Energy5: Auswahl der Zinkbeschichtung auf der Grundlage von Untersuchungen zur Beurteilung der Aggressivität von Böden

Viele Hersteller von Photovoltaikanlagen deklarieren die Haltbarkeit ihrer Produkte unter  Bodenbedingungen, jedoch sind diese Erklärungen weder durch solide Untersuchungen noch Analysen nachgewiesen. In der Praxis kann das zu den ernsthaften Problemen mit Korrosion und Zerstörung der Konstruktion führen, was nicht nur die Energieeffizienz der Anlagen, aber auch die Konstruktionshaltbarkeit gefährden kann.

Das Unternehmen Energy5 stellt sich diesen Herausforderungen und nimmt in sein Angebot Prüfung der Bodenaggressivität laut der Norm DIN 50 929-3, die das Verfahren zur Abschätzung der Bodenaggressivität in Punkte-Skala  festlegt. Ein wesentlicher Vorteil des Unternehmens ist in diesem Bereich das Verfügen über die fortgeschrittenen Untersuchungen von Werkstoffen, Beschichtungen und ganzen Konstruktionen.

Energy5 führte die Untersuchungen zur Bestimmung des Verhaltens von Zinkbeschichtungen in verschiedenen korrosiven Umgebungen in den renommierten, akkreditierten Laboren durch. Dank diesen Untersuchungen, einer großen Ergebnisdatenbank und Besprechungen mit renommierten Prüfstellen ist das Unternehmen in der Lage, diese Ergebnisse auf beliebige Bodenbedingungen zu extrapolieren. Dieser einzigartige Ansatz garantiert, dass die Zinkschichtdicke an die bestimmte Bodenbedingungen angepasst wird, was die Haltbarkeit der Konstruktion verlängert und das Korrosionsrisiko auf das Minimum reduziert. Für die Kunden des Unternehmens Energy5 bedeutet das die Sicherheit, dass ihre Photovoltaikanlage eine lange Zeit problemlos funktionieren wird, was einen erheblichen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt darstellt.

Einfluss von Bodenparametern auf Korrosionsbeständigkeit von Stahl

Der Boden bildet eine komplexe Korrosionsumgebung, in der die zerstörerischen Prozesse von Metallen intensiver sind als unter den atmosphärischen Bedingungen, gleichzeitig zeichnen sie sich durch zeitliche Instabilität. Diese Instabilität ist Folge von dynamischen Veränderungen sowohl in der unterirdischen Umgebung als auch unter den atmosphärischen Bedingungen wie Regen oder menschlicher Einfluss. Die meisten Korrosionsprozesse der im Boden befestigten Metallen beruhen auf elektrochemischen Mechanismen, die hauptsächlich von chemischen und physischen Bodeneigenschaften, in denen sie befestigt sind, abhängig sind. Zu den Schlüsselfaktoren, die diese Prozesse beeinflussen, gehören u. a. Bodentextur, Belüftungsgrad, Feuchtigkeit, pH-Wert, lösliche Bestandteile, vor allem Sulfaten und Chloriden, Grundwasserstand und Wasserrückhaltevermögen.

Die Antwort auf diese Fragen ist für einen effektiven Entwurf von Photovoltaikanlagen, die Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit unter Bodenbedingungen sichern sollten, relevant. Im Folgenden beschreiben wir, wie die Bodenparameter die Korrosionsbeständigkeit vom Stahl im Boden beeinflussen:

– Bodentextur, also die Größenverteilung von mineralischen Partikeln bestimmt die Bodenzusammensetzung und seine Struktur. Je nach den Werten, die durch den Prozentanteil vom Sand, Ton und Schluff angenommen werden, wird die Klassifizierung des Bodens für verschiedene Familien laut dem unten dargestellten Diagramm des Bodenartendreiecks bestimmt, Zgn. Nr. 1

Kleinere Partikel wie Tonfraktionen können aufgrund ihrer Fähigkeit, Wasser zu absorbieren und eine Umgebung zu schaffen, die die Metallkorrosion fördert, besonders korrosiv für Stahlpfähle im Boden sein.

– Bodenbelüftung, vor allem in neutralen Böden oder in Alkaliböden, hat einen relevanten Einfluss auf Korrosion, weil sie die Sauerstoffzugänglichkeit beeinflusst, was zur Metalloxidation führen kann. Redoxpotential, das ein Belüftungsgrad des Bodens bestimmt, kann ein Korrosionsrisikoindikator sein, wo ein hoher Sauerstoffgehalt die Korrosionsgeschwindigkeit erhöhen kann;

– Bodenfeuchtigkeit ist ein wichtiger Faktor, der den Korrosionsprozess beeinflusst, denn die Feuchtigkeit ein Elektrolyt bildet, in dem zu den elektrochemischen Reaktionen kommt, die für die Korrosion verantwortlich sind;

– pH-Wert des Bodens kannauch die Korrosivität beeinflussen, saure Böden können das Metallkorrosionsrisiko erhöhen, wobei Alkaliböden Schutzschichten auf den Metalloberflächen bilden können;

 – Chemische Zusammensetzung des Bodens, vor allem Vorhandensein von Chloriden und Sulfaten, kann die Korrosionsprozessen beeinflussen, denn das Vorhandensein dieser Ionen die Metallkorrosionsgefahr erhöhen kann;

– Der spezifische Widerstand des Bodens, d. h. seine Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, ist ein wichtiger Indikator für die Korrosivität; Rückgang des spezifischen Widerstandes kann die Korrosionsgefahr erhöhen;

– Bakterien im Boden können auch die Korrosionsprozesse beschleunigen, vor allem bei anaeroben Mikroorganismen, die zur Reduktion von Schwefelverbindungen führen können und die Korrosionsprozessen hervorrufen.

Methoden zur Bewertung der Bodenkorrosion

Die Typologie der Angaben, die bei Korrosionstests verwendet werden, kann man in zwei Hauptkategorien teilen: elektrochemische und nicht elektrochemische Kategorie.

Bei elektrochemischen Tests gehören zu den wichtigsten gemessenen Variablen: Korrosionspotenzial, Impedanz und elektrochemisches Rauschen. Das Potenzial betrifft die beim geöffneten Kreis im Elektrolyten gemessene Spannung der korrodierenden Elektrode. Strom oder seine Dichte korrelieren in der Regel mit der Korrosionsrate oder Prozesseigenschaften wie Oberflächenredox-Reaktionen, die die Korrosions-eigenschaften verändern können. Der Polaritätswiderstand ist ein weiterer Parameter im Zusammenhang mit der Korrosionsrate, umgekehrt proportional zum Korrosionsstrom. Eine neue Methode zur Messung des Potenzials der polarisierten Elektroden in Zellen für Bodenkorrosion, die auf der Verbesserung der Hicklings Methode basiert, wurde von Denison und Darnielle verwendet.

Nicht elektrochemische Daten konzentrieren sich auf die direkte visuelle Bewertung oder auf die Gewichtsbewertung von korrosiven Defekten in Metallproben, die sich im Boden befinden, sowohl unter Feldbedingungen als auch in simulierten Laborumgebungen.

Wegen der historischen Bedeutung des Widerstands in Bezug auf seine Wirkung bei der Metallkorrosion gibt es mehrere Tabellen, die den Widerstand des Bodens mit dem Korrosionsgrad verbinden. Die am häufigsten verwendeten Methoden zur Beurteilung der Aggressivität wurden von NACE und der American Society for Testing and Materials (ASTM) vorgestellt und sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1. Korrosivitätsbeurteilung laut des Bodenwiderstandes gem. American Society for Testing and Materials (ASTM G187-12a: Standardtestmethode zur Messung des Bodenwiderstands mithilfe der Zwei-Elektroden-Soil-Box-Methode) und National Association of Corrosion Engineers (NACE).

Bodenwiderstand (Ω.cm)	NACE	ASTM
> 10 000	Nicht relevant	Sehr schwach ätzend
5001–10 000	Leicht ätzend	Leicht ätzend
2001–5000	Leicht ätzend	Mäßig ätzend
1001-2000	Mäßig ätzend	Stark ätzend
501-1000	ätzend	Extrem ätzend
0-500	Sehr ätzend	Extrem ätzend

Die Klassifikation der Bodenkorrosion wurde im Zusammenhang mit dem Redoxpotential und dem pH-Wert des Bodens erarbeitet.

In der europäischen Norm EN 12501-2:2003 über Korrosionsschutz metallischer Werkstoffe wurde die Methodik zur Korrosionswahrscheinlichkeit dargestellt. Die Norm bietet eine qualitative Schätzung der Bodenkorrosivität unter Berücksichtigung zweier Variablen: pH-Wert und Widerstand. Diese Methode schlägt einige Richtlinien für die Bestimmung der korrosiven Belastung von Böden vor. Ihre Begrenzung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass diese Methode nur drei verschiedene Korrosionsstufen festlegt: schwer, mittel oder gering, wie in der Tabelle 2 dargestellt ist.

Tabelle 2. Korrosionswahrscheinlichkeit in Böden bei pH-Wert und Widerstand laut EN 12501-2:2003.

pH-Wert	Widerstand (Ω.cm)	Korrosion
<3,5	jeder	schwer
3,5–4,5	<4500 >4500	schwer mittel-schwer
4,5–5,5	<4500 4500–5000 >5000	schwer mittel-schwer mittel
5,5–6,0	<1000 1000–5000 5000–10000  >10 000	schwer mittel-schwer mittel mittel-gering
6,0–9,5	<1000 1000–3000 3000–10 000 10 000–20000 >20 000	schwer mittel-schwer                             mittel mittel-gering gering

Norm DIN 50 929-3 legt Verfahren zur Abschätzung der Korrosionswahrscheinlichkeit von Metallteilen im Böden in Punkte-Skala fest.

Tabelle 3. DIN 50929-3, Corrosion of metals – Corrosion likelihood of metallic materials when subject to corrosion from the outside – Part 3: Buried and underwater pipelines and structural components.

Symbol	Eigenschaft	Einheit	Umfang	Punkte
Z1	Boden-Typ fest   locker	% Fraktion	<10 10-30 30-50 50-80 >80	+4 +2 0 -2 -4 -12
Z2	Spezifischer Widerstand	Ωm	>500 500-200 200-50 20-50 10-20 <10	+4 +2 0 -2 -4 -6
Z3	Feuchtigkeit	%	<20 >20	0 -1
Z4	pH		>9 6-9 4-6 <4	+2 0 -1 -3
Z5	Pufferkapazität alkalisch	Mmol/kg	>1000 200-1000 <200	+3 +1 0
Z6	Pufferkapazität sauer	mmol/kg	<2,5 2,5-5 5-10 10-20 20-30 >30	0 -2 -4 -6 -8 -10
Z7	Sulfatreduzierende Bakterien	Mmol/kg S-2 Gehalt	<5 5-10 >10	0 -3 -6
Z8	Sulfatgehalt	mmol/kg	<2 2-5 5-10 >10	0 -1 -2 -3
Z9	Cl-1 I SO42- -Gehalt im Wasserauszug	Mmol/kg	<3 3-10 10-30 30-100 >100	0 -1 -2 -3 -4
Z10	Vorhandensein von Grundwasser		kein normal   temporär	0 -2 -4
Z11	Horizontale Homogenität			0-   -4
Z12	Vertikale Homogenität			0-  -4
Z13	Homogenität von Schüttung			0-  -6
Z14	anthropogene Einschlüsse z.B. Kalkschutt		keine befinden sich	0 -6
Z15	Äussere Kathode	Potential  Konstruktion/Boden Elektrode Cu/CuSO4, V	<-0,5 -0,5 bis -0,4 -0,4 bis -0,3 > -0,3	0 -3 -8 -10

Ranking der Bodeneigenschaften B₀ ist eine Summe von Z₁ bis Z₁₀.

Ranking der lokalen Bedingungen B₁ ist eine Summe von Z₁₁ bis Z₁₄

Tabelle 4. Bestimmung der Bodenkorrosivität laut der Tabelle.

Berechnung der Bodenkorrosivität in Bezug auf feuerverzinkte Stahl  

Die Berechnungen der Bodenkorrosivität in Bezug auf feuerverzinkten Stahl bilden einen relevanten Aspekt der Haltbarkeitsbeurteilung von Photovoltaikanlagen. Nomenklatur der zur Verfügung stehender Angaben weist darauf hin, dass Korrosionsrate das höchste Niveau in den ersten Jahren nach der Gründung der Konstruktion erreicht, um dann sich auf einem wesentlich niedrigeren Niveau zu stabilisieren. Die wissenschaftliche Forschung schlägt die Verwendung von Exponentialgleichungen vor, um die allgemeine Korrosion nach einer bestimmten Zeit ab der Gründung der Konstruktion vorherzusagen. Es ist erwähnenswert, dass Korrosion im Boden anders als Korrosion unter atmosphärischen Bedingungen betrachtet werden sollte.

Gemäß den Markterwartungen sollte jeder Hersteller von PV-Anlagen in der Lage sein, den Korrosionswertindex für das erste Jahr der Gründung der PV-Anlage zu bestimmen. Dann sollte er auf der Grundlage dieser Daten den Nachweis für die Richtigkeit der Auswahl der Korrosionsbeschichtung für einen bestimmten Zeitraum der Konstruktionsverwendung in der Ausführungsdokumentation erbringen. Ein solches Dokument ist derzeit für die Bauüberwachung äußerst wichtig und bietet Gewissheit über die Haltbarkeit der entworfenen Konstruktion.

Das Unternehmen Energy5 verwendet die hochwertigsten Materialien für die Herstellung von Stahlkonstruktionen, aber es beschränkt sich nicht auf die Garantien des Stahlherstellers in Bezug auf die Gebrauchseigenschaften von Rohstoffen. Die fortschrittliche Zusammenarbeit des Unternehmens mit renommierten Forschungseinrichtungen und die Prüfung von Zinkbeschichtungen in verschiedenen korrosiven Umgebungen ermöglichen eine richtige Auswahl von Photovoltaik-Anlagen unter Berücksichtigung der korrosiven Kategorien der Umwelt und Bödenverhältnisse. Dieser Ansatz gibt Bauherren und Herstellern von Photovoltaik-Anlagen die Gewissheit, dass die Garantien des Herstellers auf Tests ganzer Produktsätzen basieren und zuverlässig sind.

Auf dieser Grundlage stellt das Unternehmen Energy5 seinen Kunden relevante Studien und Unterlagen zur Verfügung. Der gesamte Prozess basiert auf Bodentests nach DIN 50 929-3, die die Methodik zur Beurteilung der Bodenkorrosivität in einer Punktskala definiert.

Ohne Forschung des Kunden in diesem Bereich kann Energy5 diese Prüfungen während der Pfahlrammen-Tests selbst durchführen. Das ist eine neue Dienstleistung, die auf der Zusammenarbeit mit einem bewährten Labor basiert. Darüber hinaus verfügt Energy5 über technische Unterstützung in Form von Geräten für Felduntersuchungen vom spezifischen Widerstand und pH-Wert in Böden.