Was beeinflusst die Korrosion in Heizkreisläufen?

Sauerstoff gilt im Heizungswasser als Korrosionstreiber Nummer eins. Tatsächlich hängen die Korrosionsraten der meisten im Heizkreislauf verbauten Metalle direkt von der Menge an gelöstem Sauerstoff ab. Das heißt: Sofern ein Sauerstoffzutritt vermieden werden kann, findet meist keine Korrosion statt. Dies gilt allerdings nicht für niedrige pH-Werte < 6 oder, im Falle von Aluminium, für pH-Werte > 8,5. Für die Säure- und Basen-Korrosion ist kein Sauerstoff erforderlich, um den „Korrosions-Stromkreis“ zu schließen.

Korrosionsgeschehen lässt sich auf Stromkreis übertragen

Zum einfacheren Verständnis und zur Veranschaulichung lassen sich die Abläufe im Korrosionsgeschehen auf einen Stromkreis übertragen, wie er noch aus dem Schulunterricht bekannt sein dürfte. Wie Bild 1 schematisch zeigt, besteht dieser aus Stromquelle, Glühlampe, Schalter und ggf. elektrischem Widerstand. Die Korrosionsreaktion entspricht dabei der Stromquelle (1), die Leuchtkraft der Glühlampe (2) zeigt dabei die Korrosionsgeschwindigkeit.

Ob der Schaltkreis geschlossen ist oder nicht, entscheidet das Vorhandensein von Sauerstoff oder Säure im Heizwasser, im Schaubild dargestellt mit dem Schalter (3). Nun wird die Leuchtkraft der Glühlampe u. a. noch beeinflusst von den beiden Widerständen (4 und 5). Ein Widerstand ist dabei dem Heizungswasser zugeordnet, der andere einer möglichen Deckschicht auf dem Metall.

Um die Einflüsse von pH-Wert und Leitfähigkeit auf die mögliche Korrosionsreaktion zu verdeutlichen, werden die einzelnen Komponenten im Stromkreis nachfolgend näher betrachtet.

• Die Spannung der Stromquelle, und damit die mögliche Leuchtkraft der Glühlampe, hängt direkt ab von den chemischen Reaktionen am Plus- und Minuspol. Jede Reaktion erzeugt ein gewisses Potenzial und die Potenzialdifferenz zwischen beiden Polen bestimmt die Spannung der Stromquelle.
• Dort, wo das Metall in Lösung geht, z. B. Fe → Fe²⁺ + 2 e^- befindet sich der (–)Pol. An der anderen Elektrode, dem (+)Pol, wird der im Wasser gelöste Sauerstoff reduziert, also gemäß der chemischen Formel O₂ + 2 H₂O + 4 e → 4 OH^- verbraucht oder Säure (H⁺) zu Wasserstoff entladen. Wichtig ist dabei: Die Reaktion am (+)Pol ist abhängig vom pH-Wert und liefert mit abnehmendem pH-Wert mehr „Spannung“ (59 mV/pH). Niedrige pH-Werte beschleunigen auch aus diesem Grund die Korrosion.
• Die Helligkeit der Glühlampe zeigt direkt die Korrosionsgeschwindigkeit an und hängt davon ab, ob der Schalter geschlossen ist und wenn ja, wie viel Strom fließt.
• Der Schalter wird im Heizkreis entweder durch das Vorhandensein von Sauerstoff oder durch Säuren bei pH-Werten < 6 geschlossen. Bei einer korrosionstechnisch geschlossenen Anlage mit einem pH-Wert von 8,2 im Kreislaufwasser wäre der Schalter also geöffnet und es könnte demnach keine Korrosion stattfinden.
• Wie viel Strom fließen kann, hängt neben der Spannung der Stromquelle auch von möglichen Widerständen im Stromkreis ab. Einen starken Einfluss übt hier die elektrische Leitfähigkeit des Heizungswassers aus. Eine niedrige Leitfähigkeit entspricht einem hohen Widerstand. Eine salzarme Betriebsweise begrenzt somit die mögliche Korrosionsgeschwindigkeit enorm.
• Bildet sich auf den im Heizkreis verbauten Metallen eine Deckschicht aus, tritt ein weiterer Widerstand hinzu. Ob sich Deckschichten ausbilden können oder nicht, bestimmt maßgeblich der herrschende pH-Wert. Daher empfehlen auch die Richtlinien [1] einen pH Bereich von 8,2 bis 10. Aluminium besitzt diese dichte Deckschicht bereits von Anfang an. Alkalische pH-Werte > 8,5 lösen diese dichte Schutzschicht leicht ab, wie Bild 2 zeigt.

Richtiger pH-Bereich und kleine elektrische Leitfähigkeit

Grundsätzlich lässt sich auch durch Hinzugabe eines Korrosionsinhibitors eine Schutzschicht erzeugen und dieser Widerstand vergrößern. Allerdings sollte diese chemische Methode nur in Ausnahmefällen erwogen werden, sofern ein Sauerstoffeintrag technisch nicht anders zu vermeiden ist - nicht zuletzt auch aus Gründen der erforderlichen Überwachung.

Es zeigt sich deutlich, dass bei einem hohen Widerstandswert des Heizungswassers ein möglicher Widerstand (5) der Deckschicht zunehmend an Bedeutung verliert. Dadurch können bei salzarmer Betriebsweise auch eher Abweichungen im pH-Wert toleriert werden und es kann auf Inhibitoren verzichtet werden.

Im Ergebnis wird eine möglichst niedrige Korrosionsgeschwindigkeit der verbauten metallischen Werkstoffe also dadurch erreicht, dass sich das Kreislaufwasser im richtigen pH-Bereich befindet und gleichzeitig eine möglichst kleine (50-100 µS/cm) elektrische Leitfähigkeit vorherrscht.

Grundsätzlich ist eine korrosionstechnisch geschlossene Anlage anzustreben, bei der also kein nennenswerter Zutritt von Sauerstoff erfolgen kann. Und dies vor allem mittels einer gut funktionierenden Druckhaltung

Inline-Entsalzung ohne Betriebsunterbrechung

Um die optimalen Werte im Heizungswasser einzustellen, kann zum einen das Heizungswasser ausgewechselt werden. Dies ist allerdings mit einigen Nachteilen und viel Aufwand verbunden. Als wesentlich einfacher und sicherer erweist sich die Inline-Entsalzung ohne Betriebsunterbrechung (Bild 3).

Bei dieser Methode kann das zirkulierende Wasser weitgehend automatisiert entsalzt, gefiltert und auch im pH-Wert korrigiert werden. Dabei lassen sich nicht nur bei großen Anlagen Zeit und Aufwand sparen, diese Methode gilt auch als äußerst nachhaltig, da die VE-Harze grundsätzlich umweltgerecht regenerierbar sind. Darüber hinaus wäre manches Heizungswasser ansonsten eigentlich als Sondermüll zu entsorgen.

Dr. Dietmar Ende ist Entwicklungsleiter der Permatrade Wassertechnik GmbH, 71229 Leonberg. Dieser Beitrag ist zuerst erschienen in SBZ Ausgabe: 06-2017.