PV-Anlage erden: Potentialausgleich und Blitzschutz

Ja. Jedes Regelwerk für Photovoltaik — NEC 690 in Nordamerika, IEC 60364-7-712 und ihre nationalen Fassungen wie DIN VDE 0100-712 in Europa — verlangt, dass die berührbaren Metallteile einer PV-Anlage mit der Erde verbunden werden. Die Erdung erfüllt dabei zwei getrennte Aufgaben: Der Potentialausgleich verbindet jeden Modulrahmen und jede Montageschiene miteinander, sodass kein Teil auf einem anderen Potential liegen kann als der Rest, und die Schutzerdung verbindet dieses ausgeglichene Metallgerüst mit einem Erder, damit ein Fehler oder ein naher Blitzeinschlag einen sicheren Weg ins Erdreich findet — statt durch einen Menschen.

Eine PV-Anlage ist unter den elektrischen Installationen ein Sonderfall: Sie steht 25+ Jahre im Freien, sie lässt sich nicht abschalten, solange die Sonne scheint, und ihre DC-Seite kann mit 400–1000 V arbeiten. Ein Isolationsfehler, der in der normalen Hausinstallation einen Leitungsschutzschalter auslösen würde, kann einen Modulrahmen monatelang unbemerkt unter Spannung setzen. Deshalb ist der Potentialausgleich auch bei kleinen Selbstbau-Anlagen Pflicht — und deshalb muss die Erde der Anlage dieselbe Erde sein wie die des übrigen Gebäudes.

Die Begriffe Erdung, Schutzerdung und Potentialausgleich werden ständig durcheinandergeworfen, und diese Verwirrung führt zu echten Installationsfehlern. Sie beschreiben unterschiedliche Verbindungen mit unterschiedlichem Zweck:

Bei einer typischen selbst gebauten netzgekoppelten Anlage sind die ersten beiden Zeilen Ihre Aufgabe: erst alles in den Potentialausgleich einbinden, dann das Ganze erden. Die Funktionserdung eines DC-Pols ist Sache des Wechselrichterherstellers, niemals Ihre — dazu weiter unten mehr. Eine vollständige Blitzschutzanlage mit Fangeinrichtungen ist eine eigene, fachlich geplante Installation, die die meisten Wohnhäuser nicht haben.

Der Aluminiumrahmen eines Solarmoduls ist von den Zellen durch das Laminat und die eloxierte Oxidschicht auf dem Metall selbst getrennt. Drei Dinge überwinden diese Trennung im Laufe der Jahre. Erstens Isolationsfehler: eine gerissene Rückseitenfolie, ein unter einer Klemme gequetschtes, durchgescheuertes Kabel oder Feuchtigkeit in einer Anschlussdose können einen aktiven Leiter direkt mit dem Rahmen verbinden. Von diesem Moment an liegt das gesamte Traggestell auf Strangpotential — bis zu mehreren hundert Volt — und wartet nur darauf, dass jemand es berührt und einen Weg zur Erde bietet.

Zweitens kapazitive Ableitströme. Ein Modul ist eine große leitfähige Fläche (die Zellen) gegenüber einer anderen großen leitfähigen Fläche (dem Rahmen und dem geerdeten Dach) — ein Kondensator. Bei trafolosen Wechselrichtern, die keine galvanische Trennung zwischen DC und AC besitzen, liegt die DC-Seite nicht auf einem festen Potential gegenüber der Erde; Teile des Generators schwingen mit der Netzspannung mit. Das treibt einen kleinen, aber dauerhaften AC-Ableitstrom durch diese Kapazität, bei einer Wohnhausanlage typisch einige Milliampere. Der Potentialausgleich gibt diesem Strom einen definierten Weg; ohne ihn ist der Weg das, was gerade das Gestell berührt.

Drittens die potentialinduzierte Degradation (PID). Liegen die Zellen auf einer stark negativen Spannung gegenüber dem geerdeten Rahmen, wandern Natriumionen aus dem Glas in die Zelle, und die Leistung kann innerhalb weniger Jahre um 10–30% einbrechen. Eine korrekte Rahmenerdung verursacht keine PID — sie definiert das Bezugspotential, gegen das das Modul geprüft und zertifiziert wurde. Manche Wechselrichter wirken PID mit eingebauter Funktionserdung oder nächtlichen Regenerationsschaltungen entgegen.

Potentialausgleich klingt trivial — „das Metall miteinander verbinden“ —, doch Aluminium macht es tückisch. Jedes tragende Teil einer PV-Anlage ist eloxiert oder beschichtet, und eloxiertes Aluminiumoxid ist ein hervorragender Isolator. Zwei Schienen, die sich berühren, sind noch lange nicht elektrisch verbunden. Eine fachgerechte Verbindung muss die Beschichtung durchdringen und über Jahrzehnte gasdicht bleiben:

1. Jeden Modulrahmen mit der Schiene verbinden

   Verwenden Sie für den Potentialausgleich zugelassenes Material — gezahnte Erdungsscheiben (WEEB-Typ), Erdungs-Mittelklemmen mit Durchdringungsspitzen oder die mit ⏚ gekennzeichnete Erdungsbohrung am Rahmen mit einer zugelassenen Anschlussklemme. Die Zähne beißen sich durch die Eloxalschicht bis auf das blanke Metall.

2. Die Schienen untereinander verbinden

   Schienenverbinder sind mechanische Verbindungen, keine elektrischen — es sei denn, das Verbinderset ist für den Potentialausgleich zugelassen (in Nordamerika: UL 2703). Andernfalls über jeden Stoß eine Ausgleichsbrücke setzen.

3. Den Erdungsleiter am Traggestell anschließen

   Eine zugelassene Anschlussklemme pro Schienenreihe (oder gemäß Montageanleitung), Kupferleiter, Edelstahl-Befestigungsmaterial. Kupfer darf Aluminium nie direkt berühren — der Klemmenkörper trennt die beiden Metalle und verhindert so galvanische Korrosion.

4. Den Leiter zum Erdungspunkt führen

   Führen Sie den Erdungsleiter zusammen mit den DC-Kabeln — dicht daneben, ohne Schleifen. Möglichst durchgehend verlegen; wo eine Verbindung unvermeidbar ist, eine unlösbare (gecrimpte) oder zugelassene Verbindung verwenden, niemals eine Drahtverbindungsklemme.

Der Querschnitt des Erdungsleiters hängt an einer einzigen Frage: Gibt es am Gebäude eine äußere Blitzschutzanlage (LPS), und falls ja — hält die PV-Anlage den erforderlichen Trennungsabstand zu ihr ein? Dies sind die Mindest-Kupferquerschnitte der europäischen Praxis (DIN VDE 0100-712 mit der Blitzschutz-Normenreihe IEC 62305) und das NEC-Pendant:

Größer ist nie falsch: Viele Installateure verlegen schlicht überall 16 mm² (oder 6 AWG), damit die Frage nach dem Trennungsabstand sie später nie einholen kann. Der Preisunterschied liegt bei einer Wohnhausanlage bei wenigen Euro.

Potentialausgleich und Schutzerdung schützen vor Fehlern und induzierten Überspannungen — blitzsicher machen sie eine PV-Anlage nicht. Der Schutz vor Direkteinschlägen ist ein eigenes System nach IEC 62305: Fangeinrichtungen, Ableitungen und eigene Erder. Hat Ihr Gebäude eine solche Anlage, ist der Schlüsselbegriff der Trennungsabstand: der Mindest-Luftabstand (typisch 0,5–1 m, berechnet nach IEC 62305-3) zwischen der LPS und den Metallteilen der PV-Anlage, der verhindert, dass ein Einschlag in Ihre DC-Verkabelung überschlägt.

Kann die Anlage diesen Abstand zu jeder Ableitung und Fangeinrichtung einhalten, bleibt sie elektrisch unabhängig — erden Sie sie mit 6 mm² an der Haupterdungsschiene, und Sie sind fertig. Kann sie es nicht (auf kleinen Dächern häufig), muss das Traggestell gezielt mit blitzstromtragfähigen Klemmen und 16 mm² Kupfer in die LPS eingebunden werden, damit der Blitzstrom einen kontrollierten Weg um Ihre Anlagentechnik herum nimmt statt durch sie hindurch.

Ob eine LPS vorhanden ist oder nicht: Überspannungsschutzgeräte (SPDs) auf der DC-Seite sind die zweite Hälfte der Blitzsicherheit — sie begrenzen die Spannungsspitzen, die nahe Einschläge in der Strangverkabelung induzieren. Ein SPD ist nur so gut wie seine Erdverbindung: Ein Typ-2-DC-SPD mit einem langen, dünnen, in Schleifen verlegten Erdungsdraht begrenzt auf eine weit höhere Restspannung, als sein Datenblatt verspricht.

Hier richtet die Selbstbau-Intuition aus der Kfz-Elektrik oder alten Fernmeldeanlagen echten Schaden an: Bei einem modernen trafolosen Strangwechselrichter darf keiner der beiden DC-Pole mit der Erde verbunden werden. Der Generator muss erdfrei bleiben. Praktisch jeder aktuelle Strang- und Hybridwechselrichter für Wohngebäude ist trafolos — zwischen Ihren Modulen und dem Netz sitzt kein Trenntransformator, sodass ein geerdeter DC-Pol schon im ersten Schaltzyklus einen Fehlerstrom durch die Brücke des Wechselrichters treiben würde.

Erdfrei heißt nicht ungeschützt — es ist der Schutz. Der Wechselrichter misst jeden Morgen vor der Netzzuschaltung den Isolationswiderstand des gesamten Generators gegen Erde (der Riso-Test) und überwacht im Betrieb den Fehlerstrom. Ein erster Isolationsfehler in einem erdfreien Generator verursacht überhaupt keinen Fehlerstrom: Der Wechselrichter meldet einen Isolationsfehler und verweigert den Start, und Sie beheben den Fehler, bevor er jemanden verletzen kann. In einem System mit geerdetem Pol ist derselbe erste Fehler bereits ein Kurzschluss.

Die Funktionserdung eines Pols gibt es durchaus — manche Dünnschicht- und hocheffizienten n-Typ-Modultechnologien verlangten historisch einen geerdeten Minus- oder Pluspol, um Degradation zu verhindern. Doch diese Erdung geschieht im Inneren des Wechselrichters über einen kontrollierten, abgesicherten Pfad, aktiviert in den Wechselrichtereinstellungen nach Vorgabe des Modulherstellers. Sie ist niemals ein Draht, den Sie selbst anschließen.

Aller Potentialausgleich endet an einer Elektrode im gewachsenen Boden. Für eine Dachanlage auf einem Wohnhaus ist das die vorhandene Erdungsanlage des Gebäudes — ein Fundamenterder oder bestehende Staberder an der Haupterdungsschiene. Sie brauchen keinen neuen Erder; Sie brauchen einen fachgerechten Anschluss an den vorhandenen. Der Widerstand eines einzelnen vertikalen Staberders lässt sich aus dem spezifischen Bodenwiderstand abschätzen:

Bei typischem Boden mit ρ = 100 Ω·m liefert ein 2,4-m-Stab mit 16 mm Durchmesser etwa 40 Ω. Diese eine Zahl erklärt den Großteil der Erdungspraxis: Ein einzelner Stab reicht in schlechtem Boden selten aus, eine Verdopplung der Stablänge halbiert den Widerstand nicht (dafür sorgt der Logarithmus), und zwei Stäbe im Abstand von mindestens ihrer eigenen Länge wirken weit besser als zwei Stäbe dicht nebeneinander. Die gängige Praxis zielt bei Anlagen mit Blitzexposition auf 10 Ω oder besser; NEC 250.53 akzeptiert einen einzelnen Stab nur, wenn er 25 Ω oder weniger misst — andernfalls ist ein zweiter Stab Pflicht.

Freiflächen- und Bodenanlagen verdienen besondere Sorgfalt: Die Anlage bekommt ihren eigenen lokalen Erder (oft die gerammten Pfahlfundamente selbst), doch dieser Erder muss über den Kabelgraben mit der Erdungsanlage des Hauses verbunden bleiben. Ein isolierter Anlagenerder ist ein klassischer Fehler — bei einem nahen Einschlag können „Anlagenerde“ und „Hauserde“ um Dutzende Kilovolt auseinanderliegen, und die Differenz fällt an der Isolierung des DC-Kabels dazwischen ab.

1. Anschlussklemme auf eloxiertem oder lackiertem Metall

   Eine auf intakte Eloxalschicht geschraubte Klemme ergibt eine Verbindung, die heute einwandfrei misst und nach fünf Jahren Oxidwachstum ein Isolator ist. Verwenden Sie gezahntes Material, das die Beschichtung durchdringt, oder legen Sie das Metall blank und schützen Sie die Verbindungsstelle.

2. Kupfer direkt auf Aluminium

   Kupfer auf Aluminium in Außenfeuchte ist ein galvanisches Element — das Aluminium korrodiert unter der Verbindung weg. Verwenden Sie zwischen Kupferleiter und Aluminiumgestell immer zugelassene Bimetallklemmen oder Edelstahl-Zwischenlagen.

3. Rahmen mit einem dünnen Draht in Reihe durchschleifen

   Einen einzelnen 4-mm²-Draht in Reihe von Rahmen zu Rahmen zu schleifen bedeutet: Eine lockere Schraube trennt alles dahinter vom Potentialausgleich. Binden Sie jede Reihe an das Schienensystem an und bemessen Sie den Leiter nach der Tabelle oben.

4. Ein isolierter Staberder für die Anlage

   Ein separater Stab, der nicht mit der Erdungsanlage des Gebäudes verbunden ist, bringt keine zusätzliche Sicherheit — er erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen zwei „Erden“, die bei jedem nahen Einschlag an Ihrer Anlagentechnik anliegt. Eine Erdungsanlage, alles miteinander verbunden.

5. Einen DC-Pol „zur Sicherheit“ erden

   Bei einem trafolosen Wechselrichter führt das zu Fehlerstrom, einem beschädigten Wechselrichter oder einer lahmgelegten Isolationsüberwachung. Der Generator bleibt erdfrei; geerdet werden nur Rahmen und Schienen.

6. Den Schienenverbinder als Ausgleichsverbindung betrachten

   Schienenverbinder fügen Schienen mechanisch zusammen. Sofern der Verbinder nicht ausdrücklich für den Potentialausgleich zugelassen ist, sehen Blitzstrom und Fehlerstrom eine eloxierte Fügestelle — setzen Sie eine Brücke.

7. Den Erdungspfad des SPD vergessen

   Ein Überspannungsschutzgerät mit 1,5 m aufgerolltem 4-mm²-Draht zur Erdungsschiene begrenzt Tausende Volt höher als spezifiziert. SPD-Erdungsleitungen: kurz, gerade und mindestens im vom SPD-Hersteller geforderten Mindestquerschnitt.

Die Regeln in diesem Artikel stammen aus einer überschaubaren Zahl von Normen. Sie müssen sie selten von vorn bis hinten lesen, aber zu wissen, welches Dokument welche Frage beantwortet, hilft, wenn Ihr Prüfer, Ihre Montageanleitung und ein Forenbeitrag sich widersprechen:

Die Erdung macht die Anlage berührungssicher; die elektrische Auslegung macht sie betriebssicher. Bevor irgendetwas aufs Dach kommt, prüfen Sie, ob Strangspannung und -strom bei den Temperaturextremen Ihres Standorts tatsächlich zu Ihrem Wechselrichter passen — das ist eine Zwei-Minuten-Prüfung: