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Schneelastbeständigkeit von Solaranlagen

Abb1: Das druckgeregelte Luftkissen wird über den Prüfling gelegt, um die vertikalen Kräfte zu erzeugen.

In diesem schneereichen Winter sind im Alpenraum Schäden durch hohe Schneelasten zu erwarten, weil die geltenden Prüfnormen für Solarmodule und -kollektoren die tatsächlichen Belastungen nur unzureichend berücksichtigen. Im Auftrag des Schweizer Bundesamtes für Energie und in Zusammenarbeit mit dem Dachverband der Gebäudeversicherungen hat das Institut für Solartechnik SPF in Rapperswil ein Verfahren entwickelt, das eine realistischere Bewertung der Schneelastbeständigkeit ermöglicht. Der Leiter des SPF-Prüflabors, Andreas Bohren, beschreibt für den Solarserver die Motivation und das verbesserte Verfahren.

Nicht alle Besitzer von Solaranlagen werden Freude an den großen Schneemengen haben die dieses Jahr in Deutschland, Österreich und in der Schweiz gefallen sind. Schneelastschäden werden oft erst im Frühjahr sichtbar, wenn das Dach wieder frei ist um solaren Strom und Wärme zu erzeugen.

Im besseren Fall ist "nur" die Solaranlage beschädigt; nicht selten gibt es aber auch Schäden am Dach, insbesondere bei Aufdachanlagen wo Ziegel durch den Schneedruck brechen können. So geschehen auch im Winter 2012/2013, als in besonders betroffenen Regionen der Schweiz bis zu 50 Prozent der installierten Solaranlagen beschädigt wurden. Gerade im Winter wäre in erhöhten Lagen eine sehr hohe Solareinstrahlung verfügbar und die Nutzung der Sonne als Energiequelle wichtig. Am Referenzstandort St. Moritz in den Schweizer Alpen ist die Einstrahlung in den Wintermonaten um bis zu etwa 30 Prozent höher als zum Beispiel in Athen.

Zusammen mit der Vereinigung Kantonaler Gebäudeversicherungen VKG (www.vkg.ch) hat das Institut für Solartechnik SPF schon vor einigen Jahren die Situation analysiert und festgestellt, dass die Prüfnormen nicht für eine Bewertung der Schneelastsicherheit von Solaranlagen in erhöhten Lagen mit großen Schneelasten geeignet sind. Das gilt für PV Anlagen und thermische Solaranlagen gleichermaßen. Im Flachland sind Schneelastschäden kaum bekannt, obwohl die internationalen Normen auch da keine aussagekräftigen Werte liefern können.

Die hauptsächlich festgestellten Mängel der Normprüfungen sind folgende:


• Die Prüflasten sind oft zu klein.
• Die Prüflast wird nur senkrecht aufgebracht. Die Dachneigung wird ignoriert.
• Die Prüflast wird nur kurzfristig aufgebracht. Schnee liegt aber über Tage und Wochen
• Dir Prüflast wird einmalig aufgebacht. Eine Anlage wird in ihrer Lebenszeit aber hunderte von Be- und Entlastungszyklen erleben.
• Sowohl Unterbau als auch die Befestigungselemente werden in der Produktprüfung kaum beachtet.
• Es werden immer einzelne Kollektoren und Module geprüft. Bei größeren Kollektoren wird oft nur ein "Musterkollektor" geprüft, weil die Testanlagen zu klein sind.

Dies führt dazu, dass die maximal zulässige Schneelast einer Solaranlage oft überschätzt wird. Die maximale Schneelast die auf einem geneigten Dach zu erwarten ist, wird in den nationalen Gebäudenormen definiert und muss für jedes Gebäude individuell bestimmt werden. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die zu erwartenden Schneemengen auf horizontalem Grund sowie die dazugehörigen Schneehöhen bei Neuschnee und Nassschnee. Die maximale Last in den Gebäudenormen wird für eine wahrscheinliche Wiederkehrperiode von 50 Jahren berechnet und ist damit auch für Solaranlagen gut anwendbar. Die Normprüfung der Produkte gibt aber kaum eine Antwort darauf, ob ein Element dann auch unter realen Bedingungen diesen Lasten standhalten kann.

Schneeart

Neuschnee

Nassschnee

Höhe m ü. M.

Schneelast in kN/m2

Schneehöhe in m

400

0.92

0.92

0.23

600

1.58

1.58

0.40

800

2.49

2.49

0.62

1000

3.67

3.67

0.92

1200

5.10

1.28

1400

6.80

1.70

1600

8.76

2.19

1800

10.98

2.75

2000

13.46

3.37

Tabelle1: Übersicht der zu erwartenden Schneelasten wie sie in der Schweizer Norm SIA 261 vorgegeben sind in Abhängigkeit der Höhe über Meer. Daneben die entsprechenden Schneehöhen für Neu- und Nassschnee.

Im Auftrag des Schweizer Bundesamtes für Energie und in Zusammenarbeit mit dem Dachverband der Gebäudeversicherungen wurde darum ein Verfahren entwickelt, das die oben aufgeführten Punkte berücksichtig und eine realistische Bewertung der tatsächlichen Schneelastbeständigkeit in erhöhten Gefahrenlagen ermöglicht. Die Planer und Anlagenbesitzer haben damit die Möglichkeit ein Produkt auszuwählen das für Ihre Region und ihr Gebäude eine ausreichende Schneelastbeständigkeit nachgewiesen hat. Eine Win-Win-Situation für alle beteiligten Parteien, wenn nur Anlagen gebaut werden die den zu erwartenden Lasten standhalten: Der Anlagenbesitzer hat weniger Ärger, die Versicherung hat weniger Schäden, der Hersteller und der Installateur sind auf der sicheren Seite. Das Gute dabei: Der Kollektor und das Modul müssen dadurch nicht teurer werden. Es ist aber wichtig, die richtigen Produkte auszuwählen und diese auch so zu installieren wie es vorgesehen ist. Es gibt durchaus Produkte und Konstruktionen die für hohe Schneelasten nicht geeignet sind. Diese sollte man nicht einsetzen, wenn man in einer entsprechenden Zone baut.

Abb2: Aufbau der neu entwickelten Prüfanlage für Schneelasten.

Um die Anforderungen an eine realistische Prüfung zu erfüllen, musste von den Prüfingenieuren des SPF ein neues Verfahren entwickelt werden. Das größte Problem besteht darin, den Hangabtrieb nachzubilden der durch den festgefrorenen Schnee erzeugt wird. Das neue Verfahren beruht darauf die Kräfte auf den Prüfling nach Richtung getrennt aufzubringen (Abb. 2). Die senkrechten Kräfte auf das Element werden mit speziell dafür entwickelten Luftkissen aufgebracht (Abb. 1). Mit einer genauen Regelung des Druckes kann so jede beliebige Belastung aufgebracht werden, auch wenn die Oberfläche uneben ist, wie es z.B. bei überlappenden PV-Modulen oder bei Vakuumröhrenkollektoren der Fall ist. Um die Hangabtriebskräfte aufzubringen, werden flexible Haftbänder aufgelegt (Abb. 3). Diese sind mit einer eigens dafür neu entwickelten, stark haftender Silikonmischung beschichtet. Dadurch halten diese Bänder auf der glatten Oberfläche der Module und Kollektoren, die Glasabdeckung wird aber nicht beeinflusst und auch nicht verstärkt oder versteift. Diese Bänder werden dann mit Seilwinden parallel zur Oberfläche der Elemente bewegt. Mit dieser Aufteilung der Kräfte ist es einerseits möglich fast jede beliebige Dachneigung zu emmulieren und gleichzeitig auch sicherzustellen, dass sich die Kräfte immer richtig auf das Element verteilen, selbst dann, wenn es bereits durch die einwirkende Schneelast deformiert wurde.

Für die Bewertung der Schneelastbeständigkeit wurde ein geeignetes Prüfprogramm entwickelt das eine Lebensdauer von etwa 30 Jahren nachbildet. In dieser Zeit muss mit häufigem, aber schwachem Schneefall gerechnet werden. In einzelnen Jahren wird deutlich mehr Schnee auf der Anlage liegen, und einmal in dieser Zeit wird die von den Gebäudenormen angenommen maximale Schneelast erreicht. Dadurch ergibt sich ein zyklisches Prüfprogramm mit zunehmend höheren Lasten.

Diese wechselnden Lasten werden in ein Prüfprogramm von etwa 3 Wochen Dauer zusammengefasst. Der Hersteller wählt die Einsatzgrenzen bezüglich maximaler Schneelast und Dachneigung für sein Produkt. Nicht jedes Produkt muss auch für den extremsten Winter im Hochgebirge geeignet sein. Es ist viel wichtiger zu wissen wo die Einsatzgrenzen sind. Es ist sicher sinnvoll auf eine Installation zu verzichten, wenn man schon beim Aufbau davon ausgehen muss, dass es mit großer Wahrscheinlichkeit zu einem Schadenfall kommen wird.

Schäden an Solaranlagen werden häufig erst im Frühjahr bemerkt und dann ist oft nur noch ersichtlich, dass die Anlage zerstört wurde. Um die Vorgänge, die zum Schaden führen, besser verstehen zu können, wird bei der Prüfung immer auch die Deformation an den Elementen gemessen und es werden dazu passende Zeitrafferfilme erstellt. Damit hat der Hersteller die Möglichkeit, die Schwachpunkte an seiner Konstruktion zu identifizieren und möglichst auch zu beheben.

Das Solarmodul bzw. der Kollektor wird immer mit einem genau definierten Unterbau und dem Original-Montagematerial des Herstellers geprüft. Ebenso wird der Prüfling auf einem richtigen Dachunterbau mit Holzlattung aufgebaut um eine möglichst realistische Situation nachzubilden. Für Aufdachanlagen kann auch ein Ziegeldach als Unterbau aufgebaut werden. Die Erfahrung zeigt, dass nicht allein die Module oder die Montageteile ausschlaggebend sind. Oft ist es auch eine besonders ungünstige Kombinationen von Modul und Montageteil die letzten Endes den Schneelastschaden ermöglichen. Bei überlappenden PV Modulen hat sich außerdem gezeigt, dass oft das obere Modul auf ein unteres Modul drückt und so den Schaden auslöst. In dem Fall ist es also notwendig, mindestens zwei übereinander liegende Module gemeinsam zu prüfen.

Abb3: Prüfung von PV Modulen. Sichtbar sind die aufgelegten Haftbänder, die den Hangabtrieb erzeugen.

Aus diesem Grund ist die alleinige Produktprüfung an einem einzigen Modul oder an einem Kollektor wenig hilfreich. In den Zertifikaten des neuen Prüfverfahrens wird darum immer das Modul bzw. der Kollektor und die ganze Montagesituation mit abgebildet. Das Prüfverfahren wurde in einem Projekt des Bundesamtes für Energie validiert in dem mehrere Schadenfälle auf der Anlage nachgebildet wurden. Dabei ist es in allen Fällen bei gleichen Lasten zu identischen Schadensbildlern gekommen. Das Verfahren ist damit auch im akkreditierten Bereich des SPF-Prüflabors aufgenommen worden. Aktuell können PV Module und thermische Kollektoren mit einer (Feld)Größe bis etwa 16m2 mit einer Last von bis zu 20.000 Pa und einer fast frei wählbaren Dachneigung geprüft werden.

Bislang gibt es keine Verpflichtung zur Durchführung einer Prüfung, auch wenn dadurch Schneelastschäden verhindert werden könnten. Die Versicherungen können aber Vorbehalte geltend machen, wenn die Anlagen den von den Gebäudenormen vorgegeben Lasten offensichtlich nicht standhalten können. In diesem Fall wäre die Planung nicht ausreichend gut. In den meisten Gebieten ist Schneelast aber absolut kein Problem da die meisten Kollektoren und PV-Module mit 2400 Pa geprüft wurden, einige auch mit höheren Lasten. Vergleicht man diese Zahl mit den Werten aus der Schneelasttabelle ist allerdings auch leicht ersichtlich, wo die Grenzen der Normprüfung liegen. Für Anlagen im Flachland ist die Normprüfung ausreichend auch wenn die Dachneigung nicht berücksichtigt wurde. In erhöhten Lagen sind aber sicher nicht mehr alle Elemente geeignet. Insbesondere muss dabei berücksichtigt werden, dass die Normprüfung eigentlich eine zu hohe Schneelastbeständigkeit attestiert, weil verschiedene Faktoren bei der Prüfung nicht berücksichtigt werden. Diese Werte sind also mit entsprechenden Vorbehalten zu interpretieren.

Die mit dem neuen am SPF entwickelten Verfahren zertifizierten Produkte werden in einem Schneelastregister beim Prüflabor und beim Dachverband der Schweizer Gebäudeversicherungen veröffentlicht. Der Planer einer Solaranlage muss nur noch sicherstellen, dass die zu erwartenden Schneelasten richtig bestimmt werden. Dann können aus dem Register auch die geeigneten Produkte ausgewählt werden. Sollte es dann wider Erwarten doch zu einem Schaden kommen, wird es mit Sicherheit keine Probleme mit den Versicherungen geben, sofern die Anlage richtig aufgebaut wurde.

Tatsächlich sind bisher erst wenige Produkte in dem Register zu finden. Einer der Gründe ist der, dass einige Hersteller bei der SPF-Prüfung ihrer Produkte deutliche Schwachstellen erkannt haben und die erreichten Werte so nicht publizieren mögen. Es gibt auch Hersteller die von sich aus auf diese Zertifizierung verzichten, weil sie keine Anlagen in erhöhte Lagen bauen wollen. Die Gebiete mit erhöhten Schneelasten sind für die meisten Hersteller ein Nischenmarkt. Insofern macht es noch viel mehr Sinn, bei der Planung eine Anlage in besonderen Lagen die Produkte zu berücksichtigen, die bereits zertifiziert sind. Deren Hersteller haben sich bereits eingehend mit dem Thema befasst und benennen die Grenzen Ihrer Produkte sehr genau.

Dr. Andreas Bohren leitet seit 2002 das Prüflabor für Solarthermie des Instituts für Solartechnik SPF an der Hochschule für Technik in Rapperswil (Schweiz). Seit 2014 trägt er als Convenor die Verantwortung für die CEN- und ISO-Normen für thermische Kollektoren und seit 2018 ist er Chairman des Solar Keymark Networks. Außerdem ist Bohren Vorstandsmitglied des Schweizer Branchenverbandes Swissolar.

12.2.2019 | Quelle und Fotos: Institut für Solartechnik SPF | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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