photovoltaik Ausgabe: 10-2018

Möglichst kleine Spannungen


Niederspannungswechselrichter für Solarfassaden und kleinteilige Dächer in einem Wohnhaus in Zürich.

Niederspannungswechselrichter für Solarfassaden und kleinteilige Dächer in einem Wohnhaus in Zürich.

Parallelverschaltung — Fassaden, Balkone, Fenster: Alle verfügbaren Flächen am Gebäude müssen genutzt werden. Doch das stellt Installateure und Hersteller vor neue Herausforderungen. Ein Praxisreport

Inhaltsübersicht

  1. Möglichst kleine Spannungen
  2. Der Autor

Innerhalb der kommenden 30 Jahre sollen die Menschen in Deutschland klimaneutral wohnen, arbeiten und sich fortbewegen. So steht es zumindest im sehr umfangreichen Klimaschutzplan 2050, den die Bundesregierung im November 2016 aufgestellt hat. Was dieser Plan jedoch vermissen lässt: Mit welchen konkreten Maßnahmen soll das erreicht werden?

Viel hilft viel!

Fest steht, dass die Energiesparvorschriften für Bauherren und Gebäudeeigentümer stetig verschärft werden. Manche Städte wie Stuttgart und Tübingen machen Photovoltaikanlagen bei Neubauten zur Pflicht. Spätestens seit 2018 ist der Effizienzstandard KfW 40 nur noch mit einer Kombination moderner Dämmstoffe, Lüftungsanlage, Wärmepumpe, Photovoltaik und Batteriespeicher zu erreichen.

Aber wie sieht es im Gebäudebestand aus? Mit Dämmung und einer neuen Heizung ist es da noch lange nicht getan. Durch Photovoltaik lassen sich aber sogar Bestandsgebäude mit älterer Bausubstanz zu Plusenergiehäusern machen, wie ehrgeizige Sanierungsprojekte immer wieder beweisen. Und wenn das Dach nicht reicht, muss eben die Fassade herhalten. Hier gilt der Grundsatz: Viel hilft viel!

Aus Elektronik wird Baumaterial

Um die künftigen energetischen Anforderungen an Gebäude und letztendlich auch die Klimaschutzziele zu erfüllen, müssen Photovoltaikanlagen auf Dächern und an Fassaden so allgegenwärtig und selbstverständlich werden wie Wärmedämmung.

Erste Baustoffe mit integrierten Photovoltaikelementen sind bereits verfügbar und erprobt. Dazu zählen Dachziegel und Fenster mit einlaminierten Silizium-, Organik- oder Dünnschichtzellen. Sobald die Entwicklungskosten abgeschrieben sind und die Massenproduktion angelaufen ist, werden die Preisunterschiede spürbar schrumpfen.

Auf den ersten Blick steht dem Durchbruch der gebäudeintegrierten Photovoltaik in absehbarer Zeit also nichts entgegen. Von der Idee bis zur fertigen Anlage sind allerdings einige Hürden zu nehmen. Denn längst nicht jeder Architekt, Glaser, Dachdecker oder Fassadenbauer ist mit den Besonderheiten und Risiken vertraut, die es bei der Photovoltaik zu berücksichtigen gilt.

Zum Beispiel ist es keine gute Idee, Solarzellen in Fenster zu integrieren und diese dann so einzubauen, dass zu jeder Tageszeit ein Schlagschatten auf den Zellen liegt. Die Anlage soll nicht nur gut aussehen, sondern wie gewünscht funktionieren. Deshalb ist es von Anfang an sinnvoll, einen erfahrenen Elektrofachbetrieb oder Solarteur ins Projekt einzubinden.

Die Verschaltung entscheidet

Wie Gutachter bestätigen, sind aber selbst Betriebe, die regelmäßig Photovoltaikanlagen errichten, hin und wieder mit der fachgerechten Planung und Installation überfordert. Wo Menschen arbeiten, da passieren Fehler. Und wo viele Menschen (und Gewerke) zusammenarbeiten erst recht. Durch Planungsfehler können dem Betreiber zwar Ertragsverluste, aber durch falsche Handhabung oder Installation sogar Sicherheitsprobleme entstehen, wenn sie nicht entdeckt werden.

Eine Photovoltaikanlage ist mehr als die Summe ihrer Teile. Oft entscheiden die Anordnung und Verschaltung der einzelnen Elemente, wie gut die Anlage ihren Zweck erfüllt. Wenig überraschend ist, dass Fassaden durch Nachbargebäude oder hervorstehende Gebäudeteile deutlich stärker von Verschattungen bedroht sind als eine Dachanlage.

Risiken durch Alterung und Personal

Solargeneratoren stehen normalerweise durch die Reihenverschaltung der Module unter hohen Gleichspannungen. Somit ist auch die Leistung größer, die von einem Anschlusskabel oder Steckverbinder übertragen werden muss.

Selbst bei korrekter Installation ist stets das Risiko vorhanden, dass durch Alterung oder Defekte unsichere Betriebszustände entstehen, die zu Bränden oder Stromschlägen führen. Diese Risiken müssen auch bei BIPV-Anlagen berücksichtigt werden. Durch fehlende Hinterlüftung und Nähe zu Menschen (Berührungsschutz) wird die Gefahr verschärft. Ein Solarfenster könnte im Brandfall zu einem unüberwindlichen Hindernis werden.

Eine beliebte Methode ist die Installation von Leistungsoptimierern. Sie können trotz Reihenschaltung Verluste durch Verschattungen minimieren. Außerdem bieten einige Modelle eine Monitoringfunktion und eine Sicherheitsabschaltung auf Modulebene. Dadurch wird die Systemspannung im Brandfall auf ein gefahrloses Niveau reduziert, um die Rettungskräfte nicht zu gefährden.

Die Anwendungsregel VDE AR E 2100-712 gibt als Obergrenze 120 Volt Gleichspannung an. Diese Spannung wird auch als Kleinspannung bezeichnet. Durch Beschränkung der Systemspannung auf diese Größe lässt sich das zu beherrschende Gefahrenpotenzial, welches von dem Solargenerator ausgeht, auf ein verträgliches Maß reduzieren.

Niedervoltsysteme, die generell auf dieser als sicher geltenden Spannungsebene arbeiten, basieren meist auf Mikrowechselrichtern. Darunter versteht man in der Regel Geräte, die entweder in das Modul integriert oder am Modulrahmen befestigt werden.

Sie gelten als besonders sicher und sind sehr einfach zu handhaben, weshalb man sie auch bei sogenannten Guerilla-Photovoltaikanlagen verwendet. Enthusiasten schließen ein oder mehrere Solarmodule einfach per Stecker an die Steckdose an. Die fortwährende Diskussion um solche Steckersolaranlagen wird die Fachwelt noch eine Weile beschäftigen.

Wartung nicht vernachlässigen

Unter Fachleuten ist allgemein bekannt, dass die routinemäßige und von fachkundiger Hand durchgeführte Kontrolle von Solaranlagen zur Verhütung von Unfällen und Gefahren unabdingbar ist.

Bauwerkintegrierte Anlagen stehen in der Regel fünf Jahre in der Gewährleistung. Daher empfiehlt es sich für den Anbieter besonders, schon bei der Auswahl der Systemtechnik darauf zu achten, potenzielle Fehlerquellen zu reduzieren und die Auswirkungen von Fehlern oder Defekten möglichst gering zu halten.

Allerdings sind wie wenigsten Gebäudeplaner gleichzeitig Experten für Photovoltaik. Auch die Personen, die später während der Errichtung und im Betrieb mit dem Generator in Berührung kommen, sind es in der Regel nicht.

Idealerweise sollte sich eine solche Anlage im Fehlerfall gutmütig verhalten. Das bedeutet, dass bei einem technischen Versagen keine Gefahrenherde entstehen dürfen. Es soll aber auch nicht durch Abschaltung zum Totalausfall kommen. Eine aufwendige Wartung des Generators zur Gefahrenfrüherkennung kann dann, wie zum Beispiel bei Steckersolargeräten üblich, sogar entfallen. Bei der Instandsetzung nach einem festgestellten Fehler ist es außerdem grundsätzlich vorteilhaft, wenn die neuralgischen Komponenten, insbesondere die Wechselrichter, leicht zugänglich sind. Sofern diese mit einem Stecksystem versehen sind, kann der Kunde seine Anlage im Bedarfsfall sogar selbst instand setzen.

Die Parallelschaltung aller Photovoltaikmodule gewährleistet die bestmögliche Energieumwandlung im Generator. (Dieser Satz wurde einer interessanten Studie entnommen, Quelle: Schattenmanagement – Der richtige Umgang mit teilverschatteten Photovoltaikgeneratoren, SMA Technologie AG.)

Wann ist Parallelschaltung sinnvoll?

Auch aus praktischen Erwägungen und unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit spricht vieles für die Parallelschaltung. Aus Kostengründen werden jedoch nur dort einzelne Module parallel geschaltet, wo dies aufgrund der Verschattungssituation erforderlich ist.

In allen anderen Fällen ist es sinnvoller, Strings aus zwei bis vier Modulen auf einem zentralen Niedervoltwechselrichter zu betreiben. Idealerweise sollten auf einem Gerät mehrere Ausrichtungen gemischt werden, um eine optimale Ausnutzung zu erreichen.

Zeigen die Generatorflächen in alle vier Himmelsrichtungen, kann auf dem Wechselrichter zum Beispiel bis zu dreimal mehr Modulleistung angeschlossen werden. Die Energieverteilung ist außerdem vorteilhaft für den Eigenverbrauch, da die Einspeisung gleichmäßig über den Tag verteilt wird und keine Glockenkurve entsteht.

Mehr Installateure befähigen

Bis 2050 müssen allein in Deutschland noch mindestens 16 Millionen Wohngebäude klimaneutral gemacht werden. Der Flaschenhals ist allerdings die Verfügbarkeit von qualifiziertem Fachpersonal. Denn die Arbeitsplätze, die seit 2012 in der Photovoltaikbranche vernichtet wurden, lassen sich nicht so einfach wieder aufbauen.

Positiv ist, dass sich fähige Solarteure mittlerweile ihre Aufträge aussuchen können. Allerdings gibt es einfach zu wenige Installateure, um den zukünftigen Bedarf zu decken, der in der BIPV liegt.

Dafür bedarf es einer Systemtechnik, die auch von Fenster- und Fassadenbauern, Heizungstechnikern, Klima- und Sanitärinstallateuren oder sogar Heimhandwerkern gefahrlos gehandhabt werden kann. Niedervolttechnik ist dazu der Schlüssel, sie macht Parallelschaltung wieder relevant.

www.solarinvert.de

Literatur

Fussnoten

  • Üblicherweise werden die Solarstrings in Reihe geschaltet. Dadurch klettern die Systemspannungen auf bis zu 1.000 Volt, in Solarparks sogar darüber. Für Fassaden bieten sich eher kleine Spannungen an.

  • Beispiel für die Verschaltung von Solarmodulen mit DC-Optimierern.

Grafik: Solar Invert

Foto: HS

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