Photovoltaik-Anlagen - Sicherheitsrisiken

Photovoltaik-Anlagen - Sicherheitsrisiken
& Sicherheitslösungen
PV-Anlagen bieten jede Menge Vorteile: von finanziellen Ersparnissen über positive Auswirkungen auf die Umwelt bis hin
zur Energieunabhängigkeit. Diese Vorteile sind der Grund dafür, dass PV-Anlagen auf der ganzen Welt installiert werden. Die
PV-Branche selbst erarbeitete sich inzwischen deutlich verbesserte Kenntnisse zur Thematik “Sicherheit von PV-Anlagen”. Im
Allgemeinen sind PV-Anlagen sichere, verlässliche Systeme, die keine Gefahr für Menschen oder Sachwerte darstellen. Dennoch
sollte man sich stets dessen bewusst sein, dass PV-Module und PV-Kabel bei Sonnenschein unter hoher DC-Spannung stehen.
Diese hohen DC-Spannungen können für Installateure, Wartungspersonal und Feuerwehrleute ein nicht unerhebliches Risiko
eines elektrischen Schlages darstellen. Vor diesem Hintergrund müssen Sicherheitserfordernisse während der Installation,
Wartung und im Falle eines Brandes berücksichtigt werden. Installateure schließen während des Installationsprozesses PVModule an, die über eine Ausgangsspannung von ca. 30-60 V verfügen. Während die Spannung, die an einem einzelnen
Modul anliegt, kein Sicherheitsrisiko darstellt, entsteht bei der Verschaltung mehrerer Module in Reihe jedoch eine viel höhere
Spannung, die während des Installationsvorganges für Installateure sehr gefährlich werden kann.
Sobald die Module in einem Strang verbunden sind, kann die Spannung 1000 V DC-seitig erreichen. Nach Anschluss der Stränge
an einen Wechselrichter ist die PV-Anlage mit hoher Spannung in Betrieb. Das bedeutet, dass das Wartungspersonal bei der
Durchführung von Standard-Betriebs- und Wartungsfunktionen, z. B. beim Durchführen von messtechnischen Überprüfungen
auf der AC- und/oder DC-Seite oder beim Ermitteln einer Strom-Spannungs-Kennlinie, hohen Spannungen ausgesetzt sein
kann. Während durch das Auslösen des entsprechenden Lasttrennschalters oder Leitungsschutzschalters im Stromkreisverteiler
herkömmliche Strangwechselrichter mit abgeschaltet werden, gilt dies nicht für die DC-Spannungen in den einzelnen
Modulsträngen, die – solange die Sonne scheint – gleich bleibend hoch sind.
Eine andere Situation, bei der ein hohes Sicherheitsrisiko vorliegt, ist der eher seltene Fall eines Brandes. Bisher gibt es nicht
viele Berichte von Bränden in Verbindung mit Photovoltaik-Anlagen und in den meisten dieser Fälle war die PV-Anlage nicht die
Brandursache. Dennoch müssen Feuerwehrleute bei Rettungseinsätzen im Auge behalten, dass die Anlage bei Sonnenschein
unter Spannung steht.
In solch einer Situation liegt ein zweifaches Sicherheitsrisiko vor. Das erste Risiko betrifft die Sicherheit der Feuerwehrleute. Zur
Gewährleistung ihrer eigenen Sicherheit schalten Feuerwehrleute als Vorsichtsmaßnahme die Stromversorgung in brennenden
Gebäuden ab, bevor sie die Gebäude betreten, um das Feuer zu löschen. Sie gehen davon aus, dass nach Abschalten der
Netzspannung kein Stromschlagrisiko mehr vorliegt und löschen das Feuer mit Wasser oder nutzen die Bildung von Brandlöchern
im Dach, um Rauch und Hitze abziehen zu lassen. Leider ist dies in Fällen, bei denen sich auf dem Hausdach eine PV-Anlage
befindet, eine Fehlannahme, welche zu Katastrophen führen kann.
Feuerwehrleute haben daher in den vergangenen Jahren zur Gewährleistung ihrer Sicherheit eine Strategie des „kontrollierten
Abbrennens“ für Gebäude mit PV-Anlagen entwickelt. Dieser Punkt stellt das zweite Sicherheitsrisiko dar. Ein solcher Fall lag
bei einer Lagerhalle in Hohenaspe vor, in der ein Feuer ausbrach. Durch die PV-Anlage auf dem Dach verzögerten sich die
Feuerlöschmaßnahmen. Die Feuerwehrleute waren bei der Brandlöschung zur Einhaltung von Brandbekämpfungsvorschriften
gezwungen, einen Sicherheitsmindestabstand zu potenziell unter Strom stehenden Hausteilen einzuhalten. In Italien sind diese
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Regelungen sogar noch strenger – dort ist es Feuerwehrleuten nicht erlaubt, Brände in Gebäuden, die unter Spannung stehen,
zu löschen. In den USA gab es sogar Fälle, in denen der Bau von PV-Anlagen aufgrund von Sicherheitsbedenken nicht genehmigt
wurde.
Angesichts der sich stetig entwickelnden Märkte und der weiten Verbreitung von Solarenergie fordern Brandschutzbehörden
sowie Versicherungs- und Versorgungsunternehmen auf der ganzen Welt die Einführung von Sicherheitsrichtlinien. In Deutschland
zum Beispiel, dem Marktführer im Bereich Sicherheitsstandards für PV-Anlagen, setzte man VDE-Brandschutzrichtlinien um,
denen zufolge zwischen einem PV-Wechselrichter und einem PV-Generator ein Abschaltmechanismus vorhanden sein muss. 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. Auch die USA haben strenge Sicherheitsrichtlinien
umgesetzt, z. B. die NEC 2014 welche auch als Rapid-Shutdown-Richtlinie bekannt ist. Entsprechend dieser Richtlinie muss
sich die Spannung auf allen PV-Leitungen, die sich entweder mehr als 150 cm in einem Gebäude oder mehr als 3 m von einem
Strang entfernt befinden, im Falle einer Abschaltung innerhalb von 10 Sekunden auf 30 V oder weniger (und 240 VA Energie)
reduzieren (z. B. wenn ein Feuerwehrmann den Abschaltmechanismus vom Haus aus bedient).
Während die Umsetzung von Sicherheitsvorschriften bei traditionellen Strangwechselrichtern schwierig und kostenintensiv
ist – bei herkömmlichen Wechselrichtern kann die DC-Spannung nicht reduziert werden, selbst wenn sie abgeschaltet werden
– bieten elektronische Vorrichtungen auf Modulebene, z. B. Leistungsoptimierer, eine effektive Lösung. Leistungsoptimierer
sind elektronische Geräte, die vom Installateur an PV-Module angeschlossen oder bereits vom Modulhersteller in das Modul
integriert werden und den herkömmlichen PV-Anschlusskasten ersetzen. Die Hauptfunktion von Leistungsoptimierern besteht
darin, den Energieertrag von PV-Anlagen dank ihrer auf Modulebene angesiedelten Maximum-Power-Point-Tracking-Funktion
(MPPT) zu erhöhen.
Darüber hinaus gewähren Leistungsoptimierer auch eine erhöhte Sicherheit. Wenn Leistungsoptimierer von SolarEdge an PVModule angeschlossen werden, bleiben die Module nur solange im „Betriebsmodus“, solange der Wechselrichter ein konstantes
Signal sendet. Wird kein Signal ausgesendet, schaltet der Leistungsoptimierer sofort in den Sicherheitsmodus, wodurch der
DC-Strom sowie die Spannung im Modul und an den Strangkabeln abgeschaltet werden. Im Sicherheitsmodus beträgt die
Ausgangsspannung jedes Moduls 1 V. Wenn Feuerwehrleute also bei Tageslicht eine PV-Anlage, die aus 10 Modulen pro Strang
besteht, vom Stromnetz trennen, reduziert sich die Gesamtspannung auf 10 V DC-seitig. Dies bedeutet, dass selbst dann,
wenn Feuerwehrleute keine Kenntnis von der Existenz einer PV-Anlage haben, und den AC-Anschluss vom Netz trennen, die
Abschaltung auf Modulebene eingeleitet wird.
Die typischen, an Standard-Wechselrichtersystemen vorhandenen Feuerwehrtrennschalter sind aus der Ferne bedienbare
Lasttrennschalter. Der Nachteil bei diesen Lasttrennschaltern liegt darin, dass – selbst bei einer Messung von 0 V nach einer
Abschaltung – an einem anderen Ort noch gefährliche Spannungen vorhanden sein können, z. B. wenn ein Kabelbruch vorliegt.
Bei SolarEdge Leistungsoptimierern kann man jedoch bei einer Messung von 1 V pro Modul zweifelsfrei davon ausgehen, dass
eine Abschaltung erfolgt ist, selbst wenn ein Kabelbruch vorliegt. Diese Technologie bietet deutlich mehr Sicherheit als die
vorher genannte Methode.
Ein anderer Nachteil von traditionellen Lasttrennschaltern besteht darin, dass es bei normalem Betrieb unklar ist, ob die Schalter
vorschriftsmäßig funktionieren. Wird ein Schalter z. B. nicht vorschriftsmäßig gewartet, funktioniert der Abschaltmechanismus
des Schalters möglicherweise nicht. Bei SolarEdge Leistungsoptimieren wird der Abschaltmechanismus dagegen bei einem
Anlagenausfall sofort eingeleitet. Dies ist sehr wichtig, denn so kann – selbst wenn keine Wartung durchgeführt wird – die
Sicherheit der Feuerwehrleute gewährleistet werden.
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Zusätzlich zur integrierten SafeDC™ Funktion tragen SolarEdge Leistungsoptimierer auch dazu bei, die Installationszeit zu
reduzieren. Zudem sind sie ständig an die Module angeschlossen: Sie überwachen die Leistung der einzelnen Module und
übermitteln die Leistungsdaten an das Cloud-basierte SolarEdge Monitoring-Portal für eine verbesserte, kostengünstige
Wartung auf Modulebene. Das Wartungspersonal kann dadurch mithilfe eines Computers, eines Tablets oder Smartphones
Monitoring auf Modulebene oder Fehlerbehebung aus der Ferne durchführen, anstatt die Diagnostik in gefährlicher Höhe
vornehmen zu müssen.
Angesichts der Tatsache, dass Solarenergie zu einer immer bedeutenderen Quelle für unseren Energiebedarf wird,
arbeitet die Branche konstant daran, die Sicherheit von Photovoltaik-Anlagen zu erhöhen. Bis heute hat die Branche auf
Sicherheitsanforderungen mit der Entwicklung immer strengerer Sicherheitsstandards und der Entwicklung kostengünstiger,
innovativer Technologien reagiert. Bei der Planung von PV-Anlagen ist es von entscheidender Bedeutung, die örtlichen
Sicherheitsrichtlinien zu kennen, die Bedürfnisse des Anlagenbesitzers zu berücksichtigen und einen Überblick über die auf
dem Markt erhältlichen Produkte zu haben, um maximale Sicherheit zu gewährleisten.
Text wurde verfasst von:
Lior Handelsman gründete SolarEdge im Jahr 2006 und ist zurzeit Vizepräsident im Bereich
Marketing und Produktstrategie, wobei er im Einzelnen für Marketingaktivitäten, das
Produktmanagement und die Geschäftsentwicklung verantwortlich ist.
Vor der Gründung von SolarEdge arbeitete Herr Handelsman elf Jahre beim israelischen
Electronics Research Department, ERD, eines der nationalen Forschungslabore von Israel, dessen
Aufgabe die Entwicklung innovativer und komplexer Systeme ist. Bei ERD hatte er verschiedene
Positionen inne. Er arbeitete unter anderem als Forschungs- und Entwicklungsingenieur im
Bereich Leistungselektronik, leitete die Leistungselektronik-Abteilung von ERD und war Manager
einer Vielzahl von umfangreichen Entwicklungsprojekten. Zuletzt war er als Niederlassungsleiter
von ERD tätig.
Herr Handelsman verfügt über einen Bachelor of Science-Abschluss in Elektrotechnik (cum
laude) und einen MBA-Abschluss vom israelischen Institut für Technologie, Technion, in Haifa.
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