Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall

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1 Die Woche der Erneuerbaren Energien im Ilm-Kreis April 2012 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall Prof. Dr.-Ing. Michael Rock TU Ilmenau Fachgebiet Blitz- und Überspannungsschutz Seite 1 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen 6. Zusammenfassung Seite 2

2 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen 6. Zusammenfassung Seite 3 Photovoltaik in Deutschland ,1 % vom Bruttostromverbrauch aus Solaranlagen ca Photovoltaik-Anlagen (140 Mio. PV-Module) weltweit größte Spitzenleistung von ca. 24,8 GW Photovoltaik (PV) von SMA ist wichtige Komponente zukünftiger Energieversorgung ist Wachstumsmarkt hat enorme Entwicklung hinter sich und noch vor sich ist ausgereifte Hoch-Technologie hat großen Bedarf an engagierten Ingenieuren muss in Zukunft große Herausforderungen bewältigen Seite 4

3 Feuerwehr lässt Haus wegen Solaranlage abbrennen Weil sich auf dem Dach eines fast neuen Wohnhauses in Schwerinsdorf (Samtgemeinde Hesel) eine Photovoltaikanlage befand, mussten gestern Vormittag rund 70 Feuerwehrleute beinahe tatenlos zusehen, wie das Gebäude ein Raub der Flammen wurde. Das Risiko, bei dem Löscheinsatz einen elektrischen Schlag zu bekommen, war einfach zu groß, sagte Einsatzleiter Sirke Siebens der OZ: Wir mussten das Haus kontrolliert abbrennen lassen. Quelle: Ostfriesen Zeitung Seite 5 Übertreibung und Unkenntnis Feuerwehr löscht Gebäude mit PV-Anlagen generell nicht, wegen Gefährdung von Feuerwehr-Einsatzkräften durch hohe Spannungen H. Häberlin, BFH schon bei Restlicht lebensgefährlich hohe Gleichspannungen an PV-Generatoren (Mondlicht, Brand, Scheinwerfer, Blaulicht) Seite 6

4 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen 6. Zusammenfassung Seite 7 Ausgangspunkt Brand PV-Anlage löst Brand aus wie andere elektrische Anlagen kann PV-Anlage Brand verursachen Brände entstehen selten durch PV-Anlage PV-Anlage vom Brand betroffen Brandentwicklung von Aufbau und Materialeigenschaften der PV-Anlage abhängig besondere B e d i n g u n g e n durch G l e i c h s p a n n u n g Nur im Extremfall lässt Feuerwehr Gebäude kontrolliert abbrennen! Seite 8

5 Ursachen der Brandentstehung an/durch PV-Anlagen lose/gelockerte Kabel, Leiterbruch; schlechte Klemm-, Schweiß-, Löt-, Crimp-, Press- oder Steckverbindungen; Korrosion; beschädigte Module; unsachgemäßes Trennen von Verbindungen; Isolationsschäden; Qualitätsmängel, fehlerhafte Installation Lichtbögen schlechte Leitungsverlegung, zu lange Leitungswege oder zu kurze Kabel Verschmutzung, Feuchtigkeit, Frost, Hitze, Sturm, Hagel, UV-Licht, Tierfraß, Vandalismus direkte Blitzeinschläge unkontrolliert über PV-Anlage; Isolationsschäden durch Schalt- und Blitzüberspannungen Seite 9 Besonderheiten bei Bränden an und von PV-Anlagen Solargenerator liefert hohe Gleichspannung (> 120 V DC bis 1500 V DC ); Spannung wenig von Beleuchtungsstärke abhängig Spannungsfreischaltung nur bedingt oder nur für Teilbereiche möglich: Grundsätzlich sind PV-Betriebsmittel auf DC-Seite als unter Spannung stehend zu betrachten. Zugänglichkeit von Dachflächen durch PV-Module eingeschränkt komplizierte Brandausbreitung bzw. Kaminwirkung durch Module Montagesystem (aus Aluminium) mit geringer thermischer Beständigkeit (Herunterfallen von Modulen) Verletzungen durch Glassplitter von berstenden Modulen toxische Gase und Dämpfe in geringem Umfang bedrohlich für Einsatzkräfte der Feuerwehr Seite 10

6 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen 6. Zusammenfassung Seite Hohe Gleichspannungen im Modulbereich PV-Generator mit DC-Spannungen 400 V 1500 V Gefahr durch elektrischen Schlag Gefährdung nicht durch Spannung, sondern durch Strom durch den menschlichen Körper bei Gleichstrom keine Muskelverkrampfung, keine Loslassgrenze bei DC gefährlicher Strom 4- bis 5-fach höher als bei AC DC-Seite von Wechselrichtern bei Abschaltung Eingangskondensatoren noch aufgeladen: meist nur langsame Entladung durch Eingangsschaltung (bis wenige Minuten) hohe PV-Gleichspannungen begünstigen Entstehung und Bestehenbleiben von Lichtbögen Brandursache Seite 12

7 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich PV-Generator DC-Strang mit 400 V 1500 V PV-Generator beleuchtungsstärkeabhängige Stromquelle Beleuchtungsstärke von Scheinwerfern oder von Brand viel geringer als Sonnenlicht und inhomogen über PV-Anlage bei schwacher Beleuchtung bricht Spannung unter Belastung zusammen (z.b. Mensch berührt) nur sehr kleiner Strom möglich (< 1/ I SC STC bei Vollmond) bei geringer Beleuchtung auch Zündung und Bestehenbleiben von Lichtbögen unwahrscheinlich Seite 13 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen 6. Zusammenfassung Seite 14

8 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen Organisatorische Maßnahmen: geeignete Kennzeichnung von Gebäuden mit PV-Anlagen Erst- und Wiederholungsprüfungen von PV-Anlagen gezielte Aus-/Weiterbildung der Feuerwehr-Einsatzkräfte Bauliche Maßnahmen: Verlegung der Gleichstromleitungen mit hohem Feuerwiderstand oder außerhalb von Gebäuden Installation von Wechselrichtern im Außenbereich oder am Eingang des Gebäudes Zugangsmöglichkeiten für Dächer Brandabschnitte, Brandschottung, Brandwände Seite Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen Handlungsempfehlungen Photovoltaikanlagen (2010) Deutscher Feuerwehrverband DFV 1 m Abstand zu spannungsführenden Teilen bei Niederspannung Schalthandlungen nur am DC-Freischalter und an AC-Sicherungen Elektrofachkraft hinzuziehen Mindestabstände beim Löschangriff mit Wasser (DIN VDE 0132: Sprühstrahl 1 m / Vollstrahl 5 m) Abstand zu überfluteten Bereichen Seite 16

9 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen Brandschutzgerechte Planung, Errichtung und Instandhaltung von PV-Anlagen (Februar 2011) Bundesverband der Solarwirtschaft e.v. (BSW) Bundesvereinigung der Fachplaner und Sachverständigen im vorbeugenden Brandschutz e.v. (BFSB) Berufsfeuerwehr München Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.v. (DGS) Zentralverband der Deutschen Elektround Informationstechnischen Handwerke (ZVEH) Seite Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen Kennzeichnung von Gebäuden mit PV-Anlagen PV-Anlagen-Übersichtsplan Hinweisschild Seite 18

10 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen Technische Maßnahmen: PV-Feuerwehrschalter modul- bzw. generatornaher DC-Trennschalter Fernauslösung Freischaltung beider DC-Leitungen Eaton Industries GmbH H. Häberlin, BFH Seite Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen Weitere technische Maßnahmen: für PV-DC geeignete Modulanschlussdosen, Leitungen und Steckverbinder Einsatz geeigneter PV-Sicherungen (gpv) robuste Ausführungen von Geräten und Gehäusen für Außeneinsatz (IP65; Kondensatbildung vermeiden) Einsatz von Lichtbogendetektoren PV-Anlage mit Modulwechselrichtern Parallelschaltung kleiner Einheiten und separate Verkabelung zum Wechselrichter (< 120 V DC ) Seite 20

11 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen Optimale Lösung gegen hohe Gleichspannungen: gekoppelte Trennschalter oder Kurzschließer direkt an jedem Modul (aktive Anschlussdose / Smart-Panel) Spannungen < 120 V DC Fail-Save-Funktion Fernauslösung; klare Erkennbarkeit des Schaltzustandes Sicherung gegen Wiedereinschalten Allgemeine Probleme technischer Maßnahmen: Zuverlässigkeit über lange Lebensdauer der PV-Anlage unklar bei elektronischen Lösungen geringe Zusatzkosten; geringer Eigenverbrauch Seite 21 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen 6. Zusammenfassung Seite 22

12 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung Schadenstatistik Photovoltaik Mannheimer Versicherung 2010 Seite Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung Zerstörung von PV-Anlage durch Blitzschlag und Brand Feuerwehr-Inspektion Bad Kötzting Direkteinschlag selten, aber mit hohem Schadenspotential Seite 24

13 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung Schäden an Wechselrichtern Am häufigsten sind Überspannungsschäden an Wechselrichtern Seite 25 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen 6. Zusammenfassung Seite 26

14 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen Keine Erhöhung des Blitzeinschlags-Risikos durch PV-Anlage: exponierte Anordnung von schutzbedürftigem Wertgegenstand PV-Module sind bevorzugte Einschlagpunkte Richtlinien und Gesetze zur Errichtung von Blitzschutzsystemen: EN : Blitzschutz Risikomanagement EN Beiblatt 5: Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme VdS 2010: Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz VdS 3145: Photovoltaikanlagen, Technischer Leitfaden ThürBO 04/1994: Vorgaben der Landesbauordnung Thüringen Auf Privat-Gebäuden (ohne bereits bestehenden Blitzschutz) kein (äußerer) Blitzschutz gefordert: Überspannungsschutz trotzdem sinnvoll Seite Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen Blitzschutz für PV-Stromversorgungssysteme (Dachaufbauten) möglichst getrennte Fangeinrichtungen gegen direkte Blitzeinschläge (Trennungsabstand s) keine Teilabschattung durch Fangeinrichtungen s DEHN + SÖHNE Seite 28

15 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen Überspannungsschutz PV-Stromversorgungssysteme Schaden eines Wechselrichters durch Brand der Ableiter Eignung der Überspannungsschutzgeräte für maximale PV- Systemgleichspannung! R. Schüngel München Seite Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen Überspannungsschutzgeräte (SPD) auf Gleichstromseite Stehender Lichtbogen im SPD (Ableiter) Unzureichendes Schaltvermögen Brandschaden DEHN + SÖHNE SPD müssen bei Kurzschluss oder Überlastung in sicheren Zustand übergehen ohne Brandgefahr bei Überlastung oder durch Lichtbogen Seite 30

16 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen Überspannungsschutz fehlerresistente Y-Schaltung keine Überlastung bei Isolationsfehlern keine Brandentwicklung überlasteter Ableiter wird in sicheren Zustand versetzt wirksam bei Schaltüberspannungen atmosphärischen Entladungen DEHN + SÖHNE Seite Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen Überspannungsableiter auf DC- und AC-Seite des Wechselrichters s PV-Module s (getrennte) Fangeinrichtung UV1 UV2 Funktionserdung Montagegestell DC- Freischaltstelle HV DC AC HES Blitzstromableiter Blitzschutz-Potentialausgleich Überspannungsableiter Überspannungsschutz Seite 32

17 Gefahrenpotential an Photovoltaik-Anlagen im Brandfall 2. Hohe Gleichspannungen im Modulbereich 3. Maßnahmen zur Reduzierung von Personengefährdungen 4. Schäden an PV-Anlagen durch Blitz und Überspannung 5. Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen 6. Zusammenfassung Seite Zusammenfassung Die Photovoltaik-Anlage auf dem Dach ist nicht brandgefährlich, wenn Grundsätze beachtet werden und Schutzmaßnahmen ausgeführt sind. Grundsätze/Maßnahmen für Brandschutz Planung und Errichtung qualitativ hochwertiger PV-Anlagen (Material, handwerkliche Ausführung) vorhandene Brand- und Blitzschutzmaßnahmen nicht durch PV-Anlage beeinträchtigt geeignete Verlegung der Gleichstromleitungen und Aufstellung der Wechselrichter DC-Trennstellen oder Kurzschließer nah an Modulen Seite 34

18 6. Zusammenfassung Die Photovoltaik-Anlage auf dem Dach ist nicht brandgefährlich, wenn Grundsätze beachtet werden und Schutzmaßnahmen ausgeführt sind. Grundsätze/Maßnahmen für Brandschutz regelmäßige Wartung/Prüfung der gesamten PV-Anlage Hinweisschilder und PV-Anlagen-Übersichtsplan vorsehen Blitzschutz und Überspannungsschutz ist Brand- und Personenschutz erhöht Verfügbarkeit von PV-Anlagen für PV-Gleichstromkreis geeignete Überspannungsschutzgeräte vermeiden zusätzliche Brandursache Seite 35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Seite 36