Forschungs - Aktivitäten am PV Labor der BFH, u.a.: Brandprävention und bekämpfung bei PV-Anlagen

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1 Forschungs - Aktivitäten am PV Labor der BFH, u.a.: Brandprävention und bekämpfung bei PV-Anlagen Professor Urs Muntwyler, PV Labor Berner Fachhochschule Berner Institute Fachhochschule for Energy and Haute Mobility école Research spécialisée PV-Labor bernoise Bern University of Applied Sciences

2 Inhalt Einleitung PV und Brandschutz am PV Labor der Berner Fachhochschule Kreuzverbindungen von PV-Steckern Umfrage bei Schweizer Installateuren Testaufbau Resultate der Messungen Temperaturmessungen Beispiel: Schadhafte Kreuzverbindung Oberflächenanalysen und Schichtdickenanalyse mittels Rasterelektronenmikroskops (REM) Diffusionsberechnungen Behandlung von Silizium Fragmenten im Umland nach Brandfall Brandfall Lanzenhäusern Modul-Bestandteile Verträglichkeit von Siliziumfragmenten im landwirtschaftlichen Land auf Tiere Leitfaden Berner Gebäudeversicherung Leitfaden Schulung Feuerwehr-Instruktoren Ausblick Forschungsthemen

3 Die fünf Kompetenzgruppen des PV Labors der Berner Fachhochschule in Burgdorf (CH) & PV longterm measurement qualitycontrol PV inverter test photovoltaic oriented buildings (PVOB) PV2X/ EV2X: PV and smart consumers as electric vehicles Courses/ conferences/ workshops

4 TÜV Projekt «PV Fire Hazard» Das PV Labor der Berner Fachhochschule beteiligte sich am Projekt «PV Fire Hazard» des TÜV vielen Dank!

5 Kreuzverbindungen von PV-Steckern

6 Umfrage bei Schweizer Installateuren Erstellen Sie Kreuzverbindungen? Hatten Sie schon mal eine schadhafte Kreuzverbindung? 14% 52% 48% Ja Nein Ja Nein 86% Welcher Umstand hat zum Defekt geführt? Wie lange war die Anlage bis zum Eintreten des Defekts in Betrieb? 25% 25% 50% Stecker nicht richtig zusammengesteckt Erwärmung Nicht bekannt 25% 25% 25% 25% gar nicht unbekannt 1 Jahr 1 Woche

7 Testaufbau Steckerhersteller SMK Lin Yang QC Solar Multicontact Amphenol Tyco Weidmüller Prüfungsprozess Anfangsmessung nach EN :2013 Cycle-Test nach EN min der oberen Temperatur von +85 c +-2 C; 30 min der unteren Temperatur von - 40 C +-2 C; Überführungsdauer < 3min; Zyklen: 200. Feuchte-Wärmeprüfung nach EN Prüftemperatur: +85 C +-2 C; Relative Luftfeuchte: +85%+- 5%; Prüfdauer: 1000h. Schlussmessung nach EN :2013

8 Resultate der Messungen % % % % % % 80.00% 60.00% 40.00% 20.00% 0.00% Prozentuale Widerstandsänderung vom Neuzustand zum gealterten Zustand Sample Rot Sample Grün Sample Gelb Durchschnitt der 3 Samples

9 Temperaturmessungen Temperatur vor künstlicher Alterung Temperaturmessung nach künstlicher Alterung MC-MC Verbindung Amphenol QC Verbindung Amphenol-SMK Verbindung Bei dieser Paarung werden beim Nennstrom Temperaturen von über 150 Grad Celsius erreicht!

10 Beispiel: Schadhafte Kreuzverbindung Schadhafte Kreuzverbindung Lumberg MC Bei Wartungsarbeiten an einer 131 kwp Indachanlage entdeckt

11 Oberflächenanalysen und Schichtdickenanalyse mittels Rasterelektronenmikroskops (REM) Zinn Nickel Schichtdicken der Steckverbinder Kupfer Tyco, QC, Weidmüller Zinn Kupfer Linyang, Multi-Contact Zinn Nickel CuFe 2 P Amphenol Zinn CuNi 3 Si 0 Amphenol H4 PV QC 4.10 Tyco Solarlok PV4 Weidmüller WM4 Linyang LY Multi-contact SMK PV-03 SMK Schicktdicke Zinn in μm Schichtdicke Nickel in μm Dicke Zinn + Nickel in μm

12 Diffusionsberechnungen Mitteleuropäisches Klima; 8.8 C Diffusion in μm während 30 Jahren Diffusion in μm während 20 Jahren K -10K -5K 0K 5K 10K 15K

13 Temperaturen kritisch für Lebensdauer Erwartung: 40 Jahre Lebensdauer eines Fassadenelements Hochalpine PV- Fassade mit ungenügender Hinterlüftung Kritisch für Lebensdauer der Komponenten PV Module > 100 Grad möglich

14 Lebensdauer von PV-Steckern bei erhöhten Temperaturen Höhere Temperaturen erhöhen Diffusionsgeschwindigkeit Diffusionsberechnungen Steckerbetriebstempera-tur als Auslegekriterium Kontaktwiderstand unter Umständen nach Jahren nicht mehr im zulässigen Bereich Diffusion in µm erhöht sich stark mit der Temperatur

15 Zukunft: Weiter fallende Preise von PV- Anlagen mit Fragezeichen (USA)? PV ist eine disruptive Technologie die bestehende Energieunternehmen bedroht. Mehr und mehr dominieren die «soft costs» die Kosten der PV-Anlagen diese haben kaum sinkende Tendenz!

16 Anforderungen an PV-Komponenten für die Gebäudeintegration Professor Urs Muntwyler, PV Labor BFH-Burgdorf/ CH PV Fassaden-Element: 60m Höhe, 4 PV Fassadenseiten, Zürich (CH) Windlast Top höher als Modulfestigkeit Festigkeitstests und Fassadenplanung mit Studierenden der BFH Über 100 kwp PV-Leistung auf vier Seiten 2 Gebäude

17 Behandlung von Silizium Fragmenten im Umland nach Brandfall

18 Silizium Fragmente nach Vollbränden In der Schweiz traten in zwei Fällen bei Vollbränden von landwirtschaftlichen Gebäuden 2010 und 2014 mit dachintegrierten PV-Anlagen ein starker Austrag von Silizium Teilen auf. Dies verursachte bei den Bauern und landwirtschaft-lichen Behörden grosse Unsicherheit wie mit den Silizium Teilen und dem belasteten Land zu ver- fahren sei. Das PV Labor der Berner Fachhochschule wurde angefragt, diesen Sachverhalt zu untersuchen.

19 Brandfall Lanzenhäusern April 2015 Brand im Frühling 2015 bei Westwind CNPV-205-BLK (Standardlaminate mit Solrif-Alumi-nium- Rahmen) Brandursache: Schweissarbeiten Abgebranntes Maschinengebäu-de aus Ostrichtung

20 Silizium Austrag auf grosser Fläche

21 Bestandteile / EDX-Analyse (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) Abbildung 47: Ansicht der Probe 4 Abbildung 48: Ansicht der Probe 5 (Rückseite) Abbildung 49: Ansicht der Probe 6 (Rückseite) Abbildung 50: Ansicht der Probe 6 (Vorderseite) Probe Messbereich Nachgewiesene Elemente 2 -- Al, Si, O wenig Mg, Na, K, Ca und Fe 3 -- Al, Si, O wenig P, K, Ca 4 -- Al, Si, wenig O, Mg, Fe, Mn und Cu 1 Al, Si, O 5 2 Al, Si, O, C, wenig K, Ca 1 Al, Si, O, wenig K, Ca, Fe 6 2 C, O, Al, Si, S, Na, K, Sb, Ba, Ti und Fe Kontaktierung Ag, S

22 Verträglichkeit von Siliziumfragmenten im landwirtschaftlichen Land auf Tiere Befund dazu von Dr.med. vet. Samuel Kohler (HAFL - BFH): «Auf den ersten Blick sehen sie zwar sehr gefährlich aus [...] Durch die starke Muskulatur der Rindermägen wer-den diese Teile immer mehr zerkleinert bis nur noch Staub übrigbleibt. Teile von Siliziumzellen der Solarmodule vom Brandfall Untersuchungsbericht: Gefahr für Wiederkäuer durch Rückstände von Siliziumteilen nach Brand von Photovoltaikanlagen? Dr.med. vet. Samuel Kohler, BFH-HAFL, 23. Dezember 2015

23 Leitfaden PV Brandvermeidung für die Berner Gebäudeversicherung GVB

24 Leitfaden PV Brandvermeidung GVB Berner Gebäudeversicherung GVB unterstützt die Berner Fachhochschule in angewandter Forschung zur Brandvermeidung von PV Anlagen. PV Lichtbogendetektor Tests Lichtbogengenerator für Lichtbogendetektor-Tests Technische Tests (Kreuzkompatibilität etc.) IR-Aufnahmen von PV-Anlagen Erarbeitung eines Leitfaden für die Brandvermeidung von PV Anlagen in d und f (Februar 2016) Schulung der Feuerwehrinstruktoren des Kantons Bern in d und f (Januar 2016) Unterstützung von Feuerwehrkorps vor Ort

25 Einsatzcheckliste für Feuerwehren Ermittlung der Situation vor Ort 6. Zugang Solarmodule 5. DC-Leistungen spannungsfrei & spannungsführend 4. Wechselrichter 7. Art der Dachhaut bis 1000 V / 8A OFF GAK mit Überspannungs- Schutz DC- Lasttrennschalter ON OFF ON Wechselrichter OFF OFF Netz FI FI FI Überspannungsschutz AC-Elektrotableau ACmit FI-Schutzschalter Lasttrennschalter ON ON Feuerwehr Schalter 3. DC-Lasttrennschalter 1. AC-Lasttrennschalter oder FI-Schutzschalter 2. Feuerwehrschalter

26 Lichtbögen an beschädigten Photovoltaikanlagen Lichtbögen an PV-Anlagen können durch Unterbrechungen an DC- Leitungen, durch fehlerhafte elektrische Kontakte oder durch Beschädigungen der Isolation von DC-Leitungen entstehen. Lichtbögen an PV-Anlagen werden durch die Abschaltung der DCund AC-Lasttrennschalter gelöscht.

27 Ausblick PV Anlagen bieten ein neues Gefahrenpotential, das mit technischen und nicht-technischen Massnahmen eingegrenzt werden kann. Damit das Gefahrenpotential für den Fachmann richtig eingeschätzt werden kann, sind noch weitere Forschungen und Abklärungen nötig. PV Anlagen können durch Feuer beschädigt werden und müssen sachgerecht entsorgt werden. Feuerwehrkorps müssen geschult werden. In den Jahren werden wir uns auch mit stationären und mobilen Batterie-Speichern in Zusammenhang mit PV Anlagen kümmern.

28 PV Wechselrichter - Batterieeinheit auf dem Mont Soleil (MSE-Diplomarbeit) PV-Maximum Power Tracker Wechselrichter-Einheit zum Testen von Geschäfts-fällen beim Einsatz von Batterien in PV Anlagen. Die Anlage der Studiengesellschaft Mont Soleil wurde im Labor in Burgdorf getestet und steht atuell auf dem Mont Soleil im Bernern Jura. International

29 Verlustanalyse Energieflussdiagramm ηη bbbbbbbb = 1 3 (EE EE ccc@0.1cc + EE EE ccc@0.2cc + EE EE ccc@0.3cc )[%] Mit einem Gesamtwirkungsgrad von 86,9% besteht noch viel Verbesserungspotential!

30 Batteriespeicher: Geschäftsfelder Kategorie Kosten verwandte Dienstleistungen Power Quality verwandte Dienstleistungen Betreiber von dezentralen Erzeugungsanlagen 1: Energieverschiebung 2: Kurzfristige Leistungsbilanz 3: Fahrplan Erfüllung Unabhängige Netzbetreiber Energiespeicheranlagen 4: Arbitrage 10: Investitionsaufschub 11: Netzverlustreduzierung 5: Fahrplaneinhaltung 6: Automatische Frequenz-kontrolle 7: Reserve Kapaz. 8: Spannungsregel. 9: Schwarzstartfähigkeit Stromendkunden 12: Preisabsich. 13: Spitzenlast 14: Anreize und Tarife 15: PQ für Endbenutzer Quelle: Jan von Appen Fraunhofer IWES

31 Prosumer-Lab BFH-CSEM Energy Storage Research Center (ESReC) Dr. Daniel Brand Prof. Dr. Andrea Vezzini

32 Prosumer-Lab: Setup Numerische Simulation Randbedingungen aus der Simulation, z.b. Gebäudetemperaturen, Steuersignale EVO-System Hardware / Emulation Emulations- und Hardware- Infrastruktur (AC-Netz,50kVA) CTA Interfaces Lastprofile Datenbank

33 PV Marktvorhersage DOE 1980 verspätet sich Regierungswechsel in den USA (Carter-Reagan): es wird dunkel für die PV und die amerikanische PV-Industrie! Politik beeinflusst PV enorm!

34 Weltweit installierte PV - Leistung de.statista.com Nominal power (MW) Produktion 2014: 38,7 GWp/ 2015: >50 GWp

35 Viel PV grosse Stoffmengen! Jahr Markt ca./ Jahr Stoffmenge (to)/ Jahr Technologie dominant kwp 12 Tonnen monokristallines SI ,3 MWp Tonnen Monokristallines SI MWp Tonnen Poly-/ mono-si (>80% Markt) ,3 GWp Tonnen Poly-/ mono-si (>80% Markt) GWp 3,3 Millionen Tonnen Poly-/ mono-si (>90% Markt) 2020* 100 GWp 6,6 Milionen Tonnen Poly-/ mono-si (>90% Markt)*** 2060** 600 GWp 40 Millionen Tonnen Poly-/ mono-si (??? Markt) Steigende Volumen vom Rohstoff über die Verarbeitung zum Recycling! *Schätzung Fawer (vescore AG/ Tochter von Bank Notenstein) **Berechnung Muntwyler (basierend auf PV-Bestandprognose IEA 2014) *** Prognose Muntwyler

36 SCCER FURIES - Swiss Competence Centers for Energy Research zukünftige Stromnetze) : Zuverlässigkeit von PV Anlagen/ Langzeitperformance Brandvermeidung/ Entwicklung und Test von Lichtbogendetektoren Test von PV Wechselrichtern/ Smart-Modulen und PV- Wechselrichter Batterie Kombinationen Planung von Gebäudehüllen (PV oriented buildings PVOB) Einsatz von smart usern, stationären und mobilen Speichern im Stromnetz der Zukunft 36

37 Ausblick PV - Flasher/ «Smart-PV-Modul-Prüfstand» bereit - Multi-String-WR-Tester bereit - EUPVSEC Konferenz München: 3 Vorträge/ 3 Poster - Konferenzen: Brenet-/ Euro Sun- und Energy Forum - BSc- Diplomarbeiten: a) PV optimierte E-Mobil-Ladung (Sommer 2016) b) E-Mobil im bidirektionalen Betrieb (Januar 2017) c) PV-Anlage Campus Biel (prov. Jan. 2017) - Entwicklung und Test von Lichtbogendetektoren - Zuverlässigkeit von PV-Anlagen Einsatz von smart usern, stationären und mobilen Speichern im Stromnetz der Zukunft 37

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Internet: