Brände an thermischen Solaranlagen

Auf immer mehr deutschen Dächern finden sich neben Photovoltaikmodulen, die der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie dienen, auch Solarkollektoren, welche die Sonnenenergie in nutzbare Wärmeenergie umwandeln. Dass es vereinzelt zu einer Brandinitiierung in oder an Photovoltaikanlagen kommen kann, ist ein bekanntes Phänomen und wird in Fachkreisen viel diskutiert. Auch sind hier schon einige Rückrufaktionen bekannt geworden. Dass es aber auch in Solarkollektoren zu einer Brandentstehung kommen kann, erscheint auf den ersten Blick etwas überraschend. Bei intensiver Betrachtung dieser Problematik findet sich aber, wie nachstehend dargestellt, eine relative einfache Erklärung. Es ist daher nicht überraschend, dass durch verschiedene Gutachter des Institutes für Schadenverhütung und Schadenforschung der öffentlichen Versicherer e.V. (abgekürzt IFS) zwischenzeitlich mehrere Brandschäden untersucht wurden, die eindeutig in den Kollektoren von thermischen Solaranlagen entstanden sind.

Allgemeine Informationen zu Solaranlagen

Marktdaten In Deutschland waren Ende 2017 etwa 2,32 Millionen thermische Solaranlagen – auch Solarthermieanlagen oder Solar-Wärmeanlagen genannt – mit einer Kollektorfläche von 20,6 Millionen Quadratmetern installiert (Quelle: BSW-Solar, BDH, Stand 1/2018) (Abb. 1 bzw. Titelbild) In solarthermischen Anlagen wird eingestrahlte Sonnenenergie in nutzbare thermische (Wärme-) Energie umgewandelt. Die durchschnittliche Wärmeeinstrahlung auf der Erde beträgt in Abhängigkeit von der geografischen Lage und der Witterung über einen 24-Stunden-Rhythmus 165W/m2. In Europa ist bei Sonnenschein in Abhängigkeit vom Sonnenstand und der Jahreszeit mit einer Energieeinstrahlung von 200 bis 1000 W/m2 zu rechnen. Insgesamt erreicht die Menge der auf der Erde auftreffenden Sonnenenergie einen Wert, der mehr als zehntausendmal größer als der aktuelle Energiebedarf der Menschheit ist. Solarthermieanlagen dienen der Trinkwassererwärmung und ggf. der Heizungsunterstützung. Es ist zu erwarten, dass die Anzahl der installierten thermischen Solaranlagen und damit auch die Größe der Kollektorflächen in den nächsten Jahren noch deutlich gesteigert werden. Hintergrund dieser Erwartung sind unter anderen die kontinuierlich steigenden Energiepreise und die im Jahr 2007 von der Bundesregierung beschlossenen Klimaschutzziele mit den daraus resultierenden verschärften Anforderungen der Energieeinsparverordnung. In den Klimaschutzzielen wurden eine Senkung des CO2-Ausstoßes in Deutschland bis zum Jahr 2020 um 40 % und ein Umstieg auf erneuerbare Wärmeenergiequellen gesetzlich festgeschrieben. Für Neubauten und grundlegend sanierte Bestandsbauten müssen aktuell 15 % der Heizenergie aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Realisiert wird dieses in der Regel durch die Installation einer thermischen Solaranlage zur Warmwasserbereitung oder bei deutlicher Übererfüllung der gesetzlich vorgeschriebenen Mindestanforderungen auch in Kombination mit einer Heizungsunterstützu

Aufbau und Funktion von Solaranlagen

Die in Deutschland am weitesten verbreitete und einfachste Form einer Solarthermieanlage stellt eine Anlage zur Trinkwassererwärmung dar. Diese besteht in der Regel aus mehreren Kollektoren, einem Pufferspeicher, einer Pumpenbaugruppe, einer Regelung und der Verrohrung, durch die eine Wärmeträgerflüssigkeit fließt. Die Dimensionierung der Kollektoren und des Pufferspeichers erfolgt in Abhängigkeit von der benötigten Warmwassermenge und der Kollektorausrichtung. Die Sonnen- oder Solarkollektoren (aus dem Lateinischen „sol“ für Sonne und „colligere“ für sammeln) haben die Aufgabe, die im Sonnenlicht enthaltene Energie zu sammeln und über eine in einem Rohrsystem zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit an ein anderes Medium, in diesem Fall Wasser, abzugeben. Bei den Kollektoren wird nach der Konstruktionsart in Flach- bzw. Vakuumröhrenkollektoren (letztgenannte bleiben im Weiteren unberücksichtigt) sowie nach der Montageart in Aufdach- bzw. Indachkollektoren unterschieden: Ein Flachkollektor besteht aus einer Rückwand (Holz oder Blech), auf der sich eine Wärmedämmung befindet, einem Rahmen (Holz oder Metall) und einer Abdeckplatte aus beschichtetem Glas. Das Herzstück des Flachkollektors stellt der Absorber dar. Dieser besteht in der Regel aus Kupferblechen, die zur Steigerung der Wärmesammeleigenschaften speziell beschichtet sind, und ist mit einem Rohrsystem verbunden, durch das die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Aufdachkollektoren werden auf einem Gestell auf dem Dach oberhalb der Dacheindeckung aufgebaut. Lediglich die Stützen des Gestells und die Rohrleitungen für den Vor- und Rücklauf der Wärmeträgerflüssigkeit durchdringen die Dacheindeckung bzw. die Dachkonstruktion. Indachkollektoren werden in die Dachhaut integriert und ersetzen die Dacheindeckung. Die in Deutschland gängigste Variante ist der auf dem Dach aufgebaute Flachkollektor, der auch gleichzeitig die preisgünstigste Variante darstellt. In einem Pufferspeicher wird die Energie des Wärmeträgermediums über einen Wärmetauscher auf das im Speicher vorhandene Wasser übertragen und bewirkt dort eine Temperaturerhöhung des Speicherinhalts. Die Pufferspeicher verfügen grundsätzlich über einen weiteren Wärmetauscher, um eine Wassererwärmung unabhängig von der Sonneneinstrahlung zu gewährleisten. Diese Wärmetauscher können zum Beispiel an die Zentralheizung des Gebäudes angeschlossen sein oder aus einer elektrischen Heizspirale bestehen. An oder in unmittelbarer Nähe des Pufferspeichers wird eine Pumpenbaugruppe installiert, welche die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit bewirkt. Die Pumpe wird von der Regelung der Anlage in Abhängigkeit von den an verschiedenen Stellen im System ermittelten Temperaturen gerege

Brandschäden an Solaranlagen

Die Zirkulationspumpe des Wärmeträgerkreislaufs sowie die Regelung der Solarthermieanlage und die ggf. in den Pufferspeicher eingebaute elektrische Heizung sind an das Stromnetz angeschlossen und folglich in der Lage, ein Schadenereignis, darunter auch einen Brand, zu initiieren. Mögliche Ursachen für eine denkbare Brandverursachung sind zum Beispiel ein Bauteilversagen durch einen technischen Defekt, ein Isolationsverlust mit der Folge eines Kurzschlusses, ein Montagefehler usw. Ein derartiges Schadenszenario wird in Fachkreisen als nicht ungewöhnlich bewertet und wird sicherlich auch für Laien als leicht nachvollziehbar und plausibel erachtet. Anders sieht es allerdings aus, wenn es zu einem Brandgeschehen im Bereich der Solarkollektoren oder der Dachdurchführungen der Solarleitungen kommt. Dort sind mit Ausnahme eines Temperaturfühlers im Kollektorfeld keine elektrischen Installationen oder Komponenten vorhanden. Der Temperaturfühler stellt einen temperaturabhängigen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) dar und arbeitet mit einer Steuerspannung von in der Regel 12 Volt. Die elektrische Leistung in der Anschlussleitung des Temperaturfühlers und im Temperaturfühler selbst ist nicht ausreichend, einen Brand zu verursachen. Daraus folgt, dass ein technischer Defekt als Ursache für einen Brand, der in einem Solarkollektor oder im Bereich der Dachdurchführung der Solarleitungen entsteht, nicht in Frage kommt. Trotzdem wurden in jüngster Zeit von Gutachtern des IFS mehrere Brandschäden in  Wohnhäusern untersucht, bei denen man nach Ausschluss aller denkbaren Brandursachen zu der Annahme gelangen musste, dass die Brandentstehung in Zusammenhang mit den Solarkollektoren stehen musste. Bei den Brandschäden konnten andere mögliche Brandursachen, wie zum Beispiel ein elektrotechnischer Defekt, Heißarbeiten, Gewitteraktivität etc. eindeutig ausgeschlossen werden. Die Schäden wiesen aber auffällige Analogien auf: Die solarthermischen Anlagen haben die in den Kollektoren gesammelte Wärmeenergie nicht auf den Pufferspeicher übertragen, bei den vom Brand betroffenen Häusern waren Flachkollektoren der Montageart Indachkollektoren montiert und die Kollektoren bestanden aus einer Holzrahmenkonstruktion. Es musste also davon ausgegangen werden, dass die Kombination dieser Übereinstimmungen etwas mit der Brandursache zu tun hat. Der Umstand, dass die in den Kollektoren gesammelte Wärmeenergie nicht auf den Pufferspeicher übertragen werden kann, wird Stagnation genannt. Als Ursache für die Stagnation kommen in Frage: Eine Fehlfunktion in der Regelung der Solarthermieanlage verursacht den Stillstand der Zirkulationspumpe im Wärmeträgerkreislauf. Eine Undichtigkeit im Wärmeträgerkreislauf führt zum Austritt der Wärmeträgerflüssigkeit mit der Folge, dass die gesamte Anlage in Störung geht und somit auch die Zirkulationspumpe nicht mehr arbeitet. Ein auf die eingestellte Maximaltemperatur aufgeheizter Pufferspeicher. Dieser Umstand bewirkt, dass kein Wärmeübertrag von den Kollektoren in den Speicher mehr möglich ist und die Zirkulationspumpe abgeschaltet wird. Eintreten kann eine solche Situation in den Sommermonaten bei Sonnenschein und keiner oder nur sehr geringer Warmwasserabnahme, zum Beispiel bei Abwesenheit der Bewohner. Aus dem dritten Punkt ergibt sich, dass die Stagnation einen üblichen Betriebszustand darstellt. Bei einer Stagnation können in Flachkollektoren Temperaturen von über 200°C erreicht werden. Autor: Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Hoyer Institut für Schadenverhütung und Schadenforschung der öffentlichen Versicherer e.V. Den vollständigen und viele weitere Artikel über vorbeugenden Brandschutz finden Sie in dem gleichnamigen Sonderheft Vorbeugender Brandschutz.