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Sicherer Solarstrom

Die European Photovoltaic Industry Association (EPIA) prognostiziert der Photovoltaik-Branche weltweit ein weiterhin deutliches Wachstum. Photovoltaik-Anlagen tragen erheblich zur C02-Reduktion bei und rechnen sich nicht zuletzt aufgrund neuer staatlicher Fördermaßnahmen in vielen Ländern sowie der gesetzlich garantierten Einspeisevergütung (Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG) auch betriebswirtschaftlich. Besonderes Augenmerk liegt im sicheren Aufbau und Betrieb der Anlagen – entsprechende Anforderungen stellt die Norm DIN VDE 0100-712.
Bei den Photovoltaik-Anlagen, kurz PV-Anlagen, ist zu unterscheiden zwischen Off- und On-Grid-Anlagen. Off-Grid-Anlagen haben keine Verbindung zum öffentlichen Stromnetz. Sie verfügen in der Regel über einen Energiespeicher, der die Energieversorgung auch dann sicherstellt, wenn die Sonneneinstrahlung gering oder es dunkel ist. Der Solar-Generator ist dabei so zu dimensionieren, dass er in der produktiven Phase sowohl die elektrischen Verbraucher speisen als auch die Batterie laden kann. Ein On-Grid-System dagegen ist mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Seine Hauptelemente sind Photovoltaik-Module zur Umsetzung von Licht in elektrische Energie sowie ein Wechselrichter. Der Wechselrichter ist das ‚Herzstück‘ der Anwendung und steuert das gesamte Photovoltaik-System. Er setzt Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um und stellt die Verbindung zum öffentlichen Stromnetz her. Ein zusätzlicher Einspeisezähler misst die Menge der in das öffentliche Stromnetz eingespeisten Elektrizität (kWh) und unterstützt den Abrechnungsprozess.

Durchgängige Absicherung

Zur Durchführung von Wartungsarbeiten an den PV-Modulen oder Wechselrichtern müssen Einrichtungen zum Trennen der Wechsel- und Gleichspannungsseite vorhanden sein. Zudem muss der Gleichstromhauptschalter den Gleichspannungskreis unter Last sicher allpolig trennen können. Hierfür sind Lasttrennschalter mit einem entsprechenden Schaltvermögen für Gleichströme einzusetzen. PV-Steckverbindungssysteme dürfen im Allgemeinen nicht unter Last getrennt werden – eine geeignete Abschalteinrichtung mit Lastschaltvermögen ist deshalb unbedingt vorzusehen. Auf der Gleichstromseite müssen zudem die Solarmodule und Anschlussleitungen vor Fehlerströmen infolge von Kurzschlüssen im System oder Rückströmen von intakten Strängen in defekte oder verschattete Stränge geschützt werden. Die Gefahr von Rückströmen besteht bei der Parallelschaltung mehrerer Stränge. Sie können beispielsweise durch Kurz- oder Erdschluss, aber auch durch Abschattung von Modulen entstehen. Dadurch kann es zu einem Spannungseinbruch in einem Strang kommen, der dazu führt, dass Module durch einen Stromdurchfluss in Rückwärtsrichtung thermisch zerstört werden. Um die Module hiergegen zu schützen, werden Strangsicherungen eingesetzt, die bei unzulässig hohem Rückstrom abschalten. Neben der Zerstörung von Modulen können Fehlerströme auch zu Kabelschäden und Brandentstehung führen. Zu beachten ist, dass nur Sicherungen mit der speziell für Photovoltaik entwickelten Auslösecharakteristik gPV entsprechend IEC60269-6 (E VDE0636-6) eingesetzt werden dürfen.

Topologie der PV-Anlage

Die PV-Module werden mit Modulanschlussleitungen untereinander elektrisch verschaltet und zu Strängen zusammengefasst. Die Topologie der Photovoltaikanlage wird vom Wechselrichtertyp und dessen Kenndaten vorgegeben. Durch den Eingangsspannungs- und Strombereich des Wechselrichters ergibt sich, wie viele Module in Reihe bzw. wie viele Stränge parallel geschaltet werden können. Sollen mehrere Stränge zusammen geschaltet werden, wird ein Generatoranschlusskasten eingesetzt. Mit diesem werden die einzelnen Stränge des PV-Feldes gesammelt (parallel geschaltet) und die Leistung über größere Kabelquerschnitte zum Wechselrichter geführt. Neben den Anschlussklemmen für die PV-Strangkabel und -leitungen kann der Generatoranschlusskasten je nach Konfiguration Strangsicherungen, Überspannungsschutzkomponenten und Trenneinrichtungen enthalten. Die Installation im Generatoranschlusskasten ist kurz- und erdschlusssicher auszuführen: So sind z.B. die DC-Klemmen unterschiedlicher Polaritäten räumlich voneinander zu trennen oder anderweitig abzuschotten. Zum Schutz der Summenleitungen und weiterer Systemkomponenten in großflächigen Anlagen werden gPV-Sicherungen mit Bemessungsströmen bis zu einigen hundert Ampere eingesetzt.

Schutz gegen Brand und elektrischen Schlag

Aufgrund ihrer exponierten Anordnung auf Dächern oder Freiflächen sind PV-Anlagen besonders durch direkte oder indirekte Blitzeinschläge gefährdet. Schutz vor Überspannungen, die durch Blitzschlag oder netzseitige Überspannungen entstehen können, leisten Überspannungsschutzgeräte. Sie begrenzen auftretende Spannungsspitzen und gewährleisten damit die Sicherheit und dauerhafte Verfügbarkeit der Anlage. Im Falle eines Brandes geht von einer Solaranlage ein erhöhtes Risiko aus. Auch nach Freischaltung des Wechselrichters liegt die volle Generatorspannung (bis 1.000VDC) an den Gleichstromleitungen an. Beim Löschen mit Wasser besteht für die Rettungskräfte somit Lebensgefahr, wenn sie gewisse Mindestabstände zu den unter Spannung stehenden Leitungen nicht einhalten können. Die Lösung ist ein so genannter DC-Freischalter, der in einem entsprechenden Gehäuse im PV-Strang in unmittelbarer Nähe der Solarmodule installiert wird. Mittels eines angebauten Unterspannungsauslösers kann dieser über einen entsprechenden ‚Not-Halt‘-Taster oder durch das Abschalten der Stromversorgung über den örtlichen Energieversorger fernabgeschaltet werden. Grundsätzlich muss eine Schutzmaßnahme zum Schutz gegen elektrischen Schlag realisiert werden. Dies kann mit automatischer Abschaltung der Stromversorgung im TN-System durch Überstromschutzeinrichtungen erfolgen. Auch der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen kann aufgrund des Netzsystems (TT-System) oder anderer Anforderungen (z.B. Brandschutz) notwendig sein. Bei transformatorlosen Wechselrichtern können aufgrund der fehlenden einfachen (galvanischen) Trennung zwischen der DC-Eingangs- und AC-Ausgangsseite glatte Gleichfehlerströme im Wechselstromnetz entstehen. Um diese erkennen und abschalten zu können, sind für den Personen- und Brandschutz Fehlerstromschutzschalter des Typs B oder B+ erforderlich. Fehlerstrom-Schutzschalter Typ B+ bieten zudem einen gehobenen, vorbeugenden Brandschutz durch Begrenzung des Auslösewertes bei höheren Frequenzen auf maximal 420mA.

Energiemessung

Ebenso werden zur Erfassung der ins Stromnetz eingespeisten Energiemenge Zähler mit Rücklaufsperre oder elektronische Zähler gefordert, die beide Energieflussrichtungen getrennt erfassen. In geeichter Ausführung lassen sich diese Geräte auch als Abrechnungsgrundlage verwenden. Für Wartungsarbeiten an den Wechselrichtern schließlich ist eine Schalt- oder Schutzeinrichtung für die allpolige Trennung auch auf der AC-Seite vorzusehen oder im Wechselrichter zu integrieren. Die komplette PV-Anlage kann durch einen selektiven Hauptleitungsschutzschalter oder einen Sicherungs-Lasttrennschalter am Zählerplatz schnell und sicher vom Netz getrennt und wieder zugeschaltet werden.

Fazit

Gemäß EU-Richtlinie 2001/77/EG ‚Förderung der Elektrizität aus erneuerbaren Quellen‘ soll der Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Energie-Mix bis zum Jahr 2020 auf 20% erhöht werden. Photovoltaik wird dazu einen bedeutenden Beitrag leisten. Umso wichtiger sind durchgängige Konzepte, die die sichere Stromversorgung und hohe Verfügbarkeit der Anlagen gewährleisten. Hersteller wie Siemens bieten ein umfassendes und normgerechtes Produktspektrum, das alle in der Norm DIN VDE0100-712 geforderten Komponenten umfasst und einen zuverlässigen Schutz bis zum Wechselrichter gewährleistet.

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