Verschiedene Kollektorhersteller haben Projekte zur Herstellung von Ganzaluminiumabsorber. Das Risiko von Korrosionsschäden in Anlagen mit diesen Kollektoren ist aber sehr schwer einzuschätzen und führt zu einiger Unsicherheit am Markt. Um das tatsächliche Risiko von Korrosionsschäden besser abschätzen zu können und um geeignete Massnahmen zur Reduktion des Schadenrisikos vorzuschlagen, wurden im Rahmen dieses Projektes am SPF zwei Prüfstände aufgebaut die im Folgenden beschrieben sind. Damit sollen sowohl Aluminium- als auch Fluidhersteller die Möglichkeit haben ihre Produkte zu testen. Aus den Resultaten sollen auch allgemeine Aussagen zu Vorsichtsmassahmen beim Bau von thermischen Solaranlagen, welche Fluid führende Komponenten aus Kupfer, Aluminium und weitern Materialien enthalten, gemacht werden können.

Laboranlage: In einer Zusammenarbeit mit der Industrie wurde eine Laboranlage, welche eine einfache thermische Solaranlage abbildet, zur Untersuchung der Korrosion von Aluminium Modellabsorbern in einer Material-Mischinstallation (d.h. mit fluidführenden Rohren aus unterschiedlichen Metallen) aufgebaut, Die Dimensionierung wurde mit einem Flächenverhältnis Aluminium zu Kupfer zu Stahl von 1:5:5 realisiert. Weiter kann Messing z.B. in Verbindungselemente vorkommen. Die Modellabsorber hatten jeweils eine Mäandergeometrie aus einem Aluminiumrohr mit 8x1 mm Durchmesser und einer gesamten Länge von 1.48 m. Der Volumenstrom der Pumpe wurde so eingestellt, dass eine Fluid-Strömungsgeschwindigkeit im Modellabsorber kleiner als 1 m/s resultierte. Da Stagnation der Anlage als meist belastender Betriebszustand für die Anlagen im Feld angenommen wird, ist ein Zyklus mit hohen Temperaturen von 200°C am Absorber und einer Stagnationszeit von 20 bis 30 Min definiert worden. Die Zykluszahl wurde zwischenzeitlich von 600 auf 2400 erhöht und konnte nach entsprechenden Erkenntnissen zu Korrosionsarten und -Ablauf wieder auf 600 reduziert werden. Die Fluidproben wurden dazu vom Fluid-Lieferanten untersucht und die metallurgischen Untersuchungen am Modellabsorber wurden vom Aluminiumhersteller gemacht.

Als Korrosionsarten wurden Lochfrass, Entzinkung vom Messing und intergranulare Korrosion beobachtet. Wobei Lochfrass die gravierendste Art ist und in den ersten Versuchen schon nach rund 48 h Betriebszeit auftrat. Durch entsprechende material- und verarbeitungstechnische Massnahmen kann jedoch eine Anlage mit fluidführenden Bauteilen aus Aluminium gebaut und sicher betrieben werden. Die Empfehlungen dazu sind:

- Wärmeträgerfluid mit entsprechenden Inhibitoren für Aluminium.

- Messing nicht mit Aluminium direkt in Kontakt.

- Messing nur an Stellen verbaut, wo Temperaturen tiefer als ca. 80°C auftreten.

- Kupfer und Aluminium durch rostfreien Stahl – Rohrstück - trennen.

- Verarbeitung ohne zinkhaltige Lötmittel.

- Verarbeitung ohne chlorhaltige Flussmittel.

- Verhindern von Sauerstoffeintrag in den Wärmeträgerkreis.

Eine Weiterführung der Laborarbeiten mit vertiefter Fragestellung zu Korrosion an thermischen Solaranlagen wäre sinnvoll.

Feldanlage: Zum Vergleich und zur Überprüfung mit den im Labor erreichten Ergebnissen, wurde eine einfache, thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung aufgebaut und mit Temperatur-, Durchfluss- und Druckfühler ausgerüstet. Diese Anlage soll für ein fiktives Wochenendhaus – Belegung nur am Wochenende – Warmwasser liefern. Auch hier soll ein möglichst ungünstiger Betriebszustand simuliert werden. Die Fläche der Flachkollektoren welche mit Aluminium-Absorbern bestückt sind, beträgt A_K=4.2 m². Das Fluidvolumen der Kollektoren beträgt je V_K=1.1 l, die Kupfer-Rohrleitungen zum und vom Kollektorfeld haben total eine Länge von L=18 m bei einem Innendurchmesser von D_RL=12 mm, dies ergibt ein (Fluid) Volumen der Rohrleitungen von V_RL=2 l. Der Heisswasser-Speicher hat ein Volumen von V_Sp=160 l. Dieser hat einen integrierten Wärmeübertrager mit einer Fläche A_hx=0.75 m² und einem Rohrleitungsvolumen von V_hx=4.9 l. Um häufige Stagnationszustände zu provozieren wird ein Warmwasserprofil mit einem Verbrauch von 140 l/Tag nur an den beiden Wochenendtagen definiert. Der Solarregler hat als Führungsgrösse die Differenztemperatur ΔT zwischen Kollektor- T_K und Speichertemperatur T_Sp (ΔT=T_K-T_Sp). Die Anlage ist seit Februar 2015 in Betrieb und wird auch im 2018 in Betrieb bleiben. Während dieser Betriebszeit wurden/werden die Daten der Messfühler erfasst sowie in regelmässigen Abständen Fluidproben gezogen. Insgesamt war die Anlage in dieser Betriebszeit 274 Mal in Stagnation mit einer aufsummierten Stagnationszeit von 565 h.

Die Fluidproben wurden/werden dem Fluidhersteller jeweils zur Analyse geschickt. Dabei fällt auf, dass über die ersten 9 gezogenen Proben der pH-Wert bei 20 °C immer im Bereich von 8.3 und 8.4 liegt und dann in der zehnten Fluidprobe auf den Wert 7.7 sinkt. Zudem steigt die Restalkalinität in den Proben von 1.3 (ml 0.1M HCl/10ml) auf 1.6 an und der Aluminiumgehalt sinkt von 2 (µg/g) auf einen Wert unter der Nachweisgrenze von 1 (µg/g). Metallurgische Untersuchungen werden nur bei Auftreten eines durch Korrosion (eindeutig) versursachten Lecks gemacht. Die Anlage konnte bis Ende August 2017 ohne Leck betrieben werden.