Korrosion der Erder

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Die Korrosion der Erder ist ein kritisches Problem in Windkraftanlagen, das die Sicherheit und Funktionalität der elektrischen Erdungssysteme beeinträchtigt. Sie entsteht durch elektrochemische Reaktionen zwischen dem Erdungsmaterial und der Umgebung, was zu Materialabbau und erhöhter Widerstandsfähigkeit führt. Besonders in Offshore- und Küstenanlagen wird dieser Prozess durch salzhaltige Luft und Feuchtigkeit beschleunigt.

Allgemeine Beschreibung

Die Korrosion der Erder bezeichnet den allmählichen Zerfall metallischer Komponenten in Erdungssystemen, die für den sicheren Betrieb von Windkraftanlagen unerlässlich sind. Erdungssysteme leiten Blitzströme, Fehlerströme und statische Aufladungen sicher in den Boden ab. Wenn diese Systeme korrodieren, steigt ihr elektrischer Widerstand, was die Schutzfunktion gefährdet. Der Prozess wird durch Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Feuchtigkeit, Salzgehalt und Mikroorganismen beeinflusst.

In Windkraftanlagen kommen meist Kupfer-, Stahl- oder verzinkte Erder zum Einsatz. Kupfer ist zwar korrosionsbeständiger, aber teurer, während Stahl kostengünstiger, aber anfälliger für Rostbildung ist. Besonders problematisch ist die Lochfraßkorrosion (pitting corrosion), bei der lokal begrenzte, tiefe Löcher entstehen, die die mechanische Stabilität schwächen. In Offshore-Umgebungen beschleunigt die Kombination aus Salzwasser und Sauerstoff die Korrosion zusätzlich.

Die Folgen sind nicht nur technische Ausfälle, sondern auch wirtschaftliche Verluste durch Wartung und Austausch korrodierter Teile. Moderne Überwachungssysteme wie kathodischer Korrosionsschutz (KKS) oder regelmäßige Widerstandsmessungen helfen, den Zustand der Erder zu kontrollieren. Dennoch bleibt die Korrosion eine der größten Herausforderungen für die Langlebigkeit von Windkraft-Erdungssystemen.

Technische Details

Die Korrosion der Erder wird durch elektrochemische Reaktionen ausgelöst, bei denen Metallionen in Lösung gehen. Bei Stahl (Eisen) läuft die Reaktion vereinfacht wie folgt ab: Anode: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ (Oxidation) Kathode: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (Reduktion) Das entstehende Eisen(II)-hydroxid (Fe(OH)₂) oxidiert weiter zu Rost (Fe₂O₃·nH₂O).

Der Korrosionsprozess wird durch folgende Faktoren beschleunigt: Bodenwiderstand: Hohe Salzkonzentrationen (z. B. in Küstenböden) erhöhen die Leitfähigkeit und damit die Korrosionsrate. Streuströme: Gleichströme aus nahegelegenen Bahnsystemen oder Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) können stray current corrosion verursachen. Mikrobiologisch induzierte Korrosion (MIC): Bakterien wie Sulfatreduzierer (z. B. Desulfovibrio) beschleunigen die Korrosion durch Stoffwechselprodukte.

Zur Messung der Korrosion werden Methoden wie die Polarisationswiderstandsmessung (nach ASTM G59) oder die Gewichtsverlustmethode (ASTM G1) eingesetzt. Der zulässige Widerstand eines Erders liegt typischerweise unter 10 Ω (IEC 62305), wobei korrodierte Systeme diesen Wert oft überschreiten.

Anwendungsbereiche

• Onshore-Windkraftanlagen: Hier ist die Korrosion weniger aggressiv, aber langfristig relevant, besonders in feuchten oder sauren Böden (pH < 5).
• Offshore-Windkraftanlagen: Salzwasser und Sauerstoff führen zu extremer Korrosion, weshalb hier oft Edelstahl oder beschichtete Erder verwendet werden.
• Blitzschutzsysteme: Korrodierte Erder können Blitzströme nicht mehr sicher ableiten, was zu Überspannungsschäden führt.
• Transformatorstationen: Erder in Umspannwerken müssen ebenfalls vor Korrosion geschützt werden, um Netzstabilität zu gewährleisten.

Bekannte Beispiele

• Offshore-Windpark Hornsea (UK): Hier wurden korrosionsbeständige Mischmetalloxid-Erder (MMO) eingesetzt, um die Lebensdauer auf über 25 Jahre zu verlängern.
• Nordsee-Windparks (DE/DK): Studien zeigten, dass ungeschützte Stahl-Erder nach 5–10 Jahren bis zu 30 % Materialverlust aufwiesen (Quelle: Fraunhofer IWES, 2020).
• Onshore-Anlagen in Skandinavien: Saure Böden (pH 4–5) führten zu vorzeitiger Korrosion von Kupfererdungsbändern, was zusätzliche Kathodenschutzmaßnahmen erforderte.

Risiken und Herausforderungen

• Sicherheitsrisiken: Korrodierte Erder können Blitzschlag nicht mehr ableiten, was zu Bränden oder Anlagenausfällen führt.
• Wartungskosten: Der Austausch von Erdern in Offshore-Anlagen kostet bis zu 50.000 € pro Turbine (Quelle: DNV GL, 2019).
• Umweltbelastung: Korrosionsprodukte wie Rost können Grundwasser kontaminieren, besonders in sensiblen Ökosystemen.
• Regulatorische Anforderungen: Normen wie IEC 61400-24 verlangen regelmäßige Prüfungen, deren Nichteinhaltung zu Stilllegungen führen kann.

Ähnliche Begriffe

• Kathodischer Korrosionsschutz (KKS): Aktiver Schutz durch Opferanoden oder Fremdstrom, der die Korrosion verlangsamt.
• Streustromkorrosion: Korrosion durch vagabundierende Gleichströme, z. B. aus Bahnsystemen.
• Passivierung: Natürliche Schutzschichtbildung (z. B. bei Edelstahl), die weitere Korrosion hemmt.
• Galvanische Korrosion: Auftreten, wenn zwei unterschiedliche Metalle (z. B. Kupfer und Stahl) in Kontakt stehen und ein elektrochemisches Element bilden.

Zusammenfassung

Die Korrosion der Erder ist ein zentrales Problem für die Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen, insbesondere in aggressiven Umgebungen wie Offshore-Standorten. Sie führt zu erhöhten Widerstandswerten, Sicherheitsrisiken und hohen Wartungskosten. Durch den Einsatz korrosionsbeständiger Materialien (z. B. MMO oder Edelstahl), kathodische Schutzsysteme und regelmäßige Überwachung lässt sich die Lebensdauer der Erder verlängern. Dennoch erfordert die zunehmende Verbreitung von Windkraftanlagen, besonders in Küstenregionen, kontinuierliche Forschung zu langlebigen und wartungsarmen Erdungskonzepten.

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