Solarflüssigkeit in Solarthermie-Anlagen

• Funktion der Solarflüssigkeit: Transportiert Wärme zwischen Solar-Kollektoren und Solarspeicher, typischerweise als Wasser-Glykol-Mischung, die Temperaturschwankungen aushält und Einfrieren vermeidet.
• Sommeranforderungen: Muss hohe Temperaturen und Stagnationszeiten vertragen; schnelles Verdampfen bei Überhitzung ist vorteilhaft, um Schäden zu verhindern.
• Winteranforderungen: Die Glykol-Beimischung schützt vor Frost, reduziert jedoch die Wärmeleitfähigkeit, was höhere Pumpenleistung erfordert.
• Druckausgleich: Die Flüssigkeit muss Druckänderungen durch thermische Ausdehnung bewältigen, etwa durch Sicherheitsventile und Membranausdehnungsgefäße.
• Reinwasser als Alternative: Bietet hohe Wärmekapazität und einfache Systemintegration, jedoch erhöhtes Einfrier-Risiko im Winter.
• Was ist cracken? Unter dem "cracken" von Glykol versteht man eine thermische Zersetzung durch zu hohe Temperaturen während der Dampfphasen einer stillstehenden (stagnierenden) Solarthermieanlage.
• Wartung und Nachfüllen: Regelmäßige Überprüfung der Flüssigkeit; Austausch ist alle 5-10 Jahre erforderlich, um thermische Effizienz zu erhalten.
• Propylenglykol oder Ethylenglykol? In solarthermischen Anlagen mit möglichen Temperaturbelastungen größer als 100°C kommt in der Regel Propylenglykol zum Einsatz, aber keinesfalls Ethylenglykol. Ethylenglykol ist für diesen Temperaturbereich nicht geeignet ist.

Die Wärmeträgerflüssigkeit - auch Solarflüssigkeit genannt - transportiert die Wärme von den Solarthermie-Kollektoren zum Solarspeicher und wieder zurück. Da die Solarflüssigkeit im Anlagenbetrieb im Winter sehr niedrige und im Sommer sehr hohe Temperaturen aushalten muss, verwendet man als Solarflüssigkeit meistens eine Mischung aus Wasser und Glykol. Dies vermeidet ein Einfrieren im Winter und erhöht den Siedepunkt im Sommer.

Trotzdem kann es bei Überschreiten der sogenannten Stagnationstemperatur zu einem Verdampfen und Ablassen der dann gasförmigen Solarflüssigkeit kommen. In Folge dessen kann dann eine Nachfüllung oder bei Beschädigung ein Austausch der Solarflüssigkeit notwendig werden. Der Zustand der Solarflüssigkeit wird bei einer regelmäßigen Wartung geprüft. Dies ist auch notwendig, da die Solarflüssigkeit aufgrund häufiger Wechsel ihres Aggregatzustandes "altert".

Werden Solarthermie-Anlagen zur Heizungsunterstützung eingesetzt, so resultieren aus der größeren Fläche der Kollektoren Wärmeüberschüsse im Sommer, die wiederum zu Stillstandszeiten der Anlage führen, wenn der Speicher genügend Wärme aufgenommen hat. Dies führt zu höheren Temperaturen im Kollektor und zu einem Erhitzen der Solarflüssigkeit.

Daher sollte eine Solarflüssigkeit eine ausreichend hohe thermische Beständigkeit aufweisen. Zudem sollte im Anlagenstillstand bei steigenden Temperaturen die Solarflüssigkeit eines Kollektors möglichst schnell ausdampfen können, um eine Schädigung zu vermeiden.

In diesem Zusammenhang spielt auch der Betriebsdruck der Solarthermie-Anlage eine wichtige Rolle. Jede unnötige Erhöhung des Drucks könnte nämlich ein Verdampfen der Solarflüssigkeit verzögern. Befindet sich im Anlagenstillstand ("Stagnation") noch nicht verdampfte Solarflüssigkeit in den Kollektoren, kommt es zu einer weiteren verstärkten thermischen Belastung.

Im Winterbetrieb einer Solarthermie-Anlage herrschen natürlich wesentlich tiefere Temperaturen als im Sommer. Hier muss dann mit einer weiteren Heizung nachgeheizt werden, da die Kollektoren nur noch unterstützend Wärme liefern können. Die Solarflüssigkeit muss nun ganz andere Anforderungen erfüllen.

Insbesondere muss die Solarflüssigkeit vor einem Einfrieren geschützt werden, um Beschädigungen an den Rohrleitungen und am Kollektor selbst zu vermeiden. Hierzu wird der Solarflüssigkeit Glykol mit einem Anteil von rund 40 Prozent hinzugemischt. Die Anlage ist dann bis zu Temperaturen von etwa minus 20 °C vor Frost geschützt und betriebsbereit. Sinken die Temperaturen unter minus 20 °C, so verändert sich die Solarflüssigkeit zu einem eher zähflüssigen Eisbrei, der jedoch keine Gefahr für ein Aufsprengen der Rohre darstellt.

Nachteil der Glykolbeimischung ist jedoch, dass die Solarflüssigkeit gegenüber reinem Wasser eine um circa 20 Prozent verminderte Wärmekapazität aufweist. Die ebenfalls höheren Druckverluste können jedoch mit einer höheren Leistung der Solarpumpe ausgeglichen werden.

In der Regel besteht die Solarflüssigkeit daher aus einer Wasser-Propylenglycol-Mischung, die einen niedrigeren Gefrierpunkt und einen höheren Siedepunkt als Wasser aufweist. Je nach Temperatur verändert die Solarflüssigkeit dann ihr Volumen bis hin zum Verdampfen. Somit muss der Solarthermie-Kreislauf unterschiedlichen Druckbedingungen standhalten und Leitungssysteme und Dichtungen hierfür ausgelegt werden. Erreicht die Solarflüssigkeit zu hohe Temperaturen, so wird der überschüssige Druck vom Membranausdehnungsgefäß aufgenommen. Erhöht sich der Druck durch eine weitere Ausdehnung der Solarflüssigkeit bis hin zum Verdampfen, so wird diese häufig bei Erreichen von rund 6 bar über das Sicherheitsventil in einen Auffangbehälter abgelassen.

Vereinzelt kommt in Solarthermie-Anlagen auch sogenanntes "Reinwasser" als Solarflüssigkeit zum Einsatz. Hierzu reicht normales Trinkwasser oder gefiltertes Regenwasser vollkommen aus.

Der Vorteil ist, dass bei diesen Reinwassersystemen auf einen Wärmetauscher zwischen Solarkreislauf und Solar-Speicher verzichtet werden kann. Dies erleichtert die Einbindung einer Solarwärmeanlage in bestehende Heizungssysteme und erhöht den Wirkungsgrad der Anlage. Zudem weist Wasser als Solarflüssigkeit eine höhere Wärmekapazität auf und wegen der geringeren Viskosität wird weniger Pumpenarbeit nötig, was wiederum den Betriebsstromverbrauch reduziert.

Nachteilig ist jedoch, dass im Winter aufgrund des fehlenden Zusatzes an Frostschutzmittel in der Solarflüssigkeit ein Einfrieren kontrolliert und eventuell durch Einleitung wärmeren Wassers durch den Kollektor verhindert werden muss. Dies erhöht wiederum den Energieverbrauch für das Warmwasser und die Solarpumpe.

Im Sommer zeichnet sich Wasser als Solarflüssigkeit durch einen geringeren Siedepunkt aus, sodass auch die Druckverhältnisse in der Anlage geringer ausfallen.

Ein Nachfüllen der Solarflüssigkeit wird in der Regel dann notwendig, wenn festgestellt wird, dass der Druck im Kollektorkreis abgesunken ist. Werden keine Undichtigkeiten festgestellt werden, so ist dies Folge eines Abblasens von Dampf bei Stillstand der Anlage im Sommer. Beim Nachfüllen der Solarflüssigkeit ist dann darauf zu achten, dass die neue Solarflüssigkeit auch die nötige Frostschutzkonzentration aufweist. Dies kann mit einem einfachen Test des pH-Wertes oder mit einem Frostschutzprüfer überprüft werden.

Ein regelmäßiger Austausch der Solarflüssigkeit ist nicht nötig. Trotzdem sollte die Solarflüssigkeit alle 2 Jahre kontrolliert werden. Ein Austausch wird meistens erst nach 5 bis 10 Jahren fällig oder, wenn sich die Solarflüssigkeit aufgrund der thermischen Belastung in ihrer Konsistenz verändert hat und sich in der Folge die Wärmeaufnahmekapazität verschlechtert.

Ob ein Austausch der Solarflüssigkeit aufgrund einer Stagnation nötig wird, kann im Rahmen der Wartung der Solarthermie-Anlage überprüft werden. Dazu reicht vielfach eine optische Kontrolle der Solarflüssigkeit aus, indem während des Umlaufs eine Probe entnommen wird. Ist diese dann z. B. bräunlich verfärbt und dickflüssig, so kann dies ein Anzeichen dafür sein, dass die Solarflüssigkeit ausgetauscht werden muss. Ein kompletter Austausch der Solarflüssigkeit kostet dann rund 250 Euro.

Am Ende des Lebenszyklus jeder Solarflüssigkeit steht die Entsorgung bzw. das Recycling – sei es frühzeitig aufgrund häufiger und intensiver thermischer Belastung oder einfach am Ende der Anlagenlebensdauer. Selbst reines VE-Wasser, insbesondere welches, dass 25 Jahre oder länger als Wärmeträger genutzt wurde, sollte ebenso wie Wasser-GlykolGemische nicht direkt in den Abwasserkreislauf entlassen, sondern einem Entsorgungsfachbetrieb übergeben werden.