Brandursache Photovoltaik

vor einigen Jahren geisterte das Thema schon einmal durch die Presse und hatte mich damals im Jahr 2010 zu diesem Artikel hier im Blog veranlasst. Damals konnte man das Thema noch unter der Überschrift “Fakenews” abhaken, da es bis dahin keine gut dokumentierten Fälle gab, bei denen die Photovoltaikanlage tatsächlich als Brandursache eindeutig identifiziert werden konnte. Das hat sich mittlerweile geändert. Viele tausend PV-Anlagen sind hinzu gekommen und mittlerweile gibt es vereinzelt Fälle, bei denen Fehler an der Photovoltaikanlage einen Brand verursacht haben.  Letzte Woche hatten wir den ersten Fall, bei dem es gebrannt hatte und wir die Brandursache eindeutig der Photovoltaikanlage zuschreiben konnten.  Hier die Beschreibung unserer systematischen Suche, bei der wir zunächst völlig im Dunkeln getappt sind. Durch den Geistesblitz eines Kollegen konnte der Fall am Ende dann doch noch geklärt werden.

Vorbemerkung:
Bevor ich mich nachfolgend detailliert mit dem Fall beschäftigen möchte, sei hier zunächst klar gestellt, dass dieser Artikel nicht dazu dienen soll eine mögliche Gefährdung durch Photovoltaikanlagen künstlich aufzubauschen. Ich halte die Photovoltaik nach wie vor nicht für gefährlicher als jede Erdgasheizung. Es ist jedoch aus meiner Sicht notwendig die Mechanismen die bisher zu Bränden geführt haben genau aufzuklären und darüber zu informieren. Nur so können Installateure von Photovoltaik Anlagen dafür sensibilisiert werden und ich hoffe mit Artikeln wie diesem, einen Beitrag dazu leisten zu können, zukünftige Schäden möglichst zu vermeiden.

Doch nun zum eigentlichen Fall. Ein Kollege aus Österreich hatte uns um Unterstützung gebeten. Es handelte sich um eine 100kWp PV-Flachdachanlage auf einem Firmendach, bei der es zu dem Brand gekommen war. Nur durch Zufall war Passanten das Feuer aufgefallen. Als die betroffene Firma alarmiert wurde standen bereits einige Solarmodule in Flammen. Unter den Solarmodulen hatte sich in der nicht brennbaren Dachfolie ein Loch gebildet, welches die darunter liegende Dämmung freigelegt hatte.

Bild des Daches nachdem der Brand entdeckt wurde. (Quelle Alexander Netzer)

Die Dämmung war brennbar und hatte bereits angefangen zu brennen. Zum Glück wurde der Brand rechtzeitig entdeckt, so dass Schlimmeres verhindert werden konnte. Es waren insgesamt 29 Module betroffen, die abgebaut werden mussten. Nachdem das Dach wieder repariert war stellte sich nun die Frage nach der Brandursache. Konnte man die verbliebenen Solarmodule wieder in Betrieb nehmen oder musste die komplette Anlage abgebaut und entsorgt werden ?
Um diese Frage zu klären haben wir vorgeschlagen eine Dunkelkennlinienmessung, eine Rückstromthermographie, sowie eine Elektrolumineszenzuntersuchung an allen Modulsträngen durchzuführen. Aus anderen Fällen wussten wir ja bereits, wie die Dunkelkennlinien von Modulsträngen aussehen, bei denen z.B. durch abgetrennte Zellverbinder Lichtbögen entstehen.

Dunkelkennlinie eines Modulstranges an dem sich ein Lichtbogen zündet.
Dunkelkennlinie eines Modulstranges an dem sich ein Lichtbogen zündet.

In einem Fall hatten wir mal zeigen können, wie durch einen Lichtbogen die Rückseitenfolie des Solarmoduls entzündet werden konnte.

Auch schlechte Steckerverbindungen zwischen den Solarmodulen, die ja ebenfalls schon als Ursache für Brände identifiziert werden konnten, sollten auf der Dunkelkennlinie erkennbar sein.

Start der Untersuchungen:
Die Anlage hatte insgesamt 18 Modulstränge. 15 Stränge mit 22 polykristallinen 250Wp Modulen in Serie und 3 Stränge mit 23 Modulen in Reihe. 3 der 22er Stränge waren von dem Brand betroffen. Die DC Leitungen wurden im Keller des Gebäudes mit MC Steckverbindern auf 3 DC Sammler geführt, die einen DC Freischalter enthielten. Oben drüber waren dann die 3 30kW Wechselrichter installiert. Als wir begannen unsere Vorabprüfungen bei Tageslicht zu machen und zu diesem Zweck die einzelnen DC Stränge von den GAKs (Gleichstromanschlusskästen) trennen wollten, teilte man uns mit, dass es auf dem Dach noch sogenannte Feuerwehrschalter gäbe. Diese seinen in Österreich mittlerweile Pflicht und man habe sie daher nachträglich auf dem Dach montieren lassen. Die Messungen an den einzelnen Modulsträngen musste also oben auf dem Flachdach an den Feuerwehrschaltern stattfinden.

Einschub Feuerwehrschalter:
Für alle, die noch nicht wissen was ein “Feuerwehrschalter” ist, sei dies hier kurz erklärt:
Im Zusammenhang mit den ersten Brandfällen an PV-Anlagen kam die Diskussion darüber auf, dass man eine PV-Anlage im Brandfall niemals vollständig abschalten könnte. Wenn die Wechselrichter ausgeschaltet werden, stehen ja immer noch die Gleichstromleitungen unter Spannung und zwar so lange, bis die Sonne untergeht. Um die Einsatzkräfte der Feuerwehr bei einem Löscheinsatz an einer Photovoltaikanlage zu schützen wurde daher vorgeschlagen sogenannte Feuerwehrschalter einzubauen. Es handelt sich hierbei um DC Trennschalter, mit vollem Lastschaltvermögen, die auf dem Dach, am Beginn der Gleichstromhauptleitung montiert werden. Die Schalter können von unten aus dem Technikraum heraus ferngeschaltet werden und ermöglichen es so, die ins Gebäude führenden Gleichstromleitungen spannungsfrei zu schalten. Auch bei einem Stromausfall schalten diese Schalter die DC Leitungen automatisch ab. Nach dem Abschalten verriegelt sich der Feuerwehrschalter und kann von unten nicht versehentlich wieder eingeschaltet werden. Zum Wiedereinschalten muss man auf das Dach klettern und den Schalter manuell wieder einschalten.
Da Feuerwehrschalter nicht die einzige Möglichkeit sind der beschriebenen Gefahr zu begegnen, sollen die Alternativen hier auch kurz beschrieben werden:
Alternativ zum Feuerwehrschalter besteht auch die Möglichkeit die DC Leistungen berührungssicher, dass heißt so zu verlegen, dass ein Feuerwehrmann auch im Brandfall zu keiner Zeit durch einen Stromschlag gefährdet werden kann. Dies wird in aller Regel durch die Verlegung in einem geschlossenen, geerdeten metallischen Kabelkanal oder durch Unterputzverlegung realisiert. Noch besser ist aus meiner Sicht, wenn man die komplette Wechselrichterstation auf dem Dach montiert und grundsätzlich keine DC Leitungen ins Gebäude führt. Über einen Fernschalter kann dann die AC-Seite geschaltet  und die Anlage im Brandfall stillgelegt werden. Ausführlich habe ich das Thema Feuer und Photovoltaik schon mal vor ein paar Jahren in diesem Artikel hier im Blog behandelt.

Zurück zu unserem Fall.
Nachdem wir Kenntnis von den Feuerwehrschaltern hatten, sind wir aufs Dach geklettert um die Schalter zu suchen. Fündig wurden wir in einem metallischen Kabelkanal, in den die Schalter einfach reingelegt waren. Jeder der Schalter hatte 2 Eingänge, die jeweils mit MC4 Einbausteckern zugänglich waren. Um nicht 9 dieser Schalter für die 18 Modulstränge verbauen zu müssen hatte der Installateur die Idee, jeweils 3 Modulstränge auf dem Dach parallel zu schalten. Dies geschah allerdings nicht in einem Gleichstromanschlusskasten sondern mit Hilfe zweier MC-Y-Stecker, die zu diesem Zweck in Reihe geschaltet wurden. Nach dem Feuerwehrschalter wurden die Leitungen dann ebenfalls mit Y-Steckern wieder aufgesplittet, so dass die alten Kabel weiter verwendet werden konnten (Ich habe weiter unten eine Schemazeichnung eingefügt).

Feuerwehrschalter von Santon
Feuerwehrschalter von Santon mit 2 Eingängen und 2 Ausgängen.

Es ist nachvollziehbar, warum diese Art der Installation gewählt wurde. Man wollte mit möglichst geringem Aufwand den Feuerwehrschalter irgendwie einbauen.  Reinfuddeln wäre der bessere Begriff. Schon an dieser Stelle muss ich aus sachverständiger Sicht sagen: “Das geht garnicht”. Entweder man baut in der Tat 9 Feuerwehrschalter für 18 Modulstränge ein oder man verlegt die ohnehin vorhandenen DC Anschlusskästen auf das Dach und baut den Feuerwehrschalter in diese Kästen ein. Dann erfolgt die Parallelschaltung auf dem Dach und es werden 6 neue DC Leitungen mit größerem Leitungsquerschnitt zu den 3 Wechselrichtern im Keller verlegt. Dazu sei ergänzt, dass jeder Wechselrichter 2 MPP Tracker hatte.

Zum Messen der einzelnen Stränge haben wir diese zunächst erstmal beschriftet, da die Kabel einfach auf dem Dach aufgetrennt wurden, um den Feuerwehrschalter einzubauen, ohne zu kennzeichnen um welchen Modulstrang es sich jeweils handelte. Dann wurden die MC Steckverbinder an den Y-Steckern geöffnet um die Spannung, den Kurzschlussstrom und den Isolationswiderstand mit einem Benning PV1-1 zu messen.  Am ersten Feuerwehrschalter waren alle Werte normal. Es fiel lediglich auf, dass man die Steckverbinder falsch aufgecrimpt hatte. Die Plusleitungen waren alle mit einem Minusstecker versehen und die Minusleitungen mit einem Plusstecker. Nach der Verpolung am Messgerät ließen sich aber alle Stränge einwandfrei messen. Beim zweiten Feuerwehrschalter waren die Stecker dann plötzlich wieder korrekt gecrimpt. Bis auf einen… doch dazu später mehr.

Nachdem wir an den Modulsträngen keine Auffälligkeiten beobachtet hatten, warteten wir die Dunkelheit ab und begannen unsere Messungen: Dunkelkennlinien, Elektrolumineszenz, Rückstromthermographie.
Die Dunkelkennlinien zeigten keinerlei Auffälligkeiten die Kurven der einzelnen Stränge lagen einwandfrei übereinander. Ein Strang wie der Andere.
Auch die Elektrolumineszenz brachte als Ergebnis nur einige hochohmigen Frontkontakte, also Zellen bei denen die Stromverteilung nicht mehr gleichmäßig war und bei denen ein Frontkontakt einen höheren Strom führt als der Andere. Es handelte sich noch um Zellen mit nur zwei Busbars. Die Thermographieuntersuchung zeigte allerdings keine großen Temperaturunterschiede.

Das Bild zeigt die Elektrolumineszenzaufnahme einer Solarzelle mit einem hochohmigen Frontkontakt. Dadurch ergibt sich eine ungleichmäßige Stromverteilung über die Zelle
Das Bild zeigt eine der Elektrolumineszenzaufnahmen einer Solarzelle mit einem hochohmigen Frontkontakt. Dadurch ergibt sich eine ungleichmäßige Stromverteilung über der Zelle

Durch diesen Fehler an den Zellen konnte nie und nimmer ein Brand verursacht worden sein. Ich hatte mittlerweile an einigen Stellen Steckverbinder gefunden, die einfach auf dem Dach lagen. Wie so oft waren an einigen Stellen die Verschraubungen an den Steckverbindern nicht korrekt zugedreht und an den Gleichstromhauptleitungen, also am Ende des jeweiligen Modulstranges wurden sogenannte Kreuzverbindungen gemacht. Kreuzverbindungen sind Steckverbindungen von Steckern verschiedener Hersteller, die zueinander kompatibel sein sollen. Beim Versagen einer solchen Verbindung verweigern allerdings in aller Regel beide Steckerhersteller jeweils die Gewährleistung, da jeder Hersteller immer nur Verbindungen seiner Stecker prüft. Es sei an dieser Stelle daher allen Installateuren dringend empfohlen solche Verbindungen nicht zu stecken. Das Gewährleistungsrisiko verbleibt am Ende immer beim Installateur.

Kreuzverbindung von Steckern verschiedener Hersteller
Kreuzverbindung von Steckern verschiedener Hersteller

Ich hatte also die Steckverbinder im Verdacht. Eindeutig sicher war ich mir nicht.
Da das Wetter am nächsten Tag sehr gut werden sollte, beschlossen wir zusätzlich zu den Nachtuntersuchungen am nächsten Tag noch einmal die Hellkennlinien aller Modulstränge zu messen. Vielleicht ließ sich ja hierdurch nochmal eine zusätzliche Erkenntnis gewinnen.

Auf den Hellkennlinen die am nächsten Tag gemessen wurden waren zwar starke Spuren von Verschmutzung der Module zu erkennen aber es gab keinen Hinweis darauf, wie der Brand hätte verursacht werden können.
Wir hatten lediglich wieder mit diesen blöden Steckern zu kämpfen, die an einigen Strängen falsch herum aufgecrimpt waren. Plus Stecker auf den Minusleitungen und umgedreht. Wir mussten dauernd unser Kennlinienmessgerät umpolen.  Ich hatte am Vortag noch den Kollegen darauf aufmerksam gemacht, dass man diese Stecker auswechseln müsse, damit man nicht mal aus Versehen zwei Stränge in Reihe schalten würde.
Der entscheidende Geistesblitz kam aber erst, als der Kollege fragte ob nicht durch die falschen Stecker schon jetzt an der Y-Verbindung ein Strom von einem Strang in den anderen rückgespeist werden könne ?
Da fiel es uns allen plötzlich wie Schuppen von den Augen. Das Desaster war bereits eingetreten. An allen Y-Steckern waren entweder alle Plusleitungen mit Plussteckern oder alle Plusleitungen mit Minussteckern versehen. Bis auf eine Y-Verbindung. Dort gab es 2 von der einen und einen von der anderen Sorte. Und das waren genau die 3 Stränge die vom Brand betroffen waren. Ich muss noch ergänzen, dass die 3 Reststränge (29 Module waren ja bereits verbrannt vom Dach entfernt worden) mit einer DC Verlängerung wieder geschlossen wurden, so dass wir die verbliebenen Module noch vermessen konnten. Es war dort also nicht eine Parallelschaltung von 3 Modulsträngen erfolgt, so wie es geplant war.

Das Schema zeigt, wie der Feuerwehrschalter der nur zwei Eingänge hat, für das Schalten von insgesamt 6 Strängen genutzt werden sollte.
Das Schema zeigt, wie der Feuerwehrschalter der nur zwei Eingänge hat, mit Hilfe von Y-Steckern für das Schalten von insgesamt 6 Strängen genutzt werden sollte.

Es wurden stattdessen 2 Stränge parallel geschaltet und diese Parallelschaltung wurde anschließend mit dem dritten Strang in Reihe verschaltet.

Das Schema zeigt, wie der Einbau dann tatsächlich erfolgt ist. Ein Modulstrang wurde verpolt am Y-Stecker angeschlossen.
Das Schema zeigt, wie der Einbau dann tatsächlich erfolgt ist. Ein Modulstrang wurde verpolt am Y-Stecker angeschlossen.

Um besser verstehen zu können was genau passiert, wenn man zwei parallel geschaltete Stränge mit einem dritten Modulstrang antiparallel verschaltet, habe ich mal ein Schema gezeichnet, bei dem zwei parallel geschaltete Solarmodule mit eine dritten Modul antiparallel verschaltet wurden. Das ist vom Prinzip her vergleichbar. Lediglich die umgesetzte Verlustleistung in den Zellen ist geringer und es fängt nicht gleich an zu brennen.

Das Schema zeigt den Stromfluss, wenn zwei parallel geschaltete Solarmodule mit einem dritten Modul antiparallel geschaltet werden.
Das Schema zeigt den Stromfluss, wenn zwei parallel geschaltete Solarmodule mit einem dritten Modul antiparallel geschaltet werden.

Wie man im Bild erkennen kann fließt der Strom quasi in einem Kurzschlusskreis. Die beiden parallelen Stränge können allerdings doppelt so viel Strom treiben wie der eine verpolte Strang. Das ist wie ein kurzgeschlossener Modulstrang, bei dem einige Zellen zur Hälfte verschattet sind. An diesen Modulen würden sofort die Bypassdioden leitend werden, weil die verschatteten Zellen nicht dazu in der Lage sind den vollen Kurzschlussstrom zu tragen. In unserem Fall ist der verpolte Strang nicht in der Lage den doppelten Kurzschlussstrom zu tragen, also werden dessen Bypassdioden aktiv. Diese Dioden sind allerdings nur dafür ausgelegt den einfachen Kurzschlussstrom für einige Zeit zu führen. Versucht man einen höheren Strom für längere Zeit hindurch zu treiben wird irgendwann die erste Dioden kaputt gehen und der Strom kann nur noch durch die Solarzellen fließen.

Das Bild zeigt den Stromfluss durch die gesamten Modulstränge, nachdem die erste Bypassdiode kaputt gegangen ist.
Das Bild zeigt den Stromfluss durch die gesamten Modulstränge, nachdem die erste Bypassdiode kaputt gegangen ist.

Nun ist eine Solarzelle oberhalb des Kurzschlussstromes nichts anderes als eine Diode in Sperrichtung. Diese Diode kann maximal 14-15V Sperrspannung aufnehmen, bevor sie elektrisch durchbricht. Man kennt in der Elektronik dieses Phänomen von Zener Dioden, die speziell dafür ausgelegt sind im Durchbruch betrieben zu werden. Solarzellen sind dafür nicht ausgelegt und werden sehr schnell extrem heiß. Nun überbrückt eine Bypassdiode immer 20 Solarzellen in einem 60 Zellen-Modul, so dass eine Spannung von 280-300V notwendig ist um alle 20 Zellen in den Durchbruch zu bringen. Die Spannung der beiden parallel geschalteten Modulstränge in unserem Beispiel reicht dazu locker aus. Bei voller Sonne fließen getrieben von den zwei parallelen Strängen ca. 18A. Bei einer Spannung von 300V ergibt sich daraus eine in den 20 Zellen umgesetzte Verlustleistung von bis zu  5,4kW.  Offenbar ist die dabei entstehende Hitze so groß, dass sich irgendwann die Rückseitenfolie entzünden kann und schließlich das ganze Modul in Flammen steht.

Das Bild zeigt eines der Module, die durch den Brand zerstört wurden.
Das Bild zeigt eines der Module, die durch den Brand zerstört wurden.

 

Welche Auswirkungen das Ganze dann haben kann, sieht man auf den hier im Artikel gezeigten Fotos. Wenn es schlecht ausgeht und unter der Dachbahn eine brennbare Dämmung liegt, so kann sich im ungünstigsten Fall auf diese Weise das ganze Dach entzünden.

Man kann an diesem Beispiel erkennen, wie wichtig es ist die Gleichstromleitungen einer PV-Anlage sorgfältig zu verlegen. Zur sorgfältigen Verlegung gehört es auch, einen hochwertigen Gleichstromanschlusskasten (Combinerbox) zu montieren, in dem alle Modulstränge sowohl auf der Plus- als auch auf der Minusseite abgesichert werden und zwar mit speziellen DC Sicherungen, von denen alle Sicherungen dazu in der Lage sein müssen die vollständige Leerlaufspannung aufzunehmen. Außerdem ist es unverantwortlich größere Photovoltaikanlagen ohne jegliches Monitoring auf Strangebene zu betreiben.

 

6 thoughts on “Brandursache Photovoltaik

  1. Mich würde ja noch interessieren, wer für diesen Schaltungsmüll verantwortlich war. Wie kann man denn bitte Y Stecker für eine PV Anlage nutzen? Ich bin fern ab davon Elektro-Techniker oder gar Meister zu sein, aber das das nicht geht, erschließt sich doch mit dem gesunden Menschenverstand.
    Mich wundert auch, bzw rein Interesse halber – haben die Tracker der Wechselrichter das überlebt? Die beinflussen sich ja bei der Schaltung gegenseitig.

    1. Namen kann ich hier keine nennen. Die Verwendung von Y-Steckern ist leider eine weit verbreitete Unart in der Photovoltaik insbesondere bei der Bildung von Strangblöcken in Dünnschichtanlagen.
      Die Wechselrichter haben das Spektakel überlebt.

  2. Brereits im ersten Ausbildungsjahr lernt (sollte sie) die angehende Elektrofachkraft, dass Stecker und
    Kupplungen nicht vertauscht werden dürfen. Trotzdem findet man solche Konstruktionen in der Praxis
    immer wieder. Selbst von altgedienten Elektroflachmännern! (kein Schreibfehler- das ” l ” soll sein).
    Auch die uralte Formel ” P = I² * R ” führt hier zur vierfachen Leistung im Modul, sie wird vielleicht
    wieder in Erinnerung gerufen wenn man sie ” begriffen ” hat und sich dabei die Finger verbrannt hat !
    Die Lösung mit den Y-Leitungen macht deutlich : “billig” ist nicht zu verwechseln mit “preiswert” .
    Das brandheiße Thema zeigt : auch aktuelle Technik benötigt fundiertes Grundlagenwissen !
    Danke für den Beitrag, ich hoffe, in 2019 wieder zu einem Seminar nach Rüsselsheim kommen zu dürfen !
    Das lohnt sich ! Herbert Wolter

  3. Man hätte das mit ein bisschen Interesse für seine Anlage doch an der fehlenden Leistung der kurzgeschlossenen Stränge merken müssen. Wer baut sich so eine große Anlage aufs Dach und kontrolliert dann nicht die Erträge?

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