Hagelschäden an Photo­voltaik­anlagen

Mit dem Klimawandel nehmen die Häufigkeit und Intensität extremer Wetter­ereignisse zu, darunter auch Hagelstürme mit grossem Schadens­potenzial. Gleich­zeitig gewinnt die Photovoltaik im Energiemix an Bedeutung.

Hier werden die Auswir­kungen auf PV-Anlagen eines äusserst schweren Hagel­ereignisses vorgestellt, das im Sommer 2021 in der Schweiz stattfand. Grundlage der Analyse sind Daten von über 500 Anlagen, die mit dem mobilen PV-Labor des Instituts für Solartechnik der Ost­schweizer Fach­hoch­schule OST untersucht wurden. Ziel ist es, typische Schadensbilder zu identifizieren, Einflussfaktoren zu bestimmen und daraus Empfehlungen für das Vorgehen nach einem Hagel­ereignis, die zukünftige Auslegung sowie die Konstruk­tion robuster PV-Systeme abzuleiten.

Hagelschäden an PV-Anlagen

Die Wider­stands­fähig­keit von PV-Systemen gegen Hagel ist zentral, denn Hagelschäden können an PV-Modulen in Form von Glasbrüchen oder Mikrorissen in den Solarzellen auftreten. Während Glasbrüche leicht zu erkennen sind, bleiben Zellrisse oft unentdeckt und können die Leistung über längere Zeiträume reduzieren und im schlimmsten Fall sogar zu sicher­heits­relevanten Schäden führen. Eine systema­tische und mess­technisch gestützte Schadens­analyse ist daher nötig, um konstruktive Schwach­stellen zu identifizieren und techno­logische Verbesse­rungen anzustossen.

Hagelanforderungen und Normensituation

Die Auslegung von PV-Systemen bezüglich ihrer Wider­stands­fähig­keit gegenüber Hagel basiert in der Schweiz auf der Norm SIA 261-1. Diese wird zurzeit überarbeitet, um neue meteoro­logische Erkenntnisse zu berücksichtigen. Auswertungen der Hagel­ereignisse der letzten 20 Jahre von MeteoSchweiz zeigen, dass bei Wieder­kehr­perioden von 20 und 50 Jahren mit wesentlich grösseren Hagelkörnern gerechnet werden muss (Bild 1).

Die Gebäude­versiche­rungen werden mit der Publikation der neuen SIA 261 fast überall den Nachweis einer Hagel­resistenz von mindestens Hagel­wider­standsklasse 4 fordern (HW4 entspricht einer Korngrösse von 4 cm). Dieser Nachweis wird mit einem Eintrag im Hagelregister erbracht [1].

Bislang ist die Anzahl entsprechend zertifizierter Module beschränkt. In den vergangenen Jahren haben besonders kleinere Hersteller reagiert und bieten bereits Produkte mit HW4- oder HW5-Zertifi­zierung an. Doch auch die grossen Anbieter beschäftigen sich nun mit dem Thema, da Hagelschäden nicht nur in der Schweiz zunehmen.

Die Entwicklung hin zu immer dünneren Gläsern (2+2 mm Doppelglas) ist in Bezug auf den Hagel­wider­stand ungünstig. Gute Ergebnisse bei HW4-Prüfungen sind jedoch für Module mit verstärktem Frontglas (3,2 mm) und Rück­seiten­folie oder für einen Glas-Glas-Aufbau mit mindestens 2,5 mm Frontglas möglich.

Das Hagel­ereignis von 2021

Um das Hagel­ereignis des Jahres 2021 einzuordnen, wurde es im Kontext des gesamten Bestands an PV-Anlagen in der Schweiz bewertet. Dazu wurden die bis Ende 2021 installierten Anlagen in einem Geo­infor­mations­system erfasst und mit den von MeteoSchweiz gemessenen Hagelwerten charakterisiert. Zudem wurden die gemessenen Anlagen kartiert. Bild 2 zeigt die Region um den Sempachersee (LU) und die maximal zu erwartende Hagel­korn­grösse. Die gelben Punkte repräsentieren alle bis Ende 2021 vorhandenen PV-Anlagen; die grünen Punkte stellen die gemessenen Anlagen dar. Das Bild gibt eine Vorstellung davon, wie viele Anlagen in diesem kleinen Ausschnitt der Schweiz vom Hagel betroffen waren. Für die Auswertung der betroffenen Anlagen in der gesamten Schweiz wurden die Hagel­ereignisse vom 18., 21. und 28. Juni sowie vom 24. Juli 2021 berücksichtigt.

Bis Ende 2021 waren etwas mehr als 136’000 PV-Anlagen errichtet. Etwa 43’000 Anlagen waren in einem Gebiet, das an mindestens einem der vier Tage im Jahr 2021 von Hagelkörnern mit einem Durchmesser von über 3 cm betroffen war, und etwas mehr als 17’000 Anlagen sogar in einem Gebiet mit Korngrössen über 5 cm, also fast 15% aller bis dahin installierten Anlagen. Die Leistung dieser Anlagen entspricht mit 414 MW fast dem gesamten Zubau des Jahres 2020 [2].

Bis Juni 2023 wurden insgesamt 511 PV-Anlagen mit dem mobilen PV-Labor vermessen, die von Hagel betroffen waren. Davon konnten 344 Anlagen mit Daten von MeteoSchweiz und dem Bundesamt für Energie komplett charakterisiert werden.

Mittels Elektro­lumines­zenz­bild (EL) können bei den Untersuchungen mit dem mobilen PV-Labor unsichtbare Schäden sichtbar gemacht werden. Meist entstehen bei PV-Modulen bei Beschädigung der Zellen zuerst Mikrorisse. Diese trennen betroffene Zellbereiche zunächst nicht ab, was sich aber mit der Zeit und der Alterung der Mikrorisse ändern und zu einem Leistungs­verlust führen kann. Deshalb ist eine Leistungs­messung oder eine günstige Infrarot-Drohnen­thermo­grafie für die Schadens­aufnahme nach einem Hagel­ereignis nur bedingt geeignet.

Die mit dem PV-Labor getesteten Module können anhand der EL-Bilder in verschiedene Kategorien eingeteilt werden (Bild 3). Zunächst werden die einzelnen Zellen der Module entsprechend der potenziell durch die Risse abgetrennten Zellfläche in eine von vier Kategorien eingestuft. Zellen mit maximal 1% potenziell abgetrennter Zellfläche werden grün markiert. Zellen mit einer zukünftig potenziell inaktiven Fläche von 1 bis 10% werden gelb markiert und Zellen mit sehr kritischen Rissen und einer potenziell abgetrennten Zellfläche von mehr als 10% rot markiert. Danach werden die Module basierend auf der Anzahl defekter Zellen in den Kategorien Grün, Gelb und Rot in die Modulklassen A bis D eingeteilt. Dies erfolgt gemäss den Kriterien in Tabelle 1 [4].

Die Daten von angebauten und integrierten PV-Anlagen auf Schrägdächern wurden ausgewertet, da sie 78% der vermes­senen Anlagen ausmachen. Berücksichtigt wurden Daten über alle Baujahre mit eindeutig definierten Kategorien der Neigung und Ausrichtung. Ost-West ausgerichtete Anlagen konnten nicht berück­sichtigt werden, da beide Ausrich­tungen oft zusammen gemessen wurden. Die vermes­senen Anlagen sind meist nach Süden ausgerichtet, mit einer Neigung zwischen 10° und 20°.

Einflussgrössen auf das Schadensbild

Die Datenanalyse zeigt, dass ab einer Hagel­korn­grösse von 4 cm eine signifikante Zunahme der Zellschäden eintritt. Besonders kritisch wird der Einfluss ab einer Grösse von 5 cm. Auffällig ist, dass Zellrisse oft auch in PV-Anlagen ohne sichtbaren Glasbruch vorkommen. Dies unterstreicht die Notwen­digkeit mess­technischer Methoden wie EL für eine vollständige Schadens­aufnahme. Allgemein zeigt sich aber auch, dass die Schäden eine hohe Streuung aufweisen.

Begleitende Langzeit­messungen zeigen, dass Module mit Hagelschäden in der Klasse D kontinuierlich an Leistung verlieren können. Eine exemplarische Anlage mit Jinko-Modulen vom Typ JKM260PP-60 verzeichnete zwischen 2022 und 2024 eine Leistungs%reduktion von durch­schnittlich 4,8% auf den gemessenen Modulen. Dies verdeutlicht die Relevanz frühzeitiger Diagnostik und kontinuier­licher Ertrags­über­wachung nach Extrem­ereignissen.

Handlungsempfehlungen und Ausblick

Die Auswertung des Hagel­ereignisses von 2021 liefert wertvolle Hinweise für eine resiliente Weiterentwicklung der PV-Technologie. Momentan empfiehlt es sich, nach dem Swissolar-Merkblatt Nr. 17 «Umgang mit Hagelschäden an Solaranlagen» [4] vorzugehen. Wenn nach einem starken Hagel (> 40 mm) ein Glasbruch erfolgt ist, muss das beschädigte Modul ersetzt und der Rest der Anlage auf Hagelschäden untersucht werden. Auch ohne Glasbruch sollte eine Meldung an die Versicherung erfolgen, damit diese weitere Schritte zur Identi­fizierung von möglichen Schäden unternehmen kann.

Aktuell wird im Auftrag der Präventions­stiftung der Kantonalen Gebäude­versiche­rungen in einem Projekt mit dem Supsi untersucht, unter welchen Bedingungen eine genauere Prüfung der Anlage und eventuell ein Ersatz nötig sein könnte [5].

Bei PV-Anlagen sollte in mehrfacher Hinsicht auf eine robuste Auslegung geachtet werden. Dies betrifft nicht nur die Dimensionierung des Glases, sondern auch die Zellarchitektur, Laminataufbauten und Montagesysteme. Betreibende, Installationsbetriebe und Versicherungen sind daher aufgefordert, Hagel­resistenz systematisch in die Anlagen­konzeption zu integrieren.

Die Revision der SIA 261 sowie der Trend zu zertifi­zierten HW4-Modulen zeigen eine wachsende Sensibi­lisierung für diese Thematik. Langfristig sollte die Hagel­bestän­digkeit als eigenständige Designanforderung neben elektrischen und thermischen Kriterien etabliert werden. Zudem sind weitere empirische Studien nötig, um die Wechsel­wirkungen zwischen Alterung, Mikrorissbildung und Leistungs­verlusten noch besser zu verstehen.

Ein Vergleich nach Installa­tions­jahr zeigt, dass neuere Module (Baujahr ab 2018) tendenziell weniger kritische Zellrisse der Klasse D aufweisen. Gleichzeitig treten bei diesen Modulen öfter Glasbrüche auf. Diese Beobachtung könnte auf Fortschritte in der Zellverschaltung und -herstellung hinweisen, bei gleichzeitiger Stagnation im Bereich der Glasmechanik. Besonders bei monokristallinen Modulen ist dieser Trend ausgeprägt.

Deutliche Glasbrüche wurden überwiegend ab einer Korngrösse von 5 cm registriert. Bei noch grösseren Körnern (über 6 cm) nahmen sowohl die Häufigkeit als auch die Intensität der Glasbrüche signifikant zu. Bei kleineren Hagelkörnern (unter 5 cm) spielten die Ausrichtung und Neigung der Module eine wichtigere Rolle: Betroffen waren vor allem Anlagen mit geringen Neigungen sowie Anlagen, die der Sturmfront ausgesetzt waren.

Referenzen

[1] www.hagelregister.ch

[2] www.swissolar.ch/de/angebot/news-und-medien/fakten-und-zahlen/infografiken

[3] MBJ PV-Module Judgement Criteria, rev. 5.0, 2022

[4] Swissolar Merkblatt Nr. 17: Umgang mit Hagelschäden an Solaranlagen, Juni 2022.

[5] www.ost.ch/spf/achilles

Links

• www.pv-lab.ch
• www.spf.ch