Einleitung

Eine nach den Regeln der Technik ausgeführte (BI)PV-Anlage ist sicher. Dafür sind unbedingt genormte elektrische Komponenten zu verwenden.

Von den einzelnen elektrischen Komponenten einer BIPVBIPV Abkürzung, vom englischen "Building Integrated Photovoltaic", eingedeutscht als "Bauwerkintegrierte Photovoltaik" (eigentlich Gebäudeintegrierte Photovoltaik GIPV)-Anlage sind folgende elektrotechnische Normen, jeweils in der neuesten Fassung, zu erfüllen (Tabelle 1).

Generell hat die elektrotechnische Planung und Ausführung eines PV-Systems nach DIN VDE 0100-712 („Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme“) sowie den Anwendungsregeln nach VDE-AR-E 2100-712 („Maßnahmen für den DC-Bereich einer Photovoltaikanlage zum Einhalten der elektrischen Sicherheit im Falle einer Brandbekämpfung oder einer technischen Hilfeleistung“) zu erfolgen.

Die brandschutztechnischen Anforderungen an die Komponenten bzw. die erforderlichen baulichen Maßnahmen beim Einsatz dieser Komponenten sind in Kapitel 6.3 beschrieben.

Abbildung 1: Elektrische Komponenten einer BIPV-Anlage
Quelle: ZSW

Neben den in Kapitel C6.3 beschriebenen Anforderungen an die Klassifizierung des Brandverhaltens der PV-Module ist die elektrische Installation gemäß den oben genannten Regeln dafür verantwortlich, dass die PV-Anlage selbst kein Brandrisiko darstellt. Über diese Regeln hinaus können auch zusätzliche Maßnahmen zum Einsatz kommen, bspw. ein DC-Trennschalter mit Fernauslösung (sog. „Feuerwehrfreischaltung“), der bei Auslösung alle Leitungen im Gebäude ab der Freischaltstelle spannungsfrei schaltet. Ein Übersichtsplan nach VDE-AR2100-712 an geeigneter Stelle hilft den Einsatzkräften im Brandfall, die Lage spannungsführender Komponenten im Objekt schnell zu erfassen.

Durch Verwendung von Solarsteckverbindern von nur einem Markenhersteller werden Kreuzverbindungen von Steckern und Buchsen unterschiedlicher Hersteller ausgeschlossen. Trotz mechanisch einwandfrei passender Geometrie der Steckverbinder können bei Kreuzverbindungen Kontaktmaterialien der verschiedenen Hersteller aufeinandertreffen. Über längere Zeiträume kann sich durch elektrochemische Reaktionen der elektrische Übergangswiderstand erhöhen. Dies kann zu einer Überhitzung der Stecker führen.

Umfassende Informationen und Hilfestellungen zur Minimierung des Brandrisikos von PV-Anlagen finden sich auch im Bericht „Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagen und Erstellung von Sicherheitskonzepten zur Risikominimierung“ vom TÜV Rheinland und dem Fraunhofer ISE. Ebenso sei auf die Fachregeln „Brandschutzgerechte Planung, Errichtung und Instandhaltung von PV-Anlagen“, eine gemeinsame Publikation des Bundesverbands Solarwirtschaft (BSW), der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS), des Zentralverbands der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (ZVEH), der Berufsfeuerwehr München und der Bundesvereinigung der Fachplaner und Sachverständigen im vorbeugenden Brandschutz e. V. (BFSB) hingewiesen.

Blitz- und Überspannungsschutz

Dass ein Blitz ein Haus trifft ist statistisch gesehen sehr unwahrscheinlich. Gemäß der Deutschen Schadenshilfe (DSH) sind Blitze die Ursache für weniger als 1% der Gebäudebrände.

Erwähnenswert ist, dass durch PV-Anlagen die Gefahr eines direkten Blitzeinschlages nicht steigt. Jedoch können im Außenbereich befindliche Anlagenteile, wie die Photovoltaik-Module, eher bei einem Blitzschlag getroffen werden, da sie aus leitendem Materialien bestehen.

Jeder Blitzeinschlag stellt generell eine Gefahr für alle elektrischen Anlagen dar. Dabei sind die Folgen abhängig von der Art des Blitzeinschlages sowie der Entfernung zum Gebäude. Bei einem direkten Blitzeinschlag in eine Photovoltaik-Anlage entstehen sehr hohe Blitzströme, wodurch diese häufig zerstört wird. Weitere mechanische Zerstörungen am Gebäude und auch Brände sind möglich. Bei einem indirekten Blitzeinschlag trifft der Blitz zwar das Gebäude, aber die Photovoltaik-Anlage nicht direkt. Trotzdem sind aber große Schäden der Anlage durch die Einkopplung von Blitzteilströmen über elektrische Installationen oder Versorgungsleitungen möglich. Bei einem Blitzeinschlag in näherer Umgebung (bis 500 m) können Überspannungen durch magnetische Felder entstehen und ebenfalls zu Schäden an Photovoltaik-Anlagen führen. Bei einem entfernten Blitzeinschlag (ab 500 m) können zwar kapazitive Einwirkungen auf die Photovoltaik-Anlage auftreten, diese führen in der Regel aber zu keinen Schäden.

Durch die Verwendung von technischen Maßnahmen und Komponenten können sowohl die Photovoltaik-Anlage als auch andere elektrischen Anlagen und das Gebäude selbst geschützt werden. Hierzu zählt der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten, das Erden von Anlagenteilen, die Installation von Fangeinrichtungen und die Beachtung notwendiger Trennungsabstände.

Schematische Darstellung der Wahl des Blitzschutzsystems: Auf der linken Seite sind Fragen sowie Aspekte zum potentiellen Blitzschutzsystem aufgeführt. Auf der rechten Seite sind in Abhängigkeit von der Wahl des Blitzschutzsystems Maßnahmen dargestellt. Wenn Blitzschäden am Gebäude akzeptiert werden, ist kein Blitzschutzsystem notwendig. Trotzdem sollte das Montagegestell geerdet und SPD Typ 2 für die  Gleichspannungskabel (wenn Leitung > 10 m), sowohl DC- als auch AC-seitig für Wechselrichter (wenn Leitung > 10 m) und für die Netzeinspeisung verwendet werden. eichspannungskabel (wenn Leitung > 10 m), sowohl DC- als auch AC-seitig für Wechselrichter (wenn Leitung > 10 m) und für die Netzeinspeisung verwendet werden.  Werden keine Blitzschäden am Gebäude akzeptiert, sollte ein Blitzschutzsystem (Fangeinrichtungen bilden Schutzbereich, der Photovoltaik-Module, Montagegestell, Verkabelung enthält) installiert werden. Weann trotzdem Blitzschäden an der PV-Anlage akzeptiert werden, sollte diese in das Blitzschutzsystem eingebunden werden. Zudem sollten die Montagestelle und die Modulrahmen für die Weiterleitung möglicher Blitzströme geeignet sein und mehrfach mit den Fangeinrichtungen verbuinden werden. Optional können die Kabelschirme mit dern Fangeinrichtung und unmittelbar vor Gebäudeeintritt mit Erdungsanlage verbuinden werden sowie beidseitig mit einem SPD Typ 2 geschützt werden. In diesen Fall spricht man von einer geschirmten Einbindung, ansonsten von einer ungeschirmten Einbindung. Der Wechselrichter sollte mit einem SPD Typ 2 sowohl DC- als auch AC-seitig (wenn Leitung > 10 m bei geschirmter Einbindung) geschützt werden. Für die Netzeinspeisung ist ein SPD Typ 1 ausreichend.  Falls ein Blitzschutzsystem installiert wird und zu dem keine Schäden an der PV-Anlage akzeptiert werden, sollte ein von der PV-Anlage getrenntes Blitzschutzsystem gewählt werden. Hierbei sollte ein Trennungsabstand von den Montagegestellen, den Modulrahmen und den Gleichspannungskabeln zum Blitzschutzsystems von 0,5 bis 1 m gewählt werden. Zu dem sollten die Montagegestellen geerdet (jedoch nicht mit dem Blitzschutzsystem verbunden werden), die Gleichspannungskabeln (wenn Leitung > 10 m) und der Wechselrichter DC- als auch AC-seitig mit einem SPD Typ 2 geschützt werden.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Wahl des Blitzschutzsystems
Quelle: ZSW

Die Wahl des Blitzschutzsystems, wie schematisch in Abbildung 2 dargestellt, hängt neben Gebäudetyp (bspw. Wohngebäude oder Industriegebäude) von der eigenen Akzeptanz von potentiellen Blitzschäden ab. Grundsätzlich sollte für die Planung und Errichtung ein entsprechendes Fachunternehmen beauftragt werden.

In Abbildung 3 ist beispielhaft die Ausführung am ZSW-Gebäude zu sehen. Dort wurde ein getrenntes Blitzschutzsystem gewählt. Zu diesem Zweck wurden auf dem Dach Blitzschutzfangstangen installiert, die Module nicht geerdet und Überspannungsschutzgeräte (SPD) Typ 2 in den Generatoranschlusskästen verbaut.

In Abbildung 3 ist beispielhaft die Ausführung am ZSW-Gebäude zu sehen.

Abbildung 3: Blitzschutzfangstangen (gelb markiert) stellen ein von außen erkennbaren Teil des getrennten Blitzschutzes dar.
Quelle: ZSW

Elektromagnetische Verträglichkeit

Gemäß der EMV-Richtlinie (2004/108/EG & EMV-Gesetz) wird die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), umgangssprachlich auch als „Elektrosmog“ bezeichnet, wie folgt definiert: Die Fähigkeit eines Gerätes in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere Geräte in derselben Umgebung unannehmbar sind.

Durch die zunehmende Verbreitung von PV-Anlagen auf Gebäuden wird häufig die Frage gestellt, inwieweit PV-Anlagen im Wohnbereich Elektrosmog verursachen.

Um die Fragen antworten zu können, müssen mehrere Messungen an unterschiedlichen Bauteilen einer PV-Anlage durchgeführt werden. Bereits im Vorfeld der Messungen kann gesagt werden, dass die wesentlichen Emissionen an der Leistungselektronik im WechselrichterWechselrichter Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung der PV-Module in Wechselspannung um. Dadurch kann die Solarenergie im Hausnetz verwendet oder auch ins öffentliche Netz eingespeist werden. zur Erzeugung eines sinusförmigen Wechselstroms auftreten.

Als Referenz für die Messungen werden die Grenzwerte der 26. BIMSchV und der VDE 0848 sowie die von der Baubiologen Empfehlungen berücksichtigt.

Die Abbildung 4 zeigt den Stromfluss im Körper für verschiedene elektrische Geräte und Maschinen. Es ist deutlich ersichtlich, dass die vom Wechselrichter abgestrahlten Felder im Bereich von Haushaltsgeräten und mindestens um den Faktor Hundert unter den EU-Ratsempfehlungen sowie wechselstromseitig im Bereich der baubiologischen Grenzwerte und gleichstromseitig im Bereich natürlicher Phänomene liegen.

Mit der EU-Konformitätserklärung (CE-Kennzeichnung) bestätigen die Hersteller die Einhaltung der EMV-Anforderungen. Sie werden vom Rat der Europäischen Gemeinschaften überwacht.

Zur zusätzlichen Senkung von elektromagnetischer Strahlung an Komponenten von PV-Anlagen gibt es verschiedene Möglichkeiten:

  • Erdung der Modulrahmen.
  • Verwendung von Wechselrichtern mit einem metallischen Gehäuse.
  • Verwendung von Wechselrichtern mit Transformator, bei denen Gleichstromseite und Wechselstromseite galvanisch getrennt sind.
  • Erdung des Minuspols auf der Gleichstromseite.
  • Einsatz von Wechselrichtern mit Netzfilter auf Gleich- und Wechselstromseite oder Installation zusätzlicher externer Netzfilter.
  • Verlegung der Solarleitungen (+ und -) in geringem Abstand zueinander, dadurch teilweise Aufhebung der elektromagnetischen Felder.
  • Verlegung der Solarleitungen in Metallrohren zur Abschirmung der Felder.

Räumliche Trennung von Gleich- und Wechselstromleitungen, um ein Einkoppeln der Wechselfelder zu verhindern.

Quellenangaben

Elektromagnetische (Umwelt-)Verträglichkeit, EMV_SB-UDE093610, SMA Solar Technology AG, 04.03.2020

Abbildung 4: Stromfluss im Körper für verschiedene elektrische Geräte und Maschinen
Quelle: SMA