Leistungsstark und vielfältig
Die begonnene Energiewende in Deutschland fußt auf einem breiten Ansatz, der durch den Einsatz verschiedener Technologien zur Erzeugung von Strom aus regenerativen Quellen im Rahmen einer dezentralen Struktur gekennzeichnet ist. Gerade die Aufgliederung in kleine Kraftwerkseinheiten mit teils sehr schwieriger Zugänglichkeit sowie der allgemein hohe Kostendruck und die damit verknüpfte Notwendigkeit von möglichst geringen Erstinvestitionen aber auch der Reduzierung von Instandhaltungskosten lassen das Thema der Dauerhaftigkeit in den Fokus rücken. In weiten Bereichen wird hierbei auf die Leistungsfähigkeit stückverzinkter Stahlbauteile gesetzt, basierend auf dem klassischen Verzinkungsverfahren duroZINQ®, in einzelnen Anwendungen und im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungskooperationen aber auch mit dem ressourceneffizienten Dünnschichtverfahren microZINQ®. Bei allen Anwendungen kommt insbesondere die hohe Beständigkeit der Zinkschichten sowohl gegen atmosphärische als auch mechanische Belastungen zum Tragen, durch die ein extrem langlebiger und nachhaltiger Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen gewährleistet wird.
The energy revolution started in Germany is based on a broad approach, which is characterized by the use of different technologies for power generation from renewable sources within a decentralized structure. Especially the breakdown into small power plant units with partly very difficult accessibility and the generally high cost pressure with the related need for minimal initial investment but also the reduction of maintenance costs brings the subject of durability into focus. In many fields of application the good performance of hot dip galvanized steel parts is the preferred choice, based on the classical hot dip galvanizing technology duroZINQ®, in some applications and in connection with research and development cooperation also with the resource-efficient thin-film process microZINQ®. In all cases the high resistance of zinc coatings to both atmospheric and mechanical loading ensures an extremely durable and sustainable corrosion protection of steel structures.
1 Einleitung
Bei den anstehenden Investitionen in grüne Kraftwerke ist ein maßgeblicher Faktor die Sicherung der langfristigen, reibungslosen Verfügbarkeit der Anlage, um einen hohen technischen Wirkungsgrad und damit wirtschaftlichen Output zu gewährleisten. Vor dem Hintergrund der langen Planstandzeiten von mindestens 25 Jahren, bei Offshore-Windenergieanlagen von bis zu 35 Jahren, der Dezentralität und der teils schweren Zugänglichkeit der Anlagen sowie des hohen Kostendrucks kommen der Werkstoffauswahl und dem Aspekt der Dauerhaftigkeit von Materialien und Konstruktionen eine sehr große Rolle zu. Hierbei gilt es, Überlegungen anzustellen hinsichtlich der system- und standortspezifischen Randbedingungen, insbesondere über:
- die vorliegenden Belastungen während der Fertigung, des Transports, der Montage und der Nutzung (korrosiv und/oder mechanisch)
- die Eigenschaften des Grundwerkstoffes im Hinblick auf dessen Verträglichkeit mit dem zu erwartenden, angreifenden Medium
- die Kosten zur Erstanschaffung und Errichtung als auch während der Nutzung (d. h. Inspektion und Instandhaltung)
- die Lebenserwartung an die Konstruktion.
In allen Bereichen stellt stückverzinkter Stahl eine sehr gute technische Lösung und wirtschaftlich interessante Alternative dar, die aufgrund ihrer Vorteile zunehmend Anwendung findet.
Im Folgenden werden Beispiele für das Anwendungsspektrum stückverzinkter Bauteile gegeben, welche die Verwirklichung der Energiewende mittragen.
2 Effizienz und Effektivität des Prozesses
Das Stückverzinken von Stahlbauteilen lässt sich prozessseitig in den Bereich der Oberflächenreinigung in chemischen Medien und die eigentliche Verzinkung durch Eintauchen der Stahlelemente in eine flüssig-heiße Zinkschmelze einteilen. Diese allgemeine Prozesscharakteristik ist in den 23 deutschen Werken der Voigt & Schweitzer-Gruppe, dem Schwesterunternehmen der Fontaine Technologie, in besonderem Maße gekennzeichnet durch Effizienz und Effektivität. Das beinhaltet auf der einen Seite den Einsatz möglichst geringer Mengen an Prozessstoffen und Betriebshilfsmitteln sowie die Sammlung und Aufbereitung von Abfällen und auf der anderen Seite die Gestaltung des Prozesses und der Stoffauswahl unter der Prämisse, dass die Verwendung umweltkritischer Stoffe vermieden sowie die Trennung und Wiederverwertung der eingesetzten Stoffe am Ende des Produktlebenszyklus gefördert wird.
Dem Ansatz des Cradle-to-Cradle-Prinzips folgend wurde bei Voigt & Schweitzer das Markenprodukt duroZINQ®, die klassische Stückverzinkung gemäß DIN EN ISO 1461, jüngst vom Cradle-to-Cradle Products Innovation Institute in San Franzisco zertifiziert, basierend auf einer von der Environmental Protection Encouragement Agency (EPEA) GmbH durchgeführten Material- und Prozessanalyse.
3 Werkstoffvorteile für vielfältige Anwendungsfälle
Die langen Planstandzeiten und die Dezentralität der Solar- und Windkraftwerke führen zu der Notwendigkeit, durch entsprechende Werkstoff- und Systemauswahl die Dauerhaftigkeit der Anlagen unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Aufwendungen bei der Errichtung, während der Nutzungsphase und bei einem möglichen Rückbau zu sichern. Für den derzeit vorwiegend eingesetzten Konstruktionswerkstoff Stahl ist in dieser Hinsicht eine der grundlegendsten Forderungen die Beständigkeit des Korrosionsschutzsystems gegenüber den Langzeitwirkungen infolge atmosphärischer Belastung. Bei einer statischen, singulären Betrachtung einer Konstruktion kommt hierfür prinzipiell eine Vielfalt von Beschichtungen in Frage. Erst aus einer umfassenderen Betrachtung, die auch weitere, häufig vernachlässigte spezifische Belastungen mit einbezieht, wie zum Beispiel Belastungen während des Transports und der Montage, lässt sich der Wert eines Systems ableiten.
3.1 Beständigkeit gegen atmosphärische Belastungen
Unter dem Aspekt der Korrosionsbeständigkeit steht vor allem die atmosphärische Korrosion im Zentrum der Überlegungen. Als Grundlage zur Beurteilung dient hierbei die Klassifizierung der Umweltbedingungen in Korrosivitätskategorien, basierend auf der Luftbelastung mit Chloriden und Sulfiden. Die aus den verschiedenen Belastungen resultierenden Abtragsraten sind für Zink bekanntermaßen in DIN EN ISO 12944-2 [1] festgelegt.
Neuere Untersuchungen des Umweltbundesamtes zeigen, dass die Luftbelastung in Deutschland deutlich geringer geworden ist, insbesondere diejenige durch Schwefeldioxid (SO2), wodurch sich wiederum die Abtragsraten verringern [2]. Die durchschnittliche Zinkabtragung liegt bei unter 2 µm/a, was einer weitestgehenden Einteilung Deutschlands in die Korrosivitätskategorie C3 oder besser entspricht. Nur in einem sehr begrenzten Bereich an der äußersten Nordseeküste beträgt die Abtragsrate bis maximal 2,5 µm/a, also Korrosivitätskategorie C4.
Für die Auslegung der Unterkonstruktion einer Freiflächensolaranlage in Deutschland ergibt sich somit ein einfaches Rechenexempel: Bei einer für die anzunehmenden dünnwandigen Profile zu erwartenden durchschnittlichen Zinkschichtdicke von 70 µm und einer maximalen Zinkabtragsrate von 2 µm/a leitet sich eine theoretische wartungsfreie Standdauer der Anlage von 35 Jahren ab.
Neben diesen theoretischen Überlegungen belegen auch die seit vielen Jahrzehnten eingesetzten verzinkten Strukturen die Dauerhaftigkeit von Zinküberzügen. Es wird beispielsweise seitens der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) bei verzinkten Verkehrsrückhaltesystemen (Leitplanken) von einer Mindeststandzeit von 25 Jahren ausgegangen – egal an welchem Standort in ganz Deutschland [3]. Und hier kommt häufig zusätzlich zur atmosphärischen Belastung im Winter noch eine ausgeprägte Salzbelastung hinzu.
Gleiches gilt für die seit vielen Jahrzehnten eingesetzten Gittermastkonstruktionen, die aus stückverzinkten Winkelprofilen zusammengesetzt sind. Gerade im Hinblick auf den in Deutschland in den nächsten Jahren anstehenden Ausbau von Stromtrassen bietet die Stückverzinkung die bewährteste und effizienteste Lösung im Bereich der Oberflächentechnik.
3.2 Verbesserte Belastbarkeit durch Legierungsbildung
Sowohl bei verzinkten Solarunterkonstruktionen als auch bei Gittermasten kommt ein weiterer Vorzug der Stückverzinkung zum Tragen. Durch die hohe mechanische Belastbarkeit einer Stückverzinkungsschicht können die verzinkten Halbzeuge problemlos und ohne Beschädigung zum Einsatzort transportiert und montiert werden, ohne aufwändige Reparaturen zu riskieren. Beispiele aus der Energietechnik finden sich beim Einrammen von Stützprofilen einer Freiflächenanlage (Abb. 1), dem Verschrauben von Mastsegmenten oder den allgemein erforderlichen Richtarbeiten von Stahlkonstruktionen.
Abb. 1: Montage einer stückverzinkten Solarunterkonstruktion
Die Ursache der hohen Widerstandsfähigkeit liegt in der Reaktion der Zinkschmelze mit dem Stahlgrundwerkstoff, bei der Diffusionsprozesse stattfinden, als deren Folge sich eine unlösbare Eisen-Zink-Legierungsschicht bildet. Diese Zinkschicht liegt hierbei nicht als reine homogene Zinkphase vor, sondern ist vielmehr aus verschiedenen Phasen aufgebaut. Die stahlnahe Phase beinhaltet einen relativ hohen Eisengehalt von circa 7 % bis 12 %. Dies hat zur Folge, dass diese Phase mit einer Härte von circa 250 HV diejenige des Grundmaterials Stahl teilweise übertrifft.
3.3 Metallkombinationen – Vermeidung von Kontaktkorrosion
Die Kombination von Werkstoffen innerhalb einer Konstruktion ist häufig zwangsläufig, bei Energieanlagen gerade in den Schnittstellen zwischen Elektrotechnik und Maschinenbau. Das Verhalten verzinkter Bauteile gegenüber anderen Metallen im Hinblick auf das Kontaktkorrosionsvermögen zeigt der nachfolgende Auszug aus [4] (Tab. 1).
Es zeigt sich, dass in Kombination mit Aluminium oder Edelstahl keine oder nur eine geringe zusätzliche Korrosion auftritt, die in der Regel zugelassen werden kann. Insbesondere in Bereichen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eines dauerhaften Elektrolytvorliegens, insbesondere im direkten Küstenbereich, ist jedoch eine Isolierung zwischen Zinkschicht und Aluminium oder Edelstahl zu empfehlen.
3.4 Vollständige Beschichtung
Durch das Eintauchen der gesamten Konstruktion nach deren Fertigung in die Zinkschmelze wird diese auch vollständig mit Zink überzogen. Insbesondere Kanten, die unter korrosiver Belastung stets einen exponierten und damit besonders stark angegriffenen Bereich darstellen, sind durch das umfassende Aufwachsen der dendritischen Zink-Eisen-Phasen sehr gut geschützt.
Demgegenüber steht die Fertigung von Unterkonstruktionen unter Verwendung von vorverzinktem Material. Fertigungsbedingt liegen hierbei unverzinkte Stellen an den Trennschnitten sowie an Bohrungen und Stanzungen vor. Trotz des vorliegenden kathodischen Schutzes des Zinks handelt es sich hier um definierte Schwachstellen, die einen geringeren Korrosionsschutz aufweisen.
3.5 Konstruktive Ausbildung
Stahl zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit und Steifigkeit aus, wodurch sehr schlanke Bauelemente konstruiert werden können. Häufig wird aufgrund der Dünnwandigkeit auf vorverzinktes Material zurückgegriffen, das jedoch bei vergleichsweise geringer Zinkauflage in Kombination mit der Problematik unverzinkter Schnittkanten keinen optimalen Rundumschutz liefert. Das Stückverzinken von dünnwandigen Pfetten wurde lange Zeit als technisch nicht machbar erachtet, da durch die Temperatureinwirkung beim Verzinken und die geringe Bauteilsteifigkeit ein ungewollter Verzug der Bauteile befürchtet wurde.
Mittlerweile wurde durch spezielle Gestelltechnik für die schlanken Profile der Tauchprozess so optimiert, dass dieses Problem gelöst ist. Selbst bei 1,2 mm dicken Blechen mit 12 m Länge treten keine Verformungen während des Verzinkens auf.
Im Hinblick auf die Optimierung von Profilen sind Strangpressprofile aus Aluminium im Vorteil, da die Querschnittsgeometrie an die statischen und montagebedingten Erfordernisse gezielt angepasst werden kann. Als nachteilig erweist sich hierbei jedoch aus Sicht des Korrosionsschutzes, dass die optimierte Geometrie häufig durch eingearbeitete Nuten und Kanten gekennzeichnet ist, an denen sich Schmutz ansammeln kann, der zum einen das Abtrocknen der Oberfläche verlangsamt und zum anderen in Kombination mit Feuchtigkeit zu einer erhöhten Korrosion führen kann. Die in der Regel einfacheren Formen von Stahlteilen sind diesbezüglich als günstiger anzusehen.
4 Dünnschichttechnologie
Die Dünnschichttechnologie microZINQ® ist eine Verknüpfung der prozessseitigen Vorteile der Stückverzinkung mit der Leistungsfähigkeit der sonst auf die Bandverzinkung begrenzten Zink-Aluminium-Schmelzen. Im Ergebnis resultiert ein hochleistungsfähiges Korrosionsschutzsystem, das auf frei definierte Bauteilgeometrien appliziert werden kann [5]. Im Bereich der Energiegewinnung konnte aktuell ein besonderes Projekt für diese Technologie abgeschlossen werden. In Zusammenarbeit mit Vos Prodect, dem Hersteller innovativer Systeme zum Schutz von Hochseekabeln, und dem Verzinkungsbetrieb Voigt & Schweitzer Hagen wurde an einer Lösung für den Korrosionsschutz der Kabelsegmente basierend auf dem microZINQ®-Verfahren gearbeitet. Bei den Bauteilen handelt es sich um die Anschlusskomponenten der Verkabelung von Offshore-Windenergieanlagen (Abb. 2). Die Gussteile werden mit einer circa 30 µm bis 40 µm starken Zinkschicht überzogen und können so dem starken und langjährigen Angriff der salzhaltigen Meeresatmosphäre widerstehen.
Abb. 2: Kabelanschlusssystem, stückverzinkt mit microZINQ®Bildquelle: Vos Prodect
Für weitere Anwendungen dieser höchst ressourceneffizienten Technologie, sowohl im Bereich der Solar- als auch der Windenergietechnik, laufen derzeit mehrere Entwicklungsprojekte.
Literatur
[1] DIN EN ISO 12944-2: Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme, Teil 2: Einteilung der Umgebungsbedingungen
[2] F. Anshelm, T. Gauger, R. Köble: Kartierung von Toleranzwerten der Wirkung von Luftverunreinigungen auf Materialien in Deutschland; Endbericht zum Forschungsvorhaben 108 07 034, Umweltbundesamt, Berlin 1998
[3] M. Schröder: Korrosionsschutz von Schutzeinrichtungen, BASt-Expertengespräch Stahlbrückenbau 2011
[4] DIN EN ISO 14713: Zinküberzüge – Leitfäden und Empfehlungen zum Schutz von Eisen- und Stahlkonstruktionen vor Korrosion, Mai 2010
[5] T. Pinger: Stückverzinken – Ein Klassiker mit viel Potential; WOMag 04/2013
DOI: 10.7395/2013/Pinger2
