SolPol-2 Solarthermische Systeme aus Polymerwerkstoffen – Teil 2: Entwicklung von neuartigen Kollektoren und Kunststoff-Compounds

Ergebnisse

In der Folge werden die wesentlichen Inhalte und Ergebnisse der 6 Arbeitspakete von SolPol-2 in kompakter Form dargestellt.

AP-01:       Eigentemperatursicherer solarthermischer Modell-Kollektor mit hohem Polyolefin-anteil (OHC Collector) – Detailkonzeption, Simulation, Werkstoffauswahl, Fertigung, Aufbau und Vermes­sung von Modell-Kollektoren

Gegenstand von Arbeitspaket AP-01 (OHC Collector) war die Entwicklung und Untersuchung von unterschiedlichen Polyolefin-basierenden solarthermischen Modell-Kollektoren für gepumpte Systeme mit integrierter, neuartiger Temperaturbegrenzung durch gezielte, automatische Aktivierung des Thermosiphon-Effektes und der Rückkühlung auf der Kollektorrückseite bei Erreichung einer einstellbaren Grenztemperatur. Die Forschungsarbeiten hatten ihren Fokus in folgenden Bereichen:

• Materialauswahl und Austesten von Werkstoffen unter Berücksichtigung kommerzieller Werkstoffe bzw. von Werkstoffentwicklungen in AP-04 (geeignete PE- und PP-Typen für den Absorber)
• Herstellung und Austestung von Modell-Absorbern und Rückkühlern mit unterschiedlichen Werkstoffen und Fertigungsverfahren; Herstellung und Austestung von Modell-Kollektoren.
• Entwicklung von Simulationstools für OHC-Kollektoren (CFD- und FEM-Modellierung) und Anwendung auf die Optimierung von Kollektorkomponenten (insbesondere Absorber und Rückkühler) sowie Validierung der Simulationsmodelle durch Funktionstests und Leistungsmessungen

Die Funktionstests bezüglich Stagnationsverhalten und Temperaturbegrenzung an Modell-Kollektoren in Kunststoff-Bauweise zeigten, dass das Prinzip des Überhitzungsschutzes grundsätzlich funktioniert (s. Abb. 1-1 und Abb. 1-2). Alterungsversuche an Polyolefin-Absorbermaterialien (PP-B, PP-RCT, PE-X) zeigten für alle Typen ein vielversprechendes Verhalten und die prinzipielle Anwendbarkeit aus thermo-oxidativer Sicht wurde nachgewiesen. Ein zentrales Ergebnis aus Markt-perspektivischer Sicht war, dass Jahressimulationen von Anlagen zur Warmwasserbereitung für Klimazonen mit hohem Marktpotenzial (z.B. Südafrika) sogar deutlich höhere solare Deckungsgrade im Vergleich zu Warmwasseranlagen mit herkömmlichen, hoch-effizienten Flachkollektoren ergaben (s. Abb. 1-3). In künftigen Arbeiten (SolPol-4/5) soll der Nachweis der Langzeitinnendruckbeständigkeit der Absorberwerkstoffe unter praxisrelevanten Einsatzbedingungen erbracht werden. Auch die entwickelten Rechenmodelle bedürfen einer Weiterentwicklung und Validierung, um weitere Optimierungspotenziale für ein OHC-Kollektorsystem zu realisieren.

AP-02:       Solarthermische Modell-Kollektoren ohne Überhitzungsschutz in Kunststoff- und Hybrid­bauweise (Hybrid Collectors) – Detailkonzeption, Simulation, Werkstoffauswahl, Herstellung, Simulation und Vermessung von Modell-Kollektoren

Schwerpunkt des Arbeitspaketes AP-02 (Hybrid Collectors) war die kunststoffgerechte Weiterentwicklung und Optimierung von Kunststoffkollektoren ohne Überhitzungsschutz für gepumpte Drainback-Systeme. Die Arbeiten wurden in 2 Hauptpfade unterteilt, mit dem Fokus in folgenden Bereichen:

• Hauptpfad AP-02a (Greiner): Entwicklung der Komponentengruppe „Kollektor“ für gepumpte Systeme in Vollkunststoff-Hybridbauweise unter Nutzung unterschiedlicher Kunststoffarten und -typen.
• Hauptpfad AP-02b (Sunlumo): Entwicklung der Komponentengruppe „Entleerungseinheit“, möglichst in Vollkunststoff-Hybridbauweise für einen konventionellen Kollektor, sowie eines „neuartigen Kollektorkonzeptes“ in Werkstoff-Hybridbauweise.

Im Hauptpfad AP-02a wurde ein Hybrid-Flachkollektor in Vollkunststoff-Mischbauweise konzipiert, simuliert, gefertigt und ausgetestet (s. Abb. 2-1). Der funktionale Zielwert eines Mindestwirkungsgrades von 0,40 (bei einer Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung von 40 °C und einer Einstrahlung von 800 W/m²) bei gleichzeitiger Reduktion der Stillstandstemperatur auf etwa 135 bis 140 °C konnten erreicht und nachgewiesen werden. Dies erlaubt den Einsatz von kostengünstigeren technischen Kunststoffen mit Materialpreisen unter 6 €/kg, was zur Erreichung der Kostenziele ein zentrales Teilergebnis darstellt. Allerdings sind vor einer Pilot- oder Nullserienfertigung noch weitere Entwicklungsarbeiten auf dem TRL4-Niveau erforderlich (u.a., werkstoffliche Langzeitnachweise; Optimierung der Bauteilgeometrien, der Prozesstechnik und der Herstellungsparameter; Integration in ein Kollektorsystem). Im Hauptpfad AP-02b wurde eine Entleerungseinheit in Kunststoff- und Hybridbauweise konzipiert, modelliert, gefertigt und ausgetestet. Im Gegensatz zu den derzeit zylindrischen Bauweisen wurden signifikante Vorteil für flache, prismatische Hohlkörper herausgearbeitet. In einer zweiten Serie lag der Fokus bei einem Hybrid-Flachkollekor mit Absorber-integrierter Entleerungseinheit (s. Abb. 2-2). Für die Austestung von Einzelkomponenten wurden erste Versuchswerkzeuge konstruiert und aufgebaut (s. Abb. 2-3). Die Erkenntnisse werden im Rahmen einer bereits außerhalb des Projektes geplanten Nullserienfertigung nach Projektende unmittelbar genutzt.

AP-03:       Konzeptstudie zu Großflächen-Folien-Kollektoren (Large-Area Film Collector) – Identifizierung, Auswahl und Charakterisierung geeigneter Werkstoffe und Halbzeuge

Im Arbeitspaket AP-03 (Large-Area Film Collector) lag der Schwerpunkt bei der Auslotung und Einschätzung der prinzipiellen Machbarkeit von völlig neuartigen solarthermischen Großflächenkollektoren aus Polymerfolien. Dies beinhaltete die Identifizierung, Auswahl und Charakterisierung potentiell geeigneter Werkstoffe und Halbzeuge für derartige Kollektoren unter Berücksichtigung von konstruktiven und marktrelevanten Aspekten und Bedingungen. In zwei Hauptpfaden wurden unterschiedliche Folienkollektorkonzepte in modularer Bauweise und in Vollflächen-Bauweise erstellt, untersucht und bewertet (s. Abb. 3-1). Für Kollektorkonzepte zur Warmwasserbereitung ergaben Simulationsrechnungen je nach Art der Gebäudeintegration (Dach oder Fassade) und Standort um 20 bis 50 % niedrigere zu erwartende Jahreserträge für Kunststofffolienkollektoren im Vergleich zu hoch-effizienten Flachkollektoren (s. Abb. 3-2). Als potenzielle Werkstoff- und Halbzeugvarianten wurden Faserbündel-verstärkte Folienlaminate für die transparente Abdeckung, Absorberhalbzeuge auf Basis von Hybridfolien aus Aluminimum/Glasgewebe/Kunststoffsiegelschicht und Aluminium/Kunststoff-Folienlaminate für den Reflektor oder die Wärmedämmung als besonders geeignet identifiziert, gefertigt und getestet (s. Abb. 3-3). Die Hybridfolie für den Absorber bietet neben den besseren mechanischen Langzeiteigenschaften eine deutlich höhere Flexibilität bezüglich der Applizierbarkeit von Absorberbeschichtungen oder der geometrischen Auslegung (Verhältnis von Kanal- zu Siegelbreite) von vollflächig durchströmten Absorbern. Für das Kollektor-Funktionsmuster vom Typ „Greiner Hot Focus“ wurde die prinzipielle Funktionstüchtigkeit der Frontseiten- und der Reflektorfolie, des Spannsystems und des Kollektor-Befestigungssystems im Außeneinsatz nachgewiesen. Während Folienstrukturen für die Wärmedämmung oder für rückseitige Reflektoren ein hohes Potenzial aufweisen und als technisch umsetzbar eingestuft wurden, wurde für Frontseitenfolien und insbesondere Absorberfolien ein hoher Entwicklungsbedarf mit konkrete Maßnahmen für Lösungsansätze abgeleitet und aufgezeigt (teilweise Gegenstand von SolPol-4/5).

AP-04:       Langzeitbeständige funktionale Polyolefine mit spektral-selektiven Eigenschaften (Functional Compounds) – Systematische Variation der Einsatzstoffe, Optimierung der solaren Absorption sowie Herstellung und Vermessung von Modell-Kollektoren

Das Hauptziel von Arbeitspaket AP-04 (Functional Compounds) bestand in der Entwicklung neuartiger Polyolefin-Compounds für Komponenten von Solarkollektoren (z.B. Absorber oder Rückkühler). Bezüglich der Immobilisierung von Antioxidantien wurden 2 Entwicklungsstrategien verfolgt (Oligomer-Antioxidantien und Partikel-Antioxidantien). Bei der Kopplung von Antioxidantien an Oligomere oder Partikel ergaben sich bereits nach der Synthese deutlich bessere Funktionalisierungsgrade und Ausbeuten für Oligomer-Antioxidantien. Besonders vielversprechende Ergebnisse wurden durch die Kopplung eines α,ω-Diens an phenolische Antioxidantien und die anschließende Polymerisation über den ADMET-Mechanismus und die Synthese von makromolekularen Antioxidantien über die Thiol-En Addition zur Herstellung von Oligomer-Thiosynergisten erzielt (s. Abb. 4-1). Zu diesen Oligomer-Antioxidantien wurden ein Österreich-Patent und ein weltweites Patent angemeldet. Als vielversprechendste Lösung für Partikel-Antioxidantien wurde die Synthese von Kern/Schale-Rußpartikeln mit einer geschlossenen SiO₂-Oberfläche und die Ankopplung von Antioxidantien über Silan-Spacergruppen herausgearbeitet (s. Abb. 4-2).

Ferner wurden neuartige Werkstoff-Compounds auf Basis kommerzieller Polyolefine und kommerzieller Additive (Ruß, phenolische Antioxidantien, gehinderte aminische Lichtschutzmittel, Thiosynergisten) konzipiert, hergestellt und bezüglich Alterungsverhalten charakterisiert. Für kommerziell verfügbare schwarzpigmentierte PP-B-Typen, die auch als Benchmark verwendet wurden, wurde eine gute Beständigkeit nach Lagerung an Luft und in Solarflüssigkeit bei erhöhten Temperaturen nachgewiesen. Zur Extrapolation auf anwendungsrelevante Einsatztemperaturen wurden theoretische und empirische Ansätze untersucht (s. Abb. 4-3). Unter Berücksichtigung von Standort-abhängigen Temperaturbelastungsprofilen für den Absorber von Flachkollektoren für die Warmwasserbereitung und unter Annahme eines kumulativen Schädigungsmodells wurde eine Lebensdauerabschätzung vorgenommen. Dabei ergab sich eine signifikant bessere Performance (Faktor 2) für den Werkstoff PP-B2 (s. Abb. 4-4). Neben den kommerziellen Werkstoffen wurden neuartige Eigenformulierungen hergestellt und untersucht, deren Alterungsbeständigkeit die Performance-Werte der Benchmark-Materialien noch übertrifft. Für quantitative Lebensdauerabschätzungen ist eine Fortführung der Langzeit-Alterungs-versuche in SolPol-4/5 vorgesehen. Neben den mechanischen Kurzzeituntersuchungen von SolPol-2 sind zudem noch strukturmechanische Langzeitalterungsversuche erforderlich.

AP-05:       Polyolefin-Compounds für langzeitbeständige Wasser-Wärmespeicher adaptierbarer Kapazität (Durable Compounds) – Werkstoffentwicklung, Herstellung von Halbzeugen und beschleunigte Charakterisierung des Alterungsverhaltens für anwendungsrelevante Bedingungen

Gegenstand von Arbeitspaket AP-05 (Durable Compounds) war die Entwicklung neuartiger Polyolefin-Compounds für Anwendungen bis 95 °C und einer Gebrauchsdauer von 25 Jahren unter Flüssigmedieneinwirkung (z.B. Saisonal-Wasserwärmespeicher). Die Einsatzstoffe für diese Compounds wurden zunächst über ein Vorauswahlverfahren aus kommerziellen PE- bzw. PP-Polymeren und kommerziellen Antioxidantien (Stabilisatorsystemen) ausgewählt. Dazu wurden insgesamt 3 Werkstoffserien definiert, die zeitlich gestaffelt waren und nacheinander abgearbeitet um basierend auf den Ergebnissen der vorangehenden Serie die Ziele und Methodik der nachfolgenden Serie entsprechend festzulegen. In Serie 1 wurde herausgearbeitet, dass für die untersuchten PE-Typen die Heißwasserlagerung als deutlich kritischer einzustufen ist die Exposition an Luft bei erhöhten Temperaturen (s. Abb. 5-1). Das Alterungsverhalten der PE-Compounds war signifikant von der Prüfkörperdicke abhängig. Für 100 µm Mikro-Prüfkörper und 2 mm Makro-Prüfkörper wurde ein Beschleunigungsfaktor von zumindest 5 ermittelt. Die Alterungsdaten erlaubten ein Ranking der PE-Werkstoffe, jedoch keine abgesicherte Lebensdauerabschätzung. Für unterschiedlich aufstabilisierte PP-Compounds wurde in Serie 2 ein deutlich besseres Alterungsverhalten in Wasser als in Luft bei erhöhter Temperatur nachgewiesen. Die Abhängigkeit von der Prüfkörperdicke war deutlich geringer als bei den PE-Werkstoffen. Die Beschleunigungsfaktoren für Mikro- und Makro-Prüfkörper lagen je nach Formulierung zwischen 1 und 2. Auch für die PP-Compounds war auf Basis der zum Projektende vorliegenden Daten die Lebensdauerabschätzung für Anwendungen in Wasserwärme-speichern noch nicht möglich. Dazu werden die Langzeitauslagerungsversuche in SolPol-4/5 fortgeführt. Zur Aufklärung der Interaktion unterschiedlicher Stabilisatorklassen in PP wurde in Serie 3 eine neuartige Alterungsmethode implementiert, bei der Stabilisatorsysteme in einer flüssigen PP-Modellsubstanz (Squalan) eingebracht und ausgelagert werden. Die beste thermooxidative Langzeitbeständigkeit wurde bei einer Mischung von HALS, phenolischen Antioxidantien und Thiosynergisten erhalten (s. Abb. 5-2).

AP-06:       Neuartige Designkonzepte für Vollkunststoff-Kollektorsysteme (ID Collector Concepts) – Ideenskizzen für neuartige Voll-Kunststoffkollektoren, Simulation und Werkstoffauswahl.

Hauptziel des Arbeitspaketes AP-06 (ID Collector Concepts) war die Entwicklung und Ausarbeitung von radikal neuartigen Design-Konzepten für Voll-Kunststoff-Kollektoren und die Bewertung des technisch-wirtschaftlichen Potentials dieser Design-Konzepte. Dazu wurden die für Kunststoffe spezifischen Erfolgsfaktoren wie umfassende und gezielt einstellbare Eigenschafts- und Performance-Profile, Multifunktionsintegration, hohe Designfreiheit und daraus resultierende Ästhethik der Bauteile, einfache Herstellung und hochautomatisierbare Verarbeitbarkeit, Qualität und Zuverlässigkeit in der Anwendung und hohe Wirtschaftlichkeit (Kostenreduktionspotentiale) systematisch ausgenutzt und mit Industrial Design Konzepten basierend auf wissenschaftlich-bionischen Ansätzen kombiniert. Bei der Erarbeitung der Design-Konzepte wurden unterschiedliche Kollektortypen und -designs mit verschiedener Komplexität (auch unterschiedlichen Kosten) und unterschiedliche Klimazonen betrachtet und berücksichtigt.

Als wesentliches Ergebnis liegt ein Dokument mit insgesamt 40 unterschiedlichen Design-Entwürfen (Ideen-Skizzen, s. dazu Auswahl in Abb. 6-1) vor, die in einem von UFG-ID geleiteten studentischen Brainstorming-Ansatz als Teil von Projektarbeiten erarbeitet wurden. Die Design-Entwürfe wurden anhand eines speziell ausgearbeiteten Fragebogens von einer Expertenrunde aus dem Kreis der AP-06-Partner in einem mehrstufigen Prozess (zunächst individuell und dann nach Auswertung und Aggregierung der Individualbewertungen gemeinsam) umfassend bewertet und gereiht. Der Fragebogen war so gestaltet, dass sowohl technisch-funktionale, kostenmäßige und marktregionsrelevante Aspekte evaluiert wurden. Auf Basis dieser Erstbewertung folgten dann die noch ausstehenden Arbeitsschritte (SWOT-Analyse der vorliegenden Design-Entwürfe; Pre-Design für ausgewählte Design-Entwürfe; Bewertung der Pre-Designs; Auswahl von erfolgversprechenden Design/Konzept-Komponenten; Rein-Entwürfe für ausgewählte Konzepte; Abschließende Dokumentation und Gestaltungsmodelle). Damit liegt ein umfassender Pool an kreativ bis visionären und von Experten evaluierten Ideen für Kollektor-Konzepte mit unterschiedlichen Detaillierungsgraden vor. Einige dieser Konzeptideen werden in SolPol-4/5 in Richtung weiterer Konkretisierung weiterverfolgt. Ein besonderes Ergebnis-Highlight stellt die Veröffentlichung eines Buchbandes des Partners UFG-ID mit einem 60-seitigen Abschnitt zu solarthermischen Kollektoren und Komponenten aus Kunststoffen dar (Thallemer und Danzer, 2014).

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• SolPol-2-Publizierbarer-Endbericht.pdf