Putzteufel nach Maß

Um die Solaranlage auf dem Dach des McDonalds-Restaurants in einem Schweizer Gewerbegebiet wieder auf Hochglanz zu bringen, musste das Photovoltaikteam der Fachhochschule Bern ordentlich schrubben. Eine dunkelgraue, klebrige Schmutzschicht bedeckte die einst bläulich schimmernden Zellen. Der Dreck hat hier gleich mehrere Quellen, denn die Anlage sitzt auf einem Gebäude in direkter Nachbarschaft zu einem Sägewerk, einer Eisenbahnlinie und neben dem Auslass für die fettige Frittenluft. Immerhin zeigte die Intensivreinigung eine starke Wirkung: „Die Leistung war anschließend um mehr als ein Viertel höher“, stellen die Forscher um den Photovoltaik-Experten Heinrich Häberlin in einem Abschlussbericht zu Langzeituntersuchungen an Solarstromanlagen fest. Und auch, dass selbst bei weniger belasteten Anlagen je nach Standort und Neigung Leistungsverluste um zehn Prozent keine Seltenheit sind. Dabei bleibt der Schmutz vor allem am unteren Rahmenteil der Module hängen und „wächst“ mit der Zeit nach oben vor die Zellfläche.

Doch selbst wenn nach einer Putzaktion wieder deutlich mehr Kilowatts aus den blitzblanken Zellen strömen, müssen die Kosten dafür erst einmal wieder eingefahren werden. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart haben kürzlich untersucht, unter welchen Bedingungen sich eine Reinigung rechnet. Das Projekt wurde von der Alfred Kärcher-Stiftung in Winnenden finanziert, die unter anderem Forschungen auf dem Gebiet der Mechanisierung und Automation von manueller Arbeit fördert. „Wir haben Bilanzen für Anlagen mit etwa 1.000 Quadratmetern Solarzellenfläche und für Verschmutzungsgrade zwischen fünf, zehn, 15 und 20 Prozent durchgerechnet“, sagt Projektleiter Nikolaus Blümlein. Als Verschmutzungsgrad bezeichnen die Wissenschaftler die dreckbedingten Leistungsverluste.

„Ganz grob kann man sagen, dass sich eine Reinigung zurzeit bei Verschmutzungsgraden ab fünf Prozent lohnt“, meint Blümlein. Und damit für alle Anlagen, die nicht in freier Natur mit sauberer Luft und an Standorten mit häufigen Regenfällen montiert sind. Nur dort können Niederschläge Verunreinigungen herunterspülen, bevor sich zähe Schmutzschichten bilden. Bei Anlagen mit höheren Verschmutzungsgraden kann eine Reinigung den Anlagenbetreibern dagegen stattliche Summen einbringen. So haben die Forscher zum Beispiel für eine virtuelle 1.000-Quadratmeter-Solaranlage mit Standort Frankfurt und einem Verschmutzungsgrad von 10 Prozent einen jährlichen Gewinn von mehr als 2.000 Euro im Jahr errechnet.

Die Forscher rechneten dabei mit den heute geltenden Einspeisevergütungen und Solarzellen mit einem Wirkungsgrad zwischen acht und zwölf Prozent. Ihre Ergebnisse gelten für ein Reinigungsintervall von einmal im Jahr und für die manuelle Reinigungsmethode, die heute fast ausschließlich zum Einsatz kommt. Dabei wird dem Dreck wie beim professionellen Fensterputzen mit Bürsten oder Wischern, die an langen Teleskopstangen befestigt sind, zu Leibe gerückt. Eine Dienstleistung, die laut Blümlein für jeden Quadratmeter Modulfläche in Deutschland mit Kosten von 50 Cent bis gut drei Euro, durchschnittlich mit rund 2,50 Euro zu Buche schlägt. Als Putzmittel kommt in der Regel destilliertes Wasser und keine aggressive Chemie zum Einsatz, um die Oberflächen der Module zu schonen.

Deutlich günstiger

Joachim Herborn, Pionier auf dem Gebiet der Photovoltaik-Anlagenreinigung, berichtet indes schon von fallenden Preisen. „Ein gängiger Preis für eine manuelle Reinigung liegt zurzeit um 1,80 Euro“, sagt er. Seit drei Jahren hat der Unternehmer aus Weikersheim zudem eine maschinelle Methode am Markt, die mit nur rund 30 Cent pro Quadratmeter deutlich günstiger ist. Statt mit einer Putzkolonne rückt das Unternehmen mit einem Unimog an, der einen großen Tank mit destilliertem Wasser und an seiner Rückseite einen „Reinigungsarm“ mit sich führt. Die meterlange Stahlkonstruktion ist über ihre gesamte Länge mit Sprühdüsen und Bürsten bestückt und wird parallel zur Solarzellenoberfläche ausgerichtet. Mit dem im festen Winkel positionierten Arm fährt das Fahrzeug dann eine Modulreihe nach der anderen ab. Dabei werden die Zellen in einem Arbeitsgang zunächst abgesprüht, um Sand und Staub zu entfernen, dann mit den Bürsten gereinigt und schließlich noch einmal abgespült. „Mit dieser Methode sind wir achtmal so schnell wie mit einer rein manuellen Reinigung“, betont Herborn.

Auf diese kostengünstige Reinigungsmethode setzen vor allem spanische aber auch deutsche Anlagenbetreiber wie Conergy Services in Hamburg. Einziger Makel: Die Reichweite des Geräts ist begrenzt. Da der Reinigungsarm von einem Punkt in Höhe der Fahrzeughinterachse, also nur knapp über Bodenniveau ausgefahren wird, kann er Solarzellen auf Haus-, Stall- oder Scheunendächern praktisch nicht erreichen. Ein eigens dafür entwickeltes Fahrzeug ist zwar in Arbeit, doch wann es einsatzbereit sein wird, wagt Herborn nicht vorauszusagen. „Die Entwicklung ist ein teurer und, unter anderem wegen der vielen Sicherheitsaspekte, auch ein sehr langwieriger Prozess“, sagt er.

Noch exotisch

Neben manuellen und maschinellen Reinigungsverfahren werden auf Solarmessen und im Internet zunehmend teilweise und vollständig automatisierte Putzsysteme beworben: von fest installierten Rahmen, in denen Rundbürsten, Gummilippen oder mit Sprühdüsen bestückte Stangen auf- und abfahren, bis zu völlig autonom putzenden Robotern. Allerdings hat bisher noch keines dieser Systeme den Sprung zum Verkaufsschlager geschafft. „Automatisierte Lösungen sind zurzeit noch Exoten“, berichtet Blümlein. „Sie befinden sich fast alle im Prototypenzustand und können wegen der hohen Anschaffungs- und Betriebskosten in den meisten Fällen nicht mit der manuellen Reinigung konkurrieren.“

Eine fest installierte, automatisierte Reinigungsanlage bietet das Jungunternehmen Schneerutsch und Flutsch in Mitterfels im Vorderen Bayerischen Wald an. Sein „Spray away“-System besteht aus zwei Aluminiumschienen, die links und rechts einer Solarzellenfläche montiert werden und in denen ein wahlweise mit Sprühdüsen oder Bürsten bestücktes, wasserführendes Rohr hinauf- und hinuntergleitet. „Unser System ist jetzt reif für die Serienproduktion“, sagt Herbert Schneeweis, Chef der jungen Firma. Zurzeit sei es an einer fast 300 Quadratmeter großen Modulfläche eines spanischen, vor allem durch Sand belasteten Megawatt-Solarparks montiert und sorge dort für bis zu acht Prozent höhere Stromerträge.

„Nach unseren Berechnungen wird sich die Anlage in zwei bis drei Jahren amortisiert haben“, meint Schneeweis. Dabei würden die Module alle zwei bis drei Tage abgesprüht, denn schon nach rund einer Woche ohne Reinigung machten sich die schmutzbedingten Ertragseinbußen bemerkbar. Und nach einem Sandsturm genüge ein Knopfdruck, um die Module vom sonneschluckenden Belag zu befreien. Ein zweites System des Unternehmens, das statt mit einem Rohr mit einem Aluminiumrakel zum Schneeschieben bestückt ist, wird gerade getestet und soll im nächsten Jahr auf den Markt kommen. „Schnee führt nicht selten zu enormen Ertragseinbußen“, betont Schneeweis. „In besonders schneereichen Regionen können sie über das Jahr gerechnet bis zu 16 Prozent betragen.“

Roboter im Kofferformat

Auch Reinigungsroboter werden von ihren Entwicklern mit viel Engagement angepriesen, selbst wenn es sie bisher nur als Prototypen gibt. So zum Beispiel der „Solarmopp“ des Modulhändlers Agroservice. Er ist so groß wie ein Reisekoffer, schiebt eine Rundbürste vor sich her, die über einen Tank mit Reinigungsflüssigkeit benetzt wird. Bedient wird er über eine Fernsteuerung. Kürzlich war der Roboter das erste Mal gegen Geld im Einsatz. Eine zweite verbesserte Auflage des Geräts soll bald an Installateure verkauft werden. Für die Reinigung stellt das Unternehmen zwischen 20 und 35 Euro je Kilowattpeak in Rechnung. Das entspricht bei einem Wirkungsgrad der Anlage von zehn Prozent, rund drei Euro pro Quadratmeter.

Ganz ohne Fernbedienung kommen die aktenkofferkleinen Roboter des jungen Erfinders und Maschinenbaustudenten der Technischen Universität Berlin Ridha Azaiz aus. Völlig autonom bewegen sich seine „Solarbrush“-Modelle über die Solarmodule. „Das Modell für die Trockenreinigung von Solaranlagen in Wüstenregionen ist bereits marktreif“, sagt er. Noch im Herbst soll es auf 40.000 Quadratmetern Solarmodule in Ägypten Probe putzen. Wie in allen Wüstengebieten schlägt sich hier ständig Sand auf den Moduloberflächen nieder, und das in großen Mengen. Die Leistungsverluste liegen nach Untersuchungen des Abu-Dhabi-Petroleum-Instituts der Vereinigten Arabischen Emirate schon im ersten Monat nach Inbetriebnahme bei rund 35 Prozent. Nach Sandstürmen fallen die Einbußen noch dramatischer aus. „Eine Anschaffung des 4.500 Euro teuren Gerätes rechnet sich deshalb schon ab etwa 500 Quadratmetern Solarzellenfläche“, sagt Azaiz. Noch in diesem Jahr will er erste Geräte an den Mann bringen. Der Erfinder hat zudem noch ein weiteres Solarbrush-Modell in petto, das sich zur Nassreinigung eignet und einst auch in hiesigen Regionen zum Einsatz kommen könnte. Technischer Feinschliff und Wirtschaftlichkeitsberechnungen zu diesem Roboter stehen indes noch aus.

Die Fraunhofer-Forscher in Stuttgart haben mit den Reinigungsrobotern „Quirl“ und „Raccoon“ ebenfalls zwei autonom arbeitende Prototypen entwickelt, die noch auf Abnehmer für eine Serienproduktion warten. „Ein großes Problem aller Reinigungsroboter ist, dass sie manuell von Modulreihe zu Modulreihe versetzt werden müssen“, meint Blümlein. Die Abstände zwischen den Modulreihen können leicht drei Meter betragen. Weil für das Übersetzen eigens Personal vor Ort sein muss, lassen sich nach Meinung der Fraunhofer-Forscher keine großen Kostenvorteile gegenüber der manuellen Reinigung erreichen.

Vorbild Sportfernsehen

Für dieses Problem hat Blümleins Team nun eine Lösung entwickelt, wenn auch vorerst nur in der Theorie. Sie wollen sich die sogenannte Spider Cam zum Vorbild nehmen, die vor allem bei TV-Übertragungen von Sportereignissen zum Einsatz kommt. „Die Kamera hängt im Knotenpunkt von vier Seilen, die hoch über den Köpfen der Sportler diagonal über den Platz gespannt werden“, beschreibt Blümlein das System. Die Seile sind an Elektro-Seilwinden befestigt, über die die Seillängen einzeln verändert werden. Damit kann die Kamera in beliebige Positionen geführt und auch herabgesenkt werden. „Wir stellen uns nun anstatt dieser Kamera eine Art Roboterdrohne vor, in die mehrere kleine Arbeitsroboter eingeklinkt werden können“, erzählt Blümlein. Die Drohne schwebt dann förmlich über der Anlage und setzt die Putzroboter dorthin, wo sie gebraucht werden.

Der Vorteil des Transportsystems liegt im geringen Materialaufwand, sagt der Fraunhofer-Forscher: „Wir brauchen dafür im Grunde nur vier Pfosten, Drehwinden und ein paar Seile.“ Andere Wissenschaftler wollen im Wettstreit um das beste automatisierte Reinigungskonzept für Solaranlagen Roboter- und Sensortechnik noch einmal ganz neu kombinieren. Gerade wurde einem Team der Universität Regensburg ein Betrag von anderthalb Millionen Euro für die Beteiligung an einem EU-Projekt zugesprochen, an dem unter anderem auch Conergy Services beteiligt ist. Entwickelt werden soll ein Roboter, der nicht nur reinigt, sondern auch defekte Stellen zuverlässig erkennt.

Ideen gegen den Schmutz auf Solaranlagen gibt es viele. Welches Konzept sich einst durchsetzen wird, steht indes noch in den Sternen. Und bei kleineren, besonders dreckstrapazierten Anlagen, die sehr häufig gereinigt werden müssen, gibt es wohl auch in naher Zukunft nur ein Mittel. So meinen die Berner Photovoltaik-Experten zur Situation der McDonalds-Anlage in Burgdorf: „Die Reinigung einer solchen Anlage ist nur wirtschaftlich, wenn der Besitzer selbst zum Wischer greift.“