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Anergienetze sind Wärmeversorgungsnetze mit Wasser als Wärmeträger. Die Temperatur des Wassers unterscheidet sich dabei nur wenig von der Umgebungstemperatur. Beim Verbraucher wird über Wärmepumpen aus der Energie des Wärmeträgers die gewünschte Temperatur erzeugt. Anergienetze werden sowohl für Heizungszwecke als auch zur Kühlung eingesetzt.
Aufgrund dieser Eigenschaften der Anergienetze können Energiequellen, wie die Abwärme von Industrieanlagen oder die Geothermie für die Wärme- oder Kälteerzeugung, genutzt werden. In der Schweiz nutzen Anergieanlagen beispielsweise Seewasser, Grundwasser oder gereinigtes Abwasser als Energiequelle. Aufgrund der Bestrebung, die Energieversorgung möglichst nachhaltig zu gestalten, werden zurzeit verstärkt Anergienetze gebaut.
Hinsichtlich einer maximalen Dauerhaftigkeit der Installationen und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit ist es wesentlich, die Anforderungen an den Korrosionsschutz zu berücksichtigen. Die nachfolgenden Ausführungen gelten sowohl für die Rohre als auch für weitere wasserberührte Installationen, wie beispielsweise Wärmetauscher oder Pumpen.
Anergienetze weisen typischerweise folgenden Aufbau auf:
Im primären Kreislauf wird der Wärmeträger, z. B. Seewasser oder Grundwasser, bis zu einem Wärmetauscher geführt. Das Wasser ist in der Regel unbehandelt und sauerstoffhaltig, da der primäre Kreislauf als offener Kreislauf betrieben wird. Die Leitungen sind meist erdverlegt, können aber auch in Gewässern oder Stollen verlaufen.
Beim sekundären Kreislauf handelt es sich in der Regel um einen geschlossenen Kreislauf. Dies erlaubt eine definierte Einstellung der Wasserqualität. Der sekundäre Kreislauf übernimmt beim Wärmetauscher die Energie vom primären Kreislauf und führt diese bis zur Wärmepumpe beim Verbraucher. Fallweise findet vor der Wärmepumpe beim Verbraucher ein weiterer Wärmeübertrag mittels Wärmetauscher zu einem weiteren geschlossenen Kreislauf beim Verbraucher statt.
Die Leitungen des sekundären Kreislaufs sind meistens erdverlegt. Es gibt aber auch Fälle, wo die Leitungen mindestens abschnittweise in Stollen geführt werden.
FĂĽr den Betrieb des primären und sekundären Kreislaufs sind Pumpen erforderlich. Oft sind diese zusammen mit den Wärmetauschern zwischen primärem und sekundärem Kreislauf im gleichen Gebäude installiert. In den Pumpstationen sind diverse weitere technische Installationen, z. B. AusrĂĽstungen zur KonÂtrolle der Anlage und zur Einstellung der Wasserqualität, vorhanden (Fig. 1).
Der vorgenannte Beschrieb verdeutlicht, dass metallische Bauteile von Anergienetzen eine Vielzahl von Expositionen aufweisen. So gilt es, die Korrosivität des transportierten Wassers sowie die Aggressivität des Bettungsmaterials zu beachten. Zudem sind die Gefährdung durch Bildung von galvanischen Elementen gemäss Richtlinie C2 [1] der SGK sowie die mögliche Beeinflussung durch Streuströme gemäss Richtlinie C3 [2] der SGK zu berücksichtigen. In Stationen oder bei Leitungen in Stollen besteht zudem eine atmosphärische Beanspruchung.
Bei einem Korrosionsprozess von Stahl laufen die anodische (Gl. 1) und die kathodische Teilreaktion (Gl. 2) gleichzeitig ab.
Fe → Fe2+ + 2e-   (Gl. 1)Anodische Teilreaktion (Metallauflösung)
O2 + 2H2O + 4e-  → 4OH-  (Gl. 2)
Kathodische Teilreaktion (Sauerstoffreduktion)
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Die beiden Teilreaktionen sind räumlich nicht voneinander getrennt und laufen im gleichen Oberflächenbereich ab (Fig. 2).
Bildet sich auf der Stahloberfläche eine Passivschicht aus, sind die beiden Teilreaktionen stark reduziert, sodass praktisch keine Korrosion mehr auftritt (Fig. 2). Der Passivfilm besteht aus einer Magnetit-Schicht, die eine Dicke von wenigen Nanometern aufweist. Die Passivschicht kann sich bei alkalischen Bedingungen (pH > 9) ausbilden. Bei C-Stahl kann sich eine Passivschicht beispielsweise im Beton ausbilden. Nichtrostende Stähle sind, aufgrund der Zulegierung von Chrom, im Wasser bereits bei neutralen Bedingungen spontan passiv.
Wenn zwei Metalle mit einem unterschiedlichen Korrosionspotenzial elektrolytisch und metallisch verbunden werden, entsteht ein galvanisches Element. Das Metall mit dem negativeren Korrosionspotenzial wird zur Anode und wird beschleunigt aufgelöst. Das Metall mit dem positiveren Korrosionspotenzial wird zur Kathode – dort findet die Sauerstoffreduktion statt. Im Vergleich zur flächigen Korrosion sind somit bei einem galvanischen die anodische und die kathodische Teilreaktion räumlich getrennt. Das Prinzip der galvanischen Korrosion ist in Figur 3 schematisch dargestellt.
Das Flächenverhältnis zwischen Anode und Kathode ist für die tatsächlich auftretende Korrosionsgeschwindigkeit von Bedeutung. Eine kleine Anode und eine im Vergleich dazu grosse Kathode wirken sich ungünstig aus; in diesem Fall kommt es zu einer hohen Korrosionsgeschwindigkeit. Diese Effekte sind im SVGW-Merkblatt W10018 [3] detailliert beschrieben.
In Tabelle 1 sind Beispiele für Metallpaarungen (Metall A/Metall B) aufgeführt, wie sie auch bei Anergienetzen auftreten können. Es ist angegeben, ob eine Korrosionsgefährdung durch die Bildung eines galvanischen Elements besteht.
| Metall A | Metall B | Galvanisches Element möglich |
| C-Stahl / Gusseisen im Wasser | nichtrostender Stahl im Wasser | Ja |
| C-Stahl / Gusseisen im Wasser | C-Stahl im Beton | Ja |
| C-Stahl im Beton | nichtrostender Stahl im Wasser | Nein |
| C-Stahl im Beton | nichtrostender Stahl im Beton | Nein |
Meist werden die Komponenten aus Gusseisen und der C-Stahl zum Korrosionsschutz mit einer Beschichtung versehen, die das Metall vom Wasser trennt. Dies bewirkt einen wirksamen Korrosionsschutz, solange die Beschichtung fehlerfrei bleibt. Das Auftreten von Poren oder lokalen Beschädigungen in der Beschichtung kann aber nicht dauerhaft ausgeschlossen werden. Aufgrund des ungünstigen Flächenverhältnisses kommt es daher im Betrieb oft bereits nach wenigen Jahren zu relevanten Korrosionsproblemen.
In der Nähe von Streustromverursachern, z. B. Gleichstrombahnen, kann fĂĽr erd- oder wasserberĂĽhrte Strukturen eine erhöhte Korrosionsgefährdung durch Streustromeinwirkung bestehen. In der Regel muss die tatsächlich vorliegende Streustromgefährdung messtechnisch abgeklärt werden. Figur 4 zeigt das Prinzip der Streustromkorrosion schematisch anhand einer Gleichstrombahn: Ein Teil des RĂĽckstroms verlässt die Schienen und fliesst als Streustrom im Erdreich zum Gleichrichter zurĂĽck. Liegt eine metallische Struktur vor, beispielsweise eine elekÂtrisch längsleitfähige Rohrleitung, tritt der Strom in die Struktur ein und in der Nähe des Gleichrichters wieder aus. Dort kommt es zu verstärkten Korrosionsangriffen. Mit zunehmender Länge der Struktur und mit kĂĽrzerer Distanz zum Streustromverursacher, z. B. Bahngleise, nimmt die Streustromgefährdung zu. In der Vergangenheit waren die Probleme mit Streustromkorrosion hauptsächlich auf Gleichstrom-Bahnanlagen beschränkt. Mit dem vermehrten Einsatz von gleichstrombasierter Energieerzeugung und Energietransport treten vermehrt auch Streustrombeeinflussungen im Zusammenhang mit Solaranlagen, Wechselrichtern und DC-HochspannungsĂĽbertragung auf.
Sauerstoffhaltiges Wasser liegt bei AnerÂgienetzen bei den offenen Kreisläufen vor. Die primären Kreisläufe sind häufig als offene und damit belĂĽftete Systeme ausgebildet.
Die allgemeine Korrosion wird durch das Wasser in den Leitungen bestimmt. Bei sauerstoffhaltigen Wässern ist bei Leitungen aus C-Stahl ein Korrosionsschutz erforderlich. Ansonsten ist mit Korrosionsangriffen zu rechnen (Fig. 5). Der Schutz kann durch eine Beschichtung erreicht werden, z. B. eine organische Beschichtung, wie schmelzgebundenem Epoxidharz (FBE) oder Polyurethan (PUR) oder eine Beschichtung aus zementösem Material (FZM). Alternativ können Rohre aus nichtrostendem Stahl mit geeigneter Korrosionswiderstandsklasse eingesetzt werden.
Beim Einsatz von nichtrostenden Stählen ist zu beachten, dass die Beständigkeit stark von der Wasserqualität abhängig ist. Eine grosse Bedeutung kommt dabei dem Chlorid- und Sulfatgehalt zu. Beim Überschreiten von gewissen Konzentrationen kann Lochkorrosion oder Spaltkorrosion initiiert werden. Tabelle 2 gibt Informationen zur Beständigkeit von nichtrostenden Stählen in Abhängigkeit des Chloridgehalts im Wasser. Im Trinkwasser haben sich nichtrostende Stähle der Klasse III nach SN EN 1993-1-4:2006 A1:2015 bewährt. Im Abwasser werden vermehrt erhöhte Chloridgehalte beobachtet. Für die Wahl der Qualität und Konstruktion mit nichtrostenden Stählen sind daher Wasseranalysen und die Berücksichtigung der Richtlinie C6 [4] der SGK unerlässlich.
| Typ Inox |
Lochkorrosion Chloridgehalt- max. [mg/l] |
Spaltkorrosion Chloridgehalt- max. [mg/l] |
|
Klasse II, nach SN EN 1993-1-4:2006 / A1:2015 Zum Beispiel: 1.4301, 1.4307 ~AISI 304 |
200 (25 °C) |
20 (25 °C) |
|
Klasse III, nach SN EN 1993-1-4:2006 / A1:2015 Zum Beispiel: 1.4401, 1.4404, 1.4571 ~AISI 316 / 316L |
1000 (35 °C) |
200 (35 °C) |
Die Beständigkeit von nichtrostenden Stählen wird zudem stark durch die Oberflächenqualität, die Verarbeitung und insbesondere auch die Qualität der Schweissnähte bestimmt. Bei Schweissnähten ist darauf zu achten, dass Anlauffarben (vgl. Fig. 6) vollständig durch Beizen und Passivieren entfernt werden. Zudem müssen die Schweissnähte frei von Poren und Spalten sein.
Beim Vorliegen von Anlauffarben sowie Poren und Spalten wird die Beständigkeit der nichtrostenden Stähle in erheblichem Masse reduziert.
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Galvanische Korrosion auf der Innenseite von Rohrleitungssystemen kann bei einem metallischen Kontakt von Komponenten aus Metallen mit unterschiedlichem Korrosionspotenzial auftreten. Die Situation ist beispielhaft fĂĽr die Kombination von nichtrostendem Stahl und C-Stahl in Figur 7 dargestellt.
Die galvanische Korrosion kann verhindert werden, indem die Komponenten aus unterschiedlichem Metall galvanisch voneinander getrennt werden. Dies kann beispielsweise durch den Einbau von Isolierflanschen erfolgen. Die Wirkung ist in Figur 8 schematisch dargestellt. Beim Einbau von galvanischen Trennungen ist darauf zu achten, dass der fĂĽr den Personenschutz erforderliche Potenzialausgleich diese nicht ĂĽberbrĂĽckt. Falls dies der Fall ist, sind die entsprechenden Schutzmassnahmen mithilfe von Abgrenzeinheiten basierend auf den Vorgaben der Richtlinie C6 [4] umzusetzen.
Wasser, frei von Sauerstoff, liegt bei gasdichten, metallisch geschlossenen Kreisläufen vor. Entspricht das Wasser in der Zusammensetzung den Anforderungen der SWKI-Richtlinie BT102 [5], sind keine zusätzlichen Korrosionsschutzmassnahmen erforderlich [6]. Dies ist auch dann der Fall, wenn Metalle mit unterschiedlichem Korrosionspotenzial im Kreislauf vorliegen.
Zu beachten ist, dass bei Vorliegen von Kunststoffrohren ohne metallische Diffusionssperre im Kreislauf trotzdem Sauerstoff in den Kreislauf gelangen kann. Es dĂĽrfen daher nur Kunststoffrohre mit metallischen Diffusionssperren eingesetzt werden.
Die allgemeine Korrosion von im Erdreich verlegten Leitungen aus C-Stahl oder Gusseisen wird durch den Erdboden bestimmt. Die Bestimmung der BodenÂaggressivität wird detailliert in der Norm DIN 50929-3:2018-03 angegeben. Die Bestimmung aller Parameter ist vergleichsweise aufwendig. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Messung des Bodenwiderstandes alleine in vielen Fällen fĂĽr die Beurteilung der Bodenaggressivität ausreicht.
Im Erdreich dĂĽrfen Rohrleitungen aus C-Stahl oder Gusseisen nicht ungeschĂĽtzt eingesetzt werden. Folgende Beispiele von Massnahmen bieten einen Schutz vor allgemeiner Korrosion im Erdreich:
Weitere Angaben zum Korrosionsschutz sind in der SVGW-Richtlinie F2 [8] angegeben.
Galvanische Elemente auf der Aussenseite von Rohrleitungen können sich bei verschiedenen Situationen ausbilden. Folgende Beispiele sind dazu aufgeführt:
Elektrolytischer Kontakt des Rohres zu unterschiedlichen Böden oder zu Bodenschichten oberhalb und unterhalb des Grundwasserspiegels. Aufgrund des unterschiedlichen Korrosionspotenzials dieser Bereiche bilden sich Belüftungselemente. Die Bildung von Korrosion infolge von Belüftungselementen kann durch die gleichen Massnahmen wie die allgemeine Korrosion verhindert werden. Zudem kann durch Unterbrechung der Längsleitfähigkeit die Korrosionsgefährdung durch Belüftungselemente stark reduziert werden.
Ein galvanisches Element kann durch die galvanische Verbindung zu Strukturen mit positiverem Korrosionspotenzial, z. B. zu Stahlbetonbauten, entstehen. Das Prinzip ist in Figur 9 schematisch dargestellt. Durch den Einbau von galvanischen Trennungen gemäss SVGW-Merkblatt 10015 [9] zwischen Rohrleitung und Bewehrung sowie durch den Einbau eines Isolierflansches in der Leitung unmittelbar nach der Hauseinführung kann der elektrische Kontakt zu Bewehrung und zum allgemeinen Potenzialausgleich blockiert werden. Damit kann die Korrosionsgefährdung der erdverlegten Leitung infolge Elementbildung mit der Stahlbetonstruktur verhindert werden (Fig. 10).
Ein elektrischer Kontakt zwischen Rohrleitungsabschnitten, die aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichem Korrosionspotenzial bestehen, fĂĽhrt ebenfalls zu einem galvanischen Element. Ein Beispiel ist ein Element zwischen einem Rohrabschnitt aus C-Stahl als Anode und einem Rohrabschnitt mit zementumhĂĽllter C-Stahlleitung als Kathode, analog zu Figur 7 auf der Innenseite. Wie auf der Innenseite kann auch das galvanische Element auf der Aussenseite durch eine galvanische Trennung zwischen den Bauteilen aus unterschiedlichem Material vermieden werden.
Werden galvanische Trennungen eingebaut, insbesondere in Gebäuden, kann das dazu führen, dass eine ausreichende Erdung nicht mehr gegeben ist. Dieses Problem kann behoben werden, indem Abgrenzeinheiten gemäss Richtlinie C6 [4] der SGK eingebaut werden. Eine Abgrenzeinheit ist eine elektrische Schaltung bestehend aus antiparallel angeordneten Dioden. Bei kleinen Spannungen bewirkt diese Schaltung eine elektrische Trennung. Bei grösseren Spannungen wird die Schaltung elektrisch leitend. Diese Spannung ist abhängig von der Art und Anzahl eingebauter Dioden. Somit kann die Entstehung von galvanischen Elementen verhindert, und trotzdem ein wirksamer Personenschutz durch Erdung im Fehlerfall, wenn grössere Spannungen auftreten, gewährleistet werden.
Wie erdberührte Metallstrukturen im Allgemeinen können auch Anergieleitungen durch Streustromeinwirkung gefährdet sein. Das Prinzip der Streustromeinwirkung ist schematisch in Figur 4 für den Fall einer Bahnbeeinflussung dargestellt. Folgende Schutzmassnahmen stehen zur Verfügung:
In Räumen, wie Pumpstationen oder Stollen, sind Leitungen aus C-Stahl oder Gusseisen durch atmosphärische Korrosion gefährdet. Die Korrosionsgefährdung ist erhöht, wenn kondensierende Bedingungen auftreten. Gerade bei Anergiesystemen liegen oft kalte Rohroberflächen vor, was zu relevanten Kondensations- und Korrosionserscheinungen führt.
Um atmosphärische Korrosion zu vermeiden, sind Bauteile aus C-Stahl oder Gusseisen mit einem Beschichtungssystem zu versehen, das der vorliegenden Expositionsklasse entspricht. Die Beschichtung muss den Anforderungen des Normenwerks EN ISO 12944 entsprechen. Ist mit einem Kondenswasseranfall zu rechnen, ist eine Beschichtung zu wählen, die für die Beanspruchungsklasse Im1 (Süsswasser) entsprechend der Norm EN ISO 12944-2 geeignet ist. Erfahrungsgemäss ist die Verwendung von thermischer Isolation nicht geeignet, um Kondensation und damit Korrosion an der Rohroberfläche zu verhindern.
Mit einer Klimatisierung kann die Bildung von Kondenswasser verhindert werden. Die Luftfeuchtigkeit in den Räumen muss dazu so weit reduziert werden, dass sich an der Oberfläche der Rohre kein Kondenswasser bildet. Das bedeutet, dass der Kondensationspunkt niedriger sein muss als die Oberflächentemperatur der Rohre. Empfohlen ist, einen Taupunktabstand von mindestens drei Grad zur Oberflächentemperatur der Rohre einzuhalten.
Die Rohrleitungen der Anergienetze sind vielfältigen Korrosionsgefährdungen sowohl auf der Innenseite als auch auf der Aussenseite ausgesetzt. Es ist daher entscheidend, die Umgebungsbedingungen, mit denen das System in Kontakt kommt, sowie die Beeinflussungssituation vorgängig sorgfältig zu analysieren. Dies ermöglicht die korrekte Werkstoffauswahl und die Wahl von geeigneten Schutzsystemen. Bei Gebäuden, beispielsweise Pumpstationen, ist es unerlässlich, ein Erdungskonzept zu erstellen, das sowohl die Aspekte des Personen- als auch diejenigen des Korrosionsschutzes berücksichtigt.
Von grosser Bedeutung ist die fachgerechte Umsetzung der Schutzmassnahmen. Die Qualität der Schutzmassnahmen ist daher messtechnisch zu überprüfen. Insbesondere sind basierend auf den bisherigen Erfahrungen die folgenden Aspekte für eine erfolgreiche Umsetzung eines wirksamen Korrosionsschutzes während der Bauphase und der Inbetriebnahme unerlässlich:
Die Grundlagen für einen wirksamen Korrosionsschutz sind bestens bekannt und in der Richtlinie für Fernkälte- und Anergienetze F2 des SVGW, in den Richtlinien C1, C2, C3 und C6 der SGK sowie in den SVGW-Merkblättern W10018 und W10015 dokumentiert. Bei korrekter Anwendung und Aufrechterhaltung dieser Vorgaben ist ein wirksamer Korrosions- und Personenschutz dauerhaft sichergestellt.
[1] SGK: Richtlinie C2, Richtlinie fĂĽr Projektierung, AusfĂĽhrung und Betrieb des kathodischen Korrosionsschutzes von Rohrleitungen, Ausgabe 2023-05
[2] SGK: Richtlinie C3, Richtlinie zum Schutz gegen Korrosion durch Streuströme von Gleichstromanlagen, Ausgabe 2022-11
[3]Â SVGW: Merkblatt W10018d, Korrosion durch galvanische Elemente bei der Verbindung verschiedener Werkstoffe von Trinkwasserleitungen in Haustechnikanlagen, Ausgabe Februar 2011
[4] SGK: Richtlinie C6, Richtlinie zum Korrosionsschutz in Abwasseranlagen, Ausgabe 2010-08
[5] SWKI: Richtlinie BT102-01, Wasserbeschaffenheit für Gebäudetechnik-Anlagen, 2. Auflage, 2012-08
[6] Voûte, C.-H.; Büchler, M. (2022): Wasserqualität in Fernwärmesystemen. Fachartikel Aqua & Gas N°2
[7] SGK: Richtlinie C1, Richtlinie fĂĽr Projektierung, AusfĂĽhrung und Betrieb des kathodischen Korrosionsschutzes von Rohrleitungen, Ausgabe 2023-05
[8] SVGW: Richtlinie F2d, Richtlinie für Fernkälte- und Anergienetze, Ausgabe Juli 2020
[9] SVGW: Merkblatt W10015d, Elektrische Trennung von Wasserleitungen und Erdungsanlagen, Ausgabe Februar 2011
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