Felddaten aus einer 150-MW-Photovoltaikanlage in Saudi-Arabien (4.200 chemische Elektroden, durchschnittlicher Padwiderstand 3,1 Ω) und Exportlieferungen nach ME/Afrika/SEA: Warum Standard-Rammstäbe in sandigen, felsigen und lateritischen Böden versagen – und was das Beschaffungsdokument stattdessen aussagt.

Das Gespräch, auf das sich dieser Artikel stützt, fand im August 2020 statt, als ein in Madrid ansässiges EPC-Unternehmen die Anfrage stellte, aus der das 150-MW-Photovoltaikprojekt in Saudi-Arabien hervorging, dessen Felddaten für diesen Artikel stammen. In der Anfrage-E-Mail wurde gefragt nachchemische ErdungsstäbeFür eine Photovoltaikanlage im Kraftwerksmaßstab, deren Bodenwiderstandsmessung Werte zwischen 1.500 und 2.200 Ω·cm ergab, war der geotechnische Bericht eindeutig, der Generalunternehmer kompetent, und der Standort lag in einem Kalksteingürtel, den der leitende Ingenieur bereits 2018 bei einem kleineren Projekt in Chile erlebt hatte. Dort war der Wert der bewässerten Messstäbe im dritten Jahr unter die zulässige Berührungsspannung gefallen, weil zwei geplante Bewässerungstermine aufgrund der COVID-Reisebeschränkungen ausgefallen waren. Das wollte er unbedingt vermeiden. Der vorliegende Artikel beschreibt die technische Argumentation, die aus dieser E-Mail hervorging – das Bodenklassifizierungsmodell, das der Generalunternehmer schließlich in die Vergabeunterlagen aufnahm, und die Felddaten der Anlage, die dieses Modell lieferten.

Dieser Leitfaden richtet sich an Beschaffungsteams, die mit ähnlichen Anfragen konfrontiert sind: Projektträger in der MENA-Region, Afrika und Südostasien, deren geotechnisches Gutachten vorliegt, deren Planungsteam eine chemische Elektrode anstelle einer Rammsonde wünscht und deren Beschaffungsdokument innerhalb der nächsten zwei Wochen erstellt werden muss. Die drei unten genannten Bodentypen – Sand, Fels und Laterit – werden in diesen Gutachten am häufigsten genannt, und die Versagensmechanismen sind jeweils spezifisch. Unveränderlich ist jedoch die Antwort der Beschaffungsabteilung.

1. Sandiger Boden – das Versagen der in der Luft hängenden Leitung

Trockener Sand ist die kontraintuitivste der drei Ausfallarten. Theoretisch scheint er ein ideales Erdungsmedium zu sein: Er ist locker, gut durchlässig und lässt sich leicht durchbohren. Die Messung mit dem Wenner-Vier-Pin-Gerät zeigt jedoch ein anderes Bild. Trockener Wüstensand in 1 m Tiefe weist typischerweise einen Widerstand zwischen 3.000 und 10.000 Ω·cm auf; Dünensand in 1,5 m Tiefe kann im ungünstigsten Fall Werte über 20.000 Ω·cm erreichen. Der Grund dafür ist ionischer, nicht mechanischer Natur: Trockener Sand enthält nahezu keinen Ton und kaum gelöste Mineralien, die den Strom von der Staboberfläche ableiten könnten.

Die Berechnung wird durch die Feuchtigkeit an der Staboberfläche beeinflusst. A chemischer ErdungsstabEs handelt sich um einen kupferummantelten Kern in einem 100 mm großen Bohrlochring, der mit einem hygroskopischen Füllmaterial (typischerweise Bentonit mit Magnesiumsulfat) verfüllt ist. Dieses Material absorbiert die Umgebungsfeuchtigkeit des Bodens und die saisonale Luftfeuchtigkeit, hält sie an der Staboberfläche und gibt langsam Ionen an das umgebende Bodenvolumen ab. Dadurch verhält sich die Grenzfläche zwischen Stab und Boden wie ein Boden mit einem spezifischen Widerstand von etwa 200 Ω·cm, selbst wenn der umgebende Boden einen spezifischen Widerstand von 8.000 Ω·cm aufweist. Die Geometrie des NEMA GR-1-Stabs bleibt unverändert; lediglich der Bodenkontakt ändert sich.

Bei unseren Lieferungen in den Nahen Osten zwischen 2020 und 2025 lag der mittlere Erdungswiderstand von Erdungsanlagen mit chemischen Erdungsstäben in der Sandschicht mit einer Korngröße von 2.000 bis 8.000 Ω·cm bei 3,6 Ω gegenüber einem Sollwert von 5 Ω – und das ohne Bewässerungszyklus. Die reinen Erdungsanlagen mit Erdungsstäben an benachbarten Standorten in derselben Sandschicht wiesen bei der Inbetriebnahme Werte zwischen 18 und 42 Ω auf und wurden innerhalb des ersten Jahres neu gebohrt. Der Durchmesser der Erdungsstäbe war identisch; der Unterschied lag im Verfüllmaterial.

2. Gesteinsboden – der Engpass der Caliche-Schicht

Die Messstelle in Saudi-Arabien, von der die Felddaten für diesen Artikel stammen, wies an der südwestlichen Ecke des Arrays eine Kalksteinschicht in 3,5 m Tiefe auf. Die ursprüngliche Spezifikation sah 2,4 m lange Einschlagstäbe vor – diese funktionierten bei 94 % des Arrays. Die verbleibenden 6 % lagen auf zu flachem Kalkstein, um ihn zu durchdringen, und der Widerstand war zu hoch, um ihn zu vernachlässigen. Die sechs Kontaktflächen in dieser Ecke wiesen bei der Inbetriebnahme selbst bei einer Stablänge von 3,0 m einen Widerstand von über 4,7 Ω auf. Wir haben zwei Maßnahmen ergriffen: Wir haben auf doppelt angeordnete Elektroden in Delta-Form umgestellt (zwei 2,4 m lange Stäbe in einem Dreieck um jede Kontaktfläche) und zusätzliche Elektroden hinzugefügt.Säulengraphit-Bodenmodulean den Mittelspannungstransformatoranschlüssen parallel. Die Wiederholungsprüfung nach fünf Jahren ergab einen schlechtesten Wert von 4,7 Ω – innerhalb der Auslegungstoleranz –, da die Module die Äquipotentialfläche seitlich erweiterten, wo der vertikale Pfad blockiert war.

Felsige Standorte lassen sich für das Beschaffungsteam in zwei praktische Kategorien einteilen. Die erste Kategorie umfasst geklüftetes Gestein mit erdgefüllten Hohlräumen – zwar bohrbar, aber die Bohrstange berührt nur die Bodenschicht, nicht die Gesteinsmatrix. Die zweite Kategorie besteht aus intaktem Gestein oder Caliche (kalkhaltiger, mit Kalkstein verfestigter Boden) in oder nahe der geplanten Elektrodentiefe, wo das Bohren entweder unmöglich oder unwirtschaftlich wird. Im Nahen Osten und im Westen der USA ist die zweite Kategorie weit verbreitet; große Teile Saudi-Arabiens, Katars und der Vereinigten Arabischen Emirate weisen eine Caliche-Schicht zwischen 2 und 4 m auf.ISRIC WeltbodeninformationenDer Katalog zeigt das gleiche Profil in der Sahelzone und am Horn von Afrika in saisonal trockenen Gebieten.

Für eine tiefergehende Fragestellung auf Beschaffungsseite in Bezug auf felsige Standorte,FAO-Datenportal zur BodenklassifizierungErmöglicht es einem Beschaffungsteam, die regionale Bodenkarte einzusehen, bevor der Geotechnik-Auftragnehmer vor Ort ist – die kostengünstigste Möglichkeit, um festzustellen, ob der Standort auf Kalkstein oder verwittertem Granituntergrund liegt.FAO-Weltbodenreferenzdokumentist die Feldbezeichnung für Bodenklassennamen, die auf einem BES (Bid Evaluation Sheet) landen.

3. Lateritboden – das Problem der jahreszeitlichen Schwankungen

Laterit ist ein Bodentyp, bei dem ein Standard-Einschlagstab zwar die Inbetriebnahme besteht, aber in der Trockenzeit unbemerkt die Berührungsspannung nicht mehr erreicht. Laterit ist ein eisen- und aluminiumreicher Restboden, der in tropischen Gebieten Afrikas (Nigeria, Ghana, Kenia, Mosambik), Südasiens (weite Teile des indischen Subkontinents, Sri Lanka, Teile von Bangladesch) und Teilen Südamerikas (Nordosten Brasiliens, Guyana) verbreitet ist. Das Bodenprofil ist gut durchlässig und weist einen hohen Eisenoxidgehalt auf, der ihm die charakteristische rotbraune Farbe verleiht.

Das elektrische Problem liegt in den saisonalen Schwankungen. Veröffentlichte Felduntersuchungen an Lateritböden in Westafrika berichten typischerweise von spezifischen Widerständen in der Regenzeit im Bereich von 200 bis 800 Ω·cm – ideal für die Messung mit einer Standard-Messlatte – und von spezifischen Widerständen in der Trockenzeit über 5.000 Ω·cm – außerhalb des Messbereichs für dieselbe Messlatte. Die Messlatte selbst ändert sich nicht; der umgebende Boden hingegen schon. Ein sechsmonatiger Bewässerungszyklus kann die Messwerte der Trockenzeit zwar stabilisieren, doch das Problem der unregelmäßigen Bewässerung tritt erneut auf: Erscheint ein Bewässerungsteam nicht rechtzeitig, bleibt die Messzelle für den Rest der Trockenzeit im Bereich der zulässigen Berührungsspannung.

Speziell für Lateritstandorte in Südostasien gilt dieselbe saisonale Logik, jedoch mit leicht abweichendem zeitlichen Verlauf: Die Trockenzeit in Indonesien und auf den Philippinen ist kürzer, aber intensiver als die in Westafrika, wodurch die Widerstandsschwankungen in einem engeren Zeitfenster auftreten. Das Betriebsmodell mit chemisch-erdigen Bodenstäben – feuchtigkeitsspeicherndes Hinterfüllmaterial, kein Bewässerungszyklus – funktioniert in beiden Fällen.

4. Was das Beschaffungsdokument aussagt

Bei allen drei oben genannten Bodentypen ist die technische Entscheidung dieselbe: Die Standard-Rammstange ist nicht das richtige Produkt. Im Beschaffungsdokument muss das geeignete Produkt angegeben werden.

Drei Kontrollmechanismen auf der Beschaffungsseite entscheiden darüber, ob eine Spezifikation das Problem löst oder ob sie das Problem erst schafft.

1. Dem Auftrag ist ein Typprüfbericht beigefügt.Ein chemischer Erdungsstab besteht nicht nur aus dem Kupferrohr – die darin enthaltene chemische Zusammensetzung ist entscheidend. Der Lieferant muss einen Prüfbericht mit vier Eigenschaften vorlegen: Widerstandsreduktionsfaktor bei Referenzfeuchte, Langzeit-Ionenstabilität bei 60 °C über 30 Tage, Feuchtigkeitserhaltung nach 90 Tagen Trocknungszeit und Einhaltung der Umweltauflagen gemäß ESIA. Eine Charge aus dem Jahr 2019 fiel aufgrund einer Natriumchlorid-Mischung aus (Chlorid greift die kupferummantelten Kerne im Inneren des Mantels an). Die Charge unseres Lieferanten aus dem Jahr 2022 fiel beim Ionenstabilitätstest mit einer Feuchtigkeitserhaltung von 65 % durch – unter unserem internen Grenzwert von 80 %. Aus diesem Grund haben wir eine eigene Mischanlage qualifiziert. Der Lieferant, der diesen Bericht nicht vorlegen kann, ist derjenige, der am Ende des zweiten Jahres mit einer E-Mail ankündigt, eine neue, verbesserte Mischung zu haben.
2. Anschlussstandard auf IEEE 837 festgelegt.Mechanische Klemmen fallen beim Impulsstromtest durch inIEC 62561-1und sollte nicht für Projekte im Versorgungsmaßstab verwendet werden. Die Verbindungsnorm ist der Teil der Spezifikation, der die Anlage über die gesamte geplante Lebensdauer von 25 Jahren schützt.
3. Stangengeometrie proNEMA GR-1.Durchmesser 17,2 mm bis 25,4 mm, Kupfermanteldicke ≥ 254 µm. Die Manteldicke ist besonders bei Impulsstrombelastungen (ESE-Anschlüsse, MV-Pads) von Bedeutung – ein dünner Mantel versagt zuerst.

5. Abschluss – Was die Einkaufsseite zuerst fragen muss

Das saudische 150-MW-Kraftwerk, mit dem dieser Artikel begann, wies bei der Nachprüfung nach fünf Jahren einen durchschnittlichen Fundamentwiderstand von 3,1 Ω gegenüber dem Sollwert von 5 Ω auf. Der schlechteste Wert von 4,7 Ω wurde in der südwestlichen Ecke gemessen, wo der Kalkstein nicht mehr vertikal eingebracht werden konnte. Diese Werte spielten bei der Anfrage des Madrider Generalunternehmers im August 2020 keine Rolle im Vergabeverfahren. Sie resultieren vielmehr daraus, dass die Zusammensetzung des Hinterfüllmaterials, die Verbindungsnorm, die Stabgeometrie und die Neuanordnung der Boden-Ziel-Sequenz in einem einzigen Dokument festgehalten und die Installation anschließend dem Montageteam überlassen wurde.

Wenn Sie Projektinhaber im Nahen Osten, in Afrika oder Südostasien sind und die Beschaffungsunterlagen offen sind, ist die entscheidende Frage für die Einhaltung des geplanten Projektzeitraums für die nächsten 25 Jahre nicht „Welche Elektrode soll ich kaufen?“, sondern „Wie hoch ist der spezifische Bodenwiderstand in der geplanten Elektrodentiefe und welcher der drei oben genannten Ausfallmechanismen trifft zu?“. Ermitteln Sie zuerst die Bodenbeschaffenheit; die Produktauswahl folgt anschließend. Die Beschaffungsfrage lautet dann, welche der beiden Produktfamilien –chemischer Erdungsstab or Säulengraphit-Bodenmodul(oder beides, an besonders schwierigen Standorten) – passt zur Bodenschicht und zur Tiefenbegrenzung. Die vollständige Kategorieseite finden Sie unter/chemische Erdungselektrode/verfügt über die Geometrieoptionen und dieDie Top 5 Hersteller von elektrolytischen Ionen-Erdungsstäben im Jahr 2025Der Blog enthält die Lieferantenauswahlliste.

Für ein Musterpaket und einen vierfachen Typenprüfungsbericht zu einem bestimmten Projekt ist der schnellste Weg derKontaktseiteMusterlieferungen für Projekte in der ME, Afrika und Südostasien verlassen das Werk in der Regel innerhalb derselben Woche, technische Antworten erfolgen innerhalb eines Werktages.