Opferanode

Detailaufnahme einer galvanischen Anode am Schiffsrumpf

Galvanische Anoden in situ auf einem Schiff. Es handelt sich um die hellen rechteckigen Objekte auf dem Ruder und dem Propellerwellengehäuse ⓘ

Eine galvanische Anode oder Opferanode ist der Hauptbestandteil eines galvanischen kathodischen Schutzsystems (CP), das dazu dient, eingegrabene oder untergetauchte Metallstrukturen vor Korrosion zu schützen. ⓘ

Sie bestehen aus einer Metalllegierung mit einer "aktiveren" Spannung (negativeres Reduktionspotential / positiveres Elektrodenpotential) als das Metall der Struktur. Der Potenzialunterschied zwischen den beiden Metallen führt dazu, dass die galvanische Anode korrodiert, so dass das Anodenmaterial eher verbraucht wird als die Struktur. Der Verlust (oder die Aufopferung) des Anodenmaterials ist der Grund für die alternative Bezeichnung Opferanode. ⓘ

Eine fast verbrauchte Opferanode an einem Schiffskörper ⓘ

Eine Reihe von Opferanoden am ehemaligen Seenotkreuzer H.-J. Kratschke ⓘ

Eine Opferanode ist eine Elektrode aus einem Stück unedlem Metall, das an Geräten und Fahrzeugen zum Schutz von Funktionsteilen aus anderen Metallen (speziell Eisen, Stahl – auch in Stahlbeton – und Messing) gegen Kontaktkorrosion eingesetzt wird. Das unedlere Material der Opferanode selbst wird dabei zerstört, also „geopfert“. Damit wird die Funktion korrosionsanfälliger und aufwendig angefertigter Funktionsteile länger gewährleistet und kostenaufwendige Neubeschaffung von diesen hinausgeschoben oder ganz vermieden. ⓘ

Theorie

Kurz gesagt, Korrosion ist eine chemische Reaktion, die durch einen elektrochemischen Mechanismus (eine Redoxreaktion) abläuft. Bei der Korrosion von Eisen oder Stahl gibt es zwei Reaktionen, die Oxidation (Gleichung 1), bei der Elektronen aus dem Metall austreten (und das Metall sich auflöst, d. h. es kommt zu einem tatsächlichen Metallverlust), und die Reduktion, bei der die Elektronen zur Umwandlung von Sauerstoff und Wasser in Hydroxidionen verwendet werden (Gleichung 2):

${\ce {Fe -> Fe^2+(aq) + 2e-}}$

(1)

${\ce {O2 + 2 H2O + 4e- -> 4 OH- (aq)}}$

(2)

In den meisten Umgebungen verbinden sich die Hydroxid- und Eisen(II)-Ionen zu Eisen(II)-Hydroxid, das schließlich zu dem bekannten braunen Rost wird:

${\ce {Fe^2+(aq) + 2OH- (aq) -> Fe(OH)2(s)}}$

(3) ⓘ

Bei der Korrosion finden Oxidations- und Reduktionsreaktionen statt, und auf der Oberfläche des Metalls bilden sich elektrochemische Zellen, so dass einige Bereiche anodisch (Oxidation) und andere kathodisch (Reduktion) werden. Während das Metall korrodiert, fließen Elektronen aus den anodischen Bereichen in den Elektrolyten. Umgekehrt fließen Elektronen aus dem Elektrolyt in die kathodischen Bereiche, wodurch sich die Korrosionsgeschwindigkeit verringert. (Der Elektronenfluss verläuft in entgegengesetzter Richtung zum elektrischen Stromfluss). ⓘ

Wenn das Metall weiter korrodiert, ändern sich die lokalen Potenziale an der Metalloberfläche, und die anodischen und kathodischen Bereiche verändern und verschieben sich. Infolgedessen bildet sich bei Eisenmetallen ein allgemeiner Rostbelag auf der gesamten Oberfläche, der schließlich das gesamte Metall auffrisst. Dies ist eine eher vereinfachte Darstellung des Korrosionsprozesses, da er in verschiedenen Formen auftreten kann. ⓘ

CP funktioniert, indem ein anderes Metall (die galvanische Anode) mit einer viel anodischeren Oberfläche eingeführt wird, so dass der gesamte Strom von der eingeführten Anode fließt und das zu schützende Metall im Vergleich zur Anode kathodisch wird. Dadurch werden die Oxidationsreaktionen auf der Metalloberfläche effektiv gestoppt, indem sie auf die galvanische Anode übertragen werden, die zugunsten der zu schützenden Struktur geopfert wird. Einfacher ausgedrückt, macht man sich dabei die relativ geringe Stabilität der Metalle Magnesium, Aluminium oder Zink zunutze; sie lösen sich anstelle von Eisen auf, weil ihre Bindung im Vergleich zu Eisen, das über seine teilweise gefüllten d-Orbitale stark gebunden ist, schwächer ist. ⓘ

Damit dieser Schutz funktioniert, muss ein Elektronenweg zwischen der Anode und dem zu schützenden Metall (z. B. ein Draht oder ein direkter Kontakt) und ein Ionenweg sowohl zwischen dem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff und Wasser oder feuchte Erde) und der Anode als auch zwischen dem Oxidationsmittel und dem zu schützenden Metall bestehen, so dass ein geschlossener Kreislauf entsteht; das einfache Verschrauben eines Stücks aktiven Metalls wie Zink mit einem weniger aktiven Metall, z. B. Baustahl, in Luft (einem schlechten Ionenleiter) wird daher keinen Schutz bieten. ⓘ

Anodenmaterialien

Ein stählerner Kanalfrachtkahn mit einem frisch geschwärzten Rumpf und neuen Magnesiumanoden. ⓘ

Es gibt drei Hauptmetalle, die als galvanische Anoden verwendet werden: Magnesium, Aluminium und Zink. Sie sind alle als Blöcke, Stäbe, Platten oder stranggepresste Bänder erhältlich. Jedes Material hat Vor- und Nachteile. ⓘ

Magnesium hat das negativste Elektropotenzial der drei Metalle (siehe galvanische Reihe) und eignet sich besser für Bereiche, in denen der Elektrolytwiderstand (Boden oder Wasser) höher ist. Dies ist in der Regel bei Rohrleitungen an Land und anderen erdverlegten Bauwerken der Fall, obwohl es auch auf Booten in Süßwasser und in Warmwasserbereitern verwendet wird. In einigen Fällen kann das negative Potenzial von Magnesium ein Nachteil sein: Wenn das Potenzial des geschützten Metalls zu negativ wird, können durch die Reduktion von Wasser oder solvatisierten Protonen Wasserstoffatome an der Kathodenoberfläche entstehen, z. B. gemäß

${\ce {2 H2O + 2e- -> 2H + 2OH- (aq)}}$

(4) ⓘ

zu einer Wasserstoffversprödung oder zu einer Ablösung der Beschichtung führen. Wenn dies ein Problem darstellt, können Zinkanoden verwendet werden. Eine Aluminium-Zink-Zinn-Legierung namens KA90 wird häufig in der Schifffahrt und für Wassererhitzer verwendet. ⓘ

Zink und Aluminium werden in der Regel in Salzwasser verwendet, wo der spezifische Widerstand im Allgemeinen geringer ist und sich Magnesium durch Reaktion mit Wasser unter Wasserstoffentwicklung relativ schnell auflöst (Selbstkorrosion). Typische Verwendungszwecke sind Schiffsrümpfe und Boote, Offshore-Pipelines und Förderplattformen, salzwassergekühlte Schiffsmotoren, Propeller und Ruder von Kleinbooten sowie die Innenflächen von Lagertanks. ⓘ

Zink gilt als zuverlässiges Material, eignet sich jedoch nicht für den Einsatz bei höheren Temperaturen, da es zur Passivierung neigt (die gebildete Oxidschicht schützt vor weiterer Oxidation); in diesem Fall kann der Strom nicht mehr fließen und die Anode funktioniert nicht mehr. Zink hat eine relativ niedrige Antriebsspannung, was bedeutet, dass es in Böden mit höherem Widerstand oder in Wasser möglicherweise nicht in der Lage ist, ausreichend Strom zu liefern. Unter bestimmten Umständen - z. B. bei Gefahr der Wasserstoffversprödung - ist diese niedrigere Spannung jedoch von Vorteil, da ein Überschutz vermieden wird. ⓘ

Aluminiumanoden haben mehrere Vorteile, wie z. B. ein geringeres Gewicht und eine viel höhere Kapazität als Zink. Allerdings gilt ihr elektrochemisches Verhalten nicht als so zuverlässig wie das von Zink, und sie müssen mit größerer Sorgfalt eingesetzt werden. Aluminiumanoden werden passiviert, wenn die Chloridkonzentration unter 1,446 Teilen pro Million liegt. ⓘ

Ein Nachteil von Aluminium besteht darin, dass beim Auftreffen auf eine rostige Oberfläche ein großer Thermitfunke entstehen kann, so dass seine Verwendung in Tanks mit explosiver Atmosphäre und der Gefahr des Herunterfallens der Anode eingeschränkt ist. ⓘ

Da die Funktionsweise einer galvanischen Anode auf dem Unterschied des Elektropotentials zwischen Anode und Kathode beruht, kann praktisch jedes Metall zum Schutz eines anderen verwendet werden, vorausgesetzt, es besteht ein ausreichender Potentialunterschied. Zum Beispiel können Eisenanoden zum Schutz von Kupfer verwendet werden. ⓘ

Konstruktive Überlegungen

Galvanische Anode auf einem U-Boot. Es handelt sich um den hellen Streifen auf dem Gehäuse in der Nähe der Leitwerke. ⓘ

Bei der Konstruktion eines galvanischen Anodensystems sollten viele Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Art der Struktur, der Widerstand des Elektrolyts (Boden oder Wasser), in dem es betrieben wird, die Art der Beschichtung und die Lebensdauer. ⓘ

Die wichtigste Berechnungsgrundlage ist die Menge des Anodenmaterials, die erforderlich ist, um das Bauwerk über die erforderliche Zeit zu schützen. Zu wenig Material kann eine Zeit lang Schutz bieten, muss aber regelmäßig ausgetauscht werden. Zu viel Material würde den Schutz zu unnötigen Kosten gewährleisten. Die Masse in kg ergibt sich aus Gleichung (5). ⓘ

Masse = (Erforderlicher Strom x Lebensdauer x 8760) ÷ (Ausnutzungsfaktor x Anodenkapazität)

(5) ⓘ

• Die Auslegungslebensdauer wird in Jahren angegeben (1 Jahr = 8760 Stunden).
• Der Nutzungsfaktor (UF) der Anode ist ein konstanter Wert, der von der Form der Anode und ihrer Befestigung abhängt und angibt, wie viel von der Anode verbraucht werden kann, bevor sie ihre Wirkung verliert. Ein Wert von 0,8 bedeutet, dass 80 % der Anode verbraucht werden können, bevor sie ersetzt werden muss. Eine lange, schlanke Standanode (die auf Beinen steht, um die Anode von der Struktur fernzuhalten) hat einen UF-Wert von 0,9, während der UF einer kurzen, bündig montierten Anode 0,8 beträgt.
• Die Anodenkapazität ist ein Indikator dafür, wie viel Material verbraucht wird, wenn im Laufe der Zeit Strom fließt. Der Wert für Zink in Meerwasser liegt bei 780 Ah/kg, der für Aluminium bei 2000 Ah/kg, was die geringere Atommasse von Aluminium widerspiegelt und bedeutet, dass Aluminium theoretisch viel mehr Strom pro Gewicht erzeugen kann als Zink, bevor es verbraucht ist. ⓘ

Die benötigte Strommenge entspricht direkt der Oberfläche des Metalls, die dem Boden oder dem Wasser ausgesetzt ist, so dass sich die Masse des benötigten Anodenmaterials durch das Aufbringen einer Beschichtung drastisch verringert. Je besser die Beschichtung ist, desto weniger Anodenmaterial wird benötigt. ⓘ

Sobald die benötigte Masse des Materials bekannt ist, wird der jeweilige Anodentyp ausgewählt. Unterschiedlich geformte Anoden haben einen unterschiedlichen Erdungswiderstand, der bestimmt, wie viel Strom erzeugt werden kann, daher wird der Widerstand der Anode berechnet, um sicherzustellen, dass genügend Strom zur Verfügung steht. Ist der Widerstand der Anode zu hoch, wird entweder eine anders geformte oder anders große Anode gewählt, oder es muss eine größere Anzahl von Anoden verwendet werden. ⓘ

Die Anordnung der Anoden wird dann so geplant, dass eine gleichmäßige Verteilung des Stroms über die gesamte Struktur gewährleistet ist. Ergibt sich beispielsweise aus einem bestimmten Entwurf, dass für eine 10 km lange Pipeline 10 Anoden erforderlich sind, dann wäre etwa eine Anode pro Kilometer effektiver als alle 10 Anoden an einem Ende oder in der Mitte anzuordnen. ⓘ

Vor- und Nachteile

Vorteile

• Keine externen Stromquellen erforderlich.
• Relativ einfach zu installieren.
• Geringere Spannungen und Ströme bedeuten, dass das Risiko von Streustromstörungen an anderen Strukturen gering ist.
• Erfordert weniger häufige Überwachung als CP-Systeme mit Fremdstrom.
• Relativ geringes Risiko eines Überschutzes.
• Nach der Installation ist die Prüfung der Systemkomponenten für geschultes Personal relativ einfach. ⓘ

Nachteile

• Die Stromkapazität ist durch die Anodenmasse und den Eigenverbrauch bei niedriger Stromdichte begrenzt.
• Geringere Treiberspannung bedeutet, dass die Anoden in Umgebungen mit hohem Widerstand möglicherweise nicht funktionieren.
• Die geschützte Struktur muss oft von anderen Strukturen und der Erde elektrisch isoliert werden.
• Anoden sind schwer und erhöhen den Wasserwiderstand an beweglichen Strukturen oder im Inneren von Rohrleitungen.
• Wo Gleichstrom zur Verfügung steht, kann elektrische Energie billiger gewonnen werden als durch galvanische Anoden.
• Bei großen Anordnungen ist aufgrund des hohen Stromflusses und der Notwendigkeit, die Widerstandsverluste gering zu halten, eine Verkabelung erforderlich.
• Die Anoden müssen sorgfältig platziert werden, um den Wasserfluss in den Propeller nicht zu beeinträchtigen.
• Um die Wirksamkeit zu erhalten, müssen die Anoden im Rahmen der normalen Wartung inspiziert und/oder ausgetauscht werden. ⓘ

Kosteneffizienz

Eine galvanische Anode (Opferanode) an der Propellerwelle einer Yacht ⓘ

Da die verwendeten Anodenmaterialien in der Regel teurer sind als Eisen, erscheint die Anwendung dieser Methode zum Schutz von Eisenmetallstrukturen nicht besonders kosteneffizient. Allerdings sollten auch die Kosten für die Reparatur eines korrodierten Schiffskörpers oder für den Ersatz einer Stahlrohrleitung oder eines Tanks berücksichtigt werden, da deren strukturelle Integrität durch Korrosion beeinträchtigt wurde. ⓘ

Der Kosteneffizienz eines galvanischen Systems sind jedoch Grenzen gesetzt. Bei größeren Strukturen, wie z. B. langen Rohrleitungen, können so viele Anoden erforderlich sein, dass es kostengünstiger wäre, einen kathodischen Schutz mit eingeprägtem Strom zu installieren. ⓘ

Herstellung von Opferanoden

Die grundlegende Methode ist die Herstellung von Opferanoden durch ein Gießverfahren. Es können jedoch zwei Gießverfahren unterschieden werden. ⓘ

Das Druckgussverfahren für Opferanoden ist weit verbreitet. Es handelt sich um ein vollautomatisches Maschinenverfahren. Damit der Herstellungsprozess zuverlässig und reproduzierbar abläuft, ist eine Modifikation der verarbeiteten Opferanodenlegierung erforderlich. Alternativ wird für die Herstellung der Opferanoden das Schwerkraftgießverfahren eingesetzt. Dieser Prozess wird manuell oder teilautomatisiert durchgeführt. Die Legierung muss nicht an den Herstellungsprozess angepasst werden, sondern ist auf einen 100%igen optimalen Korrosionsschutz ausgelegt. ⓘ

Anwendungen

Schiffe und Boote

Opferanoden dienen an Wasserfahrzeugen zum Schutz aller Metallteile im Wasser, wie Schiffspropellern, Antriebswellen, Ruder, Rumpf. Dies ist insbesondere bei Schiffen, die im elektrochemisch aggressiven Salzwasser fahren, wichtig. Als Opferanode werden hier Blöcke aus Zink, früher Cadmium, in der erforderlichen Größe und Anzahl rings um die Schraube herum auf dem Schiffsrumpf, fallweise auch auf großen Ruderblättern aufgeschraubt oder aufgenietet. Meist werden dazu bereits auf der Werft Anodenklötze mittels eingegossenen Stahlstreifen angeschweißt. Zusätzliche Opferanoden zum Schutz des stählernen Rumpfes werden meist in geringerer Zahl angebracht. ⓘ

Schiffe und Boote, die im Brack- und Süßwasser fahren, besitzen Opferanoden aus Aluminium oder Magnesium. ⓘ

Warmwasserspeicher

Eine weitere häufige Anwendung ist der Korrosionsschutz bei verzinkten Boilern und emaillierten Warmwasserspeichern mit aus Stahl gefertigten Grundkörpern. Der Zinküberzug des Kessels löst sich ohne Opferanode mit der Zeit im Wasser auf. Auch bei emaillierten Kesseln sind Opferanoden erforderlich, da es bis zum heutigen Tag kein Verfahren gibt, welches eine dauerhaft fehlerfreie Innenemaillierung eines Kessels gewährleisten kann. Um eine nachfolgende Durchrostung des Warmwasserspeichers zu vermeiden, wird eine Opferanode aus Magnesium an der Behälterinnenwand angeschraubt bzw. eingeführt und nachfolgend dichtend eingeschraubt. Dafür werden Stab- oder Kettenanoden verwendet. Letztere kommen zum Einsatz, wenn die konstruktiven Gegebenheiten (Bauhöhe oberhalb der Einführöffnung) für das Einführen einer Stabanode nicht ausreichen. Die in Lösung gehenden Magnesium-Ionen sind gesundheitlich unbedenklich, auch wenn das Wasser zur Speisenzubereitung verwendet wird. Opferanoden müssen laut Hersteller typischerweise nach 2 Jahren ausgetauscht werden. Der tatsächliche Verschleiß hängt von Wasserqualität, Kesselzustand, Art der Rohrleitungen und Betriebsbedingungen ab und kann geringer sein. ⓘ

Rohrleitungen

Opferanoden werden auch bei größeren Tanklagern, unterirdischen Pipelines und Erdölbohrtürmen verwendet, um Korrosion durch das feuchte Erdreich vorzubeugen. ⓘ

Spülmaschinen

Beschädigte Beschichtungen von Spülkörben lassen den darunterliegenden Stahldraht rosten und führen auf Besteck zu Rostflecken. Eine um die Korbbeschichtung gewickelte Alufolie wirkt als Opferanode und verhindert Rostflecken. ⓘ

Alternative

Eine Alternative sind Fremdstromanoden, die jedoch eine Gleichstromquelle benötigen. ⓘ

• Opferanoden
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  Neue Opferanode aus Zink

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  Glied einer unbenutzten Kettenanode aus Magnesium für einen Warmwasserspeicher

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  Verbrauchte Magnesiumanode aus einem Warmwasserspeicher

• Opferanode Heizkessel - Oben alt - Unten neu.jpg

  Opferanode aus einem Heizkessel - Links alt, nach 4 Jahren - Rechts neue Magnesiumanode ⓘ