Photovoltaik-Module reduzieren Sedimentabtrag an Hängen um bis zu 56,6 %, verursachen jedoch Grabenerosion unterhalb der Tropflinie

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Northwest A&F University in China und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) untersuchte mittels simulierten Regenexperimenten die Auswirkungen von Photovoltaik-Modulanordnungen an Hängen auf Bodenerosionsmuster und hydrodynamische Prozesse. Die Ergebnisse zeigen, dass die Installation von Photovoltaik-Modulen den gesamten Sedimentaustrag am Hang reduziert, die Erosion sich jedoch auf den Bereich der Tropflinie unterhalb der Modulunterkante konzentriert und ein Grabenerosionsmuster bildet, das an natürlichen Hängen nicht vorkommt.

Im Experiment wurde ein verstellbarer Bodenbehälter mit den Maßen 2,0 m × 1,0 m × 0,4 m verwendet, der mit landwirtschaftlichem Lehmboden aus dem südlichen Lössplateau Chinas befüllt und auf eine feste Neigung von 10° eingestellt wurde. Vier maßgefertigte Photovoltaik-Module (57 cm × 48 cm) wurden entweder linear (1×4) oder blockförmig (2×2) über dem Boden angeordnet; untersucht wurden Kombinationen aus drei Montagehöhen (0,4 m, 0,6 m, 0,8 m) und drei Neigungswinkeln (30°, 35°, 40°). Jede Konfiguration wurde 60 Minuten lang simuliertem Regen mit einer Intensität von 80 mm/h ausgesetzt; zusätzlich wurde ein äquivalenter Hang ohne Photovoltaik-Module als Kontrolle eingerichtet. Alle Szenarien wurden zweimal wiederholt.

Während der Versuche wurden Abfluss- und Sedimentproben gesammelt sowie Fließgeschwindigkeit und Wassertiefe in den bedeckten und unbedeckten Bereichen gemessen. Nach jedem Versuchsdurchgang wurden Beginn, Länge, Breite und Tiefe der Erosionsrinnen unterhalb der Tropflinie dokumentiert. Das Team führte außerdem acht Minderungsversuche mit 20 cm breiten Grasmatten- oder Kiesstreifen durch.

Die Forscher erklären, dass Photovoltaik-Module die natürliche Wechselwirkung zwischen Regen und Bodenoberfläche über zwei synchrone Mechanismen verändern: Die bedeckten Bereiche fangen Niederschlag ab und reduzieren Spritzerosion sowie Oberflächenverschlammung; das abgefangene Regenwasser sammelt sich in Form energiereicher Tropfen an der Modulunterkante und bildet konzentrierte Wasserströme mit erhöhter Erosionsenergie. Diese Umverteilung erzeugt ein charakteristisches räumliches Muster am Hang – die abgeschatteten Bereiche sind keinem direkten Niederschlag mehr ausgesetzt, während die Tropflinie kontinuierlicher Erosion durch konzentrierte Wasserströmung ausgesetzt ist.

Die Ergebnisse der simulierten Niederschläge zeigen, dass auf Hangmaßstab der Sedimentaustrag an Hängen mit Photovoltaik-Modulen im Vergleich zur Kontrollgruppe um bis zu 56,6 % reduziert wurde; bezogen auf die Montagehöhe war die durchschnittliche Reduktionsrate bei 0,4 m Höhe mit 46,3 % am größten; bezogen auf den Neigungswinkel war die durchschnittliche Reduktionsrate bei 35° mit 36,3 % am größten. Bei allen Photovoltaik-Konfigurationen traten unterhalb der Tropflinie quer verlaufende Rillen (kleine Erosionsrinnen quer zum Hang) auf, während solche Rillen am Kontrollhang nicht vorhanden waren.

Die Versuche zeigten zudem, dass sich unter laminaren Strömungsbedingungen (Re<500) und subkritischen Bedingungen (Fr<1,0) die Erosionsenergie entlang des Hangs akkumuliert; die Fließgeschwindigkeit nahm beim Übergang von höher gelegenen zu tiefer gelegenen bedeckten Bereichen um 148 % zu, wodurch die unterste Modulreihe zur Schlüsselposition für die grundlegende Erosion wurde. Rillenposition und -abstand (48–57 cm) wurden durch die Modulanordnung bestimmt; Rillenbreite und -tiefe nahmen mit zunehmender Montagehöhe zu und erreichten bei 0,8 m Höhe 3,44 cm bzw. 1,84 cm. Die Forscher sind der Ansicht, dass externe Strukturen an Hängen Erosionsgeometrien erzeugen können, die im natürlichen Zustand nicht vorkommen.

Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „Photovoltaic panel arrays reshape soil erosion patterns and hydrodynamic processes on hillslopes“ im Journal of Hydrology veröffentlicht.