Gefahrenpotenzial von Photovoltaik-Anlagen

Investitionen in Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) sind mit hohen Kosten verbunden. Um diese Investitionen zu schützen, müssen gesetzliche normative und versicherungstechnische Anforderungen erfüllt werden. Im Falle eines Blitzeinschlags ist nicht nur mit beträchtlichen Ausfallkosten und Schäden zu rechnen, es drohen bei Nichteinhaltung der Anforderungen zusätzlich rechtliche Konsequenzen.
Das Licht der Sonne transportiert jeden Tag mehr Energie auf die Erde, als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbrauchen könnte. Um diese kostenlos verfügbare Energie zur Deckung des täglichen Strombedarfs zu nutzen, werden auf immer mehr Gebäudedächern PV-Anlagen installiert.

Gefahren durch Blitzentladungen

Doch auf den Dächern ist die PV-Anlage nicht nur der Sonne am nächsten, sondern wird im Falle eines Gewitters auch besonders durch Blitzeinschläge gefährdet. Diese Gefahr entsteht in erster Linie durch nahe oder entfernte Blitzentladungen. Abhängig von der Intensität der Aufladung, kann ein Blitz mit einer Wucht von bis zu 200.000A einschlagen. Wenn eine ungeschützte PV-Anlage von einem Blitz getroffen wird, dann schlägt die Blitzenergie über die PV-Module und die Stringleitungen direkt zum Wechselrichter über. Der Wechselrichter wird zerstört und in der Regel kommt es zu einem Brand, der weitere erhebliche Zerstörungen verursacht.

Anforderungen an Blitzschutzanlagen

Anforderungen an den Blitz- und Überspannungsschutz erwachsen aus mehreren Rechtsquellen. Grundsätzlich werden folgende Rechtsquellen unterschieden:
1. Gesetzliche Anforderungen
2. Normative Anforderungen
3. Anforderungen der Versicherer

Gesetzliche Anforderungen

Ob eine Blitzschutzanlage installiert werden muss, hängt von dem Gebäudetyp ab, auf dessen Dach die PV-Anlage installiert ist. Die Landesbauordnung fordert z.B. in vielen Regionen für folgende Gebäude eine Blitzschutzanlage:
– Hochhäuser
– Krankenhäuser
– Schulen
– Versammlungsstätten (>100)
– Gebäude mit explosionsgefährdeten Bereichen
– Museen
Wird auf dem Dach eines Gebäudes dieses Typs eine PV-Anlage installiert, müssen die Blitz- und Überspannungsschutz-Vorgaben der DIN VDE0185-305, Teil 3 unbedingt eingehalten werden. Denn wenn hier die Funktion der Blitzschutzanlage ausfällt, entsteht nicht nur für das Gebäude, sondern auch für die darin befindlichen Personen, eine unzumutbare Gefahr. Zusätzlich muss im Fall eines Versagens der Blitzschutzanlage mit empfindlichen Regressforderungen gerechnet werden. Die Auslegung der Norm ist hier sehr deutlich. Die Bauverordnung schreibt daher vor, dass bei diesen Gebäudetypen die Funktion der Blitzschutzanlage regelmäßig (normalerweise alle drei Jahre) überprüft werden muss. Wenn bei der Überprüfung der Blitzschutzanlage Mängel erkannt werden, dann müssen diese unverzüglich behoben werden.

Normative Anforderungen

Das im Oktober 2009 erstellte Beiblatt 5 zur Richtlinie VDE0185-305, Teil 3 formuliert klare Anforderungen, die eine wirksame Blitzschutzanlage erfüllen muss. Im Sinne dieser Thematik müssen sich daher alle im Bereich PV tätigen Personen mit diesem Beiblatt vertraut machen. Denn wenn die im Beiblatt formulierten Anforderungen nicht erfüllt werden, ist im Falle eines Blitzeinschlags nicht nur mit beträchtlichen Ausfallkosten und Schäden zu rechnen. Zusätzlich sind rechtliche Konsequenzen möglich. Wenn ein Gebäude durch eine PV-Anlage erweitert wird, dann können sich die Gefährdungsparameter erhöhen. Das bedeutet: Ein Gebäude, welches vorher keinen Blitzschutz benötigte, muss möglicherweise durch den neuen Sachverhalt mit Blitzschutzmaßnahmen ausgerüstet werden. Daher ist eine ‚Risikoanalyse nach Norm‘ zwingend erforderlich, wenn ein Gebäude durch eine PV-Anlage erweitert wird. Die Neubewertung des Risikos muss gemäß DIN VDE0185-305, Teil 2 durchgeführt werden.

Anforderungen der Versicherer

Weil Blitzschutzmaßnahmen fehlten, mussten Sachversicherer in den letzten Jahren hohe Summen aufwenden, um Blitz- und Überspannungsschäden an Gebäuden zu regulieren, die durch PV-Anlagen erweitert wurden. Mittlerweile haben die Sachversicherer reagiert und fordern ab einer gewissen Systemgröße (gemäß VDS 2010 ab 10kW) Maßnahmen im Bereich Blitz- und/oder Überspannungsschutz. Das bedeutet in der Praxis: Wenn ein Gebäude durch eine PV-Anlage erweitert wird, dann muss beim Sachversicherer erfragt werden, welche Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen dadurch vielleicht notwendig werden. Diese Forderung wird bei den Betreibern und Installateuren von PV-Anlagen häufig außer Acht gelassen.

Zusammenfassung der Forderungen

Aus den Vorgaben der Norm, der Landesbauverordnung sowie aus regelmäßig gestellten Forderungen der Sachversicherer lassen sich folgende Grundregeln ableiten:
– PV-Module und Zuleitungen müssen sich im Schutzbereich der Blitzschutzanlage befinden.
– PV-Module und Zuleitungen müssen einen Trennungsabstand (in der Regel 0,5 bis 1m) zu den Teilen der äußeren Blitzschutzanlage einhalten.
– Die Wechselrichter müssen mit geeigneten Überspannungs-Schutzgeräten durch einen Blitzschutz-Potentialausgleich geschützt werden.

Überspannungsschutz für Gebäude ohne äußere Blitzschutzanlage

Naheinschläge und Wolke-Wolke-Blitze können (über das Magnetfeld bzw. das kapazitive Feld) Spannungsspitzen in Solarmodule sowie in deren Zuleitungen einkoppeln. Diese Spannungsspitzen können kurzzeitig mehrere tausend Volt erreichen und einen ungeschützten Wechselrichter zerstören. Um diese Gefahr abzuwenden, werden vor und hinter dem Wechselrichter geeignete Überspannungsschutzlösungen installiert und die ‚230VAC‘-Seite wird mit Ableitern vom Typ 2 geschützt. In der Hauptverteilung und für DFÜ- oder Datenleitunger sind weitere Überspannungsschutzmaßnahmen erforderlich.

Überspannungsschutz für Gebäude mit äußerer Blitzschutzanlage

Bei öffentlichen Gebäuden ist gemäß Bauverordnung eine äußere Blitzschutzanlage vorgeschrieben. Dabei muss zwingend die Forderung aus VDE0185-305, Teil 3, Beiblatt 5 beachtet werden: Die Installation einer PV-Anlage darf die Funktion der bestehenden Blitzschutzanlage nicht beeinträchtigen. Um die PV-Anlage in den Schutzbereich der Blitzschutzanlage zu bringen, werden Fangstangen verwendet. Die dabei einzuhaltenden Schutzwinkel sind in VDE0185-305, Teil 3 definiert. Zusätzlich muss der, gemäß VDE0185-305, Teil 3 geforderte, Trennungsabstand zwischen der PV-Anlage und der äußeren Blitzschutzanlage eingehalten werden. Gemäß der Norm muss der Trennungsabstand immer durch eine autorisierte Person (z.B. Blitzschutzfachkraft) berechnet werden. Als Faustregel kann man jedoch sagen, dass bei kleineren Wohngebäuden ein Trennungsabstand von 0,5m ausreicht. Wenn der notwendige Trennungsabstand eingehalten werden kann, dann sollte aus Sicherheitsgründen (statische Aufladungen) ein eventuell vorhandener metallischer Rahmen an den inneren Potentialausgleich angeschlossen werden. Bei ’nicht schutzisolierten‘ PV-Generatoren ist diese Maßnahme aus Sicht VDE 0100, Teil 712 bereits gefordert. Aber auch bei schutzisolierten PV-Generatoren wird die Erdung der Rahmen empfohlen. Auch hier sind Überspannungsschutzmaßnahmen für den Wechselrichter notwendig.

Folgen eines zu geringen Trennungsabstands

Bei einem Blitzeinschlag in die äußere Blitzschutzanlage fällt über die Induktivität der Anlage eine hohe Differenzspannung zwischen der Blitzschutzanlage und dem internen Potentialausgleich an. Diese Differenzspannung kann einige 100kV erreichen. Wird ein undefinierter Blitzüberschlag zwischen der Blitzschutzanlage und der PV-Anlage verursacht, dann werden die PV-Module zerstört. Zusätzlich können Teilblitzenergien, die über die Modulzuleitung oder den Wechselrichter in das Gebäude gelangen, elektronische Geräte zerstören und Brände verursachen. Um diese Gefahren abzuwenden, müssen folgende Maßnahmen ergriffen werden:
1. die äußere Blitzschutzanlage mit dem Metallrahmen der Module verbinden. Dabei muss blitzstromtragfähiges Material mit einem Querschnitt von 16mm2 gemäß VDE0185-305, Teil 3 eingesetzt werden.
2. auf der DC-Seite und der AC-Niederspannungs-Seite blitzstromtragfähige Ableiter des Typs 1 einsetzen.

Fazit

Bei einer nicht fachgerechten Installation von PV-Anlagen entstehen bei einem Blitzeinschlag sehr hohe Schäden. Bei Gebäuden ohne äußere Blitzschutzanlage sind die vorzunehmenden Maßnahmen relativ einfach und lassen sich von jeder Elektrofachkraft vornehmen. Bei Gebäuden mit äußerer Blitzschutzanlage sollte bereits in der Planungsphase der PV-Anlage eine Blitzschutzfachkraft mit einbezogen werden, um Gefahrenpotenziale frühzeitig zu erkennen und kostengünstig zu bannen. Nur die konsequente Einhaltung der Bauverordnung, der VDE0185-305-3, Beiblatt 5 und der Forderungen der Sachversicherer hilft Ärger zu vermeiden. Wird das Thema nicht im Vorfeld der Installation berücksichtigt, kann es teuer werden.

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