1. Einleitung. 2. Brandschutzproblematik

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1 PV-Anlagen auf dem Dach Reduzierung des Risikos der Entstehung von Bränden sowie für die Feuerwehren im Löschfall durch den Einsatz von Micro-Invertern Dr. Alaa Mohd Enecsys Europe GmbH Louisenstr. 65,D Bad Homburg Tel.: +49 (0) Internet: 1. Einleitung Feuerwehreinsätze bei Gebäuden mit Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) können ein besonderes Problem darstellen. Kommt es hier zum Brandfall, müssen die Löschkräfte besonders sorgfältig vorgehen. Im Beitrag wird ein Lösungsansatz zur Gewährleistung einer größeren Sicherheit bei Feuerwehreinsätzen bei solchen Objekten vorgestellt. Der Lösungsansatz beinhaltet ein neues Solarwechselrichterkonzept, einen sogenannten Modulwechselrichter der es ermöglicht, auf die für PV-Anlagen üblichen hohen Gleichspannungen zu verzichten. 2. Brandschutzproblematik Die hohen Gleichspannungen (DC-Spannungen) bedeuten Gefahren für dachmontierte Photovoltaik-Anlagen während der Installation, dem Betrieb oder bei Entfernung der Anlage in Bezug auf die Sicherheit und bedingen geschulte Elektroinstallateure sowie detaillierte Ortskenntnisse der Feuerwehren im Brandfall. Abbildung 1: Der Einsatz von Modulwechselrichtern kann den Brandschutz verbessern.

2 PV-Module erzeugen bei Tageslicht eine DC-Spannung, die, bedingt durch die Reihenschaltung mehrerer Module (String), Werte bis 1000V erreichen können. Diese Gleichspannung wird mittels eines Wechselrichters (Inverter) in eine Wechselspannung (AC-Spannung) umgewandelt und im Hauptverteilerkasten ins Netz eingespeist. Auch wenn der Wechselrichter über die Hauptsicherung abgeschaltet werden kann, existiert weiterhin die durch die Module erzeugte hohe DC-Spannung auf dem Dach. Diese wird durch eine vom Dach ausgehende, bis in den Keller bzw. zum Ort des Wechselrichters reichende Installation an die Wechselrichter weitergeleitet. Somit besteht im gesamten Haus ein erhöhtes, durch Kurzschlüsse bedingtes Feuerrisiko. Auf der Wechselspannungsseite (AC-Seite) schützen Leistungsschalter und schalten Kurzschlüsse sicher ab, so dass Lichtbögen nicht entstehen können. In einer PV- Anlage gibt es weniger Möglichkeiten der sicheren Abschaltung, um Lichtbögen, die zu einem Brand führen können, zu verhindern. Die Ursachen für einen Brandfall auf der Gleichstrom-Seite (DC-Seite) können verschiedener Herkunft sein. Durch die Alterung der PV-Anlagen oder schadhafte Isolierungen können Brände, ausgelöst durch Lichtbögen, entstehen. Dies kann zum Beispiel im Bereich der Generatoranschlusskästen geschehen (siehe Bilder unten).. Abbildung 2: Schäden in Generatoranschlusskästen, Quelle: Sicherheitrelevante Aspekte bei Photovoltaik-Anlagen, Prof. Dr. Heinrich Haeberlin. Berner Fachhochschule. Einige PV-Anlagen verfügen über eine Trennstelle am Ende des Strings, um so die hohe DC-Spannung von der Trennstelle zum Wechselrichter abzuschalten. Dieses Abschalten eliminiert jedoch nicht das Vorhandensein der hohen DC-Spannung auf dem Dach, was zu hohen Risiken für die Feuerwehren im Brandfall führt. Nach VDE 0100 Teil 410 ist die Berührungsspannung bei (DC) Gleichspannung mit mehr als 120 V lebensgefährlich. Deshalb muss die Feuerwehr zuerst auf die Suche nach Trennschalter oder Wechselrichter gehen. Die Feuerwehren Dürfen keine

3 Anschlusskästen öffnen weil da durch hohe Gleichspannung entsteht die Gefahr eines Lichtbogens. Neuere Anlagen werden gemäß VDE mit einer Gleichstrom- Freischaltstelle (DC-Schalter) vor dem Wechselrichter ausgestattet, die aber häufig im Keller eingebaut wird, so dass auch nach dem Ausschalten die Solarmodule selbst und die Leitungen bis zum DC-Schalter noch unter Strom stehen. Es gibt verschiedene, aber zum Teil eher theoretische Möglichkeiten der Lösungskonzepte. Zum Beispiel könnten Notausschalter direkt an den Modulen angebracht werden, die auch im Brandfall noch sicher und zentral bedient werden können. Hier ist die Problematik, dass solche Schalter bisher nicht zu akzeptablen Preisen bis zur Serienreife entwickelt werden konnten. Eine andere Möglichkeit wäre, die PV-Anlage durch eine Abdeckung total zu verdunkeln, so dass keine Energie mehr erzeugt wird und sich die Anlage automatisch abschaltet. Allerdings würde eine technische Umsetzung im Ernstfall scheitern. Außerdem könnte durch das Auftragen einer dicken Löschschaumschicht eine Reduzierung der hohen Gleichspannung erreicht werden. Allerdings wird die ursprüngliche Stromleistung nach wenigen Minuten wieder erreicht. Die Konzeptionierung von einer PV-Anlage hat erhebliche Auswirkungen auf die Prävention und die Bekämpfung von Bränden: Durch den Einsatz von Modulwechselrichtern, die auch Micro-Inverter genannt werden, können die zuvor beschriebenen Risiken minimiert bzw. gänzlich beseitigt werden, da die Modulwechselrichtertechnologie die Ursachen für einen Brand und die Gefahren beim Löschen einer PV-Anlage beseitigen kann. Die Micro-Inverter wandeln die Modulspannung direkt am jeweiligen Modul in eine Wechselspannung um, d.h. hohe DC-Spannungen werden nicht erzeugt und liegen somit nicht vor. Diese Technik vermeidet das Risiko von Lichtbögen und bedeutet somit höchste Sicherheit für den Feuerwehrmann. 3. Modulintegrierte Wechselrichter Micro-Inverter für Solaranlagen beheben elegant und wirkungsvoll viele Probleme, die durch konventionelle String- oder Zentralwechselrichter verursacht werden. Ein Micro-Inverter ist eine kompakte Einheit. Er wandelt den aus dem Solarmodul gewonnenen Gleichstrom in Wechselstrom zur Einspeisung in das Versorungsnetz um und ersetzt somit String- bzw. Zentralwechselrichter.

4 Abbildung 2: Modulare Solarsystem-Architektur. Der Wechselstromausgang aus dem Micro-Inverter ist phasengleich mit dem Stromnetz und zeigt eine hohe Stromqualität bei geringer Verzerrung und fast einheitlichem Leistungsfaktor. Die Micro-Inverter bieten eine Reihe handfester Vorteile: Die Wechselrichter maximieren die erzeugte Energie aus jedem Solarmodul und somit aus der gesamten Photovoltaikanlage. Dies wird mittels Betrieb im Punkt der maximalen Leistung (MPPT - Maximum Power Point Tracking) und einer Leistungsoptimierung erreicht. Durch das Nachführen (Tracken) jedes einzelnen Solarmoduls wird eine maximale Energieerzeugung gewährleistet. Eine Leistungsbeeinträchtigung einzelner Module durch fehlerhafte Anpassung, Beschattung durch Wolken oder andere Hindernisse wie Bäume oder Schornsteine oder Behinderungen wie Blätter oder Verschmutzung hat keine Auswirkungen auf die restlichen Module und somit nur einen minimalen Einfluss auf die mit der Gesamtsolaranlage gewonnene Energie. Dies bringt gewöhnlich eine verbesserte Energieerzeugung von % und bietet somit einen maßgeblichen Kosten- und Leistungsvorteil. Die Performance der Solaranlage ist stark verbessert, da der Ertrag jedes einzelnen Moduls überwacht werden kann, was mit Stringsystemen nicht möglich ist. Betreiber und Installateure erhalten detaillierte Informationen in Echtzeit und haben somit die Möglichkeit, die Performance der Solaranlage über die gesamte Laufzeit zu verfolgen. Mit diesem System können einzelne, fehlerhafte Module erfasst werden, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber Stringsystemen darstellt. String-und Zentralwechselrichter sind häufig das schwächste Glied in der Solaranlage und müssen in aller Regel mindestens einmal über die Laufzeit der Solaranlage ausgetauscht werden. Die Micro-Inverter gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb über die gesamte erwartete Lebensdauer von 25 Jahren. Dies entspricht der Lebensdauer von Solarmodulen. Um dieses hohe

5 Maß an Zuverlässigkeit zu erreichen, verfügt der Micro-Inverter über drei Haupteigenschaften: eine patentierte, widerstandsfähige Topologie, hochtemperaturbeständige und robuste Komponenten und eine einzigartige und patentierte Speichertechnik. Dabei werden Dünnschichtkondensatoren anstelle von weniger zuverlässigen Elektrolytkondensatoren eingesetzt. Erschließt große neue Märkte wie: durch Schatten eingeschränkte Dächer, gebäudeintegrierte PV (Fassaden und unebene Oberflächen) und PV auf Strommasten und/oder Straßenlamp. Modulare Anpassung an Anlagengröße, die Anzahl der Module wird optimal an die verfüg-bare Fläche angepasst 4. Fazit Die Konzeptionierung von einer PV-Anlage hat erhebliche Auswirkungen auf die Prävention und die Bekämpfung von Bränden: Durch den Einsatz von Modulwechselrichtern, die auch Micro-Inverter genannt werden, können die zuvor beschriebenen Risiken minimiert bzw. gänzlich beseitigt werden, da die Modulwechselrichtertechnologie die Ursachen für einen Brand und die Gefahren beim Löschen einer PV-Anlage beseitigen kann. Die Micro-Inverter wandeln die Modulspannung direkt am jeweiligen Modul in eine Wechselspannung um, d.h. hohe DC-Spannungen werden nicht erzeugt und liegen somit nicht vor. Diese Technik vermeidet das Risiko von Lichtbögen und bedeutet somit höchste Sicherheit für den Feuerwehrmann. Literatur: 1. Häberlin, Heinrich. Photovoltaik, Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen,.ISBN-13: Electrosuisse; Auflage: 2 (2010) 2. Häberlin, H.,Photovoltaik, Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen, ISBN-13: VDE-Verlag GmbH, Berlin 3. H. Häberlin: «Langzeiterfahrungen in der Photovoltaik-Systemtechnik». Berner Fachhochschule, Technik und Informatik (BFH-TI),Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik, Photovoltaik-Labor, 7. Nationale Photovoltaik- Tagung 8./ Emmenbrücke 4. H. Häberlin: «Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen». AZ-Verlag, CH-5001 Aarau und VDE-Verlag, Berlin, 2007, ISBN und H. Häberlin und Ch. Renken: «Allmähliche Reduktion des Energieertrags netzgekoppelter PV-Anlagen durch permanente Verschmutzung und Degradation». SEV/VSE-Bulletin 10/ Achtung: Photovoltaikanlagen brandgefährlich!, Photovoltaik Gefahr im Feuerwehreinsatz, Landeshauptstadt München, Kreisverwaltungsreferat Branddirektion.