Projekt 29175/01

Entwicklung kostengünstiger Solarthermiekollektoren mit Glasschaumplatten als Konstruktionselement

Projektträger

Technische Universität-Bergakademie Freiberg Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik Lehrstuhl für Glas- und Emailtechnik
Leipziger Str. 28
09596 Freiberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Derzeitig am Markt verfügbare Flachkollektoren zur thermischen Nutzung solarer Energie sind einerseits teuer und besitzen andererseits kaum noch Potenzial zur Leistungssteigerung oder Kostensenkung. Um die Verbreitung der Solarthermie zu fördern, müssen daher neue Konzepte für Solarkollektoren entwickelt werden. An einem solchen Konzept soll in diesem Projekt gearbeitet werden. Hierbei besteht die Idee da-rin, ein Glas als Absorber einzusetzen. Dieses Glas wird nahezu vollständig aus Reststoffen hergestellt, was besonders ressourcenschonend und kostengünstig ist. Außerdem soll der gesamte Kollektor aus nur wenigen Komponenten aufgebaut sein und dadurch sehr einfach sowie kostengünstig hergestellt werden können. Die Senkung der Herstellkosten gegenüber marktüblicher Flachkollektoren soll die thermische Nutzung der Solarenergie für Investoren attraktiver gestalten. Ziel des Vorhabens ist es, Fertigungstechnologien zu entwickeln, mit denen eine sowohl ökologisch als auch ökonomisch sinnvolle Herstellung solcher Glaskollektoren möglich wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZu Beginn des Projektes wurden die verfahrenstechnischen Grundlagen für die Herstellung der Haupt-komponente des Glaskollektors – die Glasschaumplatte – erarbeitet. Hierfür wurden zunächst das Schäumungsverhalten und relevante Eigenschaften verschiedener industrieller Reststoffe sowie die Blähcharakteristik geeigneter Blähmittel untersucht. Anhand der daraus gewonnenen Eigenschaftsprofile wurden Gemengezusammensetzungen erstellt und ein optimales Temperaturregime für die Glasschäu-mung erarbeitet. Weiterhin wurden Möglichkeiten zur Verbesserung von Verfahren und Schaumqualität durch verschiedene Formenwerkstoffe und -geometrien, Trenn- oder auch Armierungsmittel untersucht. Im weiteren Projektverlauf wurden diverse Möglichkeiten zur Verbindung des Schaumglases mit dem Abdeckglas und mit den Rohrleitungsanschlüssen untersucht. Die verschiedenen Verfahrenstechniken wurden hinsichtlich der mechanischen und chemischen Beständigkeit der erzielbaren Verbindungen ge-prüft. Zum Ende des Projektes hin wurden oberflächig profilierte Schaumglasgrundkörper im Maß 600 mm x 600 mm x 125 mm hergestellt und daran verschiedene Verbindungstechnologien getestet, um labormaßstäblich gefertigte Prototypen herstellen zu können


Ergebnisse und Diskussion

Das Ziel des Projektes war es, für die Konzeptidee eines neuen solarthermischen Kollektors die Ferti-gungstechnologien zu entwickeln. Die Fertigung dieses Kollektors besteht aus zwei Hauptschritten: der Herstellung des Kollektorgrundkörpers aus Schaumglas und dem Verbinden des Grundkörpers mit zwei Deckgläsern und zwei Rohrleitungsanschlüssen. Zu Beginn des Projektes wurden verschiedene Rohstof-fe untersucht, die zur Glasschäumung verwendet werden könnten. Vor der Evaluierung ihrer Eignung für den Prozess wurden die dafür relevanten Eigenschaften untersucht. Ein Glasrohstoff, der aus industriel-len Reststoffen gewonnen wird, erschien dabei als besonders gut geeignet. Er lässt sich ausgezeichnet schäumen, ergibt gute Schaumeigenschaften und da er bislang deponiert wird, ist er sehr günstig zu be-kommen. Als Blähmittel hat sich Ruß als sehr wirksam sowohl hinsichtlich der Schäumung als auch der schwarzen Färbung des Schaumglases erwiesen. Aus einem Vergleich verschiedener Ruße zeigte sich, dass derjenige mit der geringsten spezifischen Oberfläche die beste Blähung bewirkt. Zur Formgebung des Schaumglases soll der Grundkörper fertig in einer Form geschäumt werden. Aufgrund hoher Anfor-derungen an die Form bei der Entformung einer komplexen Schaumgeometrie musste ein geeignetes Formmaterial gefunden werden. Gusseisen mit einer Trennmittelschicht aus Kaolin erfüllten am besten diese Ansprüche. Aus den Erkenntnissen der Laborversuche heraus, ist es gelungen, den Schaumkörper für einen Prototypen in der Größe 600 mm x 600 mm x 125 mm herzustellen. Für den zweiten Haupt-schritt der Fertigung wurden Fügetechnologien zur Verbindung des Schaumglasgrundkörpers mit den Deckgläsern und den Rohrleitungsanschlüssen untersucht und entwickelt. Dabei wurden direkte Ver-schmelzungen, Verbindungen mittels anorganischer Zwischenschichten und mittels organischer Stoffe geprüft. Als aussichtsreich erscheint demnach die Verbindung mittels Aluminium. Eine weitere Möglich-keit ist die Verwendung von Dichtungen, wobei die Anpresskraft durch eine Rahmenkonstruktion gelöst wird. Die Rohrleitungsanschlüsse können direkt in die Kollektorplatte eingeschäumt werden. Sie beste-hen aus Gusseisen und werden zur besseren Anbindung an das Schaumglas emailliert. Die Verbindung mittels Dichtung und Rahmenkonstruktion war für den Prototyp nicht erfolgreich, da bei dieser Lösung das Deckglas eine zu hohe Last durch den Kollektorinnendruck halten müsste. Die Verbindung mittels Aluminium bedarf aufgrund umfassender Wechselwirkungen zwischen den Materialien einer weiterge-henden Entwicklung und konnte aus technischen Gründen noch nicht am Prototyp umgesetzt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Laufe des Projektes wurden die Konzepte und die Projektergebnisse auf folgenden Messen und Me-dien publiziert: 10.08.2011: “Neue Solarthermiekonzepte“, Vortrag bei der 9. Sitzung des IAK Photovoltaik und Solarthermie des VDMA, Frankfurt; 04.-08.04.2011: „Grüne Module aus Schwarzglas“ (Standbetreuung mit Posterbeitrag), Hannover Messe; 18.-20.10.2011: „Helsta – complete glass. Grüne Solarkollektoren aus Schwarzglas“ (Standbetreuung mit Posterbeitrag), Messe Materialica, München; Dez. 2011:„Neue Solarkollektoren aus schwarzem Glas“, Lasermagazin, Ausgabe 4, S. 55-57; 23.-27.04.2012 „Grüne Solarkollektoren aus schwarzem Glas“ (Standbetreuung mit Posterbeitrag), Hannover Messe; 08.05.2012 „Neue Solarkollektoren aus Glas“, Vortrag beim 28. Zwieseler Fachschulkolloquium, Zwiesel; 23.-25.10.2012 „Glasschaum – Werkstoff für vielfältige Anwendungen“ (Standbetreuung mit Posterbeitrag), Messe Materialica, München; 29.-31.01.2013 „Grüne Solarkollektoren aus schwarzem Glas“ (Standbetreuung mit Posterbeitrag), Terratec/ Enertec, Leipzig; 08.-12.04.2013 „Grüne Solarkollektoren aus schwarzem Glas“ (Standbetreuung mit Posterbeitrag), Hannover Messe; 15.-17.10.2013 „Innovative Wärme- und Schalldämmung mit Glasschaum“ (Standbetreuung mit Posterbeitrag), Messe Materialica, München


Fazit

Bezüglich des bevorzugten Glasrohstoffes GR 2 ist zu prüfen, ob auch andere als die bislang verwendete Quelle gleichzeitig genutzt werden können, um die Abhängigkeit vom Versorger zu umgehen und um eine große Produktion realisieren zu können. Daneben ist auch die Stabilität der Rohstoffeigenschaften zu untersuchen. Bei der Verbindung des Flachglases mit dem Schaumglas mittels Aluminium besteht noch großes Optimierungspotenzial, wie in Kapitel 3.5 beschrieben ist. Außerdem muss untersucht werden, ob sich auch große Formate verbinden lassen und ob die Zugfestigkeit des Schaumglases für den Betrieb ausreicht oder ob über außen angelegte Druckkräfte die Zugbelastung reduziert werden muss. Bei der Einschäumung der Rohrleitungsanschlüsse muss überprüft werden, ob die Spannungen, die aufgrund der unterschiedlichen WAK von Gusseisenrohr und Schaumglasmatrix entstehen, auch bei großen Kollektoren noch gering genug sind, um eine rissfreie Verbindung zu gewährleisten. Außerdem muss untersucht werden, ob die Verbindung den Einsatz bei ständigen Temperaturveränderungen über Jahre hinweg rissfrei übersteht. Die Strömungsverteilung im Kollektor ist am Prototyp zu prüfen. Dabei sind etwaige Toträume der Strömung, der Druckverlust und die Homogenität der Strömungsverteilung über die Kollektorfläche zu untersuchen und zu optimieren. Eine Strömungsoptimierung mittels Simulation ist zu überdenken. Der Prototyp sollte außerdem gefertigt werden, um die Leistungsfähigkeit des Kollektors ermitteln zu können. An dieser Messung ist schließlich abzuleiten, an welchen Stellen Optimierungsbedarf besteht. Außerdem sollte im Laufe der weiteren Entwicklungen die Montagemöglichkeit des Kollektors auf Dächern und auch der Aspekt des Kollektorrecyclings betrachtet werden.

Übersicht

Fördersumme

125.000,00 €

Förderzeitraum

13.04.2011 - 31.10.2013

Bundesland

Sachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik