Tiefe Gräben

Als die Projektierer gerufen wurden, musste mal wieder alles schnell gehen. Eine Konversionsfläche in Ostdeutschland, eine rund 80.000 Quadratmeter weite Fläche. Drei Monate – eine durchaus übliche Zeit für die Errichtung einer Fünf-Megawatt-Anlage. Doch es war im Dezember kurz vor der Degression der Vergütung – und da waren drei Monate viel zu viel.

Ein Grund für eine lange Bauzeit ist, dass zuerst Gräben über die gesamte Baustelle gezogen werden müssen, unter anderem für die sogenannten Maschen für die Erdungsleitungen. Diese sollen üblicherweise wie ein Karo mit 40 mal 40 Metern Maschenweite unter den Modulen verlaufen. Während Bauarbeiter die Erdarbeiten ausführen, ist es kaum möglich, die Modulfundamente in den Boden zu rammen. Die Zeiten müssen genau abgestimmt werden. Verzögern sich die Grabungsarbeiten in einem Bereich, drehen die Gestellmonteure Däumchen.

Nur, was ist die Alternative? Wenn man weniger Erdungsleitungen verlegt, geht es schneller. Das führt dazu, die Komplexität der Planungsabläufe zu reduzieren, was durchaus auch dann interessant ist, wenn man nicht kurz vor einer großen Degressionsstufe baut. Dieses Beispiel ist bestimmt auch kein Einzelfall. Alle, die unter dem großen Kostendruck und mit den hohen Renditeerwartungen installieren, die normalerweise bestehen, müssen sich überlegen, wie sie den Aufwand senken. Insofern dürften alle Fallbeispiele, die in diese Richtung gehen, interessieren.Wer wissen will, wie man eine Freiflächenanlage richtig erdet, findet dazu Hinweise in der DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 auf Seite 25: „Im Allgemeinen wird nach DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) ein niedriger Erdungswiderstand (kleiner als 10 Ohm, gemessen bei Niederfrequenz) empfohlen. Bei ausgedehnten Anlagen hat sich eine Maschengröße von 20m x 20m bis 40 x 40m bewährt“. Alles klar? Nur bedingt. Denn die Formulierung erlaubt die Interpretation, dass es unter Umständen auch anders geht.

Erdungskonzept überdenken

Es geht um die Erdung der Modultische. Im Beiblatt steht, es habe sich bewährt, dass diese erstens geerdet werden müssen und zweitens, dass Erdungsleitungen mit Maschen im Abstand von 20 bis 40 Metern gezogen werden. Doch zurück zum Fallbeispiel: Der zu planende Solarpark hat eine Grundfläche von zirka 400 mal 200 Metern. Das bedeutet, dass auf dem Solarparkgelände in der einen Richtung fünf bis zehn und in der anderen Richtung acht bis vier Erdungskabel unterirdisch verlegt werden müssten. Daran sollen die Tische angebunden werden.

Projektierer und Investor haben daraufhin entschieden, die sogenannte Vermaschung anders zu realisieren und damit die Komplexität zu reduzieren. Ihr Plan sieht Erdungsleitungen im Abstand von etwa 70 Metern in Nord-Süd-Richtung vor, die die Modulreihen senkrecht schneiden. Das sind nur halb so viele Leitungen wie üblich. In Ost-West-Richtung gibt es überhaupt keine Gräben.

Wo die Gräben die Modulreihen schneiden, werden die Gestelle und die Tische daran angeschlossen. Außerdem werden die Tische untereinander elektrisch verbunden. Die Erdungskabel enden an einem der Ringerder, die um die Wechselrichter verlegt sind. Diese sind wiederum mit drei oder vier Erdungsstäben ungefähr eineinhalb Meter tief im Erdreich verankert.

Die eigentlichen Maschen sind also größer als empfohlen. Nach Fertigstellung misst der Projektierer deshalb den Erdungswiderstand nach. Dazu kommen die Elektrofachkräfte, rammen Erdungsstäbe in den Boden und bestimmen den Widerstand zwischen den Modultischen und den Erdungsstäben. Ist er an einigen Stellen größer als zehn Ohm, wird mit Erdungsstäben nachgeerdet. Das erfüllt die erste Empfehlung des Beiblatts. Doch ist damit den Anforderungen insgesamt Genüge getan?

Beiblatt 5 wichtig

Zwar gibt das Beiblatt 5 nur eine Empfehlung, aber laut Rechtsanwalt Joseph Schnitzler sollten es die Errichter der Solarparks trotzdem ernst nehmen. In Paragraph 49 des Energiewirtschaftsgesetzes steht, dass alle elektrischen Anlagen nach den anerkannten Regeln der Technik errichtet werden müssen. Dazu zählen in erster Linie Normen, doch „die Beiblätter verkörpern gleichwohl anerkannte Regeln der Technik“, sagt Schnitzler.

Wenn etwas passiert, muss der Errichter nachweisen, dass die Regeln eingehalten wurden oder gleichwertige Maßnahmen ergriffen worden sind, um das Schutzziel zu erreichen. Die Anlage muss die Energie sicher zur Verfügung stellen und sicher sein. Im Zweifelsfall entscheiden Sachververständige darüber, ob das der Fall ist oder nicht. Was den Blitzschutzangeht, ist es deshalb ratsam, etwaige Abweichungen von den Empfehlungen des Beiblatts bereits in den Vertrag mit der Versicherung aufzunehmen. „Das spart später Ärger“, sagt Schnitzler.

Ableiter nicht überlasten

Es stellt sich jedoch die Frage, ob mit dem System der Blitzschutz gewährleistet werden kann. „Wenn der geforderte Potenzialausgleich in der Anlage realisiert ist, schreibt die Blitzschutznorm keinen Wert für einen Erdungswiderstand vor“, sagt Klaus-Peter Müller, Produktmanager Blitzschutz/Erdung bei Dehn und Söhne, einer Firma, die Blitzschutzlösungen anbietet und bei der Normung intensiv mitarbeitet. „Ein Wert kleiner als zehn Ohm wird empfohlen, aber nicht gefordert.“ Je höher der Wert ist, desto stärker werden die Überspannungsableiter belastet, die die DC-Leitungen des Solargenerators in den Potenzialausgleich mit einbeziehen.

„Dazu haben wir im Hause Dehn auch ausführliche Computersimulationen durchgeführt“, sagt Josef Birkl, der dort in der Abteilung Forschung und Entwicklung arbeitet. Die Ableiter müssen dann hinsichtlich ihres Blitzstromableitvermögens  ausgelegt werden.

Allerdings ist nicht nur der Erdungswiderstand, sondern auch die Vermaschung selbst wichtig.  Eine vermaschte Erdungsanlage mit geringer Impedanz verringert die Potenzialdifferenzen zwischen den metallenen Anlageteilen, etwa den Modultischen. Durch ein solch vermaschtes Netzwerk wird auch die Störeinkopplung in die elektrischen Verbindungen der DC-Verkabelung reduziert.

Entsprechen die Ramm- oder Schraubenfundamente der metallenen Modultische den Anforderungen der Blitzschutznormen an die Mindestlänge von Erdern und sind die einzelnen Tische gemäß der Norm blitzstromtragfähig miteinander verbunden, dann können die Tische als Teil der Masche genutzt werden. Soweit die Experten von Dehn.

Das bedeutet, dass in dem Beispiel die Maschen zwar nicht 40 mal 40 Meter groß sind, sondern entsprechend dem Abstand der Modulreihen drei mal 80 Meter.

Dadurch kann es geschehen, dass der Blitz an einer Stelle einschlägt, von der er eine längere Distanz zum nächsten Maschenpunkt zurücklegen muss, gibt Blitzexperte Alexander Kern, Professor an der FH Aachen, zu bedenken. Andererseits gibt es auch einige Einschlagpunkte, an denen die Distanz kürzer ist oder der Stromabfluss über mehrere, dicht beieinanderliegende Maschenpunkte erfolgen kann. Der Abstand zum Maschenpunkt ist relevant, da davon die Selbstinduktivität der Erdungsleitung mit abhängt. Diese ist dafür verantwortlich, dass der Leitungswiderstand bei hochfrequenten Impulsen im Vergleich zum rein ohmschen Widerstand steigt und dadurch bei einem Blitzschlag höhere Potenzialdifferenzen auftreten.

Isolieren statt erden

Allerdings stellt sich die Frage, ob Projektierer nicht noch weiter gehen können als in dem betrachteten Solarpark. So ist es auf zwei Arten denkbar, ganz auf die Erdung zu verzichten. Denn eventuell reicht es aus, dass die metallenen Gestelle im Boden verankert sind.

Die andere Möglichkeit ist, die metallenen Tische vom Erdpotenzial zu isolieren. Auch diesen Weg geht ein Projektierer, dem bewusst ist, dass er damit konträr zur Fachmeinung steht. Er ist davon überzeugt, dass dadurch weniger Blitze einschlagen.

Die Idee hört sich einfach an. Der Blitz schlägt dort ein, wo das lokale elektrische Feld am höchsten ist. Nach diesem Prinzip funktioniert auch der Blitzableiter. Er ist geerdet. Von der Gewitterwolke nähert sich durch einen dünnen ionisierten Kanal der Leitblitz. Dieser ist stark negativ geladen und zieht positive Ladungen in die Spitze des Blitzableiters, bis es zur Entladung kommt. In einen vollkommen isolierten Körper können jedoch keine zusätzlichen Ladungen hineinfließen, so dass das Blitzeinschlagsverhalten eventuell anders wäre. Alexander Kern sieht das allerdings nicht so, ebenso wenig andere kontaktierte Blitzexperten. Er erklärt, dass der Erdungswiderstand eines Gebäudes oder einer Anlage nur einen sehr geringen Einfluss auf das Einschlagsverhalten von Blitzen hat. Auch bei einer sehr hochohmigen Verbindung, wie sie ein Isolator darstellt, funktioniert der Mechanismus, der die Blitzentladung bestimmt. „Bestes Beispiel dafür ist ein Flugzeug. Es ist im Flug nicht geerdet, trotzdem schlagen Blitze ein.“ Ist ein Gebäude oder eine Anlage allerdings nicht oder nur sehr hochohmig geerdet, treten dort üblicherweise schwerere Schäden auf als im Falle einer guten, niederohmigen Erdung.

Dagegen steht die Erfahrung, die besagter Projektierer seiner Aussage nach gemacht hat. Er habe mit Versicherern gesprochen und diese bestätigten ihm, dass die Blitzeinschlagshäufigkeit bei Anlagen deutlich niedriger sei als im Durchschnitt bei Photovoltaik-Freiflächenanlagen. Im Übrigen finde er für seine Projekte auch problemlos Versicherer.

Zurück zur Anlage in Ostdeutschland. Durch das angepasste Konzept wurde die Bauzeit nach Angaben des Projektierers von drei auf eineinhalb Monate reduziert. Bei vergleichbaren Anlagen haben die Messungen des Erdungswiderstandes außerdem ergeben, dass man nur selten über zehn Ohm liegt und nacherden muss. Es sieht also so aus, dass man zumindest bei den sandigen Böden in Ostdeutschland nicht oder nur wenig nacherden muss.

Die Diskussion über solche und ähnliche Methoden zur Kostensenkung wird oft kritisch aufgenommen, auch wenn sie in der Praxis vermutlich häufig zum Einsatz kommen. Projektierer stellen auch die Frage, inwiefern die Normen bereits auf große Freiflächenanlagen zugeschnitten sind – so lange gibt es diese ja noch nicht. So sind die Folgen eines Blitzeinschlages andere als bei Anlagen auf Häusern, in denen Menschen wohnen und arbeiten. Aus Sicht der Normungsexperten kann das nur heißen, dass man sich bei der Normung engagieren muss. Im Zuge der Arbeit an diesem Artikel hat sich jedenfalls gezeigt, dass das Thema heiß ist und die Beteiligten vorerst lieber anonym bleiben wollen.