Im Winter liegen die Solarmodule unterm Schnee, die flache Sonne verspricht kaum Erträge. Doch mit dem Frühling steigt die Sonne, die Zahl der Sonnenstunden steigt. Die Eigentümer von Photovoltaikanlagen freuen sich, denn jetzt erwarten sie hohe Erträge. Vorausgesetzt die Module sind sauber. Ist dies nicht der Fall, dann reduzieren Verschmutzungen aller Art die Stromausbeute, ganz langsam und ganz allmählich.
Ergebnisse mehrerer wissenschaftlicher Langzeitstudien der Berner Fachhochschule sowie Erfahrungen des Europäischen Verbands für Solar- und Photovoltaikreinigung (EVSP) zeigen, dass sich der Solarstromertrag einer Photovoltaikanlage durch die natürliche Umweltverschmutzung erheblich verringern kann. Die Hersteller der Module und Anlagen schieben stets die Selbstreinigungseffekte durch Wind, Regen und Schnee in den Vordergrund. Tatsächlich reicht dieser Selbstreinigungseffekt häufig nicht aus, da die meisten Module in unseren Breiten nur zwischen 30 und 35 Grad aufgeständert sind. Eine spezielle Reinigung der Solaranlagen ist notwendig, da Wind und Regenwasser nur einen Teil der Verschmutzungen abspülen. Gleichzeitig tragen sie jedoch neue Partikel auf. Verschmutzungen wurden selbst bei Modulen beobachtet, die in einem Winkel von 65 Grad aufgestellt sind.
Wirtschaftliche Folgen
Für die Verschmutzungen der Anlagen gibt es viele Ursachen. Größtenteils werden sie durch die örtlichen Gegebenheiten bedingt oder begünstigt. Die Bandbreite reicht von Staub durch Verkehr, Bahn, Industrie, Landwirtschaft, Ruß oder fettige Küchenabluft in Restaurants über Pollen- und Kalkablagerungen, Flechten, Algen, Moose, Beschattung durch hohe Bäume bis zu Insekten und Vogelkot. Oft lagern sich die Schadstoffe mit der Zeit schichtweise auf den Solarmodulen ab. Auch witterungsbedingte Verschmutzungsstreifen am unteren Modulrand oder auf der ganzen Zellenfläche reduzieren zum Teil erheblich die Leistung.
Durch Verschmutzungen und Ablagerungen verändert sich bereits im ersten Jahr der Wirkungsgrad der Anlage. Nach zwei bis drei Jahren kann die Verschmutzung einen Leistungsverlust von 3,1 bis 13,8 Prozent und mehr verursachen, wie Heinrich Häberlin ermittelte, Solarprofessor an der Berner Fachhochschule. Deshalb ist die Reinigung der Anlagen in regelmäßigen Abständen wirtschaftlich sinnvoll. Sie trägt zur Leistungsfähigkeit und zum Werterhalt der Investition bei und minimiert Ertragseinbußen.
Ob eine Reinigung erforderlich ist, zeigen ein Blick auf die Monatswerte der Ertragsprotokolle und der Vergleich mit Vorjahreswerten, korrigiert um die Sonneneinstrahlung, sowie eine Leistungsmessung.
Der richtige Zeitpunkt
Ist der Minderertrag erheblich höher als die Leistungsgarantie bei intakter Anlage, ist von einer Verschmutzung auszugehen. Zur Leistungserhaltung empfiehlt sich die Durchführung einer effizienten und fachgerechten Reinigung der Anlage. Wird der Zeitpunkt für eine Reinigung zu spät – nach zwei Jahren oder länger – gewählt, ist die Verschmutzung auf den Modulen bereits hartnäckig, hat sich verkrustet oder ist von der Sonne eingebrannt. Oft wachsen an den Modulrahmen Algen, Moose und Flechten. Der richtige Zeitpunkt für eine Reinigung (Jahreszeit, Intervall) ergibt sich aus der Ursache für die Hauptverschmutzung, beispielsweise bei Blütenstaub nach Ende des Pollenflugs. Als Faustregel gilt: Eine gründliche Reinigung bietet sich im Frühjahr an, bevor die ertragreichen Monate beginnen.
Viele Modulhersteller untersagen die Säuberung mit aggressiven Reinigungsmitteln. Bei einer professionellen Reinigung kommen auch keine Hochdruckreiniger zum Einsatz, um Dichtungen und Klebestellen nicht zu beschädigen. Um Spannungsrisse zu vermeiden, sollte das Wasser keine Temperaturdifferenz von über 20 Grad Celsius zur Außenluft haben. Bei einer materialschonenden Reinigung mit Spezialgeräten werden weiche Bürsten mit Sprühdüsen verwendet, die fest installiert sind oder rotieren. Es gibt auch Verfahren ohne Bürsten. Damit keine Kratzer auf der Glasoberfläche durch Sandkörner entstehen, ist gründliches Vorspülen der Module wichtig.
Entsalztes Wasser schont
Von entscheidender Bedeutung für den Reinigungserfolg ist die Qualität des Wassers. Leitungswasser eignet sich nicht ohne Weiteres. Insbesondere in Regionen mit hartem, kalkhaltigem Wasser verbietet sich die Benutzung von unaufbereitetem Leitungswasser. Inhaltsstoffe wie Kalk und Salze hinterlassen nach dem Trocknen Streifen und Flecken. An ihnen sammelt sich vermehrt Schmutz an.
Der Einsatz von aufbereitetem Wasser anstelle chemischer Reinigungsmittel erspart Kosten und entlastet die Umwelt. Reinstwasser enthält keinerlei Fremdstoffe wie Mineralstoffe, Magnesium oder Kalzium. Organische Verschmutzungen lösen sich dadurch besser als mit Leitungswasser. Fließt entmineralisiertes Wasser über eine Oberfläche, löst es alle vorhandenen Substanzen auf und hinterlässt nach gründlicher Spülung und ausreichender Spülzeit eine streifenfreie Oberfläche. Es entstehen beim Trocknen keine Kalkflecken und Streifen, an denen sich neuer Schmutz festsetzen kann. Ein Abziehen und Trocknen der gereinigten Fläche ist nicht erforderlich.
Die Aufbereitung des Leitungswassers kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Das Wasser kann im Betrieb in einem Tank gesammelt oder mit mobilen Systemen vor Ort am Reinigungsobjekt erzeugt werden.
Es stehen zwei Technologien zur Verfügung: die Umkehrosmose, bei der das Leitungswasser durch eine Membran gedrückt wird, oder der Ionenaustausch. Hier werden mittels Kunstharzen die Kationen des Kalziums gegen Natrium ausgetauscht.
Umkehrosmosen bieten sich bei einem sehr hohen Wasserbedarf an, so dass sich die im Vergleich zu einer Ionenaustauscherpatrone um den Faktor drei bis vier höheren Investitionskosten amortisieren. Umkehrosmosen sollten permanent eingesetzt werden. Längere Stillstandszeiten, zum Beispiel außerhalb der Reinigungssaison, begünstigen Biofauling und eine Verblockung der hochwertigen Module. Um den Ausfall von Kalzium und Magnesium auszuschließen, sollte nicht an einer Voraufbereitung in Form einer Antiscalant-Dosierung oder einer Enthärtungsanlage gespart werden, die Kalzium und Magnesium gegen Natrium tauscht. Je nach Qualität des Systems entsteht eine Verlustwassermenge (Konzentrat) von 30 bis zu 60 Prozent. Empfehlenswert ist auch die in manchen Systemen angebotene nachgeschaltete Ionenaustauscherpatrone, um den Restsalzgehalt zu entfernen.
Ohne Verlustwasser
Das herkömmliche System besteht aus Patronen, die mit Ionenaustauscherharz gefüllt sind. Diese Patronen sind der Umkehrosmose in der Entsalzungsleistung überlegen. Sie arbeiten stromlos, sind leicht zu handhaben und sofort einsatzfähig. Das Leitungswasser wird vollständig genutzt, Verlustwasser entsteht nicht. Die Patronen werden an den Wasserhahn angeschlossen und produzieren sofort voll entsalztes Wasser. Das Leitungswasser fließt durch die Patrone und durchströmt die Kunstharze.
Dabei werden die elektrisch geladenen Ionen des Wassers (Salze) am Harz gebunden, das seinerseits gleich geladene Ionen abgibt. Eine 40-Liter-Patrone stellt bei Leitungswasser mit zehn Grad deutscher Härte rund 5.000 Liter voll entsalztes Wasser her. Ist die Kapazität der Patrone ausgeschöpft, kann die Patrone von einem Regenerierservice entleert und mit frischem Harz befüllt werden. Die verbrauchten Harze werden gesammelt und in einer zentralen Regenerierstation wieder einsatzfähig gemacht. Dies ist unbegrenzt häufig möglich. Bei der Wahl eines solchen Dienstleisters sollte der Kunde auf folgende Kriterien achten:
kurzfristiger Service, der die Patrone fachgerecht innerhalb weniger Minuten vor Ort neu befüllt, so dass nur geringe Wartezeiten und kein Versandaufwand entstehen, kontrolliertes Handling durch einen Fachbetrieb mit Chargenzertifikaten und Qualitätssicherung, marktgerechte Konditionen.
Die Beispielrechnung bezieht sich auf die Reinigung einer Photovoltaikanlage mit Ionenaustauscherpatronen bei einem Verschmutzungsgrad von acht Prozent. Die Erlösverbesserung durch die Reinigung beträgt rund 3.985 Euro. Bei einem Verschmutzungsgrad von 16 Prozent erhöht sich die Erlösverbesserung auf rund 9.890 Euro.
Kosten und Rentabilität
Der Wasserverbrauch für ein Kilowatt Modulleistung liegt bei rund zehn Litern. Dazu kommen 23 Cent für die Filterpatrone und 11,50 Euro Personalkosten pro Kilowatt. Bei regelmäßiger Reinigung reicht entmineralisiertes Wasser völlig aus.
Immer mehr Betreiber und Investoren von mittleren Photovoltaikanlagen und Megawattparks stellen fest, dass die Reinigung zur Leistungs- und Ertragserhaltung notwendig ist. Der Leistungs- und Ertragsverlust bei leichter und mittlerer Oberflächenverschmutzung liegt durchschnittlich zwischen acht und 16 Prozent. Die schleichende Verunreinigung der Moduloberfläche baut sich durch organische und anorganische Einflüsse progressiv auf. Langfristig kann sie sogar zum Austausch von Modulen führen. Stabiler Stromertrag und Profitsteigerung sind gute kaufmännische Motive für eine regelmäßige Reinigung mit voll entsalztem Wasser.
(Dr. Steffen Orben, Geschäftsführender Gesellschafter, Orben Wasseraufbereitung)
Der Fachaufsatz erschien erstmals in der April-Ausgabe 2013 von ERNEUERBARE ENERGIEN - Das Magazin.
