Welche Wärmeträgerflüssigkeiten werden in Demax-Solarthermieanlagen verwendet?

Kernoptionen für Wärmeträgerflüssigkeiten bei Demax-Solarthermieanlagen

Wasser: Beste Wahl für Niedertemperatur-Demax-Anlagen mit Druckbetrieb

Für solarthermische Anwendungen, die unterhalb von 100 Grad Celsius betrieben werden, bleibt Wasser nach wie vor eine der wirtschaftlichsten und effizientesten verfügbaren Wärmeträgerflüssigkeiten. Die vorteilhaften Eigenschaften von Wasser ergeben sich aus seiner relativ hohen spezifischen Wärmekapazität (ca. 4,18 kJ pro kg·K) bei geringem Pumpaufwand. Bei Kühlung mit einem druckbeaufschlagten Demax-System ist Wasser ideal, da es nicht siedet und sicher sowie umweltfreundlich ist. Allerdings gefriert Wasser bei 0 Grad Celsius, weshalb diese Systeme nur in frostfreien Regionen betriebsbereit sind. Wenn durch Winterbedingungen ein Einfrieren der Anlagen droht, müssen Techniker das Wasser vollständig ablassen, um Schäden zu vermeiden. Leistungsdaten aus kontinental-mediterranen Haushalten zeigen, dass die ESTIF (European Solar Thermal Industry Federation) im Jahr 2023 nachwies, dass wasserbasierte Anlagen eine saisonale Effizienz von rund 60 % erreichten.

Lösungen mit Fokus auf Sicherheit und Frostschutz

Bei der Frostschutzwirkung zeigen Gemische aus Propylenglykol und Wasser viel Versprechen. Sie bleiben bis zu minus 30 Grad Celsius wirksam und sind weniger gefährlich als die anderen verfügbaren Optionen, die Ethylenglykol enthalten und bei Leckagen gesundheitsgefährdend sein können. Diese Gemische verhindern zudem Korrosion, sofern die Anlagen gemäß den entsprechenden Richtlinien mit Edelstahl und bestimmten anderen Kunststoffen ausgeführt werden. Als Nachteil weisen Propylenglykol-/Wassergemische bei 20 Grad Celsius eine Viskosität auf, die um 30 bis 50 Prozent höher ist als die von Wasser, weshalb die Pumpen deutlich stärker arbeiten müssen. Da sie jedoch sehr gut mit niedrigen Temperaturen umgehen können, sind sie in den meisten Regionen Nordamerikas und Nordeuropas das bevorzugte Wärmeträgermedium. Kürzlich haben Hersteller zudem durch Zugabe spezifischer, proprietärer Chemikalien zur Flüssigkeit Verbesserungen erzielt, die die Zersetzungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit verringern. Bei Prüfungen in geschlossenen Demax-Systemen nach den vorgeschriebenen branchenüblichen Standards wird eine Lebensdauer der Flüssigkeiten von 5 bis 7 Jahren geschätzt.

Thermisch stabile Silikonflüssigkeiten und Luft: Spezielle Anwendungen in solarthermischen Anlagen ohne Druck und bei erhöhten Temperaturen

Wärmeübertragende Silikonflüssigkeiten sind die einzigen Flüssigkeiten, die über längere Zeit hinweg in nicht druckbeaufschlagten, offenen Kreisläufen konzentrierter solarthermischer Systeme bei erhöhten Temperaturen zwischen 200 und 400 °C betriebsbereit bleiben. Silikonflüssigkeiten weisen zudem die für den Einsatz im Hochtemperaturbereich konzentrierter solarthermischer Systeme erforderliche Wärmeübertragungsfähigkeit auf. Allerdings werden Wärmeübertragungsflüssigkeiten nicht in Systemen eingesetzt, bei denen Luft als Arbeitsmedium dient. Luft in Kombination mit offenen Kreisläufen gewährleistet Zuverlässigkeit im Betrieb und einfache Wartung in nicht druckbeaufschlagten solarthermischen Anlagen. Der Anteil dieser speziellen Flüssigkeiten – selbst bei optimaler Auslegung – macht weniger als 15 Prozent der weltweiten Gesamtanzahl solarthermischer Anlagen aus.

Diese Zahl stammt aus der jüngsten Marktanalyse der Initiative SolarPACES der Internationalen Energieagentur (IEA) aus dem Jahr 2024.

Wesentliche Auswahlkriterien für solarthermische Wärmeträgerflüssigkeiten

Thermische Stabilität und Beständigkeit gegen Alterung

Bei Wärmeträgerflüssigkeiten (HTFs) in solarthermischen Anwendungen wird erwartet, dass sie langfristig chemisch stabil sind und sich über längere Zeiträume – in einigen Fällen sogar über Jahre hinweg – in der Nähe von 200 Grad Celsius befinden müssen. Bei chemischer Instabilität der Flüssigkeiten ergeben sich negative Auswirkungen auf das gesamte System, darunter eine Verringerung der thermischen Leistung. In einigen dokumentierten Fällen war innerhalb eines Zeitraums von fünf Jahren eine Reduktion der thermischen Leistung um 22 % zu verzeichnen. Dies ist häufig auf eine Zunahme der Viskosität infolge der Oxidation der Flüssigkeit und der anschließenden Schlambildung zurückzuführen. Solche Bedingungen führen zudem zu einem erhöhten Wartungsaufwand und einer verringerten Leistung der Wärmeaustauscher. Obwohl Oxidationsinhibitoren einige der genannten Probleme mindern können, ist stärker auf die Langzeitverträglichkeit der Flüssigkeit mit den Systemwerkstoffen zu achten. Zu diesen Systemwerkstoffen zählen beispielsweise Kupfer und Aluminium sowie in einigen Ventildichtungen auch Gummi, die im Laufe der Zeit unterschiedliche chemische Reaktionen mit der Flüssigkeit eingehen können. Insbesondere bei druckbeaufschlagten Demax-Systemen wird geschätzt, dass die Korrosionsrate bei stabilen Flüssigkeiten etwa 30 % höher ist als bei instabilen Flüssigkeiten.

Diese Art von Verschleiß verkürzt nicht nur die Lebensdauer der Ausrüstung, sondern erhöht auch langfristig erheblich die Wartungsbudgets.

Flüssigkeitsauswahl entlang der Klimazonen im solarthermischen Markt Nordamerikas und Europas

Bei der Auswahl der Flüssigkeit ist strikt auf die klimatischen Extrembedingungen des Installationsgebiets zu achten.

1. Die nordischen Länder und Mitteleuropa: Der Frostschutz muss bis –30 °C gewährleistet sein. Zu diesem Zweck ist eine Propylenglykol-Wasser-Mischung im Verhältnis 50:50 der de-facto-Standard für Kaltklima-Einsätze von Demax, da sie über 85 % der Wärmeübertragungseffizienz von Wasser beibehält.

2. Das Mittelmeer und der Südwesten der Vereinigten Staaten: Die Stillstandstemperaturen überschreiten regelmäßig 300 °C. Die Stillstandstemperaturen erfordern daher eine hohe Temperaturstabilität bei gleichzeitig niedrigem Dampfdruck. In dieser Hinsicht überbieten Siliconverbindungen Glykole, da ihr Dampfdruck bei den maximalen Betriebstemperaturen um 40 % niedriger ist als der von Glykolen; dadurch verringert sich die Häufigkeit von Druckentlastungsaktivierungen und somit auch der Flüssigkeitsverlust.

3. Der Nordosten der Vereinigten Staaten als Beispiel für ein gemäßigtes Klima: Es ist eine Zweischutzkonstruktion erforderlich. Die neueste Generation von Kohlenwasserstoffschäumen behält ihre Pumpfähigkeit unter –25 °C bei und widersteht einer thermischen Zersetzung bei Temperaturen bis zu 290 °C. Dadurch ist eine jährliche Betriebssicherheit ohne Einbußen bei der Effizienz gewährleistet.

Obwohl ihr Einsatz die Viskosität um 12–15 % erhöht, was zu einem höheren Pumpaufwand und größeren Pumpenbohrungsdurchmessern führt, ist ein Trend hin zu thermisch stabileren Flüssigkeiten erkennbar, trotz der zusätzlichen Sicherheitsanforderungen, die sie stellen.

Vergleich der Leistung hinsichtlich Effizienz, Sicherheit und Systemkompatibilität in solarthermischen Anwendungen

Thermophysikalische Kompromisse im Hinblick auf spezifische Wärmekapazität, Viskosität und Pumpenergie unter Berücksichtigung des Durchflusses im Verhältnis zur solarthermischen Ausbeute

Die gesamte thermische Leistungsfähigkeit jedes Fluids wurde in Bezug auf drei physikochemische Eigenschaften des Fluids analysiert: die thermische Energiespeicherkapazität des Fluids (spezifische Wärmekapazität), die Dicke des Fluids (Viskosität) und der thermische Abbau des Fluids (thermische Stabilität). Wasser ist ein ausgezeichneter thermischer Energieträger (spezifische Wärmekapazität beträgt etwa 4,18 kJ pro kg und Kelvin). Allerdings treten bei der Verwendung von Wasser in diesen Systemen Probleme auf, da die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen können. In solchen Fällen ist die Verwendung von Glykolgemischen erforderlich, obwohl diese Fluide 30 bis 50 % viskoser als Wasser sind. Dieser zusätzliche viskose Strömungswiderstand erfordert mehr Arbeit der Pumpen, was in großen industriellen Anlagen üblicherweise zu einem Energieverbrauchsanstieg von 15 bis 30 % führt und die netto gewonnene Solarenergie verringert. Obwohl Silikonflüssigkeiten bei Erwärmung nicht so viskos werden, liegt ihre spezifische Wärmekapazität nur im Bereich von 1,5 bis 1,8 kJ. Daher müsste ein Betreiber, der Silikonflüssigkeiten verwendet, eine doppelt so hohe Fluidströmungsrate fördern wie bei Verwendung von Wasser. Diese Fluidführung erhöht den Bedarf an größeren Pumpen, steigert die mit Strom verbundenen Kosten und erhöht den Wartungsaufwand.

Es wurde durch Realwelt-Tests in Parabolrinnen-Solaranlagen bestätigt, dass nicht kompatible Flüssigkeiten und Pumpen die thermische Leistung im Laufe der Zeit um 12 bis 18 Prozent reduzieren können. Bedeutsam ist, dass minderwertige Flüssigkeiten schneller abbauen und bereits nach nur fünf Jahren bis zu 50–80 Prozent viskoser werden können, was den Durchfluss beeinträchtigt. Folglich müssen Ingenieure jede neue Flüssigkeit im Wesentlichen mit sämtlichen Komponenten des Systems bewerten, mit denen sie in Berührung kommt – darunter Ausdehnungsbehälter, Ventile und insbesondere plattengelötete Wärmeaustauscher.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der primäre Vorteil der Verwendung von Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit in Demax-Systemen?

Wasser ist effizienter beim Transport von Wärme, weil es eine höhere spezifische Wärmekapazität als andere Flüssigkeiten aufweist. Seine Anwendung bei niedrigen Temperaturen in frostfreien Regionen sowie seine geringen Pumpenergieverluste machen es zu einer besonders bevorzugten Flüssigkeit.

Welche Vorteile bietet die Verwendung von Propylenglykol-Wasser-Gemischen in kalten Klimazonen?

Diese Gemische sind zäher als Wasser und sicherer als Ethylenglykol-Optionen. Sie sind in kalten Regionen die bevorzugte Wahl aufgrund ihrer Beständigkeit bei niedrigen Temperaturen und erhöhten Viskosität, insbesondere in Nordamerika und Nordeuropa.

Welche Eigenschaften von Silikonflüssigkeiten ermöglichen deren Einsatz in Hochtemperaturanwendungen?

Silikonflüssigkeiten weisen eine bemerkenswerte thermische Stabilität auf, wodurch sie beispielsweise in konzentrierten solarthermischen Anlagen für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden können. Darüber hinaus besitzen Silikonflüssigkeiten einen niedrigen Dampfdruck, was die Wahrscheinlichkeit einer Auslösung der Druckentlastung bei Spitzen temperaturen minimiert.

Welche Auswirkungen haben die Auswahlkriterien auf das Klima der jeweiligen Region bei der Wahl eines Wärmeträgerfluids?

Um Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems zu maximieren, sollten Wärmeträgerflüssigkeiten mit Frostschutzeigenschaften in kalten Regionen eingesetzt werden, während Flüssigkeiten mit hoher thermischer Stabilität in heißen Regionen verwendet werden sollten.