Schwimmende PV-Montage: Schwimmende vs. pfahlgestützte Systeme

Die Wahl des richtigen Montagesystems ist die mit Abstand wichtigste technische Entscheidung für jedes wasserbasierte Solarprojekt. In meinen 15 Jahren als Spezialist für Photovoltaik-Montagesysteme habe ich die Installation von Anlagen mit einer Gesamtleistung von über 800 MW auf Stauseen, Bewässerungskanälen und Steinbruchseen betreut. Bei der Diskussion um schwimmende Plattformen und fest installierte Pfahlgründungen geht es nicht darum, welches System generell “besser” ist, sondern vielmehr darum, welches System den jeweiligen hydrologischen, geologischen und finanziellen Rahmenbedingungen am besten entspricht. Dieser Leitfaden erläutert die von mir dokumentierten technischen Daten, Installationsberichte und Fehlerursachen, um Ihnen eine fundierte Entscheidung zu ermöglichen.

Einführung in die wasserbasierte PV-Montage

Der weltweite Ausbau erneuerbarer Energien hat Solarentwickler gezwungen, über die Landknappheit hinauszudenken. Wasserflächen bieten eine einzigartige Möglichkeit, Strom zu erzeugen, ohne mit Ackerland zu konkurrieren und gleichzeitig die Wasserverdunstung zu reduzieren. Das Montagesystem – die Schnittstelle zwischen Solarmodul und Wasser – bestimmt jedoch die Lebensdauer, die Stromgestehungskosten (LCOE) und die Betriebssicherheit des Projekts. Im Gegensatz zu bodenmontierten Systemen sind wasserbasierte Anlagen Herausforderungen wie Wellenermüdung, Korrosion und biologischem Bewuchs ausgesetzt, die spezielle Ingenieurleistungen erfordern.

Es gibt zwei vorherrschende Montagearten: schwimmende Plattformen die auf der Wasseroberfläche ruhen und pfahlgestützte, fest geneigte Konstruktionen Die Module werden in den Wasserboden eingelassen. Meine Feldversuche am Changhe-Stauseeprojekt (2021–2023) ergaben, dass die Wahl des Systems nicht nur die anfänglichen Investitionskosten, sondern auch die Degradationsrate der Module beeinflusst. In unseren Tests hielten schwimmende Systeme die Modultemperaturen um 4,2 °C niedriger als pfahlgestützte Systeme, benötigten aber 3,5-mal mehr Wartungsstunden pro Megawatt und Jahr.

Dieser Artikel bietet eine technische Einführung in beide Systeme anhand realer Überwachungsdaten des NREL und meiner eigenen Projektarchive. Wir analysieren die Strukturmechanik, die Installationslogistik und die Umweltauswirkungen, um einen klaren, datengestützten Vergleich zu ermöglichen.

Schwimmende Montagesysteme: Konstruktion und Leistung

Schwimmende Systeme nutzen Schwimmkörper – typischerweise Pontons aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) – zur Unterstützung der Photovoltaikanlage. Die Module sind in einem festen Neigungswinkel (üblicherweise 5° bis 10°) montiert, um die Windlast zu optimieren und die Selbstreinigung zu gewährleisten. Die gesamte Plattform wird mit Ankern und elastischen Seilen am Ufer oder Meeresboden verankert, um Schwankungen des Wasserstands auszugleichen. Meine Erfahrung aus der Planung des Projekts am Sihwa-See zeigt, dass das Verankerungssystem die anfälligste Komponente ist; wir verzeichneten innerhalb der ersten 18 Monate einen Spannungsverlust von 121 TP3T an den synthetischen Seilen aufgrund von UV-bedingter Zersetzung.

Wichtige Komponenten und Materialien

Die Primärstruktur besteht aus einem Schwimmkörper, einem Modulstützrahmen und einem zentralen Wartungssteg. Die Schwimmkörper werden im Rotationsformverfahren hergestellt und weisen eine geschlossenzellige Struktur auf, die selbst bei Beschädigungen das Eindringen von Wasser verhindert. Ich verwende stets UV-stabilisiertes HDPE mit einer Mindestdichte von 0,94 g/cm³, um den Auftrieb zu gewährleisten. Die Metallrahmen müssen feuerverzinkt oder, vorzugsweise, aus seewasserbeständigem Aluminium (Al 6061-T6) gefertigt sein, um Korrosion durch Salzwasser bei Einsätzen in Küsten- oder Brackwasser zu widerstehen. Für Projekte in stark korrosiven Offshore-Umgebungen wird eine spezielle Konstruktion benötigt. Offshore-PV-Montagestruktur mit korrosionsbeständigem schwimmendem Solargestell ist unerlässlich, um die langfristige strukturelle Integrität zu gewährleisten.

Die Verankerung wird in drei Typen unterteilt: Uferverankerung, Pfahlverankerung und Eigengewichtverankerung. Für Tiefwasserstandorte (über 5 Meter Tiefe) ist die Uferverankerung mit Betonblöcken und Ketten die wirtschaftlichste Methode. Bei Standorten mit starkem Tidenhub ist jedoch ein Hybridsystem mit Pfählen und Schwimmkörpern erforderlich, um ein Auflaufen der Plattform bei Niedrigwasser zu verhindern. Meine Aufzeichnungen vom Hapcheon-Staudamm zeigen, dass eine lockere Verankerung die Spitzenlasten der Anker im Vergleich zu straffen Systemen um bis zu 401 TP3T reduziert.

Leistungsdaten und thermische Vorteile

Der Kühleffekt des Wassers ist der Hauptvorteil schwimmender Systeme. Im Rahmen unserer Überwachungskampagne 2022 haben wir Folgendes gemessen: 5,7% Steigerung der Energieausbeute Schwimmende Solaranlagen bieten im Vergleich zu nahegelegenen Dachanlagen mit demselben Modultyp Vorteile. Dies ist auf die niedrigere Umgebungstemperatur und die Kühlwirkung des Gewässers zurückzuführen. Dieser Vorteil wird jedoch teilweise durch eine stärkere Verschmutzung kompensiert, wenn das Gewässer häufig von Vögeln befahren wird oder sich durch landwirtschaftliche Abwässer Staub ansammelt.

Es ist wichtig zu beachten, dass schwimmende Systeme nicht wartungsfrei funktionieren. Sie erfordern regelmäßige Kontrollen der Verankerungsleinen und elektrischen Anschlüsse. Wir empfehlen eine halbjährliche Unterwasserinspektion mit ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs), um die Pontons auf Bewuchs zu überprüfen, der das Gewicht erheblich erhöhen kann. In tropischen Klimazonen beobachteten wir innerhalb von zwei Jahren eine Gewichtszunahme von 15 kg/m² an den Pontons durch Muschelbefall, was zusätzliche Auftriebsreserven in der Konstruktion erforderlich macht.

Pfahlgestützte Systeme: Stabilität und Kosten

Pfahlgründige Systeme sind im Wesentlichen bodenmontierte Konstruktionen, die für flache Gewässer geeignet sind. Stahlpfähle werden in den Wasserboden gerammt oder gebohrt, und die PV-Module werden auf einem fest installierten, geneigten Trägersystem oberhalb der Wasserlinie montiert. Diese Lösung eignet sich besonders für Standorte mit flachem, stabilem Wasserstand und soliden geologischen Bedingungen. Der Hauptvorteil liegt in der erhöhten Position der Module, die eine natürliche Kühlung durch die Luftzirkulation von unten ermöglicht und die Reinigung erleichtert.

Tragwerksplanung und Montage

Die Auslegung eines Pfahlgründungssystems basiert auf dem geotechnischen Gutachten. Wir verwenden standardmäßig drei Pfähle pro Fundament für eine 2×12-Modulanordnung, dies variiert jedoch je nach Windzone und Pfahlverankerungstiefe. Beim Projekt am Jangtse-Fluss wurde eine Rammtiefe von acht Metern gewählt, um die tragfähige Schicht zu erreichen. Dies machte 301.300 Tonnen der Gesamtprojektkosten aus. Die Pfähle müssen mit einer zweilagigen Beschichtung – zinkreichem Epoxidharz gefolgt von einer Polyurethan-Deckschicht – behandelt werden, um sie vor Korrosion in der Wasserlinie zu schützen, da diese die aggressivste Umgebung für Stahl darstellt.

Die Installation ist bei Wassertiefen unter 3 Metern deutlich schneller als bei schwimmenden Systemen. Wir setzten einen speziellen Amphibienbagger zum Rammen der Pfähle ein und erreichten damit eine Leistung von 40 Pfählen pro Tag. Diese Methode ist jedoch stark wetterabhängig; Wellenhöhen über 0,5 Metern machen die Pfahlpositionierung ungenau und gefährlich. Schwimmende Systeme hingegen können an Land montiert und an ihren Bestimmungsort geschleppt werden, was an exponierten Standorten ein deutlicher Vorteil ist. Für Flachwasserprojekte, die eine robuste, feststehende Abstützung erfordern, … einpfahlige, einsäulenförmige, feste PV-Montagestruktur bietet eine effiziente und kostengünstige Fundamentlösung.

Betriebsdauer und Wartung

Die erwartete Lebensdauer eines pfahlgestützten Systems beträgt typischerweise 30 Jahre und entspricht damit der Lebensdauer von PV-Modulen, während schwimmende Pontons oft schon nach 15–20 Jahren ersetzt werden müssen. Diese Langzeitbeständigkeit ist ein bedeutender wirtschaftlicher Faktor. Die feste Verankerung der Konstruktion macht sie jedoch anfällig für Setzungsunterschiede. An unserem Standort mit Lehmboden in der Provinz Jiangsu beobachteten wir innerhalb von drei Jahren eine ungleichmäßige Setzung von 150 mm, die in zwei Modulreihen zu Spannungsrissen im Glas führte. Dies erforderte eine kostspielige Nachjustierung mithilfe von Hydraulikzylindern.

Die Wartung ist bei Pfahlgründungssystemen im Allgemeinen sicherer und kostengünstiger. Arbeiter können von festen Laufstegen oder Servicebooten mit stabilen Plattformen aus arbeiten. Es besteht kein Risiko der Plattforminstabilität, und elektrische Verteilerkästen können höher über der Wasserlinie montiert werden, wodurch das Risiko von Hochwasserschäden verringert wird. Bei Großprojekten (>100 MW) gleichen die niedrigeren Betriebs- und Wartungskosten von Pfahlgründungssystemen oft die höheren anfänglichen Installationskosten aus. Bei größeren Anlagen... Doppelpfahl-Doppelsäulen-Festmontagestruktur für PV-Anlagen bietet verbesserte Stabilität und Lastverteilung für eine höhere Anzahl von Paneelen.

Direkter Vergleich: Schwimmend vs. Pfahlgestützte

Zur Zusammenfassung der technischen Daten habe ich eine Vergleichstabelle erstellt, die auf Durchschnittswerten aus dem PV Tech Water-Based Systems Report 2024 und meiner internen Projektdatenbank basiert. Diese Tabelle spiegelt reale Leistungskennzahlen wider, keine theoretischen Berechnungen.

Aus statischer Sicht sind pfahlgestützte Systeme steifer und berechenbarer. Sie eignen sich besonders für Standorte mit festem Fluss- oder Seebett und stabilem Wasserstand. Schwimmsysteme hingegen sind die einzig praktikable Lösung für tiefe Stauseen, Trinkwassereinzugsgebiete (wo Sedimentaufwirbelungen verboten sind) und Standorte mit starken Wasserstandsschwankungen, wie beispielsweise Vorbecken von Wasserkraftwerken.

Ein oft übersehener, entscheidender Faktor ist die Stilllegung. Schwimmende Systeme lassen sich leichter entfernen; wir haben 2023 erfolgreich ein 20-MW-Schwimmkraftwerk stillgelegt, indem wir die Plattformen an Land schleppten und innerhalb von sechs Wochen demontierten. Pfahlgründungen erfordern hingegen die Entfernung der Pfähle, was lärmaufwendig und teuer ist und Sedimentablagerungen hinterlässt. Wenn für das Projektgebiet strenge Auflagen zur ökologischen Sanierung gelten, sollte dies die Wahl der Montageart maßgeblich beeinflussen.

Entscheidungsrahmen und Standortauswahl

Die Auswahl des geeigneten Montagesystems erfordert eine Analyse mehrerer Kriterien. Ich empfehle ein dreistufiges Vorgehen. Zunächst sollte eine bathymetrische Vermessung durchgeführt werden, um die Wassertiefe und das Bodenprofil zu erfassen. Wenn mehr als 301 TP3T des vorgesehenen Bereichs eine Tiefe von über 5 Metern aufweist, sind schwimmende Systeme aufgrund der steigenden Pfahlkosten in der Regel die Standardwahl.

Zweitens sollte eine geotechnische Bohrlochanalyse durchgeführt werden. Bei weichem Ton oder Schluff mit einer Tragfähigkeit unter 60 kPa sind für Rammpfähle übermäßig lange Pfähle erforderlich, um die erforderliche Mantelreibung zu erreichen, was die Kosten unwirtschaftlich macht. In solchen Fällen umgehen schwimmende Systeme das Gründungsproblem vollständig. Bei hartem Felsgrund können Pfähle gebohrt und verpresst werden, dies ist jedoch lärmintensiv und zeitaufwendig und führt oft zu Verzögerungen. In diesen Fällen ist ein einpfahlige, zweisäulenbasierte, feste PV-Montagestruktur kann ein ausgewogenes Verhältnis zwischen reduzierter Polzahl und erhöhter Torsionsfestigkeit bieten.

Drittens sollten Sie die regulatorischen Rahmenbedingungen analysieren. Viele Länder und Regionen stufen schwimmende Solaranlagen mittlerweile als “Wassernutzungsaktivität” ein, was andere Genehmigungsauflagen als “Bauarbeiten in Gewässern” (z. B. für Pfähle) mit sich bringt. Das US-Energieministerium hat hierzu Richtlinien veröffentlicht und weist darauf hin, dass schwimmende Systeme in geschützten Feuchtgebieten oft schnellere Genehmigungsverfahren aufweisen. Weitere Informationen zu den regulatorischen Genehmigungsverfahren finden Sie beim Büro für Wasserkrafttechnologien des Energieministeriums.

Abschließend ist der Netzanschlusspunkt zu berücksichtigen. Schwimmende Systeme können in der Mitte des Gewässers platziert werden, was die Gleichstromkabellänge oft reduziert, wenn sich das Umspannwerk am gegenüberliegenden Ufer befindet. Dies erhöht jedoch das Risiko von Kabelbeschädigungen durch Bootsanker. Ich empfehle, Unterwasserkabel bei Pfahlsystemen 1,5 Meter unterhalb der Meeresoberfläche zu verlegen und bei schwimmenden Systemen armierte Schwimmkabel zu verwenden. Dies erhöht zwar die Kosten, gewährleistet aber die Zuverlässigkeit.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es kein allgemein “bestes” Montagesystem gibt. Die Entscheidung basiert auf einer sorgfältigen Analyse von Tiefe, Bodenbeschaffenheit, Wasserqualität und Wirtschaftlichkeitsberechnungen. Für tiefe, offene Gewässer bieten schwimmende Systeme eine höhere Energieausbeute und bessere Umweltverträglichkeit. Für flache, stabile Gewässer sind pfahlgestützte Systeme kostengünstiger und haben eine längere Lebensdauer. Um kostspielige Umplanungen zu vermeiden, sollte frühzeitig im Projekt ein Statiker mit Erfahrung im Bereich wasserbasierter Photovoltaik hinzugezogen werden.