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Frostschutz bei Solarthermie-Anlagen

Wie wird eine Solarthermie-Anlage vor Frost geschützt?

Die Solarflüssigkeit von Solarthermie-Anlagen dient als Wärmeträger. Ganz gleich welches Wärmeträgermedium für den Transport der gewonnenen Wärme sorgt, muss es im Sommer, wie im Winter extreme Temperaturen aushalten. Dabei soll es in seiner chemischen Eigenschaft beständig bleiben und zuverlässigen Frostschutz bieten. Um Beschädigungen an der Solarthermie-Anlage auszuschließen und vorzubeugen, darf die Solarflüssigkeit bei Minusgraden an keiner Stelle des Solarsystems einfrieren.

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Anforderungen an den Frostschutz

Die Anforderungen an den Frostschutz finden sich aber nicht nur darin, dass die Solarflüssigkeit nicht einfriert. Dabei soll die Anlage auch noch effizient laufen. Als wesentliche Anforderung an Frostschutz gelten folgende Punkte:

  • verlässlicher Schutz vor Frost
  • gute Wärmeträger-Eigenschaft
  • gute Fließ- und Wärmeleitfähigkeit

Systemabhängig lassen sich zwei wesentliche Frostschutz-Methoden unterscheiden:

  • Frostschutz durch den Einsatz von Frostschutzmitteln – Wasser-Glykol-Gemisch Die Konzentration des Frostschutzmittels in der Solarflüssigkeit bestimmt die Kältebeständigkeit der Solarflüssigkeit bis zu einem gewissen Grad.
  • Frostschutz durch den Einsatz moderner Solartechnik – Wasser geführte Solarsysteme Steuerungstechnik sorgt im Bedarfsfall durch Umwälzen der Solarflüssigkeit (Wasser) für Frostschutz.

Frostschutz mit Frostschutzmittel

Für nord- und mitteleuropäische Regionen, in denen im Winter Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes herrschen können, hat sich als Solarflüssigkeit: Wasser-Glykol-Gemisch etabliert. Durch seine hohe Kältebeständigkeit bietet dieses Wärmeträgermedium auf Glykol-Basis eine sichere Möglichkeit, in kalten Wintern Frostschutz zu gewährleisten. Das Wasser-Glykol-Gemisch zirkuliert zwischen Kollektor und Wärmespeicher in einem eigenständigen, abgeschlossenen Kreislauf.

Wasser-Glykol-Gemisch

Propylenglykol, oder einfach nur Glykol, ist eine ölige, geruchlose Flüssigkeit. Um Solarflüssigkeit für Solarthermie-Anlagen zu bereiten, wird sie mit Wasser gemischt. Auch sogenannte Korrosionsinhibitoren werden dem Frostschutzmittel beigemischt. Diese sollen die metallischen Komponenten der Solaranlage vor Zersetzung schützen. Das fertige Wasser-Glykol-Gemisch ist dann eine farbige, klare Flüssigkeit. Normgerecht (DIN 4757) angesetzt, bietet sie Frostschutz, der auf einen Frostpunkt, auch Eisstockpunkt genannt, von -34 °C eingestellt ist.

Glykol-Konzentration der Solarflüssigkeit

Der Frostschutz hängt von der Glykol-Konzentration ab. Das Gemisch reagiert träge. Es gefriert und verdampft nicht so schnell wie reines Wasser. Wobei sich die Konzentration des Gemisches auch auf die Fließeigenschaft (Viskosität) und die Wärmeaufnahme des Wärmeträgers auswirkt. Damit es zu Gunsten des Frostschutzes nicht zu unnötigen Wärmeverlusten kommt, wird die Konzentration: des Glykols am besten so niedrig als möglich für die jeweilige Region ausgelegt.

Die verschiedenen Frostschutzmittel auf dem Markt, bieten unterschiedlichen Frostschutz. Die nachfolgenden Zahlen stellen Beispiele für gängige Konzentrationen aus der Praxis dar, der Frostschutz kann von Produkt zu Produkt variieren:

Verhältnis der Glykol-Konzentration zum Gefrierpunkt der Solarflüssigkeit (Grafik: energie-experten.org)
Verhältnis der Glykol-Konzentration zum Gefrierpunkt der Solarflüssigkeit (Grafik: energie-experten.org)

Die Solarflüssigkeit beginnt bereits bei geringeren Minusgraden in einen zähflüssigen Eisbrei überzugehen, was für die Solarthermie-Anlage allerdings kein Problem darstellt, da keine Sprengwirkung entsteht.

Die Konzentration der Solarflüssigkeit sollte einmal pro Jahr kontrolliert werden, um ausreichenden Frostschutz zu gewährleisten. Die Messung der Solarflüssigkeiten kann mit Lackmuspapier (pH-Wert-Bestimmung), einem Frostschutzprüfer oder einem sogenannten Refraktometer (für Propylenglykol) geprüft werden. Beim Nachfüllen oder Austauschen des Wärmeträgermediums sollten keine Glykol-Gemische von verschiedenen Herstellern miteinander vermischt werden. Nicht alle Solarflüssigkeiten sind für jede Anlage geeignet. Daher sind die Herstellerangaben (Solarthermie-Anlage + Solarflüssigkeit) unbedingt zu beachten, damit es nicht zu kostenintensiven Schäden an der Anlage kommt.

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Frostschutz bei Wasser geführten Solarsystemen

Die technische Weiterentwicklung von Solarthermie-Anlagen bringt mehr Effizienz und bessere Leistungen mit sich. In guten Solarkollektoren (Röhrenkollektoren) können im Sommer sogar Temperaturen über 300 Grad Celsius herrschen. Das Risiko, dass die Solarflüssigkeit vorzeitig altert und zerfällt, bringt nicht nur höhere Kosten für die Wartung mit sich, sondern auch die Gefahr von Anlagenschäden. Die Anforderungen an die Solarflüssigkeit steigen damit ebenfalls. 

Reinwasser als Solarflüssigkeit

Einige Hersteller setzen auf Wasser als Solarflüssigkeit. Wasser ist ein guter Wärmeträger. Beim Wechsel seiner Aggregatszustände verhält es sich chemisch stabil. Zudem ist es in guter Qualität sehr günstig in der Anschaffung. Der Gefrierpunkt von Wasser liegt allerdings schon bei 0 und der Siedepunkt bei 100 Grad Celsius. Eine Herausforderung für die Technik.

Frostschutz durch Technik

Solaranlagen, die auf Glykol-Wasser-Basis funktionieren, sind in unseren Breiten weit verbreitet. Das liegt am guten Frostschutz. Zeitgemäße wassergeführte Systeme sind ebenfalls in der Lage, sicheren Frostschutz zu leisten. Dabei wird mit Reinwasser als Solarflüssigkeit gearbeitet. Der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 0 Grad Celsius. Herrschen im Winter Minusgrade, darf das Wasser im Kollektor und den Leitungen nicht einfrieren.

Eine Möglichkeit besteht darin, wärmeres Wasser aus dem Speicher in den Kollektor zu leiten. Um bei Minusgraden einen sicheren Frostschutz zu gewährleisten, sorgt die Solarsteuerung mehrmals pro Stunde mit wärmerem Wasser dafür, dass die Temperatur im Kollektor nicht unter 5 Grad Celsius fällt. Laut Herstellerangaben soll die dafür aufgewandte Energie von dem besseren Wärmeertrag, den Wasser bietet, mehr als gedeckt werden. Die Solarflüssigkeit kann zudem in den Heizkreislauf eingebunden werden: Wasser geführte Solarsysteme benötigen keinen eigenen Kreislauf, wie etwa bei Solarthermie-Anlagen, die mit Wasser-Glykol arbeiten.

Im Sommer, wenn die Solaranlage besonders hohe Temperaturen aushalten muss, geht Wasser schneller als Wasser-Glykol in Dampf über. Mit weniger Druck und Belastung für die Anlage kann dieser ausgeleitet werden. Dabei verhält sich Wasser chemisch stabil. Es besteht keine Gefahr, dass sich das Wasser zersetzt, crackt und die Anlage beschädigt.

Eine weitere Technik, die mit Wasser als Solarflüssigkeit arbeiten kann, ist das Drain-Back-System. Bei diesen Systemen wird das Wasser vom Kollektor in einen dafür vorgesehenen Auffangbehälter abgelassen, um Frostschutz zu gewährleisten.

Anforderungen an Wasser als Solarflüssigkeit

Erfüllt das regionale Trinkwasser die Herstellerangaben, entstehen nur sehr geringe Anschaffungskosten für die Solarflüssigkeit. Ob sich das örtliche Trinkwasser eignet, hängt von verschiedenen Wasserwerten ab:

  • Wasserhärte
  • pH-Wert
  • Chlorid-Gehalt

Eventuell muss das Wasser vorher aufbereitet werden. Um die Anlage nicht mit Salzen oder Mineralien zu belasten oder gar zu schädigen. Ist das Wasser aufzubereiten, entstehen weitere Kosten, die als Posten bei der Anschaffung für die Solarflüssigkeit hinzukommen.

"Frostschutz" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.