photovoltaik Ausgabe: 10-2013

Getrennt ohne Wenn und Aber

Dieses Kurzschlusskabel zeigt auch nach dem Brand vollen Durchgang. Offenbar hat es funktioniert.

Dieses Kurzschlusskabel zeigt auch nach dem Brand vollen Durchgang. Offenbar hat es funktioniert.

Brandschutz —  Endlich gibt es Vorgaben zur Freischaltung der Solarmodule, wenn es brennt.Die neue Anwenderregel liegt auf dem Tisch. Auch die Nachrüstung ist möglich.Einige Fragen sind aber noch offen.  Heiko Schwarzburger

I mmer wieder geistern Horrorberichte durch die Medien: über lodernde Dachstühle, verletzte Feuerwehrleute und Brandgefahr durch Photovoltaikanlagen. Obwohl bundesweit mehr als eine Million Generatoren laufen, sind bisher nur wenige Fälle bekannt, bei denen Solarmodule einen Dachbrand auslösten.

Allerdings mehren sich die Brandfälle an Gebäuden, auf deren Dächern ein Solargenerator stromt. Deshalb sorgt das Thema für Zündstoff, im wahrsten Sinne des Wortes. Die Deutsche Kommission für Elektrotechnik und Elektronik im DIN und VDE (DKE) hat im Frühsommer endlich die lange erwartete Installationsregel für Systeme zur Sicherheitsabschaltung von Solargeneratoren veröffentlicht. Die „Anwendungsrichtlinie zu Anforderungen der Freischaltung im Gleichspannungsbereich einer Photovoltaikanlage“ (VDE-AR-E 2100-712) schreibt die Grundzüge künftiger Freischaltsysteme vor und definiert Grenzwerte für die zulässige DC-Spannung. Ihr Ziel ist es, die Löschkräfte im Fall eines Brandes zu schützen. Damit dürfte endlich Klarheit herrschen, wie ein Solargenerator für den Brandfall abzusichern ist. Weil es bisher keine Richtlinien gab, bestanden für Investoren erhebliche Risiken, vor allem bei Solargeneratoren auf gewerblich genutzten Immobilien.

Denn der Versicherungsschutz orientiert sich an den Standards von VDI und VDE, wie es im Kleingedruckten der meisten Solarversicherungen oder Feuerversicherungen von Gebäuden steht. Das Problem: Wenn es im Gebäude oder am Dach brennt, stromen die Solarmodule weiter. „Das einfache Freischalten der üblichen Hausanlage ist nicht mehr eine Gewähr für ihre Sicherheit“, sagt Björn Maiworm, Brandoberrat bei der Feuerwehr in München. „Den Wechselrichter von der Anlage zu trennen, bringt keine zusätzliche Sicherheit auf der Gleichspannungsseite. Und selbst bei festgestellter Spannungsfreiheit kann bei Löscharbeiten ein Stromschlag erfolgen.“ Denn einige sogenannte Feuerwehrschalter schließen lediglich die beiden Pole auf der Gleichspannungsseite kurz. Werden dann Leitungen oder Steckverbindungen getrennt, können Lichtbögen entstehen.

Sicherheitsabstände einhalten

Seit Frühjahr 2011 gilt für die Einsatzkräfte der freiwilligen oder Berufsfeuerwehren die DIN VDE 0132. Sie wurde unlängst neu gefasst, um die Sicherheitsabstände der Feuerwehrleute zu elektrisch leitenden Teilen auf die Photovoltaik abzustimmen. Immerhin sind in Deutschland rund eine Million Menschen in der Brandbekämpfung tätig, die meisten als freiwillige Helfer in den ländlichen Regionen, wo es keine Berufsfeuerwehren gibt. So sollen die Löschkräfte einen Mindestabstand von einem Meter zu spannungsführenden Teilen und metallischen Konstruktionen einhalten. Bei Löscharbeiten im Niederspannungsnetz empfiehlt die DKE einen Mindestabstand von einem Meter (bei einem Sprühstrahl) beziehungsweise fünf Metern (bei einem Vollstrahl). Auch machte die Kommission die Brandbekämpfung seinerzeit nicht davon abhängig, ob die Feuerwehr den DC-Lasttrennschalter einer Solaranlage zieht oder nicht. Die Sicherheitsabstände reichen aus, um die Einsatzkräfte zu schützen. Nun ist auch bei den Freischaltsystemen ein wichtiger Schritt getan. Denn bisher waren sie überhaupt nicht standardisiert.

Möglichst einfache Schalter

Eine Sicherheitsabschaltung muss möglichst einfach sein, mit möglichst wenig Elektronik. In der Industrie sind Sicherheitssysteme beispielsweise in der VDE V 0126-5 (Selbsttätige Schaltstelle zwischen einer netzparallelen Eigenerzeugungsanlage und dem öffentlichen Niederspannungsnetz) geregelt. Dort gelten auch die EN 60950 (Sicherheitseinrichtungen für die Informationstechnik) und die EN 61010 (Schutz gegen gefährliche Körperströme). Ebenso gilt die IEC 60364-7-712 (Errichtung von Niederspannungsanlagen). In diesen Normen ist ausschließlich ein mechanischer Kontakt als Sicherheitselement zugelassen, niemals eine Halbleiterlösung. Denn ein Halbleiter kann im Laufe der Jahre durch einen Defekt im Notfall nicht schalten, unbemerkt in einen undefinierten Zustand oder gar durch einen teilweise leitenden Zustand jahrelang unbemerkt Ertragsverluste verursachen.

Nach Auffassung der DKE muss ein Abschaltsystem unabhängig vom Solarsystem arbeiten, auch von einem Brandmelder oder einem einfachen Rauchmelder aktivierbar sein. Der Generator muss vollständig abgeschaltet werden, nicht nur Teile oder einzelne Abschnitte in der Verkabelung.

In die Anschlussdose integriert

Ein mechanisch robuster Kontakt kennt nur zwei Zustände: Ein und Aus. Die Firma Solteq aus dem Emsland hat dafür die BFA-Box entwickelt, die sehr hohe Ströme und Spannungen schalten kann. Bei einer Nachrüstung in bestehende Solargeneratoren kann man zwei kristalline oder bis zu fünf Dünnschichtmodule über eine Box absichern. „Die Kosten pro Watt betragen nur wenige Eurocent“, sagt Berkay Bayer, Geschäftsführer von Solteq in Oberlangen. „Neuerdings kann der Feuerwehrmann unser System auch per SMS vom iPhone aus der Ferne abschalten.“

Neben der Nachrüstversion bietet Solteq eine modulintegrierte Version an. Denn da gehört der Brandschalter eigentlich hin: ans Modul, vorgefertigt im Werk des Herstellers. Der BFA-Schalter wird in Anschlussdosen von Spelsberg oder Tyco eingebaut. „Unser Ziel ist es, dass die Modulhersteller künftig nur noch Solarmodule mit integrierter Sicherheitsabschaltung anbieten, am besten kostenneutral für den Endkunden“, gibt Bayer einen Ausblick. „Dies wäre für die Modulhersteller eine wichtige Zusatzfunktion, um sich von Wettbewerbern abzuheben.“ Im Augenblick kämpfen die Modulhersteller jedoch ums blanke Überleben. Der gnadenlose Preiskrieg lässt wenig Spielraum für zusätzliche Funktionen im Modul, die nur über einen Preisaufschlag zu finanzieren sind.

Durch den TÜV zertifiziert

Die Firma Ritter Elektronik aus Remscheid hat das Mitrosafety-2000-System entwickelt, die Serienfertigung startete im Frühjahr. Das System wurde durch den TÜV Rheinland zertifiziert. „Unser Ziel ist es, die Photovoltaikanlage auf dem Dach komplett spannungsfrei zu schalten, nicht nur die Stringverkabelung, sondern auch die Hauptleitung im Gebäude“, erklärt Jörg Kulessa, Produktmanager bei Ritter Elektronik. „Das System Mitrosafety-2000 besteht aus einer Junction Box und einem Controller. Die Box wird auf der Rückseite jedes Moduls angebracht, vorzugsweise geklebt. Je nach Installationsart wird sie mit der Modulanschlussdose in Reihe geschaltet oder ersetzt diese vollkommen. Im Brandfall schaltet die Elektronik das Modul spannungsfrei.“

Zwei Arten des Angriffs

Die Feuerwehr unterscheidet im Wesentlichen zwei Angriffsarten: den inneren Angriff auf das Feuer aus dem Gebäude heraus und den äußeren Angriff durch Schläuche und leistungsstarke Wasserstrahlen auf das Dach. Für den inneren Angriff genügt es oft, wenn die Generatorhauptleitung spannungsfrei ist. Für den äußeren Angriff aber muss das komplette Dach spannungsfrei sein. Auch bei Inspektionen und Wartungsarbeiten sollten die Module spannungsfrei sein, um Unfälle durch elektrischen Schlag zu vermeiden. Erst Ende August 2012 war ein 35-jähriger Elektriker durch einen Stromschlag ums Leben gekommen, als er die Solaranlage auf dem Betriebsgelände der Zeche Auguste Victoria in Marl überprüfen wollte.

Ritter Elektronik integriert zur Sicherheit einen Temperatursensor in die Dose, der das Modul bei rund 120 Grad Celsius kurzschließt. „Das ist sinnvoll, falls das Dach brennt, aber niemand den Hausanschluss an das Stromnetz trennt“, meint Kulessa. „Es ist auch kein Problem, eine Fehlermeldung per GSM-Modul an das Handy des Anlagenbetreibers oder seines Betriebsingenieurs zu senden.“

Firmen wie Solteq oder Ritter erhalten zunehmend Anfragen von Solarkunden, die ihre Investition schützen wollen. Das ist vor allem bei gewerblichen Photovoltaikanlagen wichtig, etwa auf den Dächern von Holzlagern oder Druckereien oder auf Gebäuden mit Verkaufsflächen. Diese Leute sind bereit, Geld auszugeben, um die Anlagensicherheit zu erhöhen und für den Brandfall vorzusorgen.

Speziell für größere Anlagen hat Ritter Elektronik nun das Mitrosafety-5000-System entwickelt, das im Juni 2013 in den Vertrieb gehen soll. Die ersten Prototypen befinden sich im Test. Dieses System braucht nur noch einen Controller für die ganze Anlage. Er steuert die Modulboxen mit einem Funksignal an. Ein normaler Controller kann zwischen 500 und 1.000 Dosen steuern. Für sehr große Anlagen mit einigen Tausend Modulen braucht man im Controller spezielle Prozessoren. Außerdem übernimmt das System das Monitoring der Anlage mit, indem es die Spannung, den Strom und die Temperatur an jedem Modul erfasst. Sinkt die Leistung unter einen bestimmten Schwellenwert, wird das Modul aus dem String genommen. Dadurch wird die Stringleistung optimiert. Auch dieses System erlaubt es, Fehlfunktionen per Datenleitung oder Handy zu melden. Erst wenn das Modul wieder die Schwellenwerte überschreitet, wird es in den String zugeschaltet.

Seit fast zwei Jahren läuft die Debatte über Brandschutz für Photovoltaikanlagen, mittlerweile hat sich das heiße Eisen der Solarbranche merklich abgekühlt. Zunehmend bietet der Markt Sicherheitsschalter oder automatisierte Trennsysteme an. Die meisten Trennschalter werden entweder im Generatoranschlusskasten installiert, wo die Strings zusammenlaufen. Oder man klemmt sie in unmittelbarer Nähe unters Dach in jeden einzelnen String. Der hohe Installationsaufwand treibt die Kosten. Solche Trennschalter lösen manuell, mechanisch oder elektromechanisch aus. Ihr Problem: Die Kabel sind erst ab dem Schalter frei von Spannung.

Freischalter reichen nicht aus

Ein weiteres Problem: Zusätzlich zu den Modulen können auch herabhängende, blanke Kabel Stromschläge verursachen. Sobald die Feuerwehrleute auf dem Dach stehen, müssen sie bei den einfachen Unterbrechern erneut mit hohen Spannungen rechnen. Der TÜV Rheinland sieht solche „Feuerwehrschalter“ als mittelfristige Lösung. „Wir müssen noch klären, wo ein Schalter eingesetzt werden kann und welche Anforderungen er erfüllen muss“, sagt Florian Reil, der sich im Solarteam beim TÜV in Köln intensiv mit Brandschutz beschäftigt. Derzeit gibt es noch keinerlei Richtlinien, was zum Beispiel die Temperaturbeständigkeit, den Feuchteschutz und die Langzeitalterung der Freischalter angeht. Das wollen der TÜV und mehrere Partner klären.

Zunächst haben der TÜV Rheinland und die Experten vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg mehr als 100 Schadensfälle analysiert. Sie wollten herausfinden, wodurch Brandrisiken entstehen und wie sich die Feuerwehren besser schützen können. Die Tests ergaben, dass die geltenden Sicherheitsabstände zum Schutz der Einsatzkräfte grundsätzlich ausreichen.

Lichtbogen durch Defekte und Tierbiss

Bei den schadhaften Solaranlagen kam jedoch jede Menge Pfusch zum Vorschein: Da waren Kabelklemmen zum Teil unzureichend angezogen, oder die Steckverbindung war nicht sicher hergestellt. Gelegentlich fehlten Fehlerstromschutzschalter, oder der Schutz gegen Blitze und Überspannung reichte nicht aus. Bei etwa 60 Prozent der begutachteten Anlagen war die Leitungsverlegung auf der DC-Seite mangelhaft. „Bei der Errichtung der Module sollte darauf geachtet werden, dass keine Brandwände überbrückt werden“, ergänzt Björn Maiworm von der Feuerwehr in München. „Auch dürfen keine Abzüge für Wärme oder Rauch überbaut werden. Die Leitungen vom Dach zum Wechselrichter sind unter Putz oder anderweitig geschützt zu verlegen, damit bei einem Brand die Isolierung nicht beschädigt wird und die Leitungen offen liegen.“

Neben Solteq oder Ritter bietet auch der israelische Hersteller Solar Edge eine „Powerbox“ an, die am Modul oder in der Anschlussdose installiert wird. Sie optimiert die DC-Leistung des Moduls und beinhaltet zugleich einen Freischalter. Ausgelöst wird er durch ein Signal vom Wechselrichter. Im vergangenen Jahr stellte National Semiconductor aus den USA den DC-Leistungsoptimierer Solar Magic vor. Statt der Schottky-Bypass-Diode wird ein Mosfet-System in die Anschlussdose eingesetzt. Das erlaubt die Abschaltung der Module, wenn die Feuerwehr die Hauptleitung trennt. Ebenso möglich ist die Notabschaltung des Strings bei einem Lichtbogen. Dann wird das Modul auf ein Volt heruntergefahren. In den USA wurde eine solche Notabschaltung bei Lichtbögen zur Vorschrift erhoben.

Vorschriften in den USA

Das Problem besteht nicht nur im Brandfall. Aufgrund von Isolationsfehlern, Marderbiss, Vögeln, Mäusen, Frost, Hitze, Stürmen, UV-Licht, Hagel oder gar Vandalismus können die Kabel blank liegen und mit offenen Metallteilen in Kontakt kommen. Wer will das für 20 Jahre ausschließen?

In diesem Falle kann sich ein Lichtbogen ausbilden. Weil die Sonne immer weiter Energie nachfüttert, „bleibt dieser Lichtbogen bestehen, wie beim Schweißen“, warnt Jens Ehrler, Experte bei der Firma Dehn und Söhne, die schon seit Jahrzehnten mit Schutzsystemen für Photovoltaik am Markt unterwegs ist. Solche Lichtbögen wiederum können Brände verursachen.

Solteq aus Oberlangen macht aus der Not eine Tugend: „Neben dem zahlreichen Zubehör, wie Rauchmelder oder Überschwemmungssensor, haben wir eine Sollbruchstelle ins System eingebaut“, erläutert Berkay Bayer. „Vom Handmelder verläuft eine Datenleitung zum Dach beziehungsweise zum BFA-System. Diese nicht feuergeschützte Leitung liegt im Kabelbündel der DC-Leitungen. Kommt es aus verschiedenen Gründen zu einem Schmorbrand in der Kabelführung, brennt die Datenleitung durch.“

Die Folge: An der Box fällt das Steuersignal aus, der Generator wird vollautomatisch abgeschaltet. Dadurch werden Lichtbögen automatisch gelöscht, neue können nicht entstehen. Erst wenn auf der Steuerleitung wieder eine Spannung anliegt, schaltet die Box das Modul zu. Das bedeutet, man kann die Anlage ohne Probleme mehrere Tage oder Wochen abgeschaltet lassen, um beispielsweise Fehler zu suchen oder schadhafte Stellen zu reparieren.

Literatur

Fussnoten

  • Flammenversuche des TÜV Rheinland in einem Labor bei Leverkusen.

  • Meist wird Photovoltaik in Mitleidenschaft gezogen, wenn das darunterstehende Gebäude brennt.

  • Ob die Solaranlage brennt oder nicht, ist für die Löschkräfte zweitrangig. Wichtig ist, dass sie stromt.

Foto: TÜV Rheinland

  • zurück
  • Druckansicht
  • Versenden

Weitere Artikel zum Thema

Aktuelles Heft

Die aktuelle Ausgabe

PV 04-2019

Zum Inhalt >

Abonnenten können die komplette Ausgabe in unserem Heftarchiv online lesen.

Jetzt abonnieren

Einzelheftbestellung

Aktuelle Einstrahlung

Klicken Sie hier, um Strahlungskarten als PDF downzuloaden oder in einer interaktiven Karte für einen konkreten Standort abzurufen.

Einstrahlung Ausschnitt

Frage der Woche

Wann werden Sie Ihre Bestandsanlage ins neue Marktstammdatenregister eintragen?

Abstimmen
Termine

Aktuelle Seminartermine