Filmbildende Amine: Korrosionsschutz in Elektrokesseln

Zusammenfassung

Elektrodenkessel werden im Zuge von Dekarbonisierungsstrategien zunehmend in der industriellen Dampf- und Wärmeerzeugung eingesetzt. Ihr Funktionsprinzip unterscheidet sich grundlegend von konventionellen Kesselanlagen und stellt neue Anforderungen an Wasserchemie und Korrosionsschutz. Dieser Beitrag erläutert, wie das Design von Elektrodenkesseln die zugrunde liegenden Korrosionsmechanismen beeinflusst, und zeigt anhand praktischer Betriebserfahrungen, wie filmbildende Amine eingesetzt werden können, um den Anlagenbetrieb zu stabilisieren, den Eisentransport zu reduzieren und kritische Komponenten unter flexiblen Lastbedingungen wirksam zu schützen.

Einleitung

Elektrische Kessel und Elektrodenkessel haben den Schritt aus Pilotanwendungen in den regulären industriellen Betrieb vollzogen. Der steigende Anteil erneuerbarer Energien, volatile Strompreise und der Bedarf an schnell verfügbarer, flexibler Erzeugung haben sie zu einer attraktiven Option für die Dampfproduktion und Fernwärmeversorgung gemacht. Ihre Fähigkeit, schnell hochzufahren und auch im Teillastbetrieb effizient zu arbeiten, passt gut zu den Anforderungen moderner Energiesysteme.

Gleichzeitig legen diese Vorteile Schwächen klassischer wasserchemischer Konzepte offen. In Elektrodenkesseln ist Wasser nicht mehr nur Wärmeträger, sondern aktiver Bestandteil des elektrischen Systems. Leitfähigkeit, pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Korrosionsverhalten stehen in direktem Zusammenhang mit der elektrischen Betriebsweise. Daraus ergeben sich Betriebsbedingungen, die sich deutlich von denen konventioneller, fossil befeuerter Kessel unterscheiden.

Unter flexiblen Betriebsbedingungen mit häufigen An- und Abfahrvorgängen sowie Lastwechseln nehmen Korrosionsprozesse zu. Der Eisentransport steigt, Ablagerungen bilden sich und Stillstandskorrosion wird zu einem wiederkehrenden Problem. Klassische Behandlungsprogramme, die vor allem auf einen stationären Betrieb ausgelegt sind, bieten unter diesen Bedingungen oft keinen ausreichenden Schutz.

Elektrodenkesseldesign und Einfluss auf die Korrosion

Das Korrosionsverhalten von Elektrodenkesseln ist eng mit ihrem konstruktiven Aufbau verknüpft. Niederspannungs-Elektrokessel mit Heizelementen verhalten sich aus wasserchemischer Sicht weitgehend wie konventionelle Niederdruckkessel. Etablierte Regelwerke sind anwendbar, das Wasser dient ausschließlich als Wärmeträger, und die Korrosionsrisiken sind bekannt und beherrschbar.

Hochspannungs-Elektrodenkessel funktionieren nach einem anderen Prinzip. Hier wird die Wärme direkt durch den Stromfluss im Wasser erzeugt. Bei Tauch-Elektrodenkesseln sind die Elektroden in ein Wasserbad eingetaucht, und die elektrische Leistung wird über den elektrischen Widerstand des Wassers geregelt. Dies erfordert ein eng definiertes Leitfähigkeitsfenster. Gleichzeitig muss das Zusatzwasser hochrein sein, um unkontrollierte Veränderungen der Elektrolytchemie zu vermeiden.

Jet Spray-Elektrodenkessel treiben dieses Prinzip weiter. Das Wasser wird auf die Elektroden gesprüht, die Kontaktzeiten sind kurz, und deutlich höhere Leitfähigkeiten sind erforderlich. Auch wenn die Anforderungen an die Zusatzwasserqualität geringer sind als bei Tauchsystemen, bleibt eine stabile Wasserchemie entscheidend, um Korrosion, Lichtbogenbildung und Materialschäden zu vermeiden.

Allen Elektrodenkesseln ist gemeinsam, dass die Wasserchemie zwei konkurrierende Ziele erfüllen muss: eine stabile elektrische Betriebsweise und gleichzeitig einen wirksamen Korrosionsschutz. Dieser Zielkonflikt ist die Ursache vieler betrieblicher Probleme.

Korrosionsmechanismen bei flexiblem Betrieb

Elektrodenkessel werden häufig nicht nach Prozessbedarf, sondern nach Strommarktsignalen betrieben. Daraus resultieren häufige Lastwechsel und längere Stillstandszeiten. Diese Betriebsweise begünstigt Korrosion auf mehreren Ebenen.

Bei Teillastbetrieb ist der Eisenabtrag von Elektroden und anderen Komponenten deutlich erhöht. Während Stillständen führen Restfeuchte und Sauerstoff sehr schnell zu Stillstandskorrosion. Hohe Stromdichten können zudem Nebenreaktionen an den Elektrodenoberflächen auslösen, die mit Wasserstoffbildung und beschleunigtem Materialverlust einhergehen.

Mit der Zeit verändert der Elektrodenverschleiß die Geometrie des Systems und damit die Betriebsparameter. Freigesetzte Eisenpartikel lagern sich in Filtern, Wärmetauschern und Pumpen ab, erhöhen den Wartungsaufwand und reduzieren die Anlagenverfügbarkeit. Konventionelle chemische Behandlungsansätze können einzelne Parameter wie Leitfähigkeit oder pH-Wert kontrollieren, bieten jedoch keinen umfassenden Oberflächenschutz während Stillstandszeiten.

Filmbildende Amine als Schutzkonzept

Filmbildende Amine werden seit Jahrzehnten in Kraftwerken und industriellen Kesselanlagen eingesetzt, um Korrosion zu begrenzen und Anlagen während Stillständen zu schützen. Ihr Wirkprinzip beruht auf der Adsorption an Metall- und Oxidoberflächen, wo sie eine dünne, hydrophobe Schutzschicht ausbilden. Diese Schicht reduziert die Sauerstoffdiffusion und stabilisiert die Oberflächenchemie.

Für den Einsatz in Elektrodenkesseln ist besondere Sorgfalt erforderlich. Es sollten ausschließlich Produkte mit vollständig offengelegter Zusammensetzung und gut dokumentierten chemischen Eigenschaften verwendet werden. Die hohen Stromdichten und spezifischen Elektrolytbedingungen machen es notwendig, das Verhalten des Produkts unter elektrischer Belastung genau zu kennen.

Eine zentrale Rolle spielt die Überwachung. Restkonzentrationen müssen zuverlässig gemessen werden, und wasserchemische Parameter sind im Kontext der Filmbildung und möglicher Zersetzungsprodukte zu bewerten. Werden diese Voraussetzungen erfüllt, können filmbildende Amine bestehende Behandlungskonzepte sinnvoll ergänzen, ohne die elektrische Funktion zu beeinträchtigen.

Industrielle Dampferzeugung in Neuseeland

Eine der ersten dokumentierten Anwendungen filmbildender Amine in einem Elektrodenkessel wurde in Neuseeland realisiert. Dort ersetzte ein Hochspannungs-Tauch-Elektrodenkessel einen kohlebefeuerten Kessel zur Dampferzeugung für die Wollwäsche und -trocknung.

Bereits während der Inbetriebnahme traten unerwartete Probleme auf. Ein fehlerhaft arbeitender Entgaser führte zu erhöhten Sauerstoffgehalten, was eine starke Korrosion auslöste. Das Kesselwasser verfärbte sich schwarz, die Eisenkonzentrationen stiegen stark an und Filter sowie Analysengeräte verstopften. Die Situation stellte ein erhebliches Risiko für den langfristigen Betrieb dar.

Nach intensiven Abstimmungen mit dem Kesselhersteller wurde während der verlängerten Inbetriebnahmephase ein filmbildendes Amin eingesetzt. Über ein modifiziertes Auskochverfahren mit erhöhter Dosierung wurde rasch ein Oberflächenschutz aufgebaut. Im anschließenden Regelbetrieb wurde die Dosierung auf eine stabile Restkonzentration abgesenkt.

Die Wirkung war unmittelbar messbar. Die Eisenkonzentrationen sanken schnell, die Wasserqualität verbesserte sich deutlich und bei Inspektionen zeigten sich hydrophobe Oberflächen im gesamten System. Gleichzeitig traten keine negativen Effekte auf die elektrische Betriebsweise oder die Wasserstoffbildung auf. Der Kessel konnte unter flexiblen Bedingungen stabil betrieben werden.

Fernwärmeanwendungen in Finnland

Weitere Betriebserfahrungen stammen aus Finnland, wo Elektrodenkessel für die Fernwärmeerzeugung eingesetzt werden. Zwei Anlagen mit Leistungen von 40 und 50 MW zeigten im Betrieb kontinuierlich steigende Eisenkonzentrationen, die wiederholtes Ablassen und Neubefüllen des Kessels erforderlich machten.

Filmbildende Amine wurden mit einer konservativen Dosierstrategie eingeführt. Die Restkonzentrationen wurden auf niedrigen Werten gehalten und regelmäßig nachdosiert, um Zersetzungsverluste infolge hoher Stromdichten auszugleichen. Zusätzlich wurde regelmäßig abgeschlämmt, um Feststoffe aus dem Kesselboden zu entfernen.

Bereits nach wenigen Wochen gingen die Eisenkonzentrationen deutlich zurück und stabilisierten sich auf niedrigem Niveau. Leitfähigkeit und pH-Wert blieben konstant, und das Kesselwasser wurde sichtbar klarer. Langfristig zeigte sich ein reduzierter Elektrodenverschleiß, insbesondere im Teillastbetrieb. Ein zusätzlicher Effekt war die verbesserte Abscheidung von Eisenpartikeln, da sich größere Agglomerate bildeten, die leichter filtrierbar waren.

Betriebserfahrungen und Erkenntnisse

Die bisherigen Erfahrungen zeigen wiederkehrende Muster. Der höchste Eisenanfall tritt im Teillastbetrieb und unmittelbar nach Anfahrvorgängen auf. Stillstandskorrosion trägt wesentlich zum Materialabtrag bei. Filmbildende Amine reduzieren beide Effekte, indem sie die Oberflächen stabilisieren und auch während Stillstandszeiten einen Schutz aufrechterhalten.

Gleichzeitig erfordert der Einsatz eine anlagenspezifische Auslegung. Zersetzungsprozesse bei hohen Stromdichten, Wechselwirkungen mit der Elektrolytchemie und individuelle Betriebsweisen beeinflussen die Dosierstrategie maßgeblich. Eine kontinuierliche Überwachung und regelmäßige Inspektionen bleiben unerlässlich.

Fazit

Elektrodenkessel stellen neue Herausforderungen an Wasserchemie und Korrosionsschutz. Die Nutzung von Wasser als elektrischem und thermischem Medium schafft Bedingungen, für die klassische Behandlungsprogramme nicht ausgelegt sind.

Die bisherigen Betriebserfahrungen zeigen, dass filmbildende Amine einen wirksamen zusätzlichen Schutz bieten können. Bei sachgerechter Anwendung und begleitender Überwachung reduzieren sie den Eisentransport, stabilisieren den Betrieb unter flexiblen Lastbedingungen und verlängern die Lebensdauer kritischer Komponenten, ohne die elektrische Funktion zu beeinträchtigen.

Mit der zunehmenden Bedeutung von Elektrodenkesseln in Industrie und Fernwärme werden filmbildende Amine voraussichtlich zu einem festen Bestandteil zukünftiger wasserchemischer Konzepte werden.

Autor

Ronny Wagner ist Geschäftsführer der REICON Wärmetechnik und Wasserchemie Leipzig GmbH. Als erfahrener Experte für Wasserbehandlung ist er auf den Einsatz filmbildender Amine in Wasser-Dampf-Kreisläufen sowie in geschlossenen Kühl- und Heizsystemen spezialisiert. Mit über 15 Jahren Erfahrung in der Konservierung von Kernkraft-, fossilen und Industrieanlagen hat er entscheidend zur Weiterentwicklung anerkannter Branchenstandards beigetragen. Als aktives Mitglied von vgbe und der IAPWS Power Cycle Chemistry (PCC) Gruppe war er an der Ausarbeitung internationaler Leitlinien für den sicheren und effektiven Einsatz filmbildender Amine in der Kraftwerkschemie beteiligt.