Von eins auf null

Kategorie: 09 / 2011, Brandschutz, Spezial Petra Hannen

Brandbekämpfung: Strom und Wasser gelten als ungesunde Kombination. Daher fordert der Feuerwehrverband Abschaltsysteme für Photovoltaikanlagen – obwohl es den Unfallkassen der Feuerwehr zufolge bislang keinen einzigen Geschädigten gibt. Wissenschaftler versichern außerdem, dass von den unter Gleichspannung stehenden Komponenten ein geringeres Stromschlag-Risiko ausgeht als vielfach angenommen.

 

2009 wurde Dominic Furthner über Nacht berühmt. Der Brandmeister aus dem nordrhein-westfälischen Rösrath erlitt während eines Löscheinsatzes einen Stromschlag – im Keller eines Einfamilienhauses mit Solaranlage auf dem Dach. Bis Anfang 2011 tauchte der Feuerwehrmann immer wieder in Berichten und Fernsehsendungen auf und erzählte von diesem Erlebnis: als erster und einziger Photovoltaik-Geschädigter in den Reihen der vielen tausend deutschen Einsatzkräfte. Einen Stromschlag hat Furthner damals tatsächlich erlitten. Eine Photovoltaikanlage kann daran allerdings nicht schuld gewesen sein: Auf dem Haus gab es gar keine, es war lediglich eine Solarthermie-Anlage montiert, was vonder Feuerwehr aber seinerzeit nicht erkannt wurde. Wohl aber – und zwar im Mai 2011 – vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE).

Aktuelles Forschungsprojekt

Seit Februar untersucht das Freiburger ISE gemeinsam mit dem TÜV Rheinland in einem auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekt das Brandrisiko von Photovoltaikanlagen und mögliche Sicherheitskonzepte zur Risikominimierung; in dem vom Bundesumweltministerium geförderten Projekt sind auch die Feuerwehr sowie Firmen und Verbände als Partner eingebunden. Zum Auftakt analysierte ISE-Mitarbeiter Robin Grab besonders schlagzeilenträchtige Brändemit Photovoltaikbeteiligung, darunter auch den Feuerwehreinsatz in Rösrath. „Bei der Recherche sind wir darauf gestoßen, dass der Brand im Januar um 18 Uhr stattfand – also bei Dunkelheit. Da es mit Einsatzscheinwerfern nur sehr schwer möglich ist, gefährliche Spannungen und insbesondere gefährliche Stromstärken aus einem Solargenerator herauszuholen, hat uns das sehr stutzig gemacht“, erinnert sich sein Kollege Heribert Schmidt. Nachfragen bei den zuständigen Energieversorgern zu Typ, Größe und Ersteller der Anlage blieben ohne Erfolg. Schließlich machte Robin Grab die frühere Besitzerin des Hauses ausfindig – und deren schriftliche Erklärung sowie Fotos vom Tag nach dem Brand bestätigten dannendgültig, dass es sich um eine solarthermische Anlage gehandelt hatte.

Dank der ISE-Analysen sinkt damit die Zahl der bei den Feuerwehr-Unfallkassen gemeldeten Photovoltaikunfälle von eins auf null. Und auch bei einem anderen Aspekt nehmen die Wissenschaftler Photovoltaikkritikern den Wind aus den Segeln. „Wir haben bislang keine Fälle identifiziert, in denen die Feuerwehr einen Brand mit Personen- oder erheblicher Sachgefährdung wegen einer Photovoltaikanlage nicht gelöscht hätte“, sagt Grab. Das gelte nach Sichtung der Einsatzberichte und der Kommentare der beteiligten Feuerwehrleute auch für den heftig diskutierten Brand in Schwerinsdorf im Februar 2010. Die Photovoltaikanlage des Einfamilienhauses habe die Einsatzkräfte zwar verunsichert, das Problem seien jedoch hinter Holzvertäfelungen verborgene Glutnester sowie Rauchgasdurchzündungen gewesen. Grab: „Das Haus war ohne Einfluss der Photovoltaikanlage aufgrund des Brandverlaufes nicht mehr zu retten.“ Keine schlechten Nachrichten angesichts der über 750.000 in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen. Und aus der benachbarten Schweiz kommt ebenfalls ein Beitrag zur Versachlichung der Diskussion. Heinrich Häberlin vom Labor für Photovoltaik der Berner Fachhochschule hat sich auf Grundlage geltender Normen (IEC/TS 60479-1 beziehungsweise VDE V 0140-479-1) mit den elektrischen Gefährdungen durch Gleichströme beschäftigt. Sein Fazit: In den meisten Fällen ist es unproblematisch, brennende Häuser zu löschen, auf denen Photovoltaik installiert ist – nicht zuletzt weil er Gleichspannung als weniger gefährlich einstuft als Wechselspannung. Seine Begründung: Ursache für tödliche Stromunfälle ist – auch bei Niederspannung, also Wechselstrom (AC) bis 1.000 Volt und Gleichstrom (DC) bis 1.500 Volt – nicht die anliegende Spannung, sondern der durch das Herz fließende Strom. Und der hängt nicht nur von der Berührungsspannung ab, sondern auch von dem sich bietenden Widerstand – der bei Feuerwehrleuten nicht nur von Körper und Extremitäten geboten wird, sondern auch von Handschuhen und Stiefeln, Werkzeugen und Wasserstrahl. Hinzu kommt die physiologische Wirkung, die bei Gleichstrom anders ist als bei Wechselstrom: Bei Gleichstrom gibt es weder eine Immobilisierungs- nocheine Loslassschwelle, Betroffene bekommen also keine Krämpfe und können unter Spannung stehende Leitungen oder Anlagen jederzeit loslassen. Gleichstrom hat außerdem im Gegensatz zu Wechselstrom keine Frequenz, die die Kontraktionen des Herzmuskels stört, das Risiko eines tödlichen Herzkammerflimmerns besteht daher erst bei deutlich höheren Berührungsspannungen.

Häberlin schließt daraus, dass bei korrekter Bekleidung und korrektem Vorgehen auch bei Spannungen, die über den in diversen Normen und Vorschriften als kritische Grenze erwähnten 120 Volt DC liegen, in der Praxis kaum eine wirkliche Gefährdung auftreten dürfte. „Gespräche mit verantwortlichen Kadern der Feuerwehr in der Schweiz haben ergeben, dass in Gebäuden sehr oft auch Einsätze ohne vorheriges Abschalten der AC-Niederspannung von 230 Volt durchgeführt werden, ohne dass eine große Gefährdung der Einsatzkräfte auftritt“, so Häberlin. Da Gleichstrom etwa vier- bis fünfmal weniger gefährlich sei als Wechselstrom, könne man daraus schließen, dass mit Blick auf die Gefahr eines elektrischen Schlags DC-Spannungen von 900 bis 1.000 Volt vergleichbar seien mit einem Einsatz bei nicht abgeschaltetem AC-Netz mit 230 oder 240 Volt.

Keine Lebensgefahr bei Mondlicht

Und noch bei einem weiteren Punkt will Häberlin Licht ins Dunkel bringen: bei der oft beschworenen Gefahr durch Restlicht in der Nacht. Eine Photovoltaikanlage sei keine Spannungsquelle, sondern eine Stromquelle, und der Strom hänge proportional von der Bestrahlungsstärke ab. Häberlin verweist auf den sogenannten Weidezauneffekt: Die Spannung, die bei geringem Licht in den Modulen entsteht, bricht bei Berührung schnell zusammen. Bei entsprechenden Experimenten an einzelnen Modulen sowie an der hochschuleigenen Photovoltaikanlage erreichten die bei Vollmond und Halogenscheinwerfern gemessenen Leerlaufspannungen und -ströme nur einen Bruchteil der Werte, die zum Beispiel unter Standard-Testbedingungen beobachtet werden. Dass an Photovoltaikanlagen bereits durch den Vollmond lebensgefährliche Spannungen auftreten können, bezeichnet Häberlin daher schlichtweg als Unsinn. Auch im Licht von Scheinwerfern oder eines Brandes sei es wegen der geringen möglichenStromstärke äußerst unwahrscheinlich, dass bei geöffnetem DC-Freischalter beim Wechselrichter eine nennenswerte Gefahr entstehen könne.

Trotzdem: Stromunfälle – und sei es auch nur ein Sturz von der Leiter aus Schreck nach einem an sich ungefährlichen elektrischen Schlag – sind beiLöscheinsätzen an oder in direkter Nähe von Photovoltaikanlagen so lange möglich, wie es dort unter Spannung stehende Bereiche gibt. Daher bleibt das Thema Sicherheit der Einsatzkräfte weiter aktuell. Horst Thiem von der Branddirektion München betont: „Wir können und müssen Standards setzen, die bestmöglicheSicherheit gewährleisten, auch bei einem technischen Defekt oder Brand.“ Die Aus- und Weiterbildung der Einsatzkräfte ist aus Sicht der Feuerwehren eine ebenso sinnvolle wie notwendige Sofortmaßnahme, aber eben nicht ausreichend. Der Deutsche Feuerwehrverband (DFV) hat die Industrie deshalb aufgefordert,eine technische Lösung für den gefahrlosen Einsatz im Bereich von Photovoltaikanlagen zu etablieren. „Photovoltaikanlagen stellen für Feuerwehren im Einsatzfall eine ernste Herausforderung dar“, so der DFV. „Insbesondere durch die derzeit nicht vorhandene Abschaltmöglichkeit besteht im Schadenfall eine latente Gefahr für Hauseigentümer und Einsatzkräfte, da Anlagen selbst unter geringem Lichteinfall fortwährend eine gefährliche elektrische Spannung produzieren.“ ISE und TÜV werden sich bei ihrem dreijährigen gemeinsamen Projekt daher auch mit Komponenten beschäftigen, die eine Abschaltung der Photovoltaikanlageermöglichen. Diese Zusatzgeräte werden seit einiger Zeit von vielen Firmen entwickelt und angeboten, zur diesjährigen Intersolar kamen wieder etliche Produkte auf den Markt. Aber es fehlen Nachweise, dass diese Produkte über mindestens 20 Jahre hinweg zuverlässig sind und im Brandfall sicher funktionieren, kritisiert Ralf Haselhuhn von der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS), die ebenfalls in das Projekt eingebunden ist. „Bisher wurde noch keine dementsprechende Produktnorm und keine damit verbundene Zertifizierungsanforderung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit und Langzeitbeständigkeit erarbeitet.“ Kein Wunder, dass ISE und TÜV im Moment auf dem sicherlich lukrativen Markt einen gewissen Wildwuchs verzeichnen, der – auch das eine Aufgabe ihres Projekts – mit Hilfe von normativen Vorgaben in geordnete Bahnen gelenkt werden soll, allerdings ohne dabei eine konkrete Lösung vorzugeben: Die beste mögliche Variante hängt von den diversen Parametern der jeweiligen Anlage ab.

Die Tücken der verschiedenen bereits erhältlichen Produkte liegen, wie das bei Tücken ja meistens der Fall ist, im Detail. Ein Beispiel: Die Arbeit der Einsatzkräfte wäre erheblich sicherer, wenn sich die DC-Leitung zwischen Modulfeld und Wechselrichter spannungsfrei schalten ließe. Darauf zielen letztlich auch die meisten auf dem Markt angebotenen Lösungen ab, beispielsweise sogenannte Feuerwehrschalter, also Lasttrennschalter in Modulnähe, oder entsprechende Elektronik direkt in den Modulanschlussdosen. Diese Lösungen allein reichen jedoch unter Umständen nicht aus: Der meist hochkapazitive Eingangskondensator auf der DC-Seite des Wechselrichters wirkt wie ein Speicher, der die Spannung der DC-Leitung noch für eine Weile aufrechterhält, was bei Berührung zu einem Schock und auch zu Folgeschäden wie beispielsweise einem Absturz führen kann. Sofort spannungsfrei ist die Leitung nur, wenn auch der DC-Trennlastschalter geöffnet wird, der bei seit 2006 errichteten Anlagen vorgeschrieben ist und meist direkt am Wechselrichter sitzt oder in das Gerät integriert ist.

Spannungsquelle Kondensator

Wenn das nicht passiert, weil bei einer älteren Anlage kein solcher Schalter montiert wurde, sorgt nur die DC-seitige Eingangsüberwachungsschaltung im Wechselrichter für eine Entladung des Kondensators. Und das kann einige Zeit dauern, wie Experimente von Heinrich Häberlin zeigen. Bei dreiphasigen Wechselrichtern, die im Verhältnis zu ihrer Leistung nur eine relativ kleine Eingangskapazität benötigen, sank die DC-Eingangsspannung bei Tageslicht zwar bereits nach wenigen Sekunden nach Öffnen des Feuerwehrschalters auf ungefährliche Werte. Bei einphasigen Wechselrichtern hingegen, die eine wesentlich größere Eingangskapazität haben, dauerte dieses Absinken der Spannung je nach Versuchsaufbau zwischen 40 und 89 Sekunden. Auch nachts bei einer Beleuchtung durch Schwachlicht, wenn die Wechselrichter wegen der zu geringen Modulleistung nicht laufen, vergingen bei dem einphasigen Wechselrichter nach Öffnen der Feuerwehrschalter noch bis zu 34 Sekunden bis zum Absinken der DC-Eingangsspannung in einen unkritischen Bereich. Weitere Informationen zum Thema sind unter www.pvtest.ch (Publikationen, Nr. 147) zu finden.

Auf dieses Problem sowie auf weitere kritische Details weisen auch die ISE-Wissenschaftler nach einer Analyse der auf dem Markt befindlichen Produkte hin. Grundsätzlich gilt: Jede zusätzliche Maßnahme erhöht die Komplexität einer Photovoltaikanlage und damit sowohl die Kosten als auch die Ausfallwahrscheinlichkeit. Und: Jede Lösung hat Vor- und Nachteile (siehe Tabelle). Der einfache Ansatz beispielsweise, die Modulemit Schaum, Gel oder Planen großflächig lichtdicht abzudecken, gilt laut ISE bislang als technisch nicht zielführend und ist auch aus Sicht der Feuerwehr nicht sinnvoll, da Einsatzkräfte zum Beispiel bei einem Zimmerbrand mit Personengefährdung vorrangig im Gebäude agieren müssen und nicht zuerst auf dem Dach herumhantieren können. Bei thermischen beziehungsweise mechanischen Sicherheitselementen, die sich wie eine Kupplung in jede Standard-Steckverbin

dung zwischen Modul und Leitung einfügen lassen, ist im Brandfall wegen der unregelmäßigen Hitzeverteilung unklar, welche Trenner tatsächlich angesprochen haben. Lasttrennschalter mit Unterspannungsauslöser müssen – auch nach einem kurzen Netzausfall – manuell oder ferngesteuert wieder durchgeschaltet werden. Wird ein String mit einem Kurzschlussschalter spannungsfrei geschaltet, so liegt bei einer Unterbrechung des Strings, zum Beispiel an einer durchgetrennten Leitung, die volle Stringspannung an; ein dauerhaftes Kurzschließen ist laut ISE also zu vermeiden. In Modulanschlussdosen integrierte Serienhalbleiterschalter erfüllen gemäß VDE-Richtlinie nicht die Anforderungen an eine sichere Trennung. Und: Elektronische Lösungen sind oft relativ teuer, oder aber die Komponenten haben einen spürbaren Eigen- beziehungsweise Dauerverbrauch.

„Man muss aufpassen, dass man der Photovoltaik mit einer Überfrachtung mit zusätzlichen Komponenten keinen Bärendienst erweist“, sagt Heribert Schmidt. Er plädiert dafür, konventionelle Lösungsmöglichkeiten auszuschöpfen, beispielsweise indem DC-Leitungenaußerhalb von Gebäuden verlegt werden oder innerhalb von Gebäuden nur in Schutzrohren. Außerdem müssten Notwendigkeit und Effektivität der einzelnen Maßnahmen berücksichtigt werden, also ob eine Anlage ein hohes Gefährdungspotenzial für Leben und Sachwerte darstellt oder eher ein geringes, und welche Schutzziele erreicht werden sollen.

Anwendungsrichtlinie in Arbeit

Eine „Anwendungsrichtlinie zu Anforderungen der Freischaltung im Gleichspannungsbereich einer PV-Anlage“, die grundsätzliche Anforderungen für Freischaltvorrichtungen festlegen soll, ist derzeit in Arbeit und soll der zuständigen Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (DKE) zufolge 2011 der Fachöffentlichkeit vorgestellt werden. Die unter Wissenschaftlern geführte Diskussion, ob die in diversen Normen und Vorschriften als wichtiger Grenzwert genannten 120 Volt DC-Spannung überhaupt notwendig sind, scheint in der Anwendungsrichtlinie allerdings keinen Widerhall zu finden. Denn um die Zeit bis zu einer verbindlichen Produktnorm und derVerbreitung entsprechender Lösungen zu überbrücken, hat die DGS in Abstimmung mit der Arbeitsgruppe Brandschutz des Bundesverbands Solarwirtschaft (BSW-Solar) ein übergeordnetesSchutzziel vorgeschlagen, das die Sicherheit von Einsatzkräften im Brand- und Havariefall schon jetzt erhöhen soll: „Durch die Installation von PV-Anlagen dürfen keine berührbaren DC-Spannungen von mehr als 120 Volt (DC) im Brandfall im Gebäude auftreten, so dass Personenrettung und Brandbekämpfung im Gebäudeinneren sicher durchgeführt werden kann.“ Die Betonung liegt auf dem Wort „berührbar“: Es dürfen im Gebäude sehr wohl höhere Spannungen auftreten, solange diese eben nicht berührbar sind, sich also zum Beispiel in Schutzrohren oder unter Putz befinden.

Bauliche Maßnahmen

Vor allem bauliche, technologische und organisatorische Maßnahmen gehören dazu, von einer feuerwiderstandsfähigen oder Außenwand-Verlegung von DC-Leitungen über einen mit Sicherheitsabstand möglichen Zugang zu den Räumen unterhalb der Photovoltaikanlage – bei Satteldächern zum Beispiel über die nicht mit Photovoltaik belegte Nordseite – und dem Einhalten der Abstände zu Brandwänden und Gebäudetrennwänden bis hin zu Übersichtsplänen für Einsatzkräfte und der Kennzeichnung der Photovoltaikanlage an Hausanschlusskasten und Gebäudehauptverteilung durch ein Hinweisschild. Die Broschüre „Brandschutzgerechte Planung, Errichtung und Instandhaltung von PV-Anlagen“ fasst bauliche, technologische und organisatorische Maßnahmen zusammen. Sie wurde im Februar mit Unterstützung des BSW-Solar, der Bundesvereinigung der Fachplaner und Sachverständigen im vorbeugenden Brandschutz (BFSB), der Berufsfeuerwehr München, der DGS und dem Zentralverband der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (ZVEH) erstellt und steht online zum Download bereit (www.dgs-berlin.de, Menüpunkt Downloads).

Die Feuerwehren selbst sind auch aktiv und schulen sowohl ihre hauptberuflichen als auch ihre freiwilligen Einsatzkräfte gründlich, was die Funktionsweise von Photovoltaikanlagen und das richtige Vorgehen im Brandfall betrifft. Der BSW-Solar hat in Kooperation mit der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, dem Gesamtverband der Versicherungswirtschaft und dem Feuerwehrverband die Broschüre „Einsatz an Photovoltaikanlagen“ veröffentlicht, die kurz und übersichtlich diese Strategien zur Vorgehensweise im Falle eines Brandes zusammenfasst. Die wichtigsten Eckpunkte enthält außerdem die ergänzende Einsatzkarte „Handlungsempfehlungen Photovoltaik-Anlagen“, die Feuerwehrleute als Gedächtnisstütze problemlos beispielsweise in einer Tasche ihrer Schutzkleidung mitnehmen können. Beides gibt es ebenfalls online (www.solarwirtschaft.de/brandvorbeugung).

Letztlich ist eine Photovoltaikanlage kein unüberwindbares Hindernis, sondern eine elektrische Anlage, bei der Einsatzkräfte die Vorschrift „Brandbekämpfung im Bereich elektrischer Anlagen“ (DIN VDE 0132) beachten müssen: Einzuhalten ist beim Löschen mit Wasser ein Meter Mindestabstand bei Sprühstrahl, fünf Meter bei Vollstrahl, außerdem ein Meter zwischen Feuerwehrleuten und spannungsführendem Anlagenteil. Die Feuerwehr-Unfallkasse Mitte und die Hanseatische FUK Nord bringen die Situation in ihrem gemeinsamen aktuellen „Sicherheitsbrief“, der Präventionsschrift für den Feuerwehrdienst, auf den Punkt: „Was sollte eine Feuerwehr tun, wenn sie zum Brand eines Wohngebäudes kommt, auf dessen Dach eine Photovoltaikanlage installiert ist? Zunächst das, was sie üblicherweise im Brandfalle tut: Brandbekämpfung beziehungsweise ‚Löschen‘. Löschen mit Wasser ist bei Einhaltung der üblichen Sicherheitsabstände zu elektrischen Anlagen unproblematisch.“


Online-Befragung des ISE

Das Freiburger ISE und der TÜV Rheinland untersuchen zurzeit in einem auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekt das Brandrisiko von Photovoltaikanlagen sowie mögliche Sicherheitskonzepte zur Risikominimierung. Im Rahmen dieses Projektes führen die Institute eine Online-Befragung zu bisherigen Bränden sowie zu weniger spektakulären Vorfällen wie verschmorten Steckern etc. durch. Ziel ist es, eine belastbare Statistik über bislang aufgetretene Fälle zu erstellen.

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