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Lösungen für die Praxis

Sicherheitsrisiken bei Solaranlagen

Auf einen Blick Der Schutz gegen Stromschlag im Falle einer Brandbekämpfung oder der Wartung in Photovoltaikanlagen wird in în einer VDE-Anwendungsregel gefordert

Beim Einsatz von Leistungsoptimierern und Modulwechselrichtern wird das Trennen vom Netz bei Auftreten eines Anlagenfehlers sofort ausgelöst
Solaranlagen bieten viele Vorteile wie ­finanzielle Ersparnisse, Umweltfreundlichkeit bis hin zur Energieunabhängigkeit. Gründe genug, dass Photovoltaik-Anlagen auf der ganzen Welt installiert werden. Inzwischen verfügt die Solarbranche auch über deutlich bessere Kenntnisse zur Verbesserung der Sicherheit von Phototvoltaik-Anlagen. Im Allgemeinen sind Solaranlagen sichere, verlässliche Systeme, die keine Gefahr für Menschen oder Sachwerte darstellen. Dennoch sollte man sich stets bewusst sein, dass Photovolatik-Module und ­-kabel bei Sonnenschein unter hoher Gleichspannung stehen. Ohne geeignete Vorsichtsmaßnahmen können diese hohen Gleichspannungen für Installateure, Wartungspersonal und Feuerwehrleute ein hohes Stromschlagrisiko darstellen. Vor dem Hintergrund dieser Gefahren müssen Sicherheitsanforderungen während der Installation, Wartung und im Fall eines Brandes berücksichtigt werden.

Fachhandwerker schließen während des Installationsprozesses Photovoltaik-Module an, die über eine Ausgangsspannung von 30 V bis 60 V verfügen. Während die Spannung, die an einem einzelnen PV-Modul anliegt, kein Sicherheits­risiko darstellt, entsteht bei der Schaltung mehrerer Module in einer Reihe jedoch eine hohe Spannung, die während des Installa­tionsvorganges für Installateure sehr gefährlich werden kann.

Sobald die Photovoltaik-Module in einem Strang miteinander verbunden und verschaltet sind, kann die Spannung bis zu 1000 V Gleichspannung (DC) erreichen. Nach Anschluss der Stränge an einen Wechselrichter geht die Solaranlage mit hoher Spannung in Betrieb.

Dies bedeutet, dass das Wartungspersonal bei Standard-Betriebs- und Wartungsarbeiten, zum Beispiel bei Wechsel- und Gleichspannungstests oder Strom-Spannungs-Kennlinien-Tests, hohen Spannungen ausgesetzt sein kann.

Während durch das Bedienen des Haupttrennschalters herkömmliche Strangwechselrichter mit abgeschaltet werden, gilt dies nicht für die Strang-Spannung, die – solange noch die Sonne scheint – auch gleich bleibend hoch ist.

Ein weiteres Sicherheitsrisiko liegt zudem bei dem eher seltenen Fall eines Brandes vor. Bisher gibt es nicht viele Berichte von Bränden in Verbindung mit Photovoltaik-Anlagen, und in den meisten der aufgetreten Schadensfälle war die Solaran­lage nicht die Brandursache.

Dennoch müssen Feuerwehrleute bei ­Rettungseinsätzen an Photovoltaik-Systemen im Auge behalten, dass die Anlage solange unter Spannung steht, wie die Solarmodule Sonnenstrahlen ausgesetzt sind.

Als Vorsichtsmaßnahme, um das Risiko für sich und Kollegen zu minimieren, schalten Feuerwehrleute häufig die Stromversorgung ab. Erst dann nähern sie sich dem Einsatzort, um das Feuer mit Löschwasser zu bekämpfen. Das kann jedoch unter Umständen nicht ausreichend sein.
Bild 1: Im Gegensatz zu Stringwechselrichter liegt beim Einsatz von Leistungsoptimierern nach einer Sicherheitsabschaltung nur noch eine geringe Spannung an
Bild 1: Im Gegensatz zu Stringwechselrichter liegt beim Einsatz von Leistungsoptimierern nach einer Sicherheitsabschaltung nur noch eine geringe Spannung an

Sicherheitsvorschriften weltweit

Angesichts der sich stetig entwickelnden Solarmärkte und der weiten Verbreitung von Solarenergie werden Sicherheitsrichtlinien von Brandschutzbehörden sowie Versicherungs- und Versorgungsunternehmen auf der ganzen Welt gefordert.

Experten in den Bereichen elektrische Sicherheit, Photovoltaik, Brandschutz und Versicherungen arbeiten gemeinsam an der Entwicklung von Sicherheitsvorschriften für die Photovoltaik-Branche.

Deutschland beispielsweise, einer der Marktführer für PV-Sicherheitsanforderungen, führte die VDE-AR-E 2100-712 für die Einhaltung der Sicherheit zum Schutz gegen Stromschlag im Falle einer Brandbekämpfung oder der Wartung ein.

Die Anwendungsregel enthält Empfehlungen für die Planung und den Bau von Photovoltaik-Anlagen an oder auf Gebäuden, um gefährliche Berührungsspannungen vermeiden zu können, falls Schutzmaßnahmen, wie doppelte oder verstärkte Isolierung versagen, zum Beispiel im Brandfall.

In Österreich sind die Bestimmungen sogar noch strenger. Laut OVE R11-1: 2013 muss sich, je nach der vorliegenden Situa­tion, in der Nähe der Stromquelle (PV-Module) eine Abschaltvorrichtung befinden.

Mehr Sicherheit mit »Module Level Power Electronics« (MLPE)

Quelle: Solaredge
Quelle: Solaredge
Während die Umsetzung von erhöhten Sicherheitsvorschriften bei traditionellen Strangwechselrichtern schwierig und kostenintensiv sein kann – bei herkömmlichen Wechselrichtern kann die Gleichspannung nicht reduziert werden, selbst wenn sie abgeschaltet werden – bieten sogenannte »Module Level Power Electronics« (MLPE), etwa Leistungsoptimierer, eine effektive Lösung.

Die Hauptfunktion von Leistungsoptimierern besteht darin, den Energieertrag von PV-Anlagen zu erhöhen, in dem sie das Maximum Power Point Tracking (MPPT) auf ­Modulebene durchführen. Zudem bieten sie erhöhte Sicherheit. Die integrierten Sicherheitsfunktionen beispielsweise erfüllen die VDE-Brandschutzrichtlinien und die Richtlinie OVE R11-1: 2013, ohne dass bauliche Veränderungen vorgenommen oder zusätzliche und kostspielige Komponenten, wie etwa feuerfeste Kabel, Kabelkanäle oder Feuerwehrtrennschalter, eingebaut werden müssen. Gleichzeitig wird dadurch die Installation vereinfacht.

Schon bei der Planung können die PV-Anlagen so ausgelegt werden, dass bestimmte Risiken, die Brände verursachen können, verringert werden. Bei Solaredge-Anlagen löst beispielsweise die Isolations-Überwachungs-Einheit im Falle eines Erdungsfehlers das Abschalten der Anlage aus.

Dabei wird nicht nur der Wechselrichter getrennt, sondern die Leistungsoptimierer sind so ausgelegt, dass sie ebenfalls abgeschaltet werden und in den Sicherheitsmodus schalten und damit den Strangstrom auf nahezu 0 A reduzieren. Tritt ein weiterer Fehler auf, können Solaredge-Anlagen das ­Fließen von Rückstrom minimieren, wodurch die Brandgefahr ebenfalls verringert wird (Bild 1).

Darüber hinaus bleiben die Module, wenn sie an einen Leistungsoptimierer angeschlossen werden, nur solange im »Betriebsmodus« solange der Wechselrichter ein kon­stantes Signal sendet. Wird kein Signal ausgesendet, ist der Leistungsoptimierer so ausgelegt, dass er sofort in den Sicherheitsmodus schaltet, wodurch der Gleichstrom sowie die Spannung im Modul und an den Strangkabeln abgeschaltet wird. Im Sicherheitsmodus beträgt die Ausgangsspannung jedes Moduls 1 V (Bild 2). Wenn Feuerwehrleute also bei Tageslicht eine Solaranlage, die aus neun Modulen pro Strang besteht, vom Stromnetz trennen, reduziert sich die Gesamtspannung auf 9 V DC.

Der Abschaltmechanismus auf Modulebene wird somit, selbst wenn die Feuerwehrleute nicht wissen, dass eine Solaranlage vor­handen ist, bei Trennen des Wechselstrom-Anschlusses vom Netz ausgelöst.

Die ­Lösung »SafeDC«1), mit deren Hilfe sich die Spannung innerhalb 1 min auf unter 30 V reduzieren lässt, kann auf unterschiedliche Weise ausgelöst werden: Verlust der Wechselstrom-Leistung des Wechselrichters bei Anlagen ohne Speicher, Schaltung der Gleichstrom Abschaltung auf »off«, Abschalten des Ein- / Aus-Schalters am Wechselrichter, Abschaltsignal von einem Relais, zum Beispiel Feuerwehr-Gateway, Abschaltsignal von der Monitoring-Plattform, Erdschlusserkennung, durchtrennte Gleichstrom-Kabel oder erhöhte Temperaturen im Wechselrichter.

Der Einsatz von Leistungsoptimierern und Wechselrichtern von Solaredge ermöglicht das unmittelbare Trennen vom Netz bei Auftreten eines Anlagenfehlers. Dieser Vorgang wird beispielsweise ausgelöst bei Erdungsfehlern, Fehlerstromerkennung oder wenn bestimmte Lichtbögen durch das Monitoring festgestellt werden.

»SafeDC« wird standardmäßig bei allen Solaredge-Anlagen angeboten. Bisher hat der Hersteller mehr als 12,5 Mio Leistungsoptimierer und 513.000 Wechselrichter in über 90 Ländern verkauft – alle Geräte verfügen über die SafeDC-Technologie, um die Sicherheit der Feuerwehrleute bei der Brandbekämpfung zu verbessern.

Ein weiterer Sicherheitsvorteil von MLPE, wie Leistungsoptimierern, liegt darin, dass die Installationszeit reduziert werden kann. Da Leistungsoptimierer ständig mit den Photovoltaik-Modulen verbunden sind, überwachen sie die Leistung der einzelnen Module und übermitteln die Leistungsdaten an die cloudbasierte Monitoring-Plattform für eine verbesserte, kostengünstige Wartung auf Modul­ebene.

Das Wartungspersonal kann dadurch mithilfe eines Computers, eines Tablets oder Smartphones das Monitoring auf Modulebene und anschließende Fehlerbehebungen aus der Ferne durchführen, anstatt die Diagnostik in gefährlicher Höhe vornehmen zu müssen.

Da die Photovoltaik eine immer bedeutendere Quelle zur Deckung des weltweiten Energiebedarfes wird, ist die Photovoltaik-Industrie gefordert, die Sicherheit von Solaranlagen konstant zu erhöhen. Bis heute hat die Branche darauf mit der Entwicklung immer strengerer Sicherheitsstandards und kostengünstiger, innovativer Technologien reagiert.

Wir sind davon überzeugt, dass durch technologische Innovationen erhöhte Sicherheitsstandards, wie etwa Lichtbogenerkennung, erreicht werden können. Da sich diese Standards ständig weiterentwickeln, ist es bei der Planung von Photovoltaik-Anlagen von entscheidender Bedeutung, die örtlichen Sicherheitsrichtlinien zu kennen, die Bedürfnisse des Anlagenbesitzers zu berücksichtigen und einen Überblick über die auf dem Markt erhältlichen Produkte bei der Planung von Photovoltaik-Anlagen zu haben, um so größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten.
Über den Autor
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Lior Handelsman

Gründer und Vizepräsident Marketing und Produktstrategie von SolarEdge

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