Hagelschläge häufig härter und gefährlicher als im IEC-Test geprüft

Durch Hagel werden in Deutschland zunehmend heftige Schäden an Photovoltaikmodulen hervorgerufen. Welche Modultypen stärker betroffen sind, wie entstandene Zellrisse erkannt werden und welche Auswirkungen Hagelschlag auf Module haben kann, hat eine Gruppe von Forschern und Gutachtern untersucht. Mehr als die Hälfte der auftretenden Hagelschläge hätten demnach in Europa das Potenzial, Solarmodule nachhaltig zu schädigen, ohne dass dies direkt nach dem Unwetter sichtbar wäre und zweifelsfrei als Versicherungsfall gelten würde.

Größere Hagelkugeln können Photovoltaikmodule empfindlich schädigen - ohne dass dies der Anlagebetreiber sofort erkennen kann. Foto: swa182/Fotolia

Größere Hagelkugeln können Photovoltaikmodule empfindlich schädigen – ohne dass dies der Anlagebetreiber sofort erkennen kann. Foto: swa182/Fotolia

Hagelschlag kann Photovoltaikmodule nachhaltig beeinträchtigen, ohne dass dies der Betreiber nach dem Sturm sofort erkennen kann. Denn die Eiskugeln müssen das Frontglas nicht beschädigen, wenn sie aufschlagen. Sie können aber dennoch Mikrorisse in den Solarzellen hervorrufen, die über einen längeren Zeitraum die Leistung beeinträchtigen. Hagelschäden sind natürlich gewöhnlich über eine Photovoltaikversicherung abgedeckt. Dass Mikrorisse aber durch Hagel entstanden sind, hat der Betreiber durchaus auch selbst nachzuweisen, wenn ein Gutachter einer Versicherung zu einer gegenteiligen Einschätzung kommen sollte. Erwiesenermaßen weisen Sachverständige für Photovoltaik Mikrorisse in Modulen unterschiedliche Ursachen zu – ein Hagelschaden wird nicht immer erkannt. Der Frage, wie Module nach einem Hagelschlag zu bewerten sind, hat sich daher ein Team aus Forschern und Gutachtern angenommen, dem unter anderem Mitarbeiter des TÜV Rheinland, der Nüsperling GmbH & Co. KG, der VGH Versicherungen sowie der öffentlich bestellte und vereidigte Sachverständige Wilhelm Uhlenberg angehören. Marc Köntges vom Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) präsentierte die Ergebnisse im März zum PV-Symposium in Bad Staffelstein.

Photovoltaikmodule werden nach der IEC-Norm 61215 (für kristalline Module) natürlich daraufhin geprüft, dass sie einen Hagelschlag problemlos überstehen. Festgelegt ist ein Test mit Eiskugeln mit bis zu 2,5 Zentimetern Durchmesser. Den Aufzeichnungen der Europäischen Unwetter-Datenbank zufolge maßen die Hagelkörner in den beobachteten Stürmen der vergangenen 60 Jahre jedoch nur zu 29 Prozent einen Durchmesser von weniger als drei Zentimeter auf. Ein bisschen mehr als die Hälfte aller Hagelunwetter wies Eisbälle mit drei bis vier Zentimetern im Durchmesser auf. Bei 18 Prozent der aufgezeichneten Hagelschläge lag der Durchmesser sogar bei mindestens fünf Zentimetern. 2013 und 2014 ereigneten sich allein in Deutschland schwere Stürme mit Hagelkörnern, die deutlich größer als fünf Zentimeter im Durchmesser waren. Und ab fünf Zentimetern Durchmesser werden viele Module zerstört, lautet ein Ergebnis des Forscher- und Gutachterteams. Das Frontglas bricht teilweise schon bei Hagelkörnern ab vier Zentimeter Durchmesser. Auswirkungen auf die Zellen können jedoch auch Eiskugeln mit drei Zentimeter Durchmesser haben, ohne dass das Glas obendrüber Schaden genommen haben muss, sagte Köntges in seinem Vortrag.

Je dünner Glas und Rahmen, desto höher das Schadensrisiko für Module

Das Team führte dazu Tests im Labor an verschiedenen kristallinen Modulen durch. Dabei stellten die Forscher folgendes fest: Ein dickeres Frontglas ist gegenüber dem Hagelschlag robuster und verhindert auch teilweise, dass die Solarzellen darunter reißen. Ein Glas mit 3,2 Millimeter Dicke kann bei einer Hagelkorngröße von fünf Zentimetern Durchmesser brechen. Abhängig ist das Verhalten nochmals von der Rahmendicke. Hier gilt: Je dünner der Rahmen, desto höher der Schaden an den Zellen und auch die Wahrscheinlichkeit für einen Glasbruch. Unabhängig von der Rahmendicke wiesen aber alle Prüflinge mit 3,2-Millimeter-Frontglas Risse in den Zellen darunter auf – sowohl bei Eisbällchen mit 3,5 Zentimetern Durchmesser als auch bei jenen mit vier und fünf Zentimetern. Je größer die Hagelkörner, desto stärker zeigten sich sternenförmige Risse, die als sogenannte Primärbrüche auftreten – an der Stelle, an der das Hagelkorn das Modul traf und damit als direkte Folge des Hagelschlags.

Glas-Glas-Module widerstehen selbst größeren Eiskugeln

Bei den Prüflingen mit vier Millimeter starkem Frontglas traten nur noch einzelne oder verzweigt geformte Risse auf und zwar ausschließlich bei den im Durchmesser vier und fünf Zentimeter messenden Eiskugeln. Ein dickeres Glas kann also die Risse reduzieren. Allerdings sind die verzweigten Risse (auch Sekundärrisse genannt, da sie nicht an der Stelle auftreten, an der das Hagelkorn das Modul traf, sondern an einer anderen Stelle im Modul), die bei geringerer Belastung der Zellen entstehen, von „üblichen Installations- und Transportschäden nicht zu unterscheiden“, sagte Köntges. „Ein Sternriss ist das einzig verlässliches Indiz für einen durch Schlag erzeugten Zellriss“, heißt es in der zugehörigen Ausarbeitung im Jahrbuch des PV-Symposiums. Schließlich prüften die Forscher noch einen Glas-Glas-Modul-Typ – und stellten keinen Glasbruch und keine durch die Hagelkörner verursachten Risse in den Solarzellen fest. Der getestete Modultyp hatte Gläser mit 3,2 und drei Millimeter Dicke und erwies sich als robust gegenüber Eiskugeln mit bis zu fünf Zentimeter Durchmesser.

In einem zweiten Test untersuchten die Forscher, ob es einen Zusammenhang zwischen der Fallhöhe und möglichen Schäden gibt und ob die Temperatur des Moduls Einfluss auf den Schadensverlauf hat. Hier zeigte sich: Die Module, die auf minus fünf Grad Celsius gekühlt worden waren, erwiesen sich als empfindlicher für Schläge aus geringer Höhe. Es zeigten sich auch Zellrisse, nachdem eine Kugel aus fünf Zentimetern Höhe auf die Prüflinge niedergegangen war. Bei den Modulen, die bei 25 Grad Celsius getestet wurden, traten Risse bei geringer Fallhöhe vorwiegend am Modulrand auf. Ab 40 Zentimetern Fallhöhe waren auch die Zellen in der Modulmitte stärker betroffen. Noch einen Unterschied wiesen die Schadensbilder für die unterschiedlich temperierten Module auf: Die Zahl der sternförmigen Primärbrüche war für beide Modulklassen etwa gleich hoch, aber die Module, die bei 25 Grad Celsius untersucht wurden, wiesen mehr Sekundärbrüche auf, die keine spezifische Form zeigen und einem bestimmten Schlag nicht unmittelbar zuzuordnen sind. Die Forscher vermuten, dass bei eher mildem Hagel viele Sekundärrisse und wenige oder keine sternförmigen Primärrisse auftreten. Die Identifizierung eines Hagelschlags als Ursache ist dann jedoch sehr schwer. Der direkt messbare Leistungsverlust nach den Tests lag bei ein bis drei Prozent, führte Köntges aus. Anschließend wurden die Prüflinge noch in eine Klimakammer gesteckt und die Temperatur zwischen minus 40 und plus 85 Grad Celsius hoch- und runtergefahren. Der Leistungsverlust erhöhte sich dadurch um bis zu zwei Prozentpunkte.

UV-Fluoreszenz-Aufnahme enttarnt Zellrisse als Hagelschäden bis zu sechs Monate nach dem Unwetter

Schließlich widmeten sich die Forscher der Frage, wie Hagelschäden am Modul nachzuweisen sind, wenn sie nicht offensichtlich sind. Grundsätzlich lösen große Hagelkörner eher einen Glasbruch aus. Aber auch kleinere Hagelkörner können Risse in Sternenform oder verzweigter Form hervorrufen – ohne dass das Glas darüber Schaden genommen haben muss. Auch müssen die Module nach dem Sturm nicht nachweisbar einen Leistungseinbruch zeigen. Durch Elektrolumineszenzaufnahmen können zumindest Sternenrisse aufgedeckt werden, auch noch nach Monaten, denn die Risse behalten ihre auffällige Form. Alle anderen durch einen Hagelschlag ausgelösten Risse lassen sich dagegen nach Aussage des Forscherteams nur durch die UV-Fluoreszenz-Methode sicher nachweisen. Ein Zellriss ermöglicht das Eindringen von Sauerstoff ins Einbettungsmaterial, wo das Element die bei Dunkelheit leuchtenden Partikel (Luminophore) außer Kraft setzt. Entsprechend zeigen sich nicht nur die Risse selbst, sondern auch die Fläche um sie herum bei einer Fluoreszenz-Aufnahme nach einiger Zeit komplett dunkel. Allerdings sollte die Aufnahme bis zu sechs Monate nach einem Unwetter vorgenommen werden, empfehlen die Forscher. Anhand der UV-Fluoreszenz-Methode „kann man eine Reihenfolge von Schäden nach Alter ermitteln“, erklärte Köntges in Bad Staffelstein. Eben je nachdem, wie dunkel die Risse und ihre Umgebung im Bild erscheinen. Über Elektrolumineszenz seien verzweigte, unspezifisch geformte Sekundärbrüche hingegen nicht nachzuweisen – sie können zwar sichtbar gemacht werden, unterscheiden sich dann aber nicht eindeutig von Rissen, die durch den Transport des Moduls, seine Installation oder andere Kräfte, die unter freiem Himmel herrschen können, entstanden sind.

 

 

    Autor: Ines Rutschmann » 08.05.2015, 09:32
    Veröffentlicht in: Forschung, Praxis



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