Riesige Photovoltaikmodule in Gefahr!

Kürzlich haben meteorologische Behörden in mehreren Ländern hochrangige Warnungen herausgegeben, die darauf hindeuten, dass ein „Super-El Niño“, der das globale Klimamuster neu gestalten könnte, sich vom Ende des Jahres 2026 bis Anfang 2027 schnell nähert. Für Chinas Photovoltaikindustrie bedeutet dies, dass extreme Wetterereignisse wie Taifune, starke Böen und Schneestürme sich von „Schwarzen Schwänen“ zu „Grauen Nashörnern“ entwickeln. Als zentrale Stromerzeugungseinheit eines Kraftwerks werden die Anpassungsfähigkeit an extreme Umgebungen, die strukturelle Stabilität und die Belastungssicherheit von Solarmodulen direkt darüber entscheiden, ob sie während ihrer 25-jährigen Lebensdauer unzähligen extremen Wetterereignissen standhalten können.

Ein wiederkehrendes, aber häufig übersehenes Branchenproblem besteht jedoch darin, dass die Schwächen ultragrößer Photovoltaikmodule unter normalisierten extremen Wetterbedingungen immer deutlicher werden. Ihre umfassende Fähigkeit, mit harten Betriebsbedingungen umzugehen, ist zu einer kritischen Frage geworden, die dringend untersucht werden muss.

Der „Dreifachschlag“ von El Niño

El Niño ist kein abstrakter meteorologischer Begriff, sondern eine entscheidende Prüfung, der sich Photovoltaikkraftwerke stellen müssen. Wenn die globale atmosphärische Zirkulation anomal wird, sind die dicht besiedelten Photovoltaik-(PV)-Installationsgebiete meines Landes den kombinierten Auswirkungen dreier extremer Wetterereignisse ausgesetzt:

Erstens häufigere und intensivere Taifune und starke Böen. Die Zahl der im Pazifik entstehenden Taifune hat zugenommen, und ihre Landfallintensität ist stärker als üblich, wodurch die Wahrscheinlichkeit schwerer konvektiver Wetterereignisse in Küsten- und Binnengebieten deutlich steigt. Für PV-Kraftwerke bedeutet dies, dass wiederholte wechselnde Böen zur Norm geworden sind und die Module nicht mehr einzelnen Winddruckereignissen ausgesetzt sind, sondern hochfrequenter dynamischer Ermüdung.

Zweitens extreme Hitzewellen. Die Anzahl der Tage mit extrem hohen Sommertemperaturen nimmt zu, und die Oberflächentemperatur der Module überschreitet häufig 70 °C. Der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Glas, Rahmen und Solarzellen wird bei hohen Temperaturen verstärkt, was zu einer kontinuierlichen Zunahme der inneren Spannungsakkumulation führt.

Drittens extreme Niederschläge und Schneestürme. Die Zunahme von Starkregen und Überschwemmungen im Süden sowie extremen Schneestürmen im Norden erhöht die Wahrscheinlichkeit ungleichmäßiger Belastungen auf der Moduloberfläche erheblich, während hohe Luftfeuchtigkeit die Materialalterung beschleunigt.

Diese drei Merkmale entsprechen genau den drei fatalen Herausforderungen für PV-Kraftwerke: dynamische Ermüdung, thermomechanische Belastung und ungleichmäßige Extrembelastung. Ultragröße Module versagen nahezu vollständig in allen drei Dimensionen.

Das physikalische Dilemma ultragrößer Module: Wenn Flächenerweiterung auf Naturgesetze trifft

Ultragröße Module mit Abmessungen von 2384 mm × 1303 mm und darüber haben eine Gesamtfläche von 3,1㎡ und mehr und stellen damit mindestens eine Flächensteigerung von 15 % gegenüber dem Branchenstandardmodul mit 2,7㎡ dar. Beide Modultypen verwenden jedoch exakt dasselbe 2 mm dicke Glas; ultragröße Module verfügen über keine Materialaufwertung oder Verstärkung der Glasdicke, wodurch potenzielle Risiken verstärkt werden.

Verformung ist der erste Riss. Testdaten zeigen, dass selbst unter natürlichen statischen Bedingungen die Glasverformung ultragrößer Module bereits doppelt so hoch ist wie die von Standardmodulen; unter maximaler Belastung steigt die Glasverformung auf das Dreifache. Diese deutlich erhöhte Verformung hält das Modulglas über längere Zeit unter Überlastung und führt leicht zu irreversiblen Schäden wie Glasbruch, Mikrorissen in Solarzellen und Ablösung der Verkapselung, wodurch die Lebensdauer des Moduls drastisch verkürzt wird.

Ermüdung ist der zweite Riss. In El-Niño-Jahren bringen Taifune und schwere konvektive Wetterlagen keine einmaligen Belastungen, sondern einen unerbittlichen „Ermüdungskrieg“ durch wiederholte Böen. Standardmodule können zuverlässig 20.000 Zyklen dynamischer Belastungstests bei ±1500 Pa aushalten und dabei ihre strukturelle Integrität sowie Leistungsfähigkeit beibehalten, was eine außergewöhnliche dynamische Ermüdungsbeständigkeit zeigt. Im Gegensatz dazu zeigen ultragröße Module unter denselben dynamischen Belastungsbedingungen von ±1500 Pa bereits nach nur 2.000 Zyklen erste Ausfallerscheinungen und erreichen nur 10 % der dynamischen Belastungstoleranz von Standardmodulen.

Während Windböen wiederholt auf die Moduloberfläche einwirken, lockern sich Rahmen und Glas allmählich durch Ermüdung und brechen schließlich an einem kritischen Punkt vollständig zusammen. Deshalb sehen wir nach extremen Wetterereignissen „drachenähnliche Module“ auf dem Boden verstreut – Rahmen sind gerissen, ganze Module lösen sich, und die Module werden wie Drachen mit gerissenen Schnüren aus dem Trägersystem gerissen, wodurch verheerende Schäden an den Anlagen entstehen.

Die Beständigkeit gegen extreme Druckbelastung ist die dritte große Hürde. Mehrere maßgebliche experimentelle Daten bestätigen, dass Standardmodule ungleichmäßige Belastungen von bis zu 6500 Pa aushalten können, während ultragröße Module nur 4300 Pa erreichen, was einer Verringerung der maximalen Druckbeständigkeit um 30 % entspricht. In extremen Windkanalsimulationen können Standardmodule Windgeschwindigkeiten von über 60 m/s standhalten, während ultragröße Module unter Windgeschwindigkeiten von 45 m/s strukturelle Ausfälle erleiden.

Für die häufigen extremen Wetterereignisse während El-Niño-Jahren sind 45 m/s kein theoretischer Laborwert, sondern eine reale Prüfung, der jedes Jahr begegnet werden muss. Ein extremer Schneesturm im Norden oder ein starker Konvektionswind im Süden kann der letzte Tropfen sein, der das Fass für ultragröße Module zum Überlaufen bringt.

Gleiche Windbedingungen, unterschiedliche Ergebnisse: Die Richtung, die durch Vorschriften vorgegeben wird

Im Jahr 2022 wurde eine 300-MW-Photovoltaikkraftanlage im Nordwesten Chinas zu einem typischen Fall für das Versagen ultragrößer Module aufgrund extremer Wetterbedingungen. Der Projektstandort befindet sich in einem typischen Hochrisikoklimagebiet mit häufigen Sandstürmen und extremen Böen, und die entsprechenden extremen Wetterereignisse sind vorhersehbar und kontrollierbar. Dennoch wurden während des gesamten Baus ultragröße Module eingesetzt, ohne die Auswahl anhand der regionalen Klimamerkmale zu optimieren.

Zum Zeitpunkt des Unfalls traten in dem Gebiet Böen von über Stärke 13 auf. Nach dem schweren Wetter erlitt das Kraftwerk umfangreiche Schäden an Modulen und Trägersystemen, was zu erheblichen direkten wirtschaftlichen Verlusten und langfristigen Einnahmeverlusten bei der Stromerzeugung führte. Mehrere andere Photovoltaikprojekte in der Region, die Standardmodule verwendeten, erlitten unter denselben extremen Wetterbedingungen hingegen nur geringfügige Schäden; ihre Kraftwerke liefen reibungslos und unbeeinträchtigt weiter. Dies veranschaulicht eindrucksvoll die Schwächen ultragrößer Module unter extremen Bedingungen.

Angesichts der zunehmenden Auswirkungen von El Niño hat die nationale Regierung eine klare Lösung bereitgestellt – die kürzlich veröffentlichten Energieeffizienzstandards für Photovoltaikmodule verändern die Auswahlregeln der Branche aus politischer Sicht. Energieeffizienzstandards beziehen Modulwirkungsgrad, geringe Degradationseigenschaften und Hochtemperaturleistung in eine umfassende Bewertung ein, während die „Sicherheitsanforderungen für Photovoltaikmodule“ verbindliche Anforderungen an mechanische Belastbarkeit, Rahmenfestigkeit und elektrische Sicherheit stellen. Diese Vorschriften vermitteln eine klare und entschlossene Botschaft: Sicherheit ist die Grundvoraussetzung, Effizienz ist die Richtung, und eine Vergrößerung der Modulgröße ist nicht die Lösung.

Die Vergrößerung der Modulgröße ist ein Mittel der Branche, um Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern, darf jedoch niemals auf Kosten der strukturellen Sicherheit erfolgen. Die derzeit bei ultragrößen Modulen offengelegten Probleme wie übermäßige Verformung, unzureichende Belastbarkeit und fehlende Sicherheitsreserven sind unter normalisierten extremen Wetterbedingungen keine seltenen Risiken mit geringer Wahrscheinlichkeit mehr, sondern häufige und sichere Gefahren. Für Investoren und Errichter von Photovoltaikkraftwerken ist es dringend erforderlich, die „Größe-allein“-Auswahlmentalität aufzugeben und die langfristige Zuverlässigkeit der Module zu priorisieren.