Wie eine PV-Anlage im Brandfall am besten abschalten?

Im Falle eines Brandes kann man die auf dem Markt befindlichen Abschaltlösungen für Solaranlagen in drei Gruppen einteilen:

• Trennlastschalter auf der Gleichspannungsseite am oder im Wechselrichter (Standard bzw. ein Muss seit dem Inbetriebnahmejahr 2006)
• Trennlastschalter am Übergang zum Modulfeld
• Freischalten oder Kurzschließen jedes einzelnen PV-Moduls

Der Trennlastschalter direkt am Wechselrichter auf der Gleichspannungs­seite ist seit 2006 vorgeschrieben. Entweder ist der Schalter bereits im Wechselrichter integriert, oder es muss ein externer Schalter montiert werden. Mit dieser Maßnahme ist garantiert, dass nach Betätigung des Schalters durch einen Feuerwehrmann ab dem Wechselrichter in Richtung Zählerschrank und Netz keine Spannung mehr anliegt. Folgendes Schaubild soll das verdeutlichen:

Da aber der Wechselrichter in den meisten Fällen nicht in der Nähe der PV-Module, sondern im Keller montiert ist, sind weiterhin ab dem Wechselrichter hohe Spannungen vorhanden, die im Einsatzfall bzw. Brandfall zur Gefährdung der Einsatzkräfte führen können.

Durch den Einsatz einer der in den folgenden Absätzen beschriebenen Komponenten wird es ermöglicht, dass im Brandfall keine Spannung bis zu den Modulen anliegt. Ein Lösch-Einsatz im Keller bis hinauf zum ersten Modul ist damit, was die Spannungsproblematik der PV-Anlage angeht, sicher. An den Modulen liegt zwar weiterhin Spannung an, aber diese Lösung ist vor allem für bereits installierte Anlagen praktikabel. Eine Nachrüstung der Anlage ist meist ohne hohen zeitlichen Aufwand möglich. Auch hierzu das entsprechende Schaubild:

A) SOL30-SAFETY von Eaton-Moeller

Die Firma Eaton, ehemals Moeller Electric GmbH hat den Feuerwehrschalter "SOL30-SAFETY", eine Abschalteinrichtung für PV-Anlagen entwickelt. Beim SOL30-Safety handelt es sich um einen DC-Lasttrennschalter. Dieser wird in unmittelbarer Nähe der PV-Module montiert und in die Gleichstromleitung zum Wechselrichter eingefügt.

Es gibt zwei Schaltstellungen. In der Schaltstellung "Power" wird der Strom von den Photovoltaikmodulen zum Wechselrichter durchgeleitet. Dann gibt es noch die Schaltstellung "Safety". Dabei werden beide Gleichstromleitungen unterbrochen. Weiterhin ist ein Unterspannungsauslöser integriert. Dadurch kann der Schalter von einer beliebigen Stelle im oder am Haus fern ausgelöst werden.

Jetzt kommt noch der Clou: Wird das Haus vom Stromnetz getrennt, wird damit auch der Feuerwehrschalter aktiviert. Da die Feuerwehr bei einem Einsatz möglichst rasch das Haus vom Stromnetz trennt, schaltet sich auch der Wechselrichter ab und damit auch der Unterspannungsauslöser des Feuerwehrschalters.

Damit hat man also eine Spannungsfreiheit bis zu den Modulen gewährleistet. Aber eben nur bis dahin! Die Module bzw. alle Strings auf dem Dach haben weiterhin volle Spannung!

B) Hochleistungsautomat S800PV mit S800-RSU-H von ABB

Der ABB-Hochleistungsautomat S800PV von ABB Ltd., einem Schweizer Elektrokonzern wurde im Jahr 2010 mit dem Intersolar Award ausgezeichnet. Der fernsteuerbare Schalter mit elektrischem Motorantrieb schützt und schaltet laut ABB die PV Stränge und erlaubt durch die Minimierung der Stillstandszeiten im Fehler- oder Wartungsfall ein Maximum an Verfügbarkeit der Anlage.

Der Schalter RSU (Remote Switching Unit), der ferngesteuert werden kann, wird von einem Gleichstrommotor angetrieben und kann in der Anlage an den S800 PV angeschlossen werden. Für jeden Strang wird so ein Paket benötigt. Die Kosten sind vergleichsweise hoch und betragen für beide Komponenten zusammen an die 800 Euro.

C) Emergency-Switch von Santon

Der Emergency-Switch (auf deutsch Notschalter) von der Firma Santon International BV aus den Niederlanden ist ebenfalls ein motorbetriebener Schalter. Er kann entweder über einen Feuer-Alarm-Knopf oder über ein Mobiltelefon ausgelöst werden.

Über eine Schalttafel mit nur zwei Tasten sowie einer Statusanzeige kann die Anlage entweder an- oder abgeschaltet werden. Die Anlage kann von mehreren Personen über mehrere Geräte von mehreren Orten aus bedient werden. Alle Ereignisänderungen des Notfallsystems werden automatisch in einer Protokolldatei verzeichnet. Anhand der Datei können dann Rückschlüsse gezogen werden, wo in Zukunft Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden sollten.

D) Photovoltaik-Feuerwehr-Abschaltung von WeyPV

Die Photovoltaik-Feuerwehr-Abschaltung, kurz PFA von Weyel Elektrotechnik wird zwischen Solarmodulen und Wechselrichtern geschaltet und kann ebenfalls mittels Not-Aus-Taster ausgelöst werden. Bei der PFA handelt es sich um einen kompakten Abschaltkasten für bis zu 5 Strings. Wer möchte, kann auch gleich einen integrierten Überspannungsschutz dazu bekommen. Auch ist die Box erweiterbar. Bis zu zehn Strings können so bis zur Dachkante spannungsfrei geschaltet werden.

Die Box befindet sich auch hier wieder möglichst nah an den Modulen unter dem Dach, der Not-Aus-Schalter kann wahlweise im oder außen am Gebäude befestigt werden. Die eingesetzten Schalter sind von Eaton (siehe oberen Beitrag von Eaton-Moeller).

Für irreführend halte ich die Aussage: Mit der Betätigung des Not-Aus-Tasters können Photovoltaikanlagen auch zu Wartungszwecken spannungsfrei geschalten werden. Auch diese Abschaltlösung bietet nämlich nur Spannungsfreiheit bis zu den Modulen bzw. der Abschaltbox vor den Modulen, ab dort steht bei entsprechender Einstrahlung wieder die volle Spannung an!

In Planung sind eine Integration von Rauchmeldern mit automatischer Abschaltung, Hochwasser-Modul, automatische Signalweiterleitung an Leitsysteme, SMS-Mitteilung bei Auslösung sowie eine Notstrom USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung), die bei Stromausfall die Funktion der PFA aufrechterhalten soll.

Die sicherste, aber auch teuerste und komplizierteste Lösung ist die Spannungsfreiheit jedes einzelnen Moduls. Hier gibt es verschiedene Ansätze, mit der man die Solaranlage abschalten kann. Alle Lösungen haben gemein, dass eine Nachrüstung im Vergleich zu den Angeboten bei Spannungsfreiheit bis zu den Modulen zeitaufwendig und technisch anfälliger ist.

Das lässt sich auch leicht nachvollziehen, da ja jedes einzelne Modul in irgendeiner Art und Weise außer Betrieb gesetzt werden muss. Also muss der Installateur bei der vorhanden Photovoltaikanlage auf dem Dach auch an jedes Modul herankommen. Dass das nicht ganz einfach ist, wird jeder, der bereits eine PV-Anlage besitzt nachvollziehen können. Anders sieht es beispielsweise bei Solaranlagen auf Flachdächern aus. Hier ist die gute Erreichbarkeit der Module meist gegeben. Auch zu dieser Lösung das passende Schaubild:

A) Elektromechanisches Brandschutzelement von Newtos

Hierbei handelt es sich wohl um die einfachste und günstigste Lösung. In einem Keramikzylinder befindet sich eine vorgespannte Feder. Diese Feder wird durch einen Kleber im gespannten Zustand gehalten. Der Kleber verflüssigt sich bei hohen Temperaturen ab ca. 140 Grad Celsius und trennt die Verbindung. Wichtig dabei ist, dass die Verbindung sehr schnell gelöst wird damit keine Lichtbögen entstehen. Auch kann der Zylinder durch einen Feuerwehrmann mit einer Axt oder ähnlichem Gerät zerschlagen werden. Auch so wird die Verbindung getrennt.

Der Zylinder ist mit Standard-Steckverbindern ausgestattet und kann so zwischen die Module gesteckt werden. Da eine gefährliche Spannung bei ca. 120 Volt erreicht wird, ist es ausreichend, nur bei jedem zweiten oder dritten Modul solch ein Element dazwischen zu schalten.

Die Lösung ist einfach und auch die Kosten werden überschaubar sein. Die Nachrüstung einer Anlage dürfte mit diesen Elementen im Vergleich zu den anderen Produkten noch vergleichsweise einfach durchführbar sein. (Wobei hier "einfach" ein sehr dehnbarer Begriff ist). Die Markteinführung ist aber noch nicht erfolgt!

Nachteile sehe ich in verschiedener Hinsicht:

• Wird das Element durch Hitze ausgelöst, dann eben nur dort, wo diese Hitze tatsächlich ansteht. Das bedeutet, es wird nicht die gesamte Anlage stillgelegt, sondern immer nur die Teile, die sozusagen bereits in Flammen stehen. Wie erklärt man das im Ernstfall einem Feuerwehrmann?
• Die mechanische Zerstörung der Keramikzylinder durch einen Feuerwehrmann halte ich ebenfalls für fragwürdig. Erstens kann ich mir nicht vorstellen, dass dieser bei einem Brand auf dem ganzen Dach herumklettert. Der weitere Punkt, und für mich eigentlich der entscheidende ist der, dass es unheimlich schwierig sein wird, die Elemente auf einem verrauchten Dach zu finden und dann an sie heranzukommen. Bei meiner Anlage "High-Light" gibt es keine Zwischenräume zwischen den Modulen. So ist es bei den meisten Dachanlagen. Die Keramikzylinder befinden sich also unter dem Modul. Diese sind befestigt. Wie kommt jetzt der Feuerwehrmann an die Brandschutzelemente? Akkuschrauber mitnehmen?
• Zuletzt noch ein Wort zu den Steckverbindern. Hier sollte darauf geachtet werden, dass dieselben Stecker (identischer Hersteller!) verwendet werden, die an den Modulen vorhanden sind. Von "Einheitssteckern" rate ich auf jeden Fall ab. Im normalen Betrieb kann es dadurch lediglich zu Ertragseinbußen kommen, da der Widerstand höher ist. Schlimmstenfalls kann es aber durch nicht passende Steckverbinder zu Lichtbögen kommen. Das wäre in diesem Fall fatal, da das Element ja im Brandfall helfen soll und nicht die Ursache eines Brandes sein soll. Dies gilt aber für alle hier aufgeführten Lösungen, nicht nur für das mechanische Brandschutzelement von Newtos.

Aber trotz der Nachteile sei darauf hingewiesen, dass der Einsatz dieser Elemente immer noch besser ist, als wenn Solarkabel, die unter Spannung stehen mit einem Seitenschneider getrennt werden müssen.

B) Modulkurzschlussdose von Newtos

Die Modulkurzschlussdose wird zwischen die Module geschaltet. Sie soll bei Hitze oder bei undefiniertem Spannungsabfall die Module automatisch kurzschließen und damit die Module abschalten. Über eine so genannte "Monitor-Box" soll dann der Kurzschluss bei Bedarf wieder aufgehoben werden. Funktionieren soll das System ohne zusätzliche Verkabelung. Wie das genau aussehen soll, darauf wird nicht detailliert eingegangen. Weiterhin soll die Kurzschlussdose über kurz oder lang in die Modulanschlussdose des PV-Moduls integriert werden.

C) BFA-Box von der Solteq GmbH

BFA steht für Brandfallabschaltung. Das System funktioniert wie die Modulanschlussdose von Newtos. Auch hier wird zwischen jedes Modul eine so genannte BFA-Sicherheitsbox geschaltet. Dabei gibt es immer eine zusätzliche Leitung, welche als Datenkabel funktioniert.

Zwischen den Modulen ist also kein zusätzlicher Verdrahtungsaufwand notwendig. Es muss lediglich ein Kabel zu der Handmelder-Zentrale gelegt werden. Von dort können dann weitere Geräte angeschlossen werden. Das können weitere Not-Aus-Schalter, ein SMS-Benachrichtigungsmodul, ein Wassersensor bei überflutetem Keller, ein Leuchtschild oder auch eine Blitzleuchte sein. Zuletzt können auch Rauchmelder, eine automatische Löschanlage oder ein automatischer Toröffner, damit die Feuerwehr ungehindert ans Haus kommt integriert werden.

D) Solarmodule-Monitoring-System SMS01 von Solteq

Noch mehr Features bietet ein weiteres Produkt von Solteq. Das Monitoring-System SMS01 bietet zusätzlich zu den Optionen der BFA-Box (also zusätzlich zu den Brandschutzoptionen) eine Überwachung und Auswertung von jedem einzelnen Modul. Diese Monitoring System ist vergleichbar mit einem Datenlogger, hat aber noch viele weitere Funktionen. So werden von jedem Modul, jedem Strang und von der gesamten Anlage die Spannung sowie der Ertrag ermittelt. Außerdem kann die Temperatur der Eingangsklemmen der Wechselrichter, falls als zusätzliches Feature erwünscht, gemessen werden und bei vergleichsweise hohen Temperaturen die Anlage vollautomatisch abgeschaltet werden.

Ein Diebstahlschutz ist auch noch integriert. Sobald ein Modul abgeklemmt wird, wird ein Alarmausgang aktiv, der eine Sirene in Gang setzt und zusätzlich eine SMS an den Betreiber schickt. Wem das noch nicht reicht, der kann auch noch die Modultemperatur ermittelt haben oder ein Kühlsystem bei Überhitzung der Module aktivieren. Das klingt alles sehr toll und ist eine Spielwiese für jeden Technikfreak. Hier ist wirklich alles drin, man weiß gar nicht, mit was man zuerst anfangen soll. Das Wichtigste ist und bleibt aber die Abschaltung der Anlage auf Modulebene. Damit wird das Monitoring-System auch beworben. Aber eins ist sicher: Das volle Paket hat einen stolzen Preis.

E) Leistungsoptimierer - Optimizer - Maximizer

Wie bereits im Artikel "Brandfall" erwähnt, haben die Anbieter von Leistungsoptimierern das Thema Brandschutz aufgegriffen. Eigentlich wurden die Produkte ehemals dafür entwickelt, die Verluste von Solaranlagen bei Verschattungssituationen zu minimieren. Dann kam das Thema "Brand von PV-Anlagen" hoch und die Hersteller haben ihre Chance gewittert. Die angebotene Leistungselektronik hat nämlich den entscheidenden Nebeneffekt, dass jedes einzelne Modul nicht nur gesteuert, sondern auch komplett deaktiviert werden kann.

Inzwischen werden auch mehr und mehr Kooperationen zwischen den Herstellern der Leistungsoptimierer und Modulherstellern veröffentlicht. Ziel der Zusammenarbeit ist es, die Leistungselektronik in der Modulanschlußdose zu integrieren. Damit würden der nicht unerhebliche Zusatzaufwand an separaten Optimierungsboxen an jedem Modul sowie die zusätzliche Verkabelung entfallen.

Die Kosten für die Leistungsoptimierer sind momentan noch recht erheblich. Aber: Man bekommt bei Verschattungsproblemen etwas mehr Ertrag aus der Anlage heraus und, das ist der wichtige Punkt in diesem Artikel, bekommt die Möglichkeit die Module im Brandfall komplett zu deaktivieren. Werden die Optimierer in Zukunft vermehrt in Module eingebaut, werden die Kosten mit aller Wahrscheinlichkeit stark fallen. Sollte dann noch zusätzlich eine gesetzliche Regelung kommen, die die Abschaltung im Brandfall zwingend vorschreibt, werden die Kosten noch viel weiter nach unten gehen.

F) Powerbox von SolarEdge

Die Powerbox von SolarEdge Technologies Inc. aus Israel war einer der ersten Leistungsoptimierer auf dem PV-Markt. Das Ausschalten der Module wird hier über ein Signal bewerkstelligt, welches vom Wechselrichter ausgeht. Eigentlich ist das falsch ausgedrückt. Die Technik funktioniert nämlich so, dass die Module arbeiten, solange das Signal ansteht. Fehlt es, werden die Module deaktiviert. Wenn also der Wechselrichter automatisch vom Netz geht, wenn die Feuerwehr den Strom-Hauptschalter im Haus betätigt, dann sollten auch alle Module auf dem Dach und die Leitungen auf dem Weg dorthin sofort (wobei sofort auch nach einiger Zeit sein kann, bis sich die Ko

ndensatoren des Wechselrichters entleert haben) spannungsfrei sein. Von Nachteil ist der Hinweis, dass die Powerboxen mit einem eigenen Wechselrichter von Solaredge betrieben werden sollten. Das liegt daran, dass das mpp-Tracking nicht vom Wechselrichter, sondern von den Powerboxen erledigt wird. Es heißt zwar, dass auch ein herkömmlicher Wechselrichter mit dem System eingesetzt werden kann, aber das wird dann wohl eher kontraproduktiv sein. In dem Fall ist doppelt gemoppelt fehl am Platz!

G) Module Maximizer von Tigo

Der Energy Module Maximizer der Firma Tigo aus Kalifornien / USA geht einen etwas anderen Weg, der meiner Meinung nach sehr erfolgversprechend ist. Die kleinen, kompakten Boxen unter den Modulen sammeln die Analogwerte, die zur Berechnung des optimalen mpp-Arbeitspunktes benötigt werden. Diese werden dann entweder drahtlos oder durch eine Powerline an die Steuerungszentrale, die so genannte Maximizer Management Unit geschickt. Erst dort werden die erforderlichen Daten berechnet und sofort wieder zurück an jedes einzelne Photovoltaikmodul geschickt. An der Steuerungszentrale befindet sich ein nicht zu übersehender, knallroter "PV-SAFE"-Druckknopf. Wird dieser betätigt, wird jedes Modul deaktiviert und es liegt höchstens noch die Leerlaufspannung eines einzigen Moduls an. Die Möglichkeit einer Fernauslösung besteht ebenfalls.

Dadurch, dass auf Modulebene lediglich Daten erfasst werden, ist die Box relativ kompakt. Was noch wichtiger ist: sie ist nicht voll gestopft mit empfindlicher Elektronik und daher höchstwahrscheinlich recht robust und ausfallsicher. Die Firma Tigo ist mit mehreren Modul- und Wechselrichterherstellern in Kontakt. Demnächst sollen die ersten Maximizer in die Anschlussdosen renommierter Modulhersteller integriert werden. Für die Wechselrichterhersteller besteht die Möglichkeit, auf das vorhandene Know-how von Tigo zurückzugreifen, um nicht selber Forschung betreiben zu müssen. Gleichzeitig kann aber die Leistungsfähigkeit der Wechselrichter durch den Einsatz der Tigo Energy Module Maximizer gesteigert werden.

Aber wie bei allen vorgestellten Lösungen hat auch dieses System seinen Preis. Momentan dürfte dieser bei über 10% bis 15% der Gesamt-Anlagenkosten liegen.

H) SolarMagic Power Optimizer von National Semiconductor

Den Leistungsoptimierer SolarMagic von National Semiconductor gab es zuerst als Box, die zwischen die Module gesteckt wurde. Inzwischen wurde die gesamte Logik in einem Chipsatz untergebracht, der problemlos in eine Modulanschlussdose integriert werden kann. Zudem besitzt der Optimierer jetzt einen deutlich gesteigerten Wirkungsgrad.

Beim SolarMagic-Chipsatz wird die Optimierung komplett auf Modulebene vollzogen. Die Spannung eines jeden Moduls wird entweder angehoben, unverändert gelassen oder verringert, immer so, damit die Leistung optimal ist. Auch kann das PV-Modul komplett abgeschaltet werden, heißt es. Wie das funktioniert oder funktionieren soll, darauf geht National Semiconductor in den Publikationen bisher nicht ein.

I) Modulwechselrichter

Modulwechselrichter gibt es schon seit langer Zeit, sie werden aber kaum eingesetzt. Bei dieser Technik bekommt jedes Modul seinen eigenen, sozusagen persönlichen Mini-Wechselrichter spendiert. Da die Technik bisher aber noch nicht ausgereift, störanfällig und teuer war, fand sie kaum Käufer. Bei dem Einsatz von Modulwechselrichtern kommen erst gar keine hohen Spannungen zum Tragen, da die Module nicht in Strings in Reihe geschaltet sind. Zudem schalten sich die Wechselrichter ab, wenn die Feuerwehr den Stromhauptanschluss kappt.

Mit dem Aufkommen des Themas Brandschutz bei Photovoltaikanlagen gibt es jetzt auch eine Wiederauferstehung der Modulwechselrichter und verschiedene Hersteller investieren auch wieder Zeit und Geld in diese Technik, was sich durchaus positiv bemerkbar macht. Selbst der Marktführer SMA zeigt starkes Interesse an der Technik. Er hat nämlich den niederländischen Modulwechselrichterhersteller OKE übernommen.