnis noch schnell die Erklärung, was ein KV-Wert ist: Der wird auch Durchflussfaktor beziehungsweise Durchflusskoeffizient genannt und ist das Maß für den erzielbaren Durchsatz einer Flüssigkeit durch ein Ventil. Die Einheit des KV-Werts ist: m³ ? h-1.Im Endeffekt konnten keine genauen Volumenströme ermittelt werden und in weiterer Folge auch keine exakten Energiemengen im Zeitraum von 10. November 2012 bis 18. April 2013 gemessen werden.

Und was tut ein angehender Diplom-Ingenieur in so einem Fall?

Nun, Christoph Zinganell hat das Wasser-Glykol-Gemisch im Frühjahr 2013 aus der gesamten Anlage wieder entfernt und das komplette Rohrleitungssystem sowie alle Kollektoren am Solarprüfstand mehrfach gespült, um alle Rückstände des Zeugs aus den Rohrleitungen zu holen. Seine Anmerkung dazu im Wortlaut: „Dies ist wohl auch der Grund, warum alle Messungen und Prüfungen, welche von verschiedensten Prüfungs- und Normungsinstituten in Europa durchgeführt werden, nur mit reinem Wasser durchgeführt werden.“

Gleichzeitig hat Christoph das Wasser-Glykol-Gemisch nach eigenen Angaben für einen weiteren Einsatz aufbewahrt. Eine Probe davon schickte er außerdem an das Institut für Mineralölprodukte und Umweltanalytik Ziviltechniker-GesmbH I.M.U. zur Überprüfung. Was dabei herauskam sowie die entsprechenden Herstellerangaben hat Christoph hier vergleichenderweise zusammengefasst:

Was Christoph und wir daraus lernen? Nun, es „wird ersichtlich, dass die ermittelten Abweichungen für eine einwandfreie Messung der Volumenströme respektive Energiemengen zu groß und vor allem nichtlinear sind und somit Messungen mit einem Wasser-Glykol-Gemisch zu falschen Ergebnissen führen“, schreibt Christoph.

Er führt weiter aus, dass ein „Einsatz von Glykol oder anderen Frostschutzgemischen“ bei solaren Großanlagen allerdings nicht unbedingt notwendig sei. Gründe, die für einen Einsatz von Wasser als Wärmeträgermedium sprächen, seien demnach

• die hohen Stagnationstemperaturen
• und die Wartungsfreiheit,

während beim Einsatz eines Frostschutzmittels dieses regelmäßig gewechselt und die Anlage unter Umständen öfters gespült werden müsse.

Auch der Wegfall des Solarwärmetauschers inklusive Sekundärkreispumpe, geringere Wärmeverluste und ein niedrigerer Strombedarf für die eingesetzten Pumpen seien laut Christoph Zinganell Argumente, die für reines Wasser als Wärmeträgermedium sprächen.

Ein Nachteil von Wasser sei, dass der Frostschutz bei Großanlagen durch Niedertemperaturwärme aus den Speichern beziehungsweise aus dem Wärmenetz gewährleistet werden müsse. Dies sei jedoch nur bei geringen Wärmeverlusten des Kollektorsystems möglich und somit in Mitteleuropa mit einem konventionellen Flachkollektorfeld sehr schwierig bis unmöglich.

Aus diesem Grund sei ein reines Wasser-System bei den in Christophs Diplomarbeit betrachteten Systemen nur für die Vakuumröhrenkollektoren und Parabolrinnen sowie die Solarwand eine Option.

Und wie findet Ihr das? Ich nenn’ das mal eine Erkenntnis!

Was denkt Ihr dazu? Wir haben hier auf dem Block einige Posts zum Thema Wasser vs. Wasser-Glykol-Mischung . Die könnten Euch auch interessieren!

Alle bisher erschienen Artikel der Serie

• Tataaaaa die wohl umfassendste Diplomarbeit zu solarer Fernwärme ist da
• Wiener Fernwärmenetz – So funktioniert’s
• Sceno Kalk – Simulationssoftware für Kollektorerträge
• Wie funktioniert ein Solarprüfstand?
• Fernwärmemarkt – So schaut er in Österreich aus

Foto: inga dpunkt / photocase.de (Titel), Christoph Zinganell (3 Grafiken)