Bei Solartrackern ist die Entwicklung intelligenter Antriebskonzepte geboten. Der Kostendruck begünstigt bislang problematische Komponenten.

Hersteller preiswerter Schwenk- und Linearantriebe erkennen in der Photovoltaik einen nachhaltigen Absatzmarkt ihrer Produkte. Gerne will man seine Produkte überall dort eingesetzt sehen, wo Sonnenkollektoren elektromotorisch dem Stand der Sonne nachgeführt werden sollen. Gerade in der Photovoltaik fällt der Verkauf vergleichsweise leicht. Erstens liegen die betriebswirtschaftlichen Vorteile einer Nachführung auf der Hand: Eine im Tagesverlauf verbesserte Energieausbeute und kalkulierbare Mehrerträge. Zweitens erfolgt der Einkauf der Solartracker und der in ihnen verbauten Schwenk- und Linearantriebe oft durch Antriebstechnik-Laien aus dem Finanzbereich oder der Elektrotechnik. Das erspart dem Hersteller pingelige Nachfragen und peinliche Diskussionen. Es entscheidet allein der Kaufpreis – zweifelsohne eine Stärke klassischer Schwenk- und Linearantriebe. Eine fatale Situation. Erstens werden die absehbaren Folgekosten der Verwendung im Prinzip ungeeigneter Antriebskomponenten bemäntelt, weil es den langfristigen Absatz von Ersatzteilen sicherstellt. Zweitens bleiben die damit verbundenen Kosten intransparent, weil die Frage des Ersatzteilbeschaffungs- und Montageaufwands nicht ausreichend erörtert wird. Man flüchtet sich in den Glauben an Garantiezusagen sowie namhafte Prüfsiegel und hofft, am Ende zahle “die Versicherung”. Drittens wird auf diese Weise seit Jahren die an sich gute Idee der Nachführung in Verruf gebracht, weil es an kreativer Ingenieurleistung fehlt, endlich preiswerte Alternativen zu schaffen, die der Sache gerecht werden. Das Folgende sei daher Einkäufern und Versicherern als Leitfaden an die Hand gegeben.

Der klassische Solartracker

Der klassische Solartracker besteht aus einem Sonnensegel auf einer einzelnen Säule, das im Tagesverlauf um die vertikale Achse der Säule schwenkt, während seine Neigung zur auf- und untergehenden Sonne korrigiert wird. Ersteres wird als Azimut, letzteres als Elevation bezeichnet. Der Azimutantrieb besteht zumeist aus einer Kombination aus Lager und Antrieb. Weit verbreitet sind dabei Vierpunktlager mit integrierten, tangential wirkenden Schneckengetrieben, auf die weitere Getriebestufen gleicher oder anderer Getriebebauarten aufgesetzt sind, um die erforderliche Untersetzung zu erreichen. Der Elevationsantrieb erfolgt in der Regel mit Spindel-Hub-Getrieben, die nicht selten ebenfalls über Schneckengetriebe angetrieben werden. Ein diesbezügliches Indiz ist, wenn der Motor im rechten Winkel zur Hubspindel angeordnet ist. Der Vorteil dieser Bauart ist, dass die Unterkonstruktion sehr materialarm herstellbar ist, wenn auf eine standortadäquate Belastbarkeit durch Wind oder Schnee verzichtet wird, weil ein Windwächter das System bei Erreichen des zumeist recht geringen Grenzwertes in die Ruheposition fährt. Billig ist ein solches System insbesondere auch dann, wenn preiswerte Schwenk- und Linearantriebe von der Stange verbaut werden. Gerade Schneckengetriebe und Spindel-Hub-Getriebe können sehr einfach und preiswert sein. Hier aber liegt die Sollbruchstelle.

Hände weg von Schneckentrieben!

In Schneckengetrieben, in denen ein Schneckenrad aus einem weichen Material wie Bronze auf ein verzahntes Rad aus einem härteren Material wie Stahl trifft, gibt es prinzipiell Gleitreibung und Flankenspiel. Hinzu kommt, dass Schneckengetriebe im Anfahrmoment in der Regel unter Mangelschmierung leiden. Diese Kombination ist durch den bei Solartrackern üblichen Intervallbetrieb verheerend für die Lebensdauer der Getriebe. Hinzu kommt, dass das Flankenspiel der Getriebe Pendelbewegungen des Gesamtsystems zulässt, die bei Wind zu Schwingungen und schwingungsinduzierten Schäden in Antrieb und Lagerung führen können. Verschärft wird das noch dadurch, dass die Selbsthemmung des Schneckengetriebes auch noch als Bremse genutzt wird. Wer also in Solartrackern Schneckengetriebe gleich welcher Art akzeptiert, muss angesichts der üblicherweise für 20 Jahre aufgestellten Projektkalkulation mit dem Austausch der Getriebe rechnen. Ein sicheres Geschäft für die Hersteller solcher Getriebe.

Die Tücken der Linearantriebe

Doch selbst wenn man auf Schneckengetriebe verzichtet, sind damit die Probleme dieser Solartrackerbauart noch nicht vom Tisch. Ein weiteres Problem stellen die Linearantriebe dar, wobei meist Spindel-Hub-Getriebe zum Einsatz kommen. Fatal ist hier der Einsatz von Trapezgewindespindeln, auf denen Bronzemuttern laufen. Hier stellen sich ganz ähnliche Gleitreibungs- und Schmierungsprobleme wie bei Schneckengetrieben. Doch auch ein Ausweichen auf Rollen- oder Kugelgewindespindeltriebe ist aufgrund der problematischen Schmierung und den üblichen Umweltbedingungen im Außeneinsatz keine Lösung. Kommt es infolge des von außen in der Regel nicht erkennbaren Verschleiß der Spindel zum Bruch, besteht für umstehende Personen Lebensgefahr durch plötzliches Abklappen des Sonnensegels. Solch ein Bruch ist die Folge des Verschleiß infolge der durch Funktion und Einbaulage erwartbaren Mangelschmierung und wird durch hohe Windkräfte begünstigt. Aufgrund von Funktion, Einbaulage und Dimensionierung ist bei Solartrackern im schlimmsten Fall mit einem Tausch des Spindel-Hub-Getriebes ca. alle vier bis sechs Jahre zu rechnen.

Mögliche Lagerschäden im Schwenkantrieb

Auch im Schwenkantrieb sind Schneckentriebe nicht das einzige Problem. Besondere Aufmerksamkeit gilt hier auch der Lagerung. Wird die Drehbewegung der vertikalen Achse mittels eines Schwenkantriebs bestehend aus Vierpunktlager und integrierten Getriebe realisiert, ist ohne ausreichende Qualitätssicherung bei der Montage mit Lagerschäden durch verkanten zu rechnen. Ferner ist die Frage erlaubt, ob die Wälzlager im Schwenkantrieb den funktionsbedingten Lastwechseln gerecht werden. Es mag sein, dass die ursprüngliche Auslegung für den waagerecht gelagerten Einbau ausreicht. Gerade bei Monopfahlsystemen, die auf Betonfundamenten oder Verdrängungspfählen ruhen, kann es aber durch Setzung des Fundaments im Boden zum Schiefstand des gesamten Systems und einer dadurch veränderten Einbaulage kommen. In diesem Fall wird das Schwenklager nicht mehr konstruktionsgerecht belastet. Es fährt dann „bergauf“. Auch dann ist die Notwendigkeit des Austauschs absehbar.

Motorisierung und Reaktionszeit

Der Ehrgeiz, Solartracker aus einem Hauch von Nichts herzustellen, um den Materialeinsatz so gering wie möglich zu halten, geht zu Lasten der Belastbarkeit insbesondere durch Wind, bei dem es zur dynamischen Belastung kommt. Im Prinzip ist dies nicht problematisch, solange ein Solartracker sich bei Wind schnell genug in die Windschutzstellung retten kann – d.h., sein Segel in die Horizontale bewegt und so dem Wind die geringst mögliche Angriffsfläche bietet. Es ist jedoch fraglich, ob ein von Windwächtern angesteuertes System mit den verbauten Antrieben schnell genug ist, beispielsweise auf eine Windhose oder auf die Böenwalze während eines Gewitters beziehungsweise dem Vordringen einer Kaltfront zu reagieren. Denn die gezeigten Antriebe benötigen in der Regel mehrere Minuten, um ein System in die Horizontale zu verfahren. Damit stellt sich die Herausforderung, bei Bedarf schneller fahrende Antriebe zu bauen oder aber eine in der Unterkonstruktion angelegte, kurzzeitige Maximalbelastbarkeit sicherzustellen. Langsame Antriebe und materialarme Unterkonstruktionen in Zeiten des Klimawandels 20 Jahre lang auf eine Wiese zu stellen, erscheint ansonsten als ein Spiel mit echtem Risiko.

Abgesehen davon begründet auch die Motorisierung einen potentiellen Ersatzteilbedarf, der von den Getrieben unabhängig ist. Gerade wenn Gleichstrommotoren zum Einsatz kommen, die als Massenware in der Herstellung außerordentlich preiswert sind. Solche Motoren halten selten länger als 5000 Betriebsstunden. Je nach Betriebsart kann ein Solartracker in 20 Jahren aber bis zu 36.000 Betriebsstunden erforderlich machen. Ein bedenkliches Zahlenverhältnis. Eine zu geringe, weil preiswerte Schutzart tut dann das übrige.

Ersatzteilbeschaffung und Montagekosten

Aus unserer Sicht laufen Einkäufer schon seit Jahren Gefahr, sich aufgrund der Renditeziele der Investoren und des daraus resultierenden Kostendrucks zur Auswahl problematischer Antriebskomponenten bei Nachführsystemen verführen zu lassen. Der Einsatz solcher Antriebskomponenten ist betriebswirtschaflich natürlich legitim, solange dies im Kontext einer Betrachtung der Total Cost of Ownership (TCO) geschieht. Neben dem Beschaffungspreis sind in jedem Fall Tauschzeiten und -Häufigkeiten sowie Ersatzteil- und Montagekosten zu ermitteln. Hier aber dürfte es an Transparenz und Zuarbeit seitens der Hersteller fehlen. Denn soweit wir es bislang beobachten können, existieren am Markt zwar jede Menge blumige Verkaufsprospekte und namhafte Qualitätssiegel, jedoch keine Handreichungen zur Ermittlung von Wartungs- und Reparaturkosten im Rahmen von TCO-Rechnungen. Es stellt sich dabei nicht nur die Frage, was die verbauten Antriebskomponenten kosten, sondern auch, ob sie in dieser Form in den nächsten 20 Jahren beschaffbar sein werden und wie die Montagesituation der jeweiligen Komponente konstruktiv beschaffen ist, um einen zeitkostengünstigen Austausch vor Ort zu ermöglichen. Mögen Linearantriebe noch eine recht einfache Montagesituation vermitteln, ist bei Schwenkantrieben im Falle des Tauschs aufgrund ihrer Einbaulage eine Demontage des gesamten Segels unvermeidlich.

Fazit

Auch im Bereich der erneuerbaren Energien kommt es zu Zielkonflikten zwischen den Entwicklungsabteilungen sowie den sich jeweils gegenüber stehenden Ver- und Einkäufern. Die von uns in diesem Artikel aufgezeigten Probleme haben wir uns nicht ausgedacht. Sie werden durch unsere aktuellen und zurückliegenden Erfahrungen bestätigt. Aus technischer Sicht sind die beschriebenen Probleme beherrschbar, indem alternative Antriebskonzepte zum Zuge kommen. Die erwartbare Lebensdauer von Solartrackern ist technisch ohne weiteres für 20 Jahre gewährleistbar. Doch setzt dies beim Einkauf erstens das Wissen voraus, den Verkäufern der beschriebenen Antriebskomponenten kritische Fragen stellen zu können. Zweitens die Bereitschaft, Risiken und absehbare Lebensdauerkosten in ihre Entscheidungen einfließen zu lassen. Und drittens Unternehmergeist und Neugierde, bessere Systeme entwickeln zu wollen.

Die Zukunftsfähigkeit der klassischen Solartrackerbauart bleibt dabei aufgrund ihrer Einfachheit unbestritten. Qualitätsorientierte Alternativen wie der von uns entwickelte Solartracker Sundustry Tripod T9 sind zwar bereits am Markt, spielen ihr Potential jedoch nur im Kontext von TCO-Betrachtungen aus. Folgerichtig ist die Weiterentwicklung der in der klassischen Bauart zum Einsatz kommenden Antriebstechnik die dem Markt gerecht werdende Strategie, die wir als Antriebsspezialisten gerne verfolgen wollen. Der Fokus liegt dabei nicht nur auf der Produktion neuer Systeme, sondern auch auf der Ertüchtigung der bereits installierten Einheiten. Seit Jahren erreichen uns Anfragen, Ersatz für Motoren und Getriebe zu beschaffen, deren ursprüngliche Hersteller und Lieferanten längst in der Schnelllebigkeit des Weltmarktes verschollen sind. Interessant bei alledem bleibt zu beobachten, wer für die Kosten aufkommen wird, die derzeit und in Zukunft durch mangelnde Ingenieurleistungen auf Investoren und Versicherer zukommen. Wir würden uns freuen, wenn diese Kosten als Indiz dafür genommen würden, vermehrt in die Entwicklung zu investieren, statt dem Irrtum zu erliegen, auf die Chancen der Nachführung verzichten zu müssen.

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