Photovoltaik auf Stalldächern: Wie sich Streuspannung vermeiden und Nutzvieh schützen lässt

von pv magazine International

Streuspannung bezeichnet eine unerwünschte elektrische Potenzialdifferenz in der Umgebung, die in Milchviehbetrieben häufig in der Nähe von Geräten oder Erdungssystemen auftritt. Dieses Phänomen ist für die Tiere gefährlich, weil selbst sehr kleine unbeabsichtigte elektrische Ströme durch den Boden, Metallteile oder Wasserstellen in einem Stall fließen und vom Körper eines Tieres aufgenommen werden können.

Nutztiere wie Milchkühe sind besonders gefährdet, da sie häufig auf feuchten Betonböden stehen und großflächigen Kontakt mit Melkmaschinen, Tränken oder Metallboxen haben, wodurch ein elektrischer Stromkreis geschlossen werden kann. Kühe sind zudem empfindlicher als andere Tiere, was mit ihrer Körpermasse zusammenhängt. Aufgrund ihrer Größe haben sie oft einen größeren Gesamtkontakt mit leitfähigen Oberflächen, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass kleine Spannungsunterschiede Strom durch ihren Körper treiben.

Wenn Streuspannung vorhanden ist, kann ein Tier beim Trinken, Fressen oder Melken wiederholt leichte Stromschläge erhalten. Dies kann Schmerzen, Stress und Angst verursachen und zu Verhaltensänderungen führen, etwa zu verminderter Futteraufnahme, dem Meiden von Wasser oder dem Widerwillen, Melkstände zu betreten. Langfristig kann dieser Stress die Milchproduktion senken, das Wachstum beeinträchtigen und das Risiko gesundheitlicher Probleme erhöhen.

Vorfall in einem Stall

Der Schweizer Sender RTS berichtete kürzlich, dass im Kanton Waadt rund 300 Kühe starben. Als Ursache wurde Streuspannung in einem Stall vermutet, auf dem eine Photovoltaik-Anlage installiert worden war. Der Bericht deutet darauf hin, dass das Problem eher mit fehlerhaften oder schlecht geplanten Elektroinstallationen zusammenhängt als mit den Solarmodulen selbst. Der Fall wurde auch von der rechtsgerichteten Schweizerischen Volkspartei aufgegriffen, die im Nationalrat ein Moratorium für die Installation von Solaranlagen auf Ställen forderte.

„Bislang kann Photovoltaik in diesem konkreten Fall als Ursache ausgeschlossen werden“, erklärte der Schweizer Branchenverband Swissolar gegenüber pv magazine. „Vagabundierender Strom kann bei allen elektrischen Installationen auftreten, etwa bei Melkmaschinen. Die Ursache muss jeweils analysiert und beseitigt werden. Wir haben von weiteren Fällen in der Schweiz gehört, allerdings war keiner davon so gravierend wie der von RTS erwähnte.“

Studien legen nahe, dass ein Stromniveau von etwa zwei Milliampere bei Kühen Verhaltensreaktionen wie Schreckbewegungen, Trinkverweigerung oder das Meiden bestimmter Stallbereiche auslösen kann. Laut dem MSD Veterinary Manual zeigen jedoch nur etwa zwei Prozent der Kühe bei diesem Niveau leichte Verhaltensreaktionen. Bei einer Belastung von 4 Milliampere zwischen Maul und Huf steigt dieser Anteil auf etwa 30 Prozent. Diese Reaktionen führen jedoch nicht zwangsläufig zu umfassenderen Gesundheits- oder Produktivitätsproblemen.

Sicht eines Tierarztes

„Ich habe noch nie Fälle erlebt, die mit Solaranlagen zusammenhingen“, sagte Ronald J. Erskine, Autor des Eintrags zu Streuspannung im MSD Veterinary Manual, gegenüber pv magazine. Erskine, Professor am Michigan State University College of Veterinary Medicine, erklärte, dass Solarmodule Gleichstrom erzeugen, während Kühe besonders empfindlich auf Wechselstrom reagieren. „Die Installation eines Solarsystems ist nicht gefährlicher als die Installation einer neuen Milchpumpe oder eines Warmwasserbereiters in einem Stall. Man muss lediglich sicherstellen, dass der Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, von einem qualifizierten Elektriker korrekt angeschlossen und geerdet wird.“

Erskine, der auch als Sachverständiger in Streuspannungsfällen auftritt, erklärte, dass das tatsächliche Auftreten dieses Phänomens sehr selten sei. „Streuspannung wird manchmal für Probleme verantwortlich gemacht, die tatsächlich andere Ursachen haben“, sagte er. „Es ist wichtig, eine sorgfältige Differenzialdiagnose durchzuführen – im Grunde Detektivarbeit –, insbesondere bei komplexen, multifaktoriellen Problemen wie verringerter Milchproduktion oder Lahmheit.“

Gleichzeitig betonte er, dass Streuspannung zwar selten sei, aber in bestimmten Fällen durchaus Probleme bei Rindern verursacht habe. „Nach meiner Erfahrung gibt es bei den meisten Streuspannungsfällen, bei denen Kühe mehr als zwei Volt Wechselspannung ausgesetzt sind, Probleme mit der Verkabelung und Erdung, insbesondere des Wassersystems. Eine weitere Ursache sind nachgerüstete alte Ställe, bei denen der Boden nicht ordnungsgemäß gegen Schrittspannungen geerdet wurde.“

2021 untersuchte eine niederländische Feldstudie Berichte über ungewöhnliches Gruppenverhalten bei Milchkühen in den Niederlanden. Landwirte vermuteten häufig Ursachen wie Solaranlagen, Hochspannungsleitungen, automatische Melksysteme oder Streuspannung. Nach dem Vergleich von 31 betroffenen Betrieben mit 62 Kontrollbetrieben fanden die Forscher Zusammenhänge zwischen dem Verhalten, neu errichteten Ställen, dem Vorhandensein von Ventilatoren und Berichten über Untersuchungen zu Streuspannung. Ein kausaler Zusammenhang konnte jedoch nicht bewiesen werden.

„In unserer Studie fanden wir keinen Zusammenhang mit Solarmodulen auf den Dächern. Betriebe mit auffälligem Verhalten der Kühe hatten genauso häufig Solaranlagen auf dem Dach wie Betriebe mit normalem Verhalten der Tiere“, sagte Gerdien van Schaik, Mitautorin der Studie. „Das bedeutet allerdings nicht, dass Solaranlagen niemals Probleme mit Streuspannung verursachen können.“

Elektrische Infrastruktur als Ursache

Laut Andreas Iliou, Inhaber von Elektro-Solar und PTIA Consultant, werden die mit Streuspannung und Streustrom verbundenen Gesundheitsprobleme bei Tieren nicht durch die Photovoltaik-Module selbst verursacht, sondern durch die allgemeine elektrische Infrastruktur, einschließlich Erdungsdesign, Potenzialausgleich und Wechselwirkungen zwischen mehreren Systemen wie Wechselrichtern, Melkmaschinen und Gebäudeerdungssystemen. „Unzureichende, korrodierte oder uneinheitlich umgesetzte Erdungskonzepte können Spannungsgradienten über leitfähige Oberflächen erzeugen, wodurch unter bestimmten Bedingungen kleine Ableitströme durch Tiere fließen können, die als leitfähige Pfade wirken“, sagte er gegenüber pv magazine.

Der Photovoltaik-Experte betonte weiter, dass moderne landwirtschaftliche Gebäude häufig auf stark miteinander verbundenen Metallstrukturen und bewehrten Betonfundamenten basieren, die Potenzialausgleichszonen schaffen sollen. Werden jedoch zusätzliche elektrische Systeme wie Photovoltaik-Anlagen ohne sorgfältige Integration hinzugefügt, kann das Gleichgewicht des Erdungsnetzes verändert werden. In solchen Fällen können sich Ströme über unbeabsichtigte Wege verteilen, insbesondere dort, wo Feuchtigkeit und Metallkontakt die Leitfähigkeit erhöhen.

Weitere Fälle

„Ich habe einige Fälle von Gesundheitsproblemen bei Kühen erlebt, die mit Streuspannung in Israel, Irland, Deutschland und der Schweiz zusammenhingen“, sagte Iliou. „Im israelischen Fall bestand das Problem jedoch bereits vor der Installation der Solaranlage.“ Ein Haus in etwa 50 bis 100 Metern Entfernung vom Melkstand habe ein korrodiertes Erdungssystem gehabt, wodurch kleine Ableitströme über das elektrische Netz des Betriebs in Richtung Kuhstall flossen. Da alle Haushaltsgeräte und elektrischen Anlagen weiterhin normal funktionierten, blieb das Problem zunächst unbemerkt.

Nach Angaben des Experten änderte sich die Situation nach der Installation von Photovoltaik-Wechselrichtern. Während kleine Ableitströme in konventionellen Installationen relativ gering bleiben können, kann jeder Wechselrichter – abhängig von Größe und Design des Systems – zusätzliche Ableitströme erzeugen. Bei größeren Systemen könne dies die durch das Erdungsnetz zirkulierenden Ströme erheblich erhöhen. „Wenn das Erdungssystem nicht korrekt ausgelegt ist, können diese Ströme unbeabsichtigte Wege über leitfähige Strukturen nehmen, die mit dem Melkstand verbunden sind, darunter Metallgitterböden und bewehrte Betonfundamente, die als Potenzialausgleichssysteme dienen“, erklärte er.

Der Experte schilderte außerdem einen Fall in Irland mit einem Viehstall samt Dachanlage. Das Erdungssystem sei dort ursprünglich nicht ordnungsgemäß umgesetzt worden, und spätere Änderungen hätten sich hauptsächlich auf die Photovoltaik-Anlage konzentriert, ohne die zugrunde liegende leitfähige Gebäudestruktur – einschließlich bewehrter Betonböden und metallischer Stützpfeiler – vollständig zu berücksichtigen. Er erklärte, dass viele moderne Viehställe auf großen Stahl- oder Eisenrahmen basieren, die mit dem Erdungssystem verbunden sind. In diesem Fall sollen Ableitströme der elektrischen Installation über Metallstützen und Träger in den Boden geflossen sein. Besonders betroffen gewesen seien Bereiche des Stalls, in denen sich die Kühe gewöhnlich vor der Rückkehr in den Melkstand oder die Ruhebereiche sammelten.

Der Experte berichtete, dass Kühe bestimmte Ecken des Gebäudes konsequent mieden, was er mit höheren Stromkonzentrationen in der Nähe der tragenden Strukturen in Verbindung brachte. Seiner Einschätzung nach können leitfähige Metallträger und Erdungswege unter bestimmten Bedingungen lokal erhöhte elektrische Aktivität erzeugen, wenn das Erdungssystem insgesamt nicht korrekt ausgeglichen und überwacht wird.

Iliou verwies außerdem auf die zunehmende Verwendung von Tränken aus Edelstahl in modernen Tierhaltungsanlagen. Diese Systeme würden zwar aus hygienischen Gründen eingesetzt, könnten Tiere unter bestimmten Bedingungen jedoch empfindlicher gegenüber kleinen Spannungsunterschieden machen, wenn die Erdungssysteme nicht korrekt ausgeglichen seien. In solchen Fällen könnten Kühe zögern zu trinken, Melkstände zu betreten oder sich in bestimmten Stallbereichen aufzuhalten.

Weiter erklärte er, dass Feuchtigkeit diese Effekte verstärken könne, da sie den elektrischen Widerstand senke. Im israelischen Fall wurden Kühlsysteme mit Wassersprühnebel und großen Ventilatoren installiert, um den Tierkomfort bei heißem Wetter zu verbessern. Feuchte Bedingungen könnten jedoch auch die Leitfähigkeit erhöhen und schwache elektrische Reize für Tiere stärker wahrnehmbar machen, wenn bereits Probleme mit der Erdung vorliegen. Einige Kühe hätten daraufhin Stress- oder Vermeidungsverhalten gezeigt.

Photovoltaik-Anlagen richtig umsetzen

Iliou betonte, dass Photovoltaik-Systeme an sich kein Problem darstellen, jedoch zusätzliche elektrische Komponenten wie Wechselrichter und lange Kabelwege mit sich bringen, die sorgfältig in das Erdungsnetz des Gebäudes integriert werden müssen. Unsachgemäße Kabelführung, uneinheitliche Erdungspraktiken oder unzureichender Potenzialausgleich könnten zu erhöhten elektromagnetischen Feldern oder unbeabsichtigten Ableitstrompfaden innerhalb der Struktur beitragen.

„Vagabundierende Ströme können aus vielen konventionellen landwirtschaftlichen Systemen stammen, die nichts mit Photovoltaik zu tun haben, darunter Melkpumpen, Beleuchtungskreise, Lüftungsanlagen und frequenzgeregelte Antriebe moderner Melksysteme“, sagte er. „Diese Geräte modulieren kontinuierlich elektrische Lasten und können unter bestimmten Bedingungen Oberwellenströme oder Ableitströme in das Erdungssystem einbringen.“

Seiner Ansicht nach besteht der entscheidende Punkt darin, sicherzustellen, dass alle leitfähigen Elemente im Stall über korrekt geplante Maschen-Erdungssysteme und koordinierte Erdungskonzepte auf demselben elektrischen Potenzial liegen. Er warnte davor, Erdungsleiter zu trennen, um gemessene Ableitwerte zu reduzieren, da dies Ströme lediglich über alternative leitfähige Wege umleiten könne, anstatt das eigentliche Problem zu beseitigen.

Der Experte erklärte weiter, dass manche Landwirte in Südeuropa und dem Nahen Osten Wassersprühsysteme einsetzen, um Photovoltaik-Module zu kühlen und den Energieertrag bei heißem Wetter zu steigern. Diese Praxis könne unter bestimmten Bedingungen zwar die Leistung der Module erhöhen, gleichzeitig aber auch die Leitfähigkeit im Umfeld elektrischer Strukturen und Erdungssysteme steigern und bestehende Erdungsmängel verstärken, wenn Installationen nicht sorgfältig geplant und gewartet werden.

Er verwies zudem auf Fälle mit Pferden in Gebäuden mit Dachanlagen. Dort führte er ungewöhnliches Verhalten der Tiere eher auf erhöhte elektromagnetische Felder durch Kabelverläufe und Wechselrichterkonfigurationen zurück als auf die Photovoltaik-Module selbst. Durch Änderungen an der Kabelführung und Verbesserungen der Erdung seien diese Effekte reduziert worden und das Verhalten der Tiere innerhalb des Stalls habe sich verändert. „Ein korrekt ausbalanciertes System zu erreichen, ist technisch anspruchsvoll und erfordert sorgfältige Planung und Koordination aller leitfähigen Elemente innerhalb des Gebäudes“, betonte er.

Größere Zusammenhänge

Der Photovoltaik-Experte verwies außerdem auf historische Fälle von Streuspannung in städtischer Infrastruktur. Er beschrieb Situationen, in denen Bahnsysteme, nahegelegene Wasserläufe und Gebäudeerdungsnetze miteinander verbunden waren und dadurch unbeabsichtigt elektrische Ströme über Erdungssysteme und leitfähige Versorgungseinrichtungen verbreitet wurden. In älteren Installationen seien metallische Wasserleitungen teilweise als Bestandteil des Erdungssystems genutzt worden, was zu erheblichen Stromflüssen zwischen Gebäuden führte.

Diese Systeme seien später nach Vorfällen mit Korrosion und unbeabsichtigten Stromschlägen bei Wartungsarbeiten an Wasser- und Elektroinfrastruktur überarbeitet worden. Solche Erfahrungen hätten zu strengeren Vorschriften geführt, die die Nutzung von Wasserleitungen als Erdungselektroden untersagten und die Entwicklung dedizierter Erdungssysteme in Gebäudefundamenten förderten.

Der Experte schloss daraus, dass diese historischen Beispiele zeigen, wie miteinander verbundene Erdungsnetze unbeabsichtigt erhebliche Ströme zwischen Gebäuden und Infrastrukturen transportieren können. Seiner Ansicht nach gelten heute ähnliche Prinzipien für landwirtschaftliche Photovoltaik-Installationen, bei denen mehrere leitfähige Systeme sorgfältig integriert werden müssen, um unbeabsichtigte Strompfade zu vermeiden.

Empfehlungen

„Die Installation von Photovoltaik-Anlagen auf Ställen ist absolut möglich, erfordert aber sorgfältige Planung. Das ist nichts, was man nebenbei erledigen sollte, denn es gibt mehrere miteinander wechselwirkende elektrische und erdungstechnische Effekte, die sowohl die Anlage als auch die Tiere beeinflussen können“, sagte er. „Wenn Photovoltaik-Systeme zu einem Stall hinzugefügt werden, wird die Situation komplexer. Die gesamte elektrische Umgebung des Standorts verändert sich.“

Ein weiterer Faktor sei uneinheitliches Design. Manche Installationen trennen positive und negative Leiter physisch oder verändern Erdungspraktiken auf eine Weise, die Ableitströme nicht reduziert, sondern lediglich über andere Wege verteilt. „Das kann lokale Feldeffekte unbeabsichtigt verschlimmern, statt sie zu lösen“, erklärte Iliou. „Der richtige Ansatz besteht nicht darin, Erdungen zu entfernen, sondern sie zu verbessern. Eine korrekt geplante Photovoltaik-Installation auf einem Stall sollte ein konsistentes Potenzialausgleichssystem verwenden – im Grunde eine gut geplante Maschen-Erdungsstruktur, die Dach, Wechselrichter, Metallinfrastruktur und Erde in ein kontrolliertes Gesamtsystem integriert.“

In vielen Fällen seien dafür keine teuren Nachrüstungen erforderlich. Oft könne dies durch vorhandene überschüssige Kabel und kleinere zusätzliche Verbindungen während Installations- oder Wartungsarbeiten erreicht werden. Die Mehrkosten seien im Vergleich zu den Gesamtkosten des Systems in der Regel gering, während der Effekt auf die Systemstabilität erheblich sein könne.

Die Herausforderung für die Branche bestehe darin, dass sich die Photovoltaik-Technologie – insbesondere Wechselrichter- und Leistungselektronikdesign – schnell weiterentwickelt, während Installationspraktiken und Verkabelungsstandards oft hinterherhinken. Dieses Ungleichgewicht könne dazu führen, dass veraltete Erdungskonzepte auf moderne Systeme angewendet werden.

„Mein Fazit ist also nicht, dass Photovoltaik-Anlagen auf Ställen vermieden werden sollten“, sagte Iliou. „Vielmehr sollten sie mit angemessener Aufmerksamkeit für Erdung, Potenzialausgleich und das elektrische Verhalten des Gesamtsystems installiert werden. Mit dem richtigen Design lassen sich die Risiken beherrschen und das System kann sowohl für die Produktion als auch für das Tierwohl sicher betrieben werden.“

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