Heizungswasseraufbereitung

Warum es so wichtig ist, dem Heizungswasser hinsichtlich der Korrosionsvermeidung mehr Beachtung zu schenken

Praktisch in jeder Heizungsanlage wird Wasser als Wärmeträger verwendet. Aus diesem Grunde ist es ratsam, die Eigenschaften dieses speziellen Wärmeträgers, seine Wechselwirkungen mit den Werkstoffen und andere Besonderheiten zu kennen. In dem folgenden Artikel - bestehend aus zwei Teilen - werden die wichtigsten Eigenschaften gebräuchlicher Wässer und deren Auswirkungen auf die Heizungsanlagen dargelegt sowie die wichtigsten Behandlungsverfahren vorgestellt

Wasser ist eine ganz besondere Flüssigkeit. Schon die Tatsache, dass Wasser zwischen 0 und 100° C in flüssiger Form vorliegt, ist eine Besonderheit. Nach seinen verwandten Substanzen (z. B. Schwefelwasserstoff oder Ammoniak) müsste es eigentlich erst bei weit unter -50 °C flüssig werden. Darüber hinaus ist Wasser die einzig bekannte Verbindung, bei der der Feststoff (Eis) leichter ist als der flüssige Aggregatzustand. Als ob das noch nicht genug wäre, besitzt Wasser eine sehr hohe Wärmekapazität, eine immense Verdampfungsenergie und ist ein hervorragendes Lösungsmittel für viele Substanzen. Dieser besondere Mix der Eigenschaften und die Tatsache, dass es auf der Erde so viel davon gibt, macht das Wasser sowohl für das Leben, als auch für die Technik unverzichtbar. Vor allem seine Kompaktheit und die hohe spezifische Wärmekapazität machen Wasser zu dem häufigsten Wärmeträger. Nur für extreme Anwendungen werden Öle oder flüssige Metalle sowie in speziellen Fällen verflüssigte Gase verwendet.

Kleinfeuerungsanlagen fallen aufgrund der Gruppeneinteilung der TRD- Regelwerke streng genommen nicht unter die Richtlinie. Dennoch ist man gut beraten, wenn man die wichtigsten Regeln der TRD 602 und 612 sowohl für den Bau als auch für den Betrieb einer Heizungsanlage beachtet. Für das Wasser gelten danach die Richtwerte nach Tabelle1.

Aus Gründen der leichteren Verarbeitbarkeit kommen unterschiedliche Werkstoffe zum Einsatz: In den 60er-Jahren wurde fast ausschließlich schwarzes Stahlrohr und Messing verwendet. Bald darauf hielt Kupfer Einzug im Heizungsbau. Und als dann die Fußbodenheizungen vermehrt installiert wurden, kam es zum verbreiteten Einbau von Kunststoffen. Diese Kunststoffe waren zunächst nicht diffusionsdicht, sodass Sauerstoff leichter in das Wasser gelangte. Später kamen diffusionsdichte Kunststoffrohre und schließlich solche mit Aluminiumkernen auf den Markt, die die Sauerstoffdiffusion deutlich reduzierten.

Im Zuge der Brennwerttechnik gelangen nun Leichtmetalllegierungen (Aluminium, Magnesium, Silizium) als neuer Werkstoff in den Heizkreislauf.

So findet man im Heizungswasser einen bunten Materialmix verschiedenster Werkstoffe. Erschwerend kommt noch hinzu, dass die Wasserqualitäten äußerst unterschiedlich sind: Sie reichen von extrem hart bis extrem weich und von Salzarm bis sehr salzhaltig.

Auf die Heizfläche in einem Kessel wirken sehr hohe Temperaturunterschiede. Zum einen ist die Flamme weit über 1000 °C heiß, zum anderen hat das Wasser bei Niedertemperaturanlagen eine Temperatur von max. 80 °C. Ungeachtet dessen sind die Oberflächentemperaturen der wärmeübertragenden Flächen an der Wasserseite und damit die Flächenlast (kW/m2) über die Jahre gestiegen.

Daraus ergibt sich, dass eine Belagsbildung im Bereich der Flamm- und Rauchgasrohre starke Auswirkungen hat. Fachkreise sprechen von einem Wirkungsgradverlust von 9 - 15 % je Millimeter Belag auf der Wasserseite. Baut sich ein stärkerer Belag auf, besteht die Gefahr der Gefügeveränderung im Kesselmaterial (Ausglühen). Aus diesem Grunde wird bei großen Anlagen seit jeher Wasser mit maximal 0,02 mmol Summe Erdalkalien (Härtebildner) zur Vermeidung von Kesselstein eingesetzt.

Hochempfindliche Technik, kleine Querschnitte und Wasservolumen zwischen 2,5 - 5 Litern schaffen eine neue Situation mit wenig Spielraum für Installationsfehler.

Durch die Nichtbeachtung der richtigen Wasserqualität sind Probleme vorprogrammiert, vom Verschließen des Wärmetauschers über klemmende Ventile bis zum Totalausfall der Anlage.

Fußbodenheizungen sind energetisch sehr günstig und schaffen ein angenehmes Raumklima, weil sie mit niedrigen Temperaturen arbeiten. Die oft eingesetzten Kunststoffrohre haben Poren im mikroskopischen Bereich, in denen sich Bakterien einnisten können. Bei 35 - 40 °C finden diese Bakterien ihre optimalen Lebensbedingungen vor und vermehren sich sehr schnell. Es kann zu einem ausgeprägten Biofouling kommen. Darunter versteht man die Bildung eines Biofilms verschiedenster Zusammensetzung und Ausdehnung. Sie können zum Verschluss der Rohrleitungen oder auch zu deren völligen Zerstörung führen. Da wir hier ein extrem wandelbares Biosystem haben, ist ein solcher Biofilm nur sehr schwer zu beseitigen.

Hierzu gibt es individuelle Behandlungsverfahren, mit denen eine starke Reduzierung oder gar Beseitigung schon oft erreicht wurde. Immer häufiger kommen Wandflächenheizungen zum Einsatz. Das Wasser fließt bei diesen Systemen durch kleinste Kanäle mit einem Innendurchmesser von teilweise 1,4 mm, was man im Heizkreis auch als Kapillare bezeichnen kann. Die verwendeten Materialien sind vorwiegend nicht diffusionsdichte Kunststoffe. Ohne entsprechende Aufbereitungsmaßnahmen ist das Gewährleistungsrisiko für den ausführenden Fachbetrieb relativ hoch einzuschätzen.

Hier beschränken wir die Abhandlung auf wenige zentrale Problempunkte, die unmittelbar aus den Eigenschaften des Wassers, seinen gelösten Salzen und den in Kontakt stehenden Materialien folgen.

Geruch und Aussehen des Heizungswassers lassen zwar die Probleme erahnen, konkrete Aussagen sind jedoch ohne Analyse schwer zu treffen.

Als Härte bezeichnet man die gelösten Salze des Kalziums und des Magnesiums. Früher bezog man in Deutschland die Mengenangabe auf 10 mg/l Kalziumoxid (CaO) und bezeichnete dies als deutsche Härtegrade (°dH). Seit der Einführung der SI-Einheiten in den 70er-Jahren sind diese Härteangaben zwar veraltet, wenn auch sehr verbreitet. Stattdessen gibt man die Stoffmenge der gelösten Kalzium- und Magnesiumionen direkt an. Die Stoffmenge in der Chemie ist das mol.

Es bezeichnet die Anzahl von Molekülen, Atomen oder Ionen. Da man jedoch keine Atome bzw. Ionen zählen kann, wird deren Masse angegeben. Man spricht dann von der Molmasse. Im Fall des Kalziums hat ein mol die Masse von 40,08 g und des Magnesiums von 24,312 g.

Die Gesamthärte wird auf die Ionen des Kalziums und des Magnesiums bezogen. Beide sind positiv geladen. Um die elektrische Neutralität der Lösung zu wahren, muss die gleiche Menge negativ geladener Ionen vorhanden sein. In Deutschland, mit seinen ausgesprochen mächtigen Kalklagerstätten, sind dies meist Karbonat bzw. Hydrogencarbonat. Man spricht dann von Karbonathärte (KH), Kalkhärte oder auch temporärer Härte. Die Salze des Magnesiums oder des Calciums und der Kohlensäure (Karbonate) sind sehr schwer löslich. Die Kohlensäure ist jedoch eine schwache Säure und eine flüchtige dazu.

So können folgende Eigenschaften angegeben werden:

• Bei Gegenwart von Säuren (z. B. Kohlensäure) wird Kalk gelöst. Es bilden sich Hydrogenkarbonate, die leicht löslich sind.
• Wird die Kohlensäure ausgetrieben (durch z. B. Druckentlastung oder Hitzeeinwirkung) fällt der Kalk (die Härte) aus. Es bildet sich Kesselstein und weicheres Wasser.

Alle anderen Ionen (z. B. Chlorid, Sulfat usw.) sind nicht flüchtig und bilden in kurzer Zeit keine schwer löslichen Verbindungen. Man spricht daher von permanenter Härte, weil diese durch Hitzeeinwirkung nicht entfernt werden kann. 

In Heizkesseln kann dies zur Verkrustung (Kesselsteinbildung) der wärmeübertragenden Flächen führen. Härte wird hier oft zum Bindemittel für Oxidschlämme.

Seit der Mensch baut, hat er auch mit dem Verfall der Werkstoffe zu tun. Diesen Vorgang nennt man Korrosion. Im Heizungsbau werden vorwiegend metallische Werkstoffe und zum Teil Kunststoffe eingesetzt. Alle diese Werkstoffe unterliegen der Korrosion. In der Regel geschieht das nur sehr langsam. Immer, wenn Substanzen mit Sauerstoff reagieren, werden Elektronen ausgetauscht.

Das bedeutet, es fließt ein elektrischer Strom, den man in diesem Zusammenhang als Korrosionsstrom bezeichnet. Wird der Stromfluss unterbrochen, bildet sich eine elektrische Spannung aus.

Für den Betrieb von Heizkesseln und anderen Wasser berührten Teilen ist es wichtig zu wissen, dass die tatsächliche Korrosion Tätigkeit zu einem großen Teil vom pH-Wert abhängt. Da es auch einen alkalischen Angriff auf den Stahl gibt, existiert ein optimaler pH-Wertbereich, bei dem die Korrosion Tätigkeit fast nicht mehr messbar ist. Dieser liegt zwischen ca. 8,5 und 10,5. Diese Angabe gilt für salzhaltiges Wasser (elektrische Leitfähigkeiten 100 - 1500 S/cm) und Temperaturen unter 100 °C.

Bei Aluminium ist der "optimale" pH-Wertbereich wesentlich schmaler und liegt bei etwa 6,5 - 7,5. Bei entsprechenden Legierungen lässt sich dieser Bereich auf ca. 9,5 erweitern.

Wie bereits in der Einleitung geschrieben, neigen alle gängigen Werkstoffe zur Reaktion mit Sauerstoff. Für diese Art der Korrosion ist Stahl bekanntlich besonders anfällig.

Die Oxidschichten bei anderen Werkstoffen (Kupfer, Aluminium) sind zwar dicht und schützen das darunter liegende Material, sind aber bei ständigem Wasserkontakt sehr empfindlich, weil sie durch Schwankungen des pH-Wertes und andere Faktoren leicht angegriffen werden können. Bei Aluminium ist der "optimale" pH-Wertbereich wesentlich schmaler und liegt bei etwa 6,5 - 7,5. Bei entsprechenden Legierungen lässt sich dieser Bereich auf ca. 9,5 erweitern.

Moderne Heizanlagen bestehen nicht selten aus ca. 20 verschiedenen Materialien. Die Auswahl an Produkten ist sehr groß geworden, wodurch unweigerlich vielschichtige Probleme auftreten können. Bei Mischinstallationen kommt es neben dem Kontakt von verschiedenen Metallen miteinander (Stromfluss) auch zum verstärkten Sauerstoffzutritt (Kunststoffrohre, Verschraubungen, ...).

Dadurch kommt es zu einer elektrochemischen Korrosion, dem unedle Metalle zum Opfer fallen. Dies kann z. B. Aluminium sein. Aber auch andere Materialien können betroffen sein. Eine Möglichkeit des Schutzes besteht darin, die betroffenen Bauteile elektrisch zu isolieren, damit kein Strom fließen kann.

Bakterien sind durchaus in der Lage, in Heizungskreisläufen zu existieren - schließlich kann dort Leben sein, wo Wasser ist. Der Einfachheit halber bezeichnen wir alles Biologische in einer Heizungsanlage als Bakterium, auch wenn es Pilze oder Algen sein können.

Bakterien benötigen eine Energiequelle. Das kann Wärme oder - was von ihnen bevorzugt wird - eine bestimmte chemische Reaktion sein. Sie nisten sich in Unebenheiten oder Poren ein, um dort Kolonien zu bilden. Hier sind vor allem ölige Oberflächen, Kunststoffe und Härtebeläge ein bevorzugtes Ziel. Bakterien benötigen eine gewisse Konstanz der Lebensbedingungen, vor allem zu Beginn der Ansiedlung. Stellvertretend werden hier zwei häufige Fälle aufgezeigt.

Das früher häufig zur Sauerstoffbindung im Heizungswasser eingesetzte Natriumsulfit verbindet sich mit Sauerstoff zu Natriumsulfat. Da ständig mit einem gewissen Eintrag an Sauerstoff zu rechnen ist, muss das Sauerstoffbindemittel ständig zugesetzt werden. Das hat drei Konsequenzen:

• Die elektrische Leitfähigkeit des Heizungswassers steigt, was den Fluss des Korrosionsstroms begünstigt.
• Die Sulfatkonzentration steigt, was zur Bildung von Gipskristallen führen kann, wenn Härte im Wasser vorhanden ist.
• Unter Umständen kann das Wasser umkippen. Darunter versteht man in diesem Zusammenhang die Bildung von Schwefelwasserstoff. Das Wasser versäuert, stinkt und ist giftig.

Die Verursacher sind sulfatreduzierende Bakterien, die Sulfat zu Sulfid umwandeln. Dabei entsteht Sauerstoff, der zur Oxidation von Metallen führt. Temperatur und Druck spielen für die Bakterien fast keine Rolle. Aus diesem Grunde verwendet man heute nur noch dann Sulfit als Sauerstoffbindemittel, wenn es unter ständiger Beobachtung ist. Es sind andere Verfahren entwickelt worden, die später skizziert werden.

Eine andere Art von Problemen ist in der biologischen Filmbildung zu sehen. Sie tritt vorwiegend bei Niedertemperaturheizungen mit Kunststoffrohren auf. Dabei nisten sich zunächst Pionierorganismen in den Poren der Oberfläche ein und vermehren sich. Dadurch wird der Boden für andere Organismen bereitet, die sich dann dort einnisten. Dieser Prozess geht so weit, bis Teile des Biofilms abgestoßen werden und an anderer Stelle aufwachsen. Dabei sind die Bakteriengesellschaften in der Lage, ihr chemisches Milieu weitgehend selbst zu bestimmen. Das heißt, auch wenn das Wasser einen pH-Wert von 9 hat, kann an der Oberfläche des Metalls oder Kunststoffes ein pH-Wert von 4,5 vorliegen. Die biologischen Prozesse in diesen gallertartigen Schichten sind äußerst vielfältig und praktisch nicht zu beherrschen.

Die Dosierung von Chemikalien und anderen Bioziden ist in der Regel nicht erfolgreich, weil nur die oberste Schicht der Bakterien abgetötet wird. Die darunterliegende Schicht hat nun genügend Zeit, sich an die giftige Substanz zu gewöhnen. Man spricht hier von Resistenzbildung.

Auf Dauer kann hier nur durch eine spezielle und ggf. wiederkehrende Wasserbehandlung eine Verminderung oder gar Lösung des Problems erreicht werden, die zur langsamen "Verbrennung" des Biofilmes führt. Allerdings sollte man bei dieser Methode die Materialspezifikation der Heizungsanlage genau prüfen, um nicht unerwünschte Nebenwirkungen zu erhalten.

Wir haben in den bisherigen Abschnitten versucht, möglichst phänomenologisch bestimmte, prinzipielle Zusammenhänge bei Korrosionsvorgängen darzustellen.

Darauf aufbauend beschreiben wir einige der wichtigsten Korrosionsschutzverfahren.

Die hier beschriebenen Korrosionsvorgänge sind immer mit Stromflüssen verbunden. Man kann versuchen, dem Korrosionsstrom eine größere Spannung entgegenzustellen, um die Korrosion zu vermeiden. Das bekannteste Verfahren basiert auf der Opferelektrode. Das bedeutet, es wird eine Elektrode aus unedlem Material in den Kreislauf gesetzt. Hier kommt vorwiegend sehr reines Magnesium zum Einsatz.

Wird das Magnesium elektrisch leitend mit allen Metallen verbunden, konzentriert sich die Korrosion auf das unedelste Metall: die Opferanode. Nachteil: Im Einzelfall kann die Opferelektrode sehr schnell verbraucht sein, was einen starken Anstieg des pH-Wertes zur Folge hat.

Wird Magnesium elektrisch isoliert eingebunden, reagiert das Metall mit dem Wasser und zersetzt sich. Konsequenz dieser Methode ist, dass die Wasserhärte zunimmt und der pH-Wert steigt. Ungeschützte Aluminiumflächen könnten dadurch angegriffen werden.

Eine weitere, jedoch in der Heizungstechnik ungebräuchliche Methode bildet die Fremdstromanode.

Da bei Korrosionsvorgängen von Eisenmetallen in Heizungsanlagen Sauerstoff eine große Rolle spielt, liegt es nahe, ihn zu binden. Bei Systemen, die gänzlich aus Metall bestehen und geschlossen gebaut sind, ist dieses Verfahren eher unsinnig, weil der Sauerstoff nur einen kleinen Teil des Korrosionsprozesses verursacht. Ist hingegen viel diffusionsoffener Kunststoff verwendet worden, ist Sauerstoffkorrosion ein Problem. Früher wurde Natriumsulfit eingesetzt (Konsequenzen s. sulfatreduzierende Bakterien). Hydrazin, das zum Teil bei größeren Anlagen Verwendung findet, kommt für kleine Anlagen nicht infrage, da das Mittel als Krebs erregend gilt. Im Wesentlichen wird die Sauerstoffbindung nur unter Beobachtung angewendet, weil man regelmäßig nachdosieren muss und das Wasser je nach Produkt umkippen und eine verstärkte Korrosion zur Folge haben kann.

Der optimale pH-Wert

Bei fast allen Korrosionsprozessen spielt der pH-Wert eine entscheidende Rolle. Es ist jedoch sehr schwer, einen optimalen pH-Wert einzustellen, wenn ein Mix verschiedenster Materialien vorliegt: Stellt man für ein bestimmtes Material (z. B. Aluminium) einen optimalen pH-Wert ein, kann es dadurch Korrosionsprobleme bei anderen Metallen (z. B. Stahl) geben. Dies macht wiederum eine Schutzdosierung notwendig.

Die derzeit erfolgreichste Methode ist die Bildung von speziellen Filmen auf der Oberfläche von Metallen. Diese sollten dicht und fest haftend sein, dementsprechend ist dann eine Nachdosierung nur in geringem Umfang bzw. gar nicht notwendig. Die Nistmöglichkeiten für biologischen Befall werden entzogen und die geringe Filmstärke (0,005 mm) stellt keinen Wärmewiderstand dar. 

Die Filmbildung hat den Vorteil, dass der Sauerstoffgehalt praktisch nicht relevant ist und die Oberflächen auch dann gut geschützt werden, wenn der pH-Wert nicht ganz im optimalen Bereich liegt.

• Beim Bau einer Heizungsanlage sollten so wenig verschiedene Materialien wie möglich verbaut werden.
• Ein Heizungssystem sollte zur Sicherheit grundsätzlich mit weichem Wasser gefüllt werden.
• Es sind Maßnahmen zum Schutz vor Korrosion zu treffen.
• Bei geschlossenen, weitgehend gasdichten Anlagen ohne Aluminium haben sich filmbildende Verfahren und/oder der Einbau einer Opferelektrode aus hochreinem Magnesium bewährt.

• Bei Mischinstallationen mit oder ohne Aluminium und diffusionsoffenen Kunststoffen ist die Einspülung eines Filmbildners zu empfehlen.
• Ein Niedertemperaturheizungssystem sollte vor Inbetriebnahme gründlich mit weichem Wasser gespült werden.
• Bei Altanlagen muss nach Einzelfall entschieden werden. Klarheit schafft meistens eine Heizungswasseranalyse. In vielen Fällen ist eine effiziente Heizungswassersanierung die sicherste Lösung.