Endbericht (1.3 MB) - Haus der Zukunft

ASTTP Forschungsagenda Solarthermie
Werkstoffe spielen bereits jetzt in verschiedenen solartechnischen Anwendungen
(z.B. Transparente und opake Wärmedämmung, unverglaste Kollektorsysteme,
Wärmeverteilung) eine bedeutende Rolle. Kunststoffkollektoren, aber auch
weitere Systemkomponenten wie Warmwasserspeicher oder Wärmetauscher aus
Kunststoff, bieten aufgrund des einfachen und weitgehend automatisierbaren
Fertigungsablaufs signifikante Kostenreduktionspotenziale.
Verglaste Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren werden derzeit in
einem aufwändigen und deshalb kostenintensiven Fertigungsprozess aus einer
Vielzahl unterschiedlicher Materialien hergestellt. Insbesondere bei den
verwendeten metallischen Materialien, wie etwa Kupfer, sind signifikante
Preissteigerungen beobachtbar, die auf eine Verknappung der Kapazitäten und
Ressourcen zurückzuführen sind. Würde beispielsweise der Anteil
solarthermischer Energie weltweit auf 1% des derzeitigen Gesamtenergieverbrauchs
anwachsen, wären bei Verwendung von Kupfer für den
Solarabsorber, die Verrohrung und den Wärmetauscher jährlich 22 Millionen
Tonnen weltweit erforderlich. Dies übersteigt die jährliche, weltweite
Kupferproduktion von etwa 15 Millionen Tonnen deutlich. Unter diesen
Gesichtspunkten sind zur weiteren progressiven Steigerung des
Solarthermiemarktes technische Innovationen und der Einsatz neuer Materialien
unerlässlich.
Die weltweite jährliche Produktion von Kunststoffen lag 2007 bei 260 Millionen
Tonnen (www.vke.de), wobei die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (seit
1950 gerechnet) 9% beträgt. Je nach Leistungsvermögen und Kosten werden
Kunststoffe in Massenkunststoffe, technische Kunststoffe und
Hochleistungskunststoffe unterteilt. Etwa 60% der weltweit produzierten
polymeren Werkstoffe inklusive Elastomere, Duromere und Fasern entfallen auf
Massenkunststoffe (d.h. etwa 160 Millionen Tonnen). Interessanterweise stimmt
die maximale Dauergebrauchstemperatur von Massenkunststoffen gut mit der
maximalen Arbeitstemperatur von solarthermischen Kollektorsystemen für die
Warmwasserbereitung und Raumheizung überein. Demzufolge sollte ein
solarthermisches System bei werkstoffgerechter Konstruktion zum
überwiegenden Teil aus kostengünstigen Massenkunststoffen herstellbar sein.
Für die Verarbeitung von Kunststoffen zu Halbzeugen, Bauteilen und Systemen
werden hochautomatisierbare Verfahren, wie beispielsweise Extrusion, Spritzgießen,
Blasformen oder Tiefziehen, und Fügetechniken, wie Schweißen oder
Kleben, verwendet. Die Kosten für die Verarbeitung vom Rohstoff (Polymerisat)
zum Bauteil stehen dabei maßgeblich mit den Rohstoffkosten im
Zusammenhang.
Was den Einsatz von Kunststoffen in solarthermischen Systemen anlangt, so sind
unter technischen Gesichtspunkten neben der Temperatur auch das
Arbeitsmedium (Wärmeträger) und der Druck von Relevanz. Während
Kunststoffe eine gute Beständigkeit bei den gängigen Wärmeträgermedien
Wasser/Glykol, Wasser oder Luft aufweisen, ist ein möglichst geringer
Betriebsdruck vorteilhaft. Um das Potenzial polymerer Werkstoffe umfassend
56