Enthärten oder entsalzen?

Für die moderne Heizungstechnik wird die Anlagenkomponente Heizungswasser immer wichtiger: Während die Metall-oberflächen in den Anlagen immer kleiner werden, wachsen die Wasservolumina gleichzeitig an. Damit einher geht die Gesamtmenge an Härtebildnern oder gelöstem Sauerstoff, die sich bei nicht aufbereitetem Wasser auf die verbliebenen Stahl- oder Aluminiumflächen konzentrieren und dort zu Korrosion oder Steinbildung führen können.

Entsprechend DIN EN 12828 ist hier der Planer gefordert, in Abhängigkeit der gewählten Werkstoffe und Anlagenbedingungen die Qualität des Heizungswassers im Heizkreislauf vorzugeben. Als Richtlinie dient ihm hierzu die VDI 2035, die nach ihrer Novellierung im Dezember 2005 auch für Kesselleistungen unter 50 kW gilt. Während zum primären Schutz vor Steinbildung prinzipiell enthärtetes Wasser erwogen werden kann, so gilt für den – ohne Zusatz von Chemikalien – geforderten Korrosionsschutz das entsalzte Wasser als eindeutig sicherste Wahl.

Für die Praxis des Heizungsbauers bietet die „Fachinformation Steinbildung – Anforderungen an das Heizungswasser bei modernen Wärmeerzeugern“, Entscheidungskriterien, ob eine Wasserbehandlung erforderlich ist oder nicht. Bei spezifischen Anlagenvolumina über 20 l pro kW Heizleistung ist dies allerdings meist der Fall. Das betrifft in der Regel Anlagen mit Flächenheizung und Pufferspeicher. Die Broschüre wurde vom BDH und dem ZVSHK gemeinsam verfasst. Einen Überblick vermittelt der Beitrag „ZV-Merkblatt Steinbildung jetzt gültig“ aus der SBZ 18/2010.

Entsalzung verlangsamt die Sauerstoffkorrosion

Die Entsalzung bietet gegenüber der Enthärtung verschiedene Vorzüge im Bezug auf das Korrosionsverhalten der Werkstoffe. Fehlen die gelösten Salze im Wasser, so ist dessen Leitfähigkeit stark erniedrigt. Eine niedrige Wasserleitfähigkeit behindert nun, ähnlich einem Vorwiderstand im Korrosionsstromkreis (Bild 2), die mögliche Sauerstoffkorrosion am Werkstoff, da dieser Teilschritt über das Wasser läuft. Die Bildung von Schlämmen aus Korrosionsprodukten, wie z. B. Magnetit geht auf ein Minimum zurück.

Bei korrosionstechnisch geschlossenen Heizungsanlagen, bei welchen kein Sauerstoff hinzutreten kann, wird der im Füllwasser gelöste Sauerstoff binnen kurzer Zeit durch Korrosionsreaktionen an Schwarzstahlkomponenten aufgezehrt. Übrigens bilden sich aus 1m³ sauerstoffgesättigtem Füllwasser nur etwa 36 g Magnetitschlamm (Fe3O4). Diese Zahlenwerte zeigen, dass der Sauerstoffeintrag über das Füllwasser zu vernachlässigen ist und vielmehr defekte Ausdehnungsgefäße, undichte Ventile, diffusions­offene Fußbodenheizungsrohre und Saugkräfte (schlechter hydraulischer Abgleich) für größere Mengen an Schwarzschlamm verantwortlich sind.

Aus diesem Grund wird in der VDI 2035/2 (Bild 3) auch zwischen salzarmer und salzhaltiger Fahrweise unterschieden, wobei im salzarmen Betrieb der fünffache Sauerstoffgehalt mit 0,1 mg/l toleriert werden kann, weil die Korrosionsgeschwindigkeit stark eingeschränkt ist. Dieser Aspekt ist besonders für ältere Anlagen interessant! Ebenfalls vermindert ein geringer Leitwert des Heizungswassers die galvanische Korrosion zweier unterschiedlich edler Metalle, die miteinander verbunden sind wie Messing und Aluminium.

Gelegentlich wird behauptet, dass voll entsalztes (VE) Wasser ein enormes Gaslösungsvermögen aufweist und deshalb auf Dauer nicht stabil sei. Im Gegenzug soll dafür das salzhaltige (enthärtete) Wasser den Sauerstoff schlecht lösen. Diese Behauptung ist überzogen und ein Beispiel kann den Sachverhalt verdeutlichen: Im Meerwasser lösen sich wegen des hohen Salzgehalts etwa 8mg/l Sauerstoff, während wir im Süßwasser 10 mg/l vorfinden. Dabei zeigt aber Meerwasser Leitfähigkeiten von 45000 bis 55000 µS/cm, Trinkwasser dagegen im Schnitt etwa 600 µS/cm. Der Effekt ist also nicht nennenswert.

Effektiver Schutz auch vor Lokalkorrosion

Einen weiteren wichtigen Vorteil bietet das salzarme Wasser bei der Verhütung von lokalen Korrosionserscheinungen. Sind die Neutralsalze entfernt, treten bestimmte Korro­sions­arten erst gar nicht auf. Fehlt beispielsweise das Nitrat im Füllwasser, kann sich durch che­mische Reaktion auch kein Ammoniak bilden, das die Spannungsrisskorrosion an Messingteilen begünstigt. Gleiches gilt für Chlorid, welches nach der Trinkwasserverordnung (TVO) mit bis zu 250 mg/l zugelassen ist und bereits ab 50 mg/l die schnell zum Korrosionsschaden führende Loch- und Spaltkorrosion an (Edel)stahl und Aluminium auslöst. In den Bildern 4 bis 6 sind Laborergebnisse dazu gezeigt. Nach DIN EN 14868 gilt daher: „Bezüglich des Auftretens aller lokalen Korrosionsarten ist die Verwendung von voll entsalztem Wasser vorzuziehen.“ Auch die ÖNORM H 5195-1 sowie die Schweizer Richtlinie SWKI 97-1 weisen explizit auf diesen Sachverhalt hin.

Mit Hilfe von elektrochemischen Rauschmessungen kann der Einfluss von Chlorid­ionen auf das Korrosionsverhalten von Metallen untersucht und gezeigt werden. Dabei werden zwei identische Blechstreifen in das zu untersuchende Wasser eingetaucht und mit einem Null-Ohm-Amperemeter kurzgeschlossen. Das Messgerät (Ecmnoise von IPS) zeichnet dann zeitgleich parallel für mehrere Proben die Stromfluktuationen in nA (=10–9A) über die Versuchszeit auf, wobei noch Frequenzfilter gesetzt sind. Je stärker dieses Stromrauschen auftritt, desto höher ist die elektrochemische Korrosionsaktivität. Wie man sofort erkennt, bewirkt eine höhere Konzentration der Chloridionen eine deutliche Zunahme der Korrosionsaktivität bei beiden Werkstoffen. Bei Aluminium treten im Vergleich wesentlich höhere Stromamplituden auf.

Um die Wahrscheinlichkeit der Lochkorrosion bei nicht aufbereitetem oder enthärtetem Wasser abzumildern, sollte das Wasser alkalisch sein und etwas Karbonathärte (> 3°d) besitzen. Bei enthärteten Wässern ist dies in der Regel erfüllt, da diese im Betrieb zur Selbstalkalisierung neigen und von sich aus ihren pH-Wert erhöhen. Wie korrosiv das Wasser unter dem Strich aber reagiert, hängt natürlich von dessen Zusammensetzung hinsichtlich Neutralsalzkonzentrationen und Karbonathärte ab, und ist nicht ohne Weiteres abzuschätzen. Für Schwarzstahl ist in Bild 6 ein Beispiel gezeigt. Zweifellos bringt hier der alkalische pH-Wert eine deutlich verringerte Eisenauflösung, stellt aber doch nur eine Kompromisslösung dar. Zusätze von Konditionierungsmitteln (Inhibitoren) könnten die Auflösung des Eisens weiter verringern helfen, aber eine Wasserbehandlung durch Zugabe von Chemikalien soll auf Ausnahmen beschränkt sein, wie die VDI 2035-2 hierzu richtig bemerkt. Und so günstig dieser Selbstalkalisierungseffekt des enthärteten Füllwassers für Stahl auch sein mag, für Aluminiumbauteile ist er meist tödlich.

Bei VE-Wasser gibt es keine Gefahr durch Selbstalkalisierung

Wie schon erwähnt, neigen konventionell enthärtete Füllwässer zur Selbstalkalisierung, d. h. im Betrieb wird sich ihr pH-Wert mit der Zeit mehr und mehr erhöhen. Der maximale entstehende pH-Wert ist vom Karbonathärtegrad des Rohwassers abhängig. Was passiert? Beim Aufbereitungsprozess mit dem Trinkwasserenthärter wird der gelöste Kalk (Kal­zium­hydrogenkarbonat) durch Natriumionenaustausch in Natron (Natriumhydrogenkarbonat) umgewandelt. Dieses Produkt zersetzt sich nun beim Erwärmen in Soda (Natriumkarbonat) und Kohlendioxid. Letzteres verlässt das Heizsystem im Laufe der Zeit als Gas. Dabei steigt der pH-Wert leicht auf 9 bis 9,5 auf (Bild 7). Aluminiumwerkstoffe werden durch Basenkorrosion zerstört, ­ohne dass ein Sauerstoffzutritt hierfür notwendig wäre. Für das Aluminiumbauteil besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit des Versagens: Der Basenangriff zerstört die (keramische) Passivschicht und das Metall geht unter Wasserstoffentwicklung in Lösung. Parallel dazu besteht am ungeschützten, weichen Metall die Gefahr der Erosionskorrosion an strömungsexponierten Stellen. Derartige Schäden werden schon nach 1 bis 2 Jahren beobachtet.

Dieses Phänomen kann nicht auftreten, wenn durch eine Entsalzung die Karbonathärte vorher entfernt wird. Aus diesen Gründen fordern die Hersteller von Wärmeerzeugern, die Aluminiumlegierungen enthalten, zwingend eine Entsalzung des Füllwassers in ihren Garantieunterlagen.

Ein einfaches Experiment zur Selbstalkalisierung

Mit Hilfe eines Mikrowellenherds und hartem Wasser lässt sich ein anschauliches Experiment zur Selbstalkalisierung durchführen. Wasser mit einer Karbonathärte von 18 °d (25 °d GH) wird einmal entsalzt, enthärtet und unaufbereitet in temperaturbeständige Bechergläser gefüllt (je 100 ml) und in einem Mikrowellenherd 200 Sekunden bei 800 W erhitzt. Das Versuchsergebnis ist in Bild 8 gezeigt. Die schon erwähnte Tabelle in Bild 7 zeigt die pH- und Leitwerte vor und nach dem Erhitzen bei diesem Experiment.

Wie erwartet, bleiben das enthärtete und das entsalzte Wasser klar, im Rohwasser dagegen zeigt sich eine deutliche Trübung durch ausfallendes Kalziumkarbonat (Kalk). Dieser Kalkausfall reduziert die Leitfähigkeit um etwa 13 %, der pH-Wert steigt dabei auf einen korrosionschemisch günstigen Wert von 8,0. Das enthärtete Wasser erhöht infolge der Sodabildung sogar seinen Leitwert um knapp 20 %, gleichzeitig steigt der pH-Wert auf 9,1! Vollentsalztes Wasser zeigt keine nennenswerte Veränderung. Nebenbei sei bemerkt, dass die gebräuchlichen pH-Messstreifen bei entsalztem Wasser nicht funktionieren, da diese eine Mindestleitfähigkeit von etwa 150 µS/cm benötigen. Bei geringeren Leitwerten zeigen sie keine Farbveränderung und damit den Farbcode von saurem Wasser. Eine exakte Messung gelingt nur mit speziellen pH-Elektroden.

Pufferung und Alkalisierung erhöhen die Sicherheit

Die Ergebnisse belegen die Erfahrung, dass sich der pH-Wert im Heizungswasser mit der Zeit von selbst erhöht. Das entsalzte Wasser erreicht hier nur knapp die Untergrenze des geforderten alkalischen pH-Bereichs, auch besitzt es keine nennenswerte Pufferwirkung, um Veränderungen im pH-Wert durch chemische Reaktionen abzufangen. Eine optimale Wasserqualität entspräche daher einem alkalisierten, schwach gepufferten, salzarmen Wasser. Hierzu offeriert Perma-Trade eine leicht zu handhabende Lösung mit den patentierten Aufbereitungspatronen Permasoft. In Verbindung mit dem neuen Füllautomaten Permamat braucht der Installateur zur Befüllung nur noch die Patronenkapazität eingeben, die Kenntnis der Wasserhärte vor Ort ist nicht notwendig.

Die Aufbereitungspatronen gibt es in drei Ausführungen. Grundsätzlich richtig liegt der Installateur mit den Patronen Permasoft 5000 Alu oder 18000 Alu. Diese alkalisieren das Heizungswasser schwach und sorgen somit für Korrosionsschutz bei Heizanlagen, die Aluminium-Teile enthalten. Mit dieser Behandlung erfüllt der Installateur die VDI 2035 in einem Verfahrenschritt. Besteht Sicherheit, dass es in der Heizungsanlage keine aluminiumhaltigen Teile gibt, ist eine stärkere Alkalisierung die optimale Behandlung. Hierfür lassen sich die Patronen Permasoft 5000 und 18000 verwenden. Als dritte Lösung hat Perma-Trade noch eine Patrone mit reinem VE-Harz im Angebot, die optimal für das Nachfüllen von bereits richtig eingestelltem Heizungswasser geeignet ist.

Weitere Konditionierungsmittel werden überflüssig

Ein salzarmes Füllwasser kommt aus den genannten Gründen ohne Zusätze wie Korrosionsinhibitoren oder Sauerstoffbindemittel aus und stellt somit einen sehr umweltfreund­lichen Korrosionsschutz für Heizkreisläufe dar. Die Aufbereitungskosten je Kubikmeter sind hier zwar wesentlich höher als bei enthärtetem Wasser, jedoch vergüten moderne, hocheffiziente Heizsysteme dies langfristig mit einem störungsfreien Betrieb und vermindertem Brennstoffverbrauch.

Mit der Wahl des Füll- oder Ergänzungswassers liegt es in der Hand des Planers oder Installateurs, welche Sauerstoffgrenzwerte gelten. Mit dem Einfüllen von enthärtetem Wasser begibt man sich eher auf dünnes Eis, da dessen Eignung – in Abhängigkeit der Rohwasserzusammensetzung – individuell entschieden werden müsste. Salzarmes und entsprechend alkalisiertes Wasser bietet hier die größtmögliche Sicherheit. Sind Aluminiumlegierungen im Heizkreis verbaut, kommt man nicht daran vorbei.