Planungs- und Ausführungsfehler

Mängel aus Planung und der Montage bei Photovoltaikanlagen sind vielfältig. Sie beeinflussen sowohl die Dauerhaftigkeit und Funktion der Anlage. Nicht selten wird aber auch die Betriebssicherheit der Photovoltaikanlage erheblich eingeschränkt – insbesondere im Bereich von Schutzmaßnahmen wie Blitz- und Überspannungsschutz sowie dem baulichen Brandschutz.

Planungsfehler

Planungsfehler ergeben sich zumeist bei der korrekten Anlagenauslegung zwischen Modulleistung sowie Wechselrichterleistung. In einigen Fällen werden auch vorhandene Verschatttungen nicht berücksichtigt. Neben der Beeinflussung des Ertragses können „harte“ Verschattungen – d.h. nahe Kernschattenbereiche – auch zu thermischen Schäden an den Modulen führen.

Insbesondere bei Anlagen an Einfamilienhäusern begegnet man oft viel zu groß dimensionierten Speicheranlagen. Hieraus ergeben sich oftmal Zweifel an deren Wirtschaftlichkeit.

Dach und Haltekonstruktion

Die Haltekonstruktion muss auf die spezifische Dachkonstruktion sowie Dacheindeckung abgestimmt sein. Passt dies nicht, kommt es zwangsläufig zu Schäden. Auch der statische Nachweis für die Haltekonstruktion ist zwingend erforderlich, damit die einwirkenden Lasten aus Eigengewicht, Wind und Schnee sicher und schadlos in die Dachkonstruktion eingeleitet werden können. Insbesondere bei Flachdächern kommt es immer wieder zu Problemen.

In der Praxis ergeben sich oftmals folgende Fehler / Mängel

  • fehlender statischer Nachweis der Haltekonstruktion
  • fehlerhafte statische Berechnungen
  • falsche Materialwahl mit Korrosionseffekten
  • Beschädigung der Dacheindeckung
  • keine theremischen Trennungen der Metallprofile bei zu großen, zusammenhängenden Modulflächen
  • falsche Modulbefestigung
  • gegenüber den statischen Ergebnissen zu klein gewählte Profile
  • Abweichungen von den Gründungsempfehlungen bei Freiflächenanlagen

Neben den statischen Anforderungen im Hinblick auf die Standsicherheit der Photovoltaikanlage sind auch konstruktive Anforderungen an deren Ausführung zu stellen. Fehler im Haltesystem können hierbei auch zu Schäden an den Modulen führen. Insbesondere werden nicht immer die Installations- und Montageanweisungen der Hersteller beachtet.

Gleichstromverkabelung

Bei der Gleichstromverkabelung ergeben sich in einem Fehlerfall nicht nur Gefahren bezüglich eines elektrischen Schlages, sondern insbesondere eine Brandgefahr durch einen Lichtbogen.

Leitungen sind vor äußeren Einflüssen geschützt zu verlegen und dürfen nicht auf der Dachhau liegen.

Fehlerhaft gecrimte Steckverbinder oder nicht geeignete Anschlussstecker führen ebenfalls zu Brandgefahren.

Generatoranschlusskästen

Gerade bei Großanlagen auf Dächern werden Parallelverschaltungen von Strings mittels Generatoranschlusskästen (GAK) organisiert. Die überwiegend aus Kunststoff bestehenden Gehäuse werden meist ohne Schutz auf die Dachflächen angebracht. Probleme ergeben sich dann meist durch eindringendes Wasser oder sich bildendes Kondenswasser. Auch in solchen Fällen ergibt sich dann unter bestimmten Umständen die Gefahr eines Kurzschlusses und einer latenten Brandentstehung.

Module

Visuelle Veränderungen oder optische Auffälligkeiten bei Modulen sind vielfältig. In der Regel ist eine spezielle Fachkenntnis gefordert, um genaue Diagnosen und Ursachen zu bewerten. Veränderungen können nicht alleine von außen her rühren, sondern auch altersbedingt, oder durch elektro-physikalische und chemische Prozesse hervorgerufen werden. Sie zeigen sich oft durch farbliche Veränderungen an den Zellen bzw. am ganzen Modul. Solche Erscheinungen können, müssen aber nicht leistungsrelevant sein.

Weitere Veränderungen sind manchmal optisch nciht feststellbar, sondern machen sich in Form von Leistungsminderungen bemerkbar. So u.a. der sogenannte „PID-Effekt“ (potential-induzierte-Degradation). Dieser Effekt kann bei allen kristallinen Siliziumsolarzellen auftreten, die in Glas und Folie eingebettet sind. Unter ungünstigen Bedingungen entstehen Leckströme am Übergang von Modul und Rahmen und sorgen so für ein „Abwandern“ von Elektronen. Dabei verlieren insbesondere die Zellen am Randbereich an Leistung. Erkennen lässt sich der Effekt vor Ort nur mittels Spezialmessungen (Elektrolumineszenz).

Bei optischen Veränderungen an Zellen gibt es gerade bei Versicherungsfällen oftmals Auslegungsprobleme, welche Veränderung auf welchem Ereignis ursprünglich zurückzuführen ist. Da werden z.B. oftmals sogenannte „Hotspots“ mit Blitz- oder Überspannungsschäden verwechselt.

Bei älteren Modulen sind oftmals Ausfälle von kompletten Zellstreifen in den Modulen feststellbar. Solche und andere Zelldefekte lassen sich leicht mit einer Thermografie aufspüren.

Wechselrichter

Zu bemängeln ist immer wieder die Nichtbeachtung herstellerbedingter Installationsvorgaben, z.B. was den Installationsort oder den Abstand der Geräte von seitlichen Begrenzungen oder untereinander angeht (Wärmebildung), aber auch durch die Nichtbeachtung von einschlägigen Vorschriften der VDE-Normen zur Installation von elektrischen Geräten (Installationsort) und brandschutztechnischen Vorgaben.

Wechselrichter und die übrige elektrische Anlage, wie z.B die Unterverteilung müssen jederzeit ohne Hilfsmittel zugänglich sein

Auch das Umfeld, wo die Wechselrichter installiert werden, spielt eine große Rolle. Werden die Wechselrichter in einen kleinen Raum oder auch unter Dach installiert, dazu noch in einem zu geringen Abstand zueinander, können diese sich gegenseitig aufheizen. Die Wechselrichter regeln dann bei einer bestimmten Betriebstemperatur automatisch ab. Ungeachtet dieser Abregelung, bei der man Ertragsverluste hinnehmen muss, ist die Lebensdauer solcher permanent überwärmten Geräte deutlich herabgesetzt.

Wechselstromseite

Die wechselstromseitige Verkabelung ab Wechselrichteranschluss über Unterverteilung, Zählereinheit und Netzanschluss sollte prinzipiell bei der Ausführung durch ein Elektro-Fachunternehmen keine Probleme bereiten, da sie ja in ähnlicher Form wie bei einer Hausinstallation zum elektrischen Standard gehört. Aber auch hier finden sich oftmals Probleme, da sich zum einen der Installationsort oftmals von der Standard-Hausinstallation unterscheidet und darüber hinaus auch erweitertes Wissen und Erfahrung gefordert ist. Hieraus ergeben sich nicht selten Beanstandungen bei

  • der Beachtung von elektromagnetischen Verträglichkeiten bei der Leitungsinstallation; d.h. Trennung von Leitungen unterschiedlicher Spannung und Funktion, wie z.B. Gleichstromleitungen / Wechselstromleitungen / Datenkabel
  • der Auswahl der richtigen Leitungen mit ausreichendem Querschnitt (Spannungsfall), Adernzahl (je nach Netzform und Installationsort – z.B. Landwirtschaft und Thema PEN-Leitung [4-adrige Leitung mit gemeinsamen Schutz- und Neutralleiter])
  • der Auswahl der richtigen Schutzeinrichtungen und deren Installation mit der richtigen Bemessung für den Fehlerfall (Kurzschlussstrom / Fehlerstrom) und Beachtung der Wärmeentwicklung
  • Leitungsverlegung und Anschluss im Hinblick auf zulässige Verlegeart (Biegeradien, Leitungsschutz)
  • besondere Verarbeitungsbedingungen bei der Verwendung von ALU-Leitern

Baulicher Brandschutz

Insbesondere bei gewerblichen Bauten bzw. Industriebauten sowie in der Landwirtschaft trifft man immer wieder auf Unzulänglichkeiten, was die Installation der Module, der Verkabelung sowie die Installation der Wechselrichter betrifft.

  • falscher Anbringungsort von Wechselrichter sowie elektrischer Unterverteilung
  • Nichtbeachtung von Brandwänden
  • Nichtbeachtung von Entrauchungsanlagen
  • Nichtbeachtung von Flucht- und Rettungswegen

Anlagenkennzeichnung

Bei PV-Anlagen sind bestimmte Anlagenteile dauerhaft zu kennzeichnen. Probleme bei Prüfung und Wartung bereiten immer wieder fehlende oder unzureichende Anlagenkennzeichnungen. Dies gilt auch für handbeschriftete Klebestreifen, welche nach einiger Zeit weitgehend abgewittert sind. Schwierig wird dies insbesondere bei größeren Anlagen mit Stringverteilerkästen und / oder mehreren Wechselrichtern mit mehreren Stringanschlüssen.

Stromspeicher

Stromspeicheranlagen sind hochsensible Komponenten mit einer hohen Energiedichte. Es ist bekannt, dass bei Stromspeicheranlagen entstehende Brände nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden können. Die meisten Fehler ergeben sich bei der Nichtbeachtung der Herstellervorgaben für die Montage solcher Speichersysteme sowie bei der Auswahl der Aufstellorte.

Die Batteriezellen sind gekennzeichnet durch das Vorhandensein großer Mengen chemischer Energie auf kleinem Raum (hohe Energiedichte) und durch einen sehr geringen Abstand zwischen den Elektroden. Gleichzeitig sind die eingesetzten Elektrolyten typischerweise brennbar bzw. leicht entzündlich. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) übernimmt deshalb neben der Steuerung und Überwachung des Ladezustands auf Zellen- und System­ebene auch das Temperaturmanagement beim Laden und Entladen. So soll sichergestellt werden, dass die Zelle im definierten sicheren Betriebsbereich gehalten wird.

Wird der sichere Temperaturbereich überschritten (z.B. durch eine Systemstörung, Ausfall des BMS), kann es zu einem so genannten Thermal Runaway kommen, was auch als thermisches Durchgehen bezeichnet wird. Bei einem Thermal Runaway wird in der Batterie gespeicherte Energie schlagartig freigesetzt und die Temperatur steigt innerhalb von Millisekunden auf mehrere hundert Grad  Celsius an. Der Elektrolyt entzündet sich bzw. das Elektrolytgas explodiert.

Im Zuge der Entwicklung eines Thermal Runaways verdampft das Elektrolyt mit ansteigender Temperatur sukzessive. Dadurch baut sich der Innendruck in der Zelle immer weiter auf, bis der Elektrolytdampf entweder über ein Überdruckventil oder durch das Bersten der Hülle freigesetzt wird. Ohne Gegenmaßnahmen entsteht dabei ein explosives Gas-Luft-Gemisch. Eine Zündquelle reicht dann aus, um eine explosionsartige Verbrennung herbeizuführen. Zudem kann sich ein Thermal Runaway in einem Batteriesystem von Zelle zu Zelle ausbreiten und so zu einem Großbrand führen.

Mögliche Ursachen für einen solchen Thermal Runaway liegen entweder außerhalb oder innerhalb der Batteriezelle. Im ersten Fall können extreme äußere Einflüsse, wie z. B. ein Gebäudebrand, dazu führen, dass die Temperatur in der Batterie über den tolerierbaren Wert steigt. Im zweiten Fall ist ein interner Kurzschluss Ursache für den gefährlichen Temperaturanstieg. Der Auslöser dafür wiederum ist eine extern beigeführte mechanische Beschädigung oder ein altersbedingter Ausfall des Separators durch Dendritenbildung (astartige Auswüchse an der negativen Elektrode).

Dass Brände an Stromspeichern durchaus möglich sind, zeigt folgende Pressemeldung (Auszug PV-Magazine Oktober 2023).

Im September scheinen sich die Zwischenfälle, bei den Batteriespeicher von Photovoltaik-Anlagen in Brand gerieten, wieder zu häufen. Allein fünf Fälle sind pv magazine in der zweiten Septemberhälfte bekannt geworden. Drei davon ereigneten sich in Deutschland und zwei in Österreich.

Der jüngste Fall ereignete sich am Nachmittag des 29. September im unterfränkischen Kleinkahl. Wie die Feuerwehr berichtet, habe es eine starke Rauchentwicklung in einem Einfamilienhaus gegeben. „Die Ursache des Brands war eine technische Störung, die zur Explosion des Stromspeichers einer Solaranlage führte. Der Raum, in dem sich der Stromspeicher befand, wurde dadurch in Mitleidenschaft gezogen“, heißt es im Einsatzbericht der Kreisbrandinspektion Aschaffenburg. Die Feuerwehrleute hätten zunächst Einrichtungsgegenstände und die Stromleitungen abgelöscht. Parallel sei der Photovoltaik-Heimspeicher ins Freie gebracht worden und in einem Sicherheitsbehälter abgekühlt worden, um ein erneutes Entflammen zu verhindern.  Allerdings sei das Gebäude durch die Folgen der starken Rauch- und Rußentwicklung derzeit nicht mehr bewohnbar. Verletzt wurde glücklicherweise niemand.

Anlagendokumentation

Ein großes Manko bei vielen PV-Anlagen sind fehlende Dokumentationsunterkagen. In vielen Fällen gibt es nicht einmal vernünftige Schaltpläne für das Modulfeld. Dabei sind die Mindestanforderung im Speziellen normativ in der DIN VDE 0126-23-1 geregelt. Hierzu zählen zu umfagrichen Angaben zu der Auslegung, Haltesystem, Statik sowie Stromlaufpläne auch die erforderlichen Prüfprotokolle zur Erstprüfung der elektrischen Anlage vor Inbetriebnahme.