Halbzellen-Solarmodule: Unsichtbare Lötfehler können zum Brandrisiko werden – Thermografie soll frühzeitig warnen

Der Beitrag von pv magazine beschäftigt sich mit einem Sicherheitsproblem moderner Halbzellenmodule. Nach Beobachtungen des DGS-Gutachters Udo Siegfriedt treten bei unterschiedlichen Herstellern sogenannte Substring-Fehler auf. Ursache können fehlerhafte Lötverbindungen innerhalb des Moduls beziehungsweise im Bereich der Anschlussdose sein. Besonders kritisch: Bestimmte Fehler bleiben im normalen Anlagenbetrieb zunächst vollkommen unauffällig und können erst unter ungünstigen Bedingungen zu einer starken lokalen Erwärmung führen. pv magazine Deutschland

Warum Halbzellenmodule anders reagieren als klassische Vollzellenmodule

Moderne Module bestehen häufig nicht mehr aus quadratischen Vollzellen, sondern aus halbierten Solarzellen. Dadurch halbiert sich der Strom der einzelnen Zelle, wodurch elektrische Verluste innerhalb des Moduls sinken. Der Beitrag nennt gegenüber einem vergleichbaren Vollzellenmodul einen Wirkungsgradvorteil von etwa drei Prozent. pv magazine Deutschland

Um trotzdem die erforderliche Modulstromstärke und Leistung zu erreichen, werden bei dem verbreiteten sogenannten Butterfly-Layout zwei Halbmodule parallel miteinander verschaltet. Mehrere Halbzellen bilden jeweils einen Substring; Bypass-Dioden sollen einzelne Substrings bei Verschattung oder anderen Problemen elektrisch überbrücken. pv magazine Deutschland

Genau diese Verschaltung führt nach Darstellung des Autors dazu, dass bestimmte Lötfehler sicherheitstechnisch kritischer werden können als bei klassischen Vollzellenmodulen.

Der gefährliche Fehler kann zunächst völlig unsichtbar bleiben

Problematisch wird es insbesondere, wenn eine Bypass-Diode aufgrund einer fehlerhaften Lötverbindung nicht mehr richtig angeschlossen ist.

Solange sämtliche Zellen normal beleuchtet werden und die Bypass-Diode nicht benötigt wird, kann das Modul trotzdem unauffällig arbeiten. Es entsteht weder zwangsläufig ein relevanter Leistungsverlust noch eine charakteristische Erwärmung, die bei einer normalen Thermografie sichtbar wäre. Der Fehler bleibt damit zunächst verborgen. pv magazine Deutschland

Erst wenn beispielsweise durch Verschattung eine Situation entsteht, in der die Bypass-Diode eigentlich aktiv werden müsste, kann das Problem eskalieren.

Aus der verschatteten Zelle wird plötzlich ein elektrischer Verbraucher

Kann die Bypass-Diode den betroffenen Bereich nicht überbrücken, fließt weiterhin der Strom der unverschatteten Zellen durch die verschattete Zelle. Diese produziert dann nicht mehr Strom, sondern nimmt elektrische Leistung auf und wandelt sie in Wärme um.

Nach Darstellung des Artikels können dabei so hohe Temperaturen entstehen, dass die Solarzelle beschädigt oder zerstört wird. Bei Glas-Folien-Modulen kann die Rückseitenfolie verkohlen, bei Glas-Glas-Modulen können die Glasscheiben reißen. Befinden sich zusätzlich brennbare Materialien in unmittelbarer Umgebung, entsteht daraus ein relevantes Brandrisiko. pv magazine Deutschland

Damit unterscheidet sich das Problem von einem gewöhnlichen Moduldefekt: Es geht nicht lediglich um geringeren Solarertrag, sondern potenziell um Anlagen- und Brandsicherheit.

Substring-Fehler liefern ein Warnsignal

Bei manchen Lötfehlern fallen Substrings bereits während des normalen Betriebs aus. Solche Fehler lassen sich mit einer Infrarotkamera vergleichsweise gut erkennen, weil betroffene Zellbereiche beziehungsweise Substrings ein anderes Temperaturverhalten zeigen als intakte Bereiche. pv magazine Deutschland

Genau darin liegt für Siegfriedt der Wert der Thermografie. Werden bei einer Anlage Substring-Fehler gefunden, ist das ein Hinweis darauf, dass innerhalb derselben Modulcharge möglicherweise weitere Lötprobleme vorhanden sind.

Besonders kritisch ist jedoch: Ein fehlerhafter Anschluss einer Bypass-Diode kann, wie beschrieben, im normalen Betriebszustand gerade keine auffällige thermische Signatur erzeugen. Eine Thermografie kann also nicht jeden potenziell gefährlichen Fehler unmittelbar entdecken. Eine direkte messtechnische Prüfung, ob sämtliche Bypass-Dioden ordnungsgemäß angeschlossen sind, ist laut Beitrag deutlich aufwendiger. pv magazine Deutschland

Deshalb empfiehlt der Experte Thermografie bereits bei der Inbetriebnahme

Siegfriedt leitet daraus als Mindestforderung eine stichprobenartige thermografische Untersuchung bei der Inbetriebnahme ab.

Werden dabei keine Substring-Fehler entdeckt, könne von einer relativ geringen Wahrscheinlichkeit ausgegangen werden, dass innerhalb der geprüften Module beziehungsweise Charge problematische Lötfehler und damit auch Bypass-Diodenausfälle vorhanden sind. Werden dagegen Substring-Fehler gefunden, sollte nach der Argumentation des Beitrags mit weiteren problematischen Modulen gerechnet und genauer untersucht werden. pv magazine Deutschland

Wie intensiv geprüft werden sollte, hängt nach Ansicht des Experten wesentlich vom möglichen Schadensausmaß eines Brandes ab.

Bei Freiflächenanlagen oder Anlagen auf nicht brennbaren Dächern könne eine erste stichprobenartige Untersuchung zunächst ausreichend sein. Bei Anlagen auf Gebäuden mit potenziell brennbarer Dacheindeckung seien dagegen weitergehende beziehungsweise wiederholte Untersuchungen angezeigt. pv magazine Deutschland

Zweite Prüfung nach spätestens einem Jahr

Ein weiterer wichtiger Punkt: Fehlerhafte Lötstellen müssen nicht unmittelbar nach der Installation sichtbar werden. Sie können sich nach Erfahrungen des Autors erst während des ersten Betriebsjahres entwickeln beziehungsweise bemerkbar machen.

Deshalb hält er eine zweite thermografische Kontrolle spätestens nach einem Jahr für sinnvoll. Bei Dachanlagen mit erhöhter potenzieller Brandgefahr bewertet er diese zweite Untersuchung sogar als notwendig. Ob anschließend weitere Prüfungen erfolgen sollten und ob Stichproben ausreichen oder sämtliche Module untersucht werden müssen, sollte wiederum vom jeweiligen Brandrisiko abhängen. pv magazine Deutschland

Damit wird Thermografie im Artikel nicht nur als Instrument zur Abnahme einer PV-Anlage verstanden, sondern als Teil eines risikobasierten Instandhaltungs- und Prüfkonzepts.

Auch bekannte Marken sind nicht grundsätzlich ausgeschlossen

Siegfriedt betont, dass solche Lötfehler offenbar kein flächendeckendes Problem darstellen. Die große Zahl störungsfrei arbeitender Anlagen spreche dagegen.

Dennoch seien Substring-Fehler bei Halbzellenmodulen unterschiedlicher Hersteller beobachtet worden. Darunter befänden sich auch Unternehmen, die von Bloomberg als „Tier 1“-Hersteller geführt werden. Der Artikel stellt ausdrücklich klar, dass diese Hersteller normalerweise hochwertige und überwiegend fehlerfreie Module liefern. Die Beobachtungen zeigten jedoch, dass auch bei renommierten Herstellern chargenweise Fertigungsfehler nicht ausgeschlossen werden können. pv magazine Deutschland

Das ist für Betreiber ein wichtiger Punkt: Markenname oder Qualitätsklassifizierung ersetzen keine technische Prüfung einer konkreten Anlage.

Wichtig: „Thermografie als Muss“ ist keine gesetzliche Muss-Vorschrift

Der Titel kann leicht so verstanden werden, als bestehe eine generelle gesetzliche Verpflichtung zur thermografischen Prüfung jedes Halbzellenmoduls. Das sagt der Beitrag so nicht.

Die Forderung nach der Thermografie wird aus der technischen Risikobewertung des DGS-Experten abgeleitet. Er bezeichnet die stichprobenartige Thermografie bei der Inbetriebnahme als Mindestforderung und empfiehlt abhängig vom Brandrisiko weitere Untersuchungen. Der Artikel dokumentiert damit eine fachliche Empfehlung zur Qualitätssicherung und Brandprävention, keine neue allgemeine gesetzliche Prüfpflicht. pv magazine Deutschland

Auf den Punkt gebracht:

Moderne Halbzellenmodule besitzen konstruktive Vorteile, ihre interne Parallelverschaltung kann aber bei fehlerhaften Lötstellen beziehungsweise nicht wirksamen Bypass-Dioden besondere Risiken erzeugen. Das Gefährliche daran: Ein Fehler kann lange unbemerkt bleiben und erst bei Verschattung dazu führen, dass sich eine Zelle extrem erhitzt. Rückseitenfolien können verkohlen, Glas kann reißen und bei brennbaren Materialien in der Umgebung kann daraus ein Brand entstehen.

Die zentrale Empfehlung des Beitrags lautet deshalb: Halbzellenanlagen bereits bei der Inbetriebnahme stichprobenartig thermografieren und – insbesondere bei Dachanlagen mit erhöhtem Brandpotenzial – spätestens nach dem ersten Betriebsjahr erneut untersuchen. Thermografie entdeckt zwar nicht unmittelbar jeden defekten Bypass-Diodenanschluss, kann aber Substring-Fehler sichtbar machen, die als Hinweis auf Qualitätsprobleme innerhalb einer Modulcharge dienen. Für Betreiber wird Thermografie damit vom reinen Werkzeug zur Ertragsoptimierung zu einem Instrument der vorbeugenden Anlagen- und Brandsicherheit. pv magazine Deutschland

Einordnung: Der Artikel basiert auf der fachlichen Einschätzung von Udo Siegfriedt, Gutachter der DGS Berlin-Brandenburg. Die frei zugängliche Kurzfassung enthält die wesentlichen technischen Zusammenhänge und Empfehlungen; der von dir verlinkte Beitrag vom 24. August ist die ausführlichere pv+-Fassung für Abonnenten. pv magazine Deutschland