Aus Verbrauchersicht ist eine Wasseraufbereitung stets sinnvoll und wichtig. So kann man sicher sein, dass das Medium, das die Energie durch die Anlage transportieren soll, seine Fähigkeit zur Aufnahme und/oder Übertragung von Energie voll ausschöpft.
Je nach Wasserqualität, Wasserzusammensetzung und Beschichtung wird die Energieübertragungsfähigkeit erheblich verringert. Darüber hinaus ist die Zusammensetzung der Ablagerung von entscheidender Bedeutung für die Verringerung der Energieübertragung. Silikate führen bei einer Ablagerungsdicke von 0,1 mm zu einer achtmal stärkeren Verringerung der Energieübertragung im Vergleich zu beispielsweise Eisenoxiden (Rost). In der Praxis entspricht eine 1 mm dicke Eisenoxidbeschichtung einer Verringerung der Energieübertragung um ca. 2% – oder dem, was wir als Wirkungsgrad bezeichnen.
Korrosion (aus dem Lateinischen „corrodere“ = „nagen“) lässt sich als Zersetzung oder Veränderung der metallischen Struktur definieren. Die Zersetzung erfolgt durch Reaktionen zwischen der Metalloberfläche und Stoffen in der Umgebung. Das Medium kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein.
Bei der Korrosion eisenhaltiger Metalle können zwei verschiedene Reaktionen auftreten: Sauerstoffkorrosion und Wasserstoffkorrosion. Beide Reaktionen finden unter völlig unterschiedlichen Bedingungen statt. Was die grundlegenden Voraussetzungen für das Auftreten von Wasserstoffkorrosion sind und wodurch sie verursacht werden, erfahren Sie hier.
Was verursacht Wasserstoffkorrosion?
Wenn Sauerstoff in Form von Luft und Wasser in der Nähe von Metallen, insbesondere eisenhaltigen Metallen, vorhanden ist, handelt es sich bei der elektrochemischen Reaktion in der Regel um Sauerstoffkorrosion, bei der Eisen zu Rost oxidiert. Fehlt jedoch Sauerstoff, tritt stattdessen die sogenannte Säurekorrosion oder Wasserstoffkorrosion auf. Das Endprodukt ist reiner Wasserstoff, das Metall wird oxidiert. Der zweite Teil der Redoxreaktion ist jedoch die Reduktion von Oxoniumionen zu Wasserstoff. Das Metall löst sich in Form von Ionen auf. Dies führt zum Abtrag des Materials in nahezu gleichmäßiger Menge. Wasserkorrosion tritt immer dann auf, wenn Sauerstoff fehlt. Beide Reaktionen, sowohl die Wasserstoff- als auch die Sauerstoffkorrosion, sind für die Rostbildung verantwortlich.
Die Wasserkorrosion wird durch komplexe Wechselwirkungen zwischen pH-Wert, CO₂-Gehalt, Sauerstoffgehalt, Alkalität und Härte beeinflusst. Ein hoher Ionengehalt (Leitfähigkeit) – insbesondere Chlorid und Sulfat – kann ebenfalls zu erhöhter Korrosion führen. Neben chemischen Faktoren können auch physikalische Eigenschaften wie Partikel bzw. Schwebstoffe zu Korrosion führen. Durch die Beeinflussung einzelner dieser Parameter mittels Wasseraufbereitung lässt sich die korrosive Wirkung anderer Parameter verringern. Daher werden heute auf dem Markt Wasseraufbereitungsmethoden angeboten, die das Problem auf unterschiedliche Weise «angreifen», indem sie verschiedene Parameter beeinflussen. Einige Verfahren konzentrieren sich auf die Entfernung von Sauerstoff, sodass die Alkalität und die Härte des Wassers eine geringere Rolle spielen; andere konzentrieren sich ausschließlich darauf, den pH-Wert anzuheben und stabil zu halten, während wieder andere die Filterung des Wassers mit der Einstellung des pH-Werts sowie der Alkalität und Härte kombinieren.
Welche Art der Wasseraufbereitung?
Hier sehen Sie eine typische Beschreibung eines Beraters, in der für eine Heiz- und Kühlanlage eine Wasseraufbereitungsanlage beschrieben wird, die folgende Funktionen erfüllt:
- Durchflusswasser und Umwälzwasser werden von Partikeln bis zu einer Größe von 20 µm gefiltert
- Luft wird abgesaugt
- pH-Wert, Alkalität und Härte werden stabil auf dem gewünschten Niveau gehalten
- Bakterienwachstum wird verhindert
Die Wasserqualität in der Heizungsanlage muss nach drei Monaten Betrieb die folgenden Anforderungen erfüllen:
- pH-Wert 9,5 – 10
- Fe < 0,01 mg/l
- Cu < 0,02 mg/l
- O₂ < 0,02 mg/l (20 ppb)
Viele fragen konkret danach, wie wichtig der Sauerstoffgehalt in einer Heiz- oder Kühlanlage ist. Liest man Kommentare von Branchenkollegen, ist die unmittelbare Reaktion, dass dies von größter Bedeutung ist und dass der Sauerstoffgehalt möglichst nahe bei Null oder am besten gleich Null liegen sollte. Häufig wird ein Sauerstoffgehalt von <0,020 mg/l (20 ppb) genannt. Dies ist ein sehr niedriger Wert und nicht aussagekräftig; uns ist keine Fachliteratur bekannt, die dies bestätigen könnte. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass 1 ppb = 0,001 ppm entspricht.
Die folgende Grafik stammt aus «Corrosion Engineering – Principles and Practice» (2008) von Pierre R. Roberge (Kapitel 8, Seite 274). Die Grafik zeigt den Einfluss von gelöstem Sauerstoff im Wasser auf die Korrosion von Stahl bei verschiedenen Wassertemperaturen. Wie man sieht, hat der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser bei Werten unter 1 ppm (d. h. 1000 ppb) nur einen geringen Einfluss auf die Korrosion; bei einer Wassertemperatur von 9 °C ist dies bereits bei einem Gehalt von 3 ppm zu beobachten.
1 ppm entspricht also einer Konzentration, die 50-mal höher ist als der Wert, den manche als empfohlenen Grenzwert angeben.
Die folgende Grafik stammt ebenfalls aus «Corrosion Engineering – Principles and Practice» (2008) von Pierre R. Roberge (Kapitel 8, Seite 276). Diese Grafik zeigt die Korrosion von Wasser, das 5 ppm gelösten Sauerstoff enthält (also einen Sauerstoffgehalt, der 250-mal höher ist als der von manchen als empfohlener Grenzwert angegebene Wert), als Funktion des pH-Werts bei zwei verschiedenen Temperaturen. Wie man sieht, tritt bei einem pH-Wert des Wassers zwischen ca. 4,5 und 9 keine messbare Korrosion auf, wenn der Sauerstoffgehalt im Wasser 5 ppm beträgt. Vor diesem Hintergrund lässt sich mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass ein Sauerstoffgehalt von 20 ppb, wie er angegeben wird, keine Korrosion verursacht, wenn der pH-Wert des Wassers > 9 liegt.
Was den Gehalt an gelöstem Fe (Eisen) und gelöstem Cu (Kupfer) betrifft, ist es wichtig zu betonen, dass man sich nicht blind auf die Werte <0,10 mg/l und <0,02 mg/l verlassen sollte, sondern diese realistisch zu betrachten und im Zusammenhang mit den anderen analysierten Parametern zu bewerten. Solange der Gehalt an gelöstem Fe < 0,1 mg/l und an gelöstem Cu < 0,02 mg/l sowie der Gehalt an Schwebstoffen < 10 mg/l beträgt, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass im System nennenswerte Korrosion stattfindet. Es liegt völlig im Normbereich, dass man gewisse Schwankungen bei den Kupfer- und Eisenkonzentrationen im Wasser feststellt – selbst bei vorhandener Wasseraufbereitung. Die Schwankungen können auf rein technische Ursachen zurückzuführen sein, wie beispielsweise die Messunsicherheit des Labors. Das bedeutet: Wenn man den Eisengehalt derselben Probe zweimal analysiert, erhält man garantiert keine identischen Ergebnisse (zumindest nicht auf die dritte und vierte Dezimalstelle, die man leicht zum Vergleich heranziehen könnte). Zudem ist eine Wasserprobe eine Momentaufnahme – und Einzelproben müssen daher auch entsprechend bewertet werden. Erst wenn man über einen längeren Zeitraum mehrere Wasserproben hat, kann man gegebenenfalls Trends erkennen und beurteilen, ob Anlass zur Sorge besteht.
Die Schlussfolgerung könnte lauten: Die in den Proben festgestellten Schwankungen im Gehalt an gelöstem Kupfer und Eisen lassen sich nicht weiter erklären, da keine weiteren Anhaltspunkte dafür vorliegen, dass es sich hierbei um mehr als eine normale Schwankung handelt.
Über EnwaMatic Wasseraufbereitung
EnwaMatic ist eine Multifilterlösung, die 1) das Wasser von Partikeln bis zu einer Größe von 5 µm filtert und 2) den pH-Wert (ca. 9–10,5), die Härte und die Alkalität des Wassers beeinflusst. Das bedeutet, dass EnwaMatic den Gehalt an aktivem Sauerstoff im Wasser nicht beeinflusst, aber wie oben beschrieben: Durch die Anpassung von pH-Wert, Alkalität und Härte wird die Wirkung des Sauerstoffs im Wasser auf die Korrosion weniger bedeutend. Ein wichtiger Parameter ist die Alkalität des Wassers. Die Alkalität des Wassers gibt Aufschluss darüber, wie «effektiv» das Wasser Säure neutralisieren kann, und ist daher ein wichtiger Faktor für die Puffereigenschaften des Wassers. Durch die Erhöhung der Pufferkapazität des Wassers kann dieses «Säureangriffe» – beispielsweise durch Luft mit CO₂ – in weitaus größerem Maße tolerieren, ohne dass sich der pH-Wert nennenswert ändert. Die Alkalität des Wassers sorgt für einen stabileren und gleichmäßigeren pH-Wert.
In unseren empfohlenen Spezifikationen für eine gute Wasserqualität in mit EnwaMatic aufbereiteten Systemen verweisen wir auf den Bericht des Nordvärmeforeningen über Korrosion und Wasseraufbereitung in nordischen Fernwärmesystemen:
- Aussehen: Klart
- pH-Wert: 9-10,5
- Gelöstes Eisen (Fe): <0,1 mg/l
- Gelöstes Kupfer (Cu): <0,05 mg/l
- Hosenträger-Stoff: <10 mg/l
Ein weiser Mann hat einmal gesagt: «Alle Wege führen nach Rom.» Vorausgesetzt, dass alle diese Mindestanforderungen erfüllen, mag dies zutreffen. Die Herausforderung bei einer guten und zuverlässigen Wasseraufbereitung besteht darin, Tag für Tag und Jahr für Jahr vorhersehbare Ergebnisse zu liefern und zu dokumentieren.
Begriffsliste/Erläuterungen
Redoxreaktion: Eine chemische Reaktion, bei der eine Substanz reduziert und eine andere oxidiert wird.
Oksoniumion: Das Ion H₃O⁺, das entsteht, wenn eine Säure mit Wasser reagiert, und das der Lösung ihre sauren Eigenschaften verleiht.
Trübung: Gehalt an kleinen Partikeln (Trübung) in Vannet, Einheit FTU Silikate: Sammelbezeichnung für Siliziumverbindungen, sehr hart und chemisch äußerst beständig, wird in mg/l angegeben.
Alkalität: Der Gehalt an Bikarbonat, ein Maß für die Fähigkeit des Wassers, einer Versauerung standzuhalten, wird in mg/l angegeben.
Härte: Der Kalzium- und Magnesiumgehalt des Wassers wird in deutscher Härte (°dH) angegeben.
Leitfähigkeit: Die Konzentration der gelösten Salze im Wasser wird in mS/m angegeben.
Klorid: Chlorverbindungen – hier sind Kalziumchlorid und Natriumchlorid gemeint – werden in mg/l angegeben.
Sulfat: Die chemische Verbindung – hier ist Natriumsulfat gemeint – wird in mg/l angegeben.
pH-Werte: Der Säuregrad von Vannets wird auf einer Skala von 1 bis 14 gemessen, von sauer bis basisch.
ppm: Teile pro Million
ppb: Teile pro Milliarde
