Crimpen, klemmen, schweißen

Auf der einen Platte, einer rechteckigen Elektrode aus Wolfram, liegt der hintere Kontakt des Steckers. Vollautomatisch isoliert die danebenstehende Maschine das Kabel ab und verschweißt die einzelnen Drähte. Ein Greifer legt es auf die Platte mit dem Steckerkontakt. Dann presst eine zweite Platte Litze und Steckerkontakt zusammen. Ein kurzes Glühen. Was vorher zwei Kupferteile waren, ist jetzt elektrisch zu einem verschmolzen. So kratzt Lapp Kabel an der Domäne des Crimpens. Das ist eine der Entwicklungen, die dem etablierten Verfahren Konkurrenz machen.

Crimpen kaum wegzudenken

So unübersichtlich der Steckverbindermarkt auch ist, wenigstens in einer Frage herrscht noch Klarheit: Die gängige Verbindungstechnik zwischen Kabel und Leitung ist das Crimpen. Das gilt für die Tätigkeit des Handwerkers auf dem Dach und die Herstellung von vorkonfektionierten Produkten im Werk.

Das Crimpen ist aus der Elektrotechnik kaum wegzudenken. Überall dort, wo die Verlegung eines Kabels mit daran befestigtem Stecker schwierig ist, wird das Kabel zunächst alleine verlegt. Erst am Zielort wird dann ein Kontaktteil

an das Ende der Leitung angebracht. Zuerst muss man die Isolation des Kabels entfernen und die Litze freilegen. Sie legt man in den metallischen Kontakt des Steckers ein, der mit der Litze verbunden werden soll. Mit der Crimpzange verpresst man Litze und Kontakt. Sie verformen sich dadurch plastisch, so dass sie dauerhaft miteinander verbunden bleiben.

Auf dem Dach direkt ist es nur nochan wenigen Stellen nötig zu crimpen. Kaum ein Modul wird heute noch ohne vormontierte Kabel und Steckverbinder geliefert, mit denen sie direkt verschaltet werden. Wenn ein Installateur eine Photovoltaikanlage montiert, kommt er trotzdem nicht darum darum herum, die Crimpzange auszupacken. Denn auf jeden Fall notwendig ist das Crimpen, um den Generator auf dem Dach mit dem Wechselrichter im Keller oder dem Generatoranschlusskasten zu verbinden. Hierfür nimmt der Monteur ein Kabel von der Kabeltrommel, führt es durch das Dach und das Gebäude hindurch bis zum Wechselrichter. Auf dem Dach stellt er die Verbindung zu den beiden Stringleitungen her. Im Keller verbindet er das Kabel auf die gleiche Weise mit dem Steckverbinder des Wechselrichters.

Vorkonfektionierte Kabel

Seit einiger Zeit werben Hersteller von Photovoltaikkabeln und -zubehör damit, dass sie auch vorkonfektionierte Produkte anbieten. Systemhäuser oder Installationsbetriebe können Kabel in der gewünschten Länge bestellen, an deren beiden Enden die Steckverbinder gleich vormontiert sind. Für herkömmliche Dachanlagen sind diese Produkte allerdings weniger geeignet. „Man weiß vorher nie, wie lang das Kabel sein muss“, sagt beispielsweise Udo Matschull, Photovoltaikplaner bei Hartmann Energietechnik in Rottenburg-Oberndorf. Der Fachgroßhändler und Installationsbetrieb plant und baut Solarstromanlagen bis etwa 70 Kilowatt Leistung. „Wir machen das lieber individuell“, sagt Matschull und freut sich, dass er „universell einsetzbare“ Kabeltrommeln mit 500 Meter Leitungen hat.

Am Beispiel eines Solarlok-Steckverbinders von Tyco Electronics heißt dies: Der Installateur entfernt die Isolation am Leiter. Diesen verbindet er anschließend mittels Crimpen dauerhaft mit dem metallischen Kontakt. Danach führt er den Kontakt mit der Leitung in den Steckverbinder ein, bis dieser hör- und fühlbar verrastet. Danach schließt er nur noch die vormontierte Überwurfmutter, damit der Kontakt vor Staub und Wasser geschützt und zugfest ist.

Peter Thievessen, Geschäftsführer des Installationsbetriebes Sun Time in Taufkirchen, sieht es ähnlich wie Matschull. Er hält vorkonfektionierte Produkte für Dachanlagen für „nicht so praktisch“, weil es mit dem daran befestigten Stecker schwierig sei, ein Kabel durch Mauern und schmale Öffnungen im Gebäude durchzuführen. Rolf Roesner, Produktmanager Wechselrichter und Anlagenkommunikation bei dem Systemanbieter Frankensolar, sieht noch einen anderen Aspekt. „Vorkonfektionierte Produkte sind meist teurer. Bei kleinen Stückzahlen lohnt es sich eher nicht“, sagt er. Sinnvoll seien im Werk zugeschnittene Kabel mit vormontierten Steckverbindern dann, wenn man zahlreiche Kabel in der gleichen Länge benötigt. Wenn es beispielsweise bei einer Megawatt-Anlage diverse Strings mit der gleichen Anzahl von Modulen gibt, die in Reihe geschaltet sind, können die Kabellängen vorab genau berechnet und in großer Menge bestellt werden. Und so bieten die Hersteller diese Produkte auch in erster Linie für Großanlagen mit standardisierten Kabellaufplänen an.

60 Jahre Vorsprung

Dass das Crimpen Vor- und Nachteile hat, darüber sind sich Installateure, Planer und Hersteller einig. Der wohl größte Vorteil ist die jahrzehntelange Erfahrung, die es damit gibt. Vor mehr als 60 Jahren meldete Tyco Electronics das Patent für das Crimpen an, wie Chris Büchling, Anwendungsingenieur bei Tyco Electronics, berichtet. Ebenso lang werde es in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt. „Und die beiden sind ja bekanntermaßen zwei der anspruchsvollsten Branchen, was Qualität, Robustheit und Prozesssicherheit angeht“, sagt Büchling. Für die Großserienfertigung sei es die Verbindungstechnologie schlechthin. Installateuren bietet das Crimpen Flexibilität, wie oben beschrieben. Allerdings gibt es auch so einiges zu beachten.

Die wichtigste Voraussetzung für eine stabile mechanische und elektrische Verbindung ist das richtige Werkzeug. „Man kann Leitungen beschädigen oder Abisolierlängen nicht einhalten“, weiß Chris Büchling. Wichtig ist es, nur zugelassenes, gut gewartetes Crimpwerkzeug zu verwenden. Schließen die beiden Werkzeughälften nicht formschlüssig, besteht die Gefahr, dass Litzen der Leitungen unzureichend verpresst werden. In dem Fall können Sauerstoff und Feuchtigkeit an die Verbindungsstelle gelangen. In der Folge kommt es zur Korrosion der Kontaktpartner und unvermeidlich zur Erhöhung des Widerstands. Außerdem besteht das Risiko, dass eine unvollständig verpresste Leitung nicht die mechanische Zugfestigkeit erfüllt und aus der Crimphülse gezogen werden kann.

Andererseits darf der Druck während der Crimpvorgangs auch nicht zu stark sein. In dem Fall können die Querschnitte unzulässig verringert werden. Das führt dazu, dass die Stromtragfähigkeit und die mechanische Zugfestigkeit der Verbindung durch den reduzierten Querschnitt unzulässig reduziert werden. Ist der Druck zu hoch, können einzelne Litzen des Leiters auch abgetrennt werden. Oder der Anschlussbereich (Crimp) des Kontaktes neigt durch die extreme Deformation zu Rissbildung, welche die Korrosionsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften ebenso negativ beeinflusst. „Diese Abweichungen sind insbesondere bei nachgebauten Handzangen, die ohne Freigabe des Kontaktteilherstellers gehandelt werden, nicht auszuschließen“, warnt Chris Büchling von Tyco Electronics.

Da es immer noch keinen Standard in der Steckverbindertechnologie gibt, kann jeder Hersteller fordern, dass man die zu seinem Stecker passende Crimpzange verwendet. Arbeitet ein Installateur mit verschiedenen Steckverbindern, benötigt er mehrere Crimpzangen, die jeweils mehr als 100 Euro kosten. Hinzu kommt, dass das Werkzeug abnutzt. „Nach etwa 2.500 bis 5.000 Crimpvorgängen können je nach Behandlung Verschleißerscheinungen eintreten“, sagt Büchling, der in seinen Solarteur- und Handwerkerschulungen nicht müde wird zu betonen, wie wichtig es ist, das richtige Werkzeug zu benutzen. Das Handcrimpwerkzeug kann dann eingeschickt werden. Der Kunde erhält nach erfolgter Überprüfung und gegebenenfalls einem Wechsel der Verschleißteile ein Kalibrierzertifikat, das die Funktionsfähigkeit des Werkzeugs bescheinigt.

Neu: Klemmen statt Crimpen

Um Installateuren ihre Arbeit zu erleichtern und Fehlerquellen zu reduzieren, brachte Phoenix Contact im vergangenen Jahr einen neuen Stecker namens Sunclix auf den Markt. Das Unternehmen ist ein weltweit tätiger Hersteller von Verbindungs- und Automatisierungstechnik, der vor über 80 Jahren gegründet wurde. Wegen der beim Sunclix eingesetzten Federkrafttechnik sei die Konfektionierung erheblich einfacher als beim Crimpen, bewirbt das Unternehmen seinen „werkzeuglos feldkonfektionierbaren“ Photovoltaik-Steckverbinder. Das geht so: Der Monteur führt den abisolierten Leiter durch die Kabelverschraubung in den Federkraftanschluss ein. Anschließend drückt er den Federschenkel mit dem Daumen herunter, bis er verrastet. Danach verschließt er die Kabelverschraubung und dreht sie zu.

„Der größte Vorteil ist, dass man kein Crimpwerkzeug mehr braucht“, sagt Anke Steinkemper, Produktmanagerin bei Phoenix Contact. Und mit einem Lachen fügt sie hinzu: „Alles, was man braucht, ist ein gesunder Daumen.“ Eine Abisolierzange benötige der Installateur gleichwohl noch, aber eben die teure Crimpzange nicht mehr. Außerdem brauche der Installateur mit dieser Verbindungstechnik deutlich weniger Zeit als beim Crimpen. Profitieren soll er auch davon, dass alle gängigen Solarleitungen mit Querschnitten von 2,5 bis sechs Quadratmillimetern mit demselben Federklemm-Steckverbinder angeschlossen werden.

Damit werde die marktübliche Zweiteilung der Steckverbinder-Systeme – 2,5 bis vier Quadratmillimeter und vier bis sechs Quadratmillimeter – aufgehoben, so Steinkemper. „Die Varianz und somit auch Fehlerquellen werden für den Installateur so eingeschränkt“, ergänzt sie. Das neue Produkt soll in erster Linie Installateuren, die vor Ort die Verdrahtung vornehmen, Vorteile bringen. Für die Module bietet das Unternehmen einen umspritzten Steckverbinder an. Dieser wird im Werk automatisiert vorkonfektioniert – allerdings per Crimptechnik.

Ein Manko ist noch, dass Phoenix den Klemm-Steckverbinder mit Wanddurchführung bisher nur an den Wechselrichterhersteller SMA Technology verkauft, dessen neue Wechselrichtergenerationen sie vormontiert haben. Außerdem sind nur noch die von Phoenix Contact produzierten Generatoranschlusskästen damit ausgestattet. Im Handel kann man nur die passenden Feldstecker kaufen. „Der Stecker ist super“, meint Peter Thievessen von Sun Time und begründet dies mit der schnellen Montage. Auch Udo Matschull von Hartmann Energietechnik hält die Montageweise für „praktisch“ und zeitsparend.

Wie bei Neuerungen üblich, gibt es auch skeptische Stimmen. Rolf Roesner von Frankensolar hält den Sunclix zwar auch für „anwenderfreundlich, weil werkzeuglos“, meint aber, dass sich noch erweisen müsse, ob die Technik auch das halte, was sie verspreche. „Das Crimpen ist zuverlässiger“, meint er und verweist auf die jahrzehntelange Erfahrung mit dieser Technik.

„Hinsichtlich der mechanischen Zugfestigkeit und der elektrischen Robustheit ist eine Klemmverbindung mit der hermetisch dichten Verbindung eines Crimps nicht zu vergleichen“, sagt Chris Büchling. „Der Feldeinsatz bei den in der Photovoltaik vorliegenden Umgebungsbedingungen wird zeigen, ob die Klemmverbindung die Lebenserwartung eines Crimps erreicht.“ Auf die Langlebigkeit angesprochen, verweist Anke Steinkemper darauf, dass die Federkrafttechnik seit den 1970er Jahren eingesetzt wird, dies auch in Bahnapplikationen und im Outdoor-Bereich.

Mit der Nachfrage ist die Produktmanagerin auf alle Fälle zufrieden. Das Unternehmen habe gerade seine Fertigungskapazitäten erhöht, erzählt sie. „Seit November können wir auf jede Bedarfsänderung zeitnah reagieren.“ Eine Bestätigung sieht sie auch darin, dass der Marktführer Multi-Contact und der Hersteller Yamaichi Electronics mit ähnlichen, werkzeuglos assemblierbaren Produkten nachzogen. Bei Multi-Contact heißt das neue Produkt „MC4 Quick“, bei Yamaichi „Y-Sol4 F.A.T.“ Und auch von anderen namhaften Kabel- und Steckerherstellern wird gemunkelt, dass sie an einem werkzeuglosen Produkt arbeiten.

Der MC-Steckverbinder hat ebenfalls eine integrierte Federklemmverbindung. Er eignet sich für Leitungsquerschnitte von vier bis zehn Quadratmillimetern. Jens Altgeld, Produktmanager für Photovoltaik bei Multi-Contact in Essen, sieht jedoch nicht, dass diese Technik das Crimpen ablösen werde. „Als Komplettanbieter wollten wir eine Lücke im Portfolio schließen“, begründet er die Entwicklung. „Einen großen Markt versprechen wir uns davon aber nicht.“ Der werkzeuglose Steckverbinder sei für „private Häuslebauer“ gedacht oder für Installateure, die schnell vom Wechselrichter ans Netz wollen. Für Modulhersteller sei der Stecker nicht gedacht. Den größten Vorteil sieht Altgeld darin, dass es seines Wissens nach der einzige werkzeuglose Stecker ist, der sich für Leitungsquerschnitte bis zehn Quadratmillimetern eignet. Im Moment wartet Multi-Contact noch auf das TÜV-Zertifikat. Bestellt werden kann das neue Produkt, das der Marktführer auf der diesjährigen Intersolar vorstellte, noch nicht.

Schweißen in der Photovoltaik

Ebenfalls auf der Intersolar wartete Lapp Kabel mit dem neuen geschweißten Produkt auf, dem Steckverbinder Epic Solar4 Thin. Allerdings zielt Lapp nicht auf die manuelle Tätigkeit des Handwerkers ab, sondern bezieht sich auf die Fertigung im Werk. Wenn die Hersteller von Kabeln und Steckverbindern im Werk Produkte vorkonfektionieren, also Kabel und Stecker verbinden, wird hierfür üblicherweise ebenfalls das Crimpen eingesetzt. Nach Aussage von Produktmanager Stefan Koch ist Lapp Kabel der einzige Photovoltaikhersteller, der bei diesem Arbeitsgang momentan schweißt. „Es wurde schon immer geschweißt, aber wir haben es für die Photovoltaik entdeckt.“ Die Investitionskosten für die Anlage seien hoch gewesen, deswegen eigne sich die Verbindungstechnik auch nur bei hohen Stückzahlen.

Zur Intersolar warb Lapp Kabel insbesondere mit dem „geringsten Übergangswiderstand von weniger als 0,2 Milliohm“ für den Steckverbinder. Dieser ergibt sich durch die Schweißtechnik. Bei dieser Technik verschmelzen Kontakt und Leitung miteinander. Es gibt keinen Verbindungswiderstand mehr, sondern nur einen Materialwiderstand. Beim genaueren Hinschauen zeigt sich jedoch, dass der Vorteil so groß dann auch nicht ist. Üblich sind Übergangswiderstände zwischen 0,3 und 0,5 bis 0,6 Milliohm. In einer Beispielrechnung wird eine Zwei-Kilowatt-Anlage mit zehn Modulen zugrunde gelegt. Dazu gehören 24 Steckverbinder mit einem Übergangswiderstand von 0,5 Milliohm. Gerechnet wird mit einer Differenz von 0,3 Milliohm, die es zwischen diesem und dem Lapp-Stecker gibt. Das macht insgesamt 7,2 Milliohm Übergangswiderstand. Dadurch kommt es bei typischen Strom-Spannungs-Werten zu einer Verlustleistung von deutlich unter einem Watt, was vernachlässigbar ist.

Und so relativiert Stefan Koch den Vorteil des Widerstandes von 0,2 Milliohm dann auch. „Der niedrige Übergangswiderstand lässt sich auf dem Zähler nicht großartig darstellen“, bestätigt er. „Das ist eine Nuance, ein kleiner Vorteil, den der Kunde umsonst dazubekommt.“ Viel wichtiger sei die Tatsache, dass durch diesen niedrigeren Übergangswiderstand weniger Wärme entstehe, was sich positiv auf die Langlebigkeit auswirke. Das vorkonfektionierte Produkt bietet nach Aussage von Koch auch mehr Sicherheit. „Nach dem Schweißen wird jede Verbindung durch Messungen noch einmal überprüft“, sagt er. Solch eine hohe Qualität könne bei einer mechanischen Verbindung nicht erreicht werden. Eine Nachfrage nach Kabeln und Steckern mit der neuen Verbindungstechnik scheint es zu geben. Laut Pressesprecher Markus Müller ist der Epic Solar 4 Thin „das erfolgreichste Produkt in der Firmengeschichte“. Dies bemesse sich am Umsatz, konkrete Zahlen nennt er aber nicht.

Da das Schweißen nur im Werk funktioniert, ist es für den Handwerker auf dem Dach keine Alternative. Für ihn lohnt es sich nicht, fertige Kabel mit Stecker in der richtigen Länge zu bestellen, Außerdem setzen auch die meisten Hersteller vorkonfektionierter Kabel nach wie vor auf das Crimpen. Deshalb ist es trotz der Erfolge von Phoenix und Lapp schwer vorstellbar, dass die Bastion des Crimpens bald fallen wird.