In Wüsten- und Halbwüstengebieten werden großskalige Photovoltaik-Anlagen zunehmend von sandgetriebenen Winden ausgesetzt. Der abrasive Sand führt zu einer beschleunigten Erosion der Zinkbeschichtungen von Stahltragwerken, wodurch die darunterliegende Stahlstruktur schneller korrodiert und die Lebensdauer der Anlagen verkürzt wird. Eine aktuelle Studie des spanischen Nationalen Zentrums für Metallurgieforschung (CENIM-CSIC) liefert praxisrelevante Daten zur Erosionsbeständigkeit der gängigen verzinkten Beschichtungen Z275, HDG und ZM310 und ermöglicht fundierte Entscheidungen für die Materialwahl in sandreichen Regionen.
Seiteninhalte
- Herausforderungen durch Sanderosion in Wüsten-PV-Anlagen
- Untersuchte Beschichtungen und ihre technischen Eigenschaften
- Testmethoden: Freifall-Sandtest und Forced-Air-Impingement-Test
- Ergebnisse der Erosionsmessungen
- Interpretation der Ergebnisse: Warum Z275 besser abschneidet
- Bedeutung für die Materialwahl in sandreichen PV-Regionen
- Ausblick und Empfehlungen für die Praxis
- Fazit
Herausforderungen durch Sanderosion in Wüsten-PV-Anlagen
- Sanderosion beschleunigt die Korrosion von Stahlkonstruktionen in großen PV-Anlagen.
- Die Lebensdauer von Montagestrukturen wird durch den Materialverlust verkürzt.
- Wartungskosten können um bis zu 15 % steigen.
- Mehr als 20 % der globalen PV-Kapazität befindet sich in Wüstenregionen (z. B. Sahara, Arabien).
- Im MENA-Raum wird für das Jahr 2025 eine installierte PV-Kapazität von über 100 GW prognostiziert.
Untersuchte Beschichtungen und ihre technischen Eigenschaften
Z275 – kontinuierlich heißverzinkte Beschichtung
- Zinkmasse: ≥ 275 g/m² (beidseitig), definiert durch EN 10346.
- Typische Anwendung: Drehrohre (Torque Tubes).
- Besonderheit: hohe Duktilität und durchgängige Beschichtung.
HDG – Heißdip-Verzinkung
- Schichtdicke: 85-150 µm.
- Typische Anwendung: Pfähle.
- Beschichtung ist dicker, jedoch weniger kontinuierlich als Z275.
ZM310 – Zn-Mg-Al-Legierung
- Legierungsanteile: 10 % Mg, 3 % Al.
- Typische Anwendung: Träger (Rafters).
- Hohe Härte, jedoch spröde Beschaffenheit.
Testmethoden: Freifall-Sandtest und Forced-Air-Impingement-Test
- Freifall-Sandtest: Proben (10 × 15 cm) werden im 45°-Winkel positioniert, Ottawa-Silicasand fällt durch Gravitation. Pro Zyklus fallen 2 L Sand mit 9 094 g/min, geschätzte Aufprallgeschwindigkeit 4-5 m/s. 150 Zyklen für Z275, HDG und ZM310; 180 Zyklen für die organische Beschichtung.
- Forced-Air-Impingement-Test: Silicasand wird mit kontrolliertem Luftstrom (0,13 L/s) auf die Proben projiziert. Impaktgeschwindigkeit 10 m/s, Massenstrom 7 g/min (Standard) bzw. 15 g/min (erhöht). Winkel 45° oder 90°.
Ergebnisse der Erosionsmessungen
Freifall-Sandtest
- Z275: 4,03 µm/h
- HDG: 5,52 µm/h
- ZM310: 9,43 µm/h
Forced-Air-Impingement-Test (7 g/min)
- Z275: 1,38 ± 0,26 µm/h
- ZM310: 2,47 ± 0,16 µm/h
- HDG: zweistufig – Beginn bei ~1,7 µm/h, Anstieg auf 5,7 µm/h
Erhöhte Belastung (15 g/min)
- Z275: 2,78 µm/h (90°) bzw. 4,5 µm/h (45°)
- ZM310: 6,9 µm/h (45°)
Interpretation der Ergebnisse: Warum Z275 besser abschneidet
- Höhere Duktilität verhindert spröde Risse, die bei härteren, aber spröderen Beschichtungen (ZM310) schneller zum Versagen führen.
- Durchgängige Beschichtung reduziert lokale Schwachstellen, die bei weniger kontinuierlichen Schichten entstehen.
- Die reine Härte ist kein zuverlässiger Indikator für Erosionsbeständigkeit – ZM310 ist härter, weist jedoch die höchste Erosionsrate auf.
- Die Studie betont, dass die Kombination aus Duktilität und Beschichtungskontinuität entscheidend ist.
Bedeutung für die Materialwahl in sandreichen PV-Regionen
- Kontinuierlich verzinkte Systeme (Z275) zeigen die niedrigsten Abtragungsraten und könnten Wartungskosten reduzieren.
- HDG bietet eine mittlere Performance, jedoch mit zweistufiger Erosion, was langfristig zu unvorhersehbaren Schäden führen kann.
- ZM310, obwohl korrosionsbeständig, weist die höchste Erosionsrate auf; ein zusätzlicher Top-Coat könnte die Erosionsresistenz verbessern.
- Die Wahl sollte neben Erosionsrate auch Faktoren wie Anwendungsbereich (Drehrohre, Pfähle, Träger) und vorhandene Normen (EN 10346 für Z275) berücksichtigen.
Ausblick und Empfehlungen für die Praxis
- Feldvalidierung unter realen Wüstenwindgeschwindigkeiten (> 20 m/s) ist erforderlich, da Laborbedingungen (10-5 m/s) die tatsächliche Belastung unterschätzen.
- Langzeit-Monitoring von Montagestrukturen sollte etabliert werden, um die Langzeit-Erosions- und Korrosionsentwicklung zu dokumentieren.
- Für Anwendungen, bei denen ZM310 bevorzugt wird (z. B. Träger), sollte die Kombination mit einem organischen Top-Coat geprüft werden.
- Planung von PV-Projekten in Wüstenregionen sollte die Erosionsdaten in die Wirtschaftlichkeitsrechnung einfließen lassen, um potenzielle Wartungs- und Austauschkosten zu berücksichtigen.
Fazit
Die Untersuchung zeigt eindeutig, dass kontinuierlich heißverzinkte Beschichtungen (Z275) die höchste Erosionsbeständigkeit gegenüber Sandpartikeln in Wüstenumgebungen besitzen. Trotz höherer Härte bietet die Zn-Mg-Al-Legierung (ZM310) die schlechteste Performance, weil ihre Sprödigkeit zu schnellerem Materialverlust führt. HDG liegt zwischen beiden, zeigt jedoch ein zweistufiges Erosionsverhalten. Für großskalige PV-Montagesysteme in sandreichen Regionen empfiehlt die Studie die bevorzugte Nutzung von Z275, ergänzt durch Feldtests und langfristige Überwachung, um die Praxistauglichkeit unter realen Windbedingungen zu bestätigen.
