Teichmann, KrЃger _Systematische Brandverhalten und ...

Systematische Untersuchung des Brandverhaltens und desFeuerwiderstands von Photovoltaik-Modulen einschließlich derEmissionen im Brandfall und Entwicklung eines Prüfverfahrenszum Einfluss von PV-Modulen auf die harte BedachungBernd Teichmann, Simone KrügerBAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Abt. Bauwerkssicherheit, BerlinKurzfassung:In Deutschland sind z.Zt. über 1 Million PV-Anlagen am Netz [1]. Immer häufiger kommendabei Dünnschichtmodule mit toxikologisch bedenklichen Inhaltsstoffen zum Einsatz wie z.B.Cadmium, Indium oder Selen. Aber selbst die klassischen Silizium Dickschichtmoduleenthalten als Kontaktmaterial signifikante Mengen an Blei.Besonders aus Sicht des Brandschutzes werfen sich vor diesem Hintergrund mehrere Fragenauf: Wie groß ist die toxikologische Gefährdung durch PV-Module im Brandfall und wieverhalten sich die Module bei einem Brand? Um hier Transparenz zu schaffen, wurden indiesem Forschungsvorhaben systematische Branduntersuchungen an verschiedenartigenPhotovoltaik-Modulen durchgeführt. Als Ergebnis können Aussagen getroffen werden zu:- Brandverhalten,- Feuerwiderstand der Module einschließlich der tragenden Konstruktion,- mechanische Integrität,- Einflüsse auf die harte Bedachung sowie- Emissionen im Brandfall.1. Einleitung - Stand der Technologie bei PV-ModulenUm einen Überblick über die Thematik zu erlangen, werden vorab die relevanten Rahmenbedingungenaufgezeigt. Eine typische PV-Anlage besteht, wie in Abbildung 1 gezeigt, aus denKomponenten Module, Verkabelung/Halterung, Wechselrichter und Einspeisezähler.Abb. 1: Komponenten einer PV-Anlage [2]1

Die Module werden zu sogenannten „Strings“ in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhenund die elektrische Energie effizient im Wechselrichter für das Stromnetz umzuwandeln.Übliche String-Spannungen Spannungen liegen im Bereich von ca. 600V. Der Aufbau einer Solarzelle mitdem Halbleiter Silizium ist in Abb. 2 zu erkennen.Abb. 2: Funktionsprinzip einer Si-Solarzelle [3]Als Halbleiter für die PV-Module kommen folgende Materialien [4] zum Einsatz:SiliziumCadmium-TelluridCIS / CIGS1Dickschicht(ca. 300µm)monokristallinpolykristallinbandgezogenDünnschicht Dünnschicht Dünnschicht(ca. 3µm) (ca. 3µm) (ca. 3µm)amorphDickschicht-Si-Zellen werden aus einer Si-Schmelze Schmelze durch aufwändige Verfahren hergestellt.Im Gegensatz dazu werden bei der Dünnschichttechnologie die photoaktiven Halbleiter kostengünstigerund mit geringerem Materialaufwand auf Trägersubstrate (Folien oder Glas) auf-gedampft. In folgender Abbildung ist der Aufbau einer CIGS-Dünnschichtzelle dargestellt.Abb. 3: Aufbau einer CIGS-Zelle [5]1Kupfer-Indium-Schwefel(CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Dieselenid (CIGS) Verbindun-gen mit CdS-Pufferschicht2

MarktanteileFür die Brandversuche ist es wichtig, die am Markt gebräuchlichsten Modularten zu identifizieren.In folgender Abbildung ist die Entwicklung der verschiedenen Zelltechnologien seit1999 wiedergegeben [6]. Dabei nehmen die klassischen Silizium-Dickschicht-Zellen dengrößten Anteil ein.Abb. 4: Marktentwicklung der Zelltechnologien in ProzentMontagesystemeGrundsätzlich können PV-Module auf alle Dacharten montiert werden. Die Halterungen fürdie Module unterscheiden sich dabei zwischen Flachdächern und Schrägdächern sowie -inEinzelfällen- in Fassadenmontagen. Darüber hinaus sind in der Dünnschichttechnologie auchPV-Folien erhältlich, welche direkt auf Flachdächer geklebt werden.3

Schrägdachmontage mit DachhakenFlachdachmontage mit StänderwerkMontage von Folienmodulen und fertiges Folien-PV-Dach (Global Solar)Indachmontage von Conergy, links mit Trapezblech, rechts ohne wasserdichte UnterschichtFassadenmontageFreilandmontage4

Anteil der PV an der regenerativen StromerzeugungDer Anteil der erneuerbaren Energien hängt neben der Anlagenleistung auch vom natürlichenAngebot ab. Dies betrifft vor allem die Wind-, Wasser- und Solarenergie:Abb. 5: Entwicklungstrends [3] innerhalb der erneuerbaren EnergienToxikologieVon besonderem Interesse für die Branduntersuchungen sind die toxikologisch wirksamenBestandteile in den PV-Zellen: Blei, Cadmium, Tellur, Kupfer, Indium, Gallium, SelenIn folgender Tabelle ist die toxikologische Wirkung der Schwermetalle bzw. deren Oxide,welche im Brandfall entstehen können, anhand der sogenannten PAC-Werte (ProtectiveAction Criteria) [7] dargestellt.Tab. 1: PAC-Werte:PAC-1 PAC-2 PAC-3Blei 0,15 120 700Bleidioxid 0,17 140 810Cadmium 0,1 0,76 4,7Cadmiumoxid 0,36 4 57Tellur 1,8 20 20Telluroxid 0,38 0,89 16,0Kupfer 1 1 45Kupferoxid 0,6 16 93Selen 0,2 0,2 1,6Selenoxid 0,84 2,3 2,3Indium 0,1 0,1 0,45Indiumoxid 0,32 0,88 5,3Gallium 30 330 2000Galliumoxid 16 180 11005

Diese Werte stellen Grenzwerte für den toxikologischen Schutz dar. Es gibt dreiEffektschweregrade:PAC-1: spürbares UnwohlseinPAC-2: schwerwiegende, lang andauernde oder fluchtbehindernde WirkungPAC-3: tödliche WirkungRelevante NormenDIN 4102Brandverhalten von Baustoffen und BauteilenTeil 1: Entflammbarkeitstest mit Gasflamme, BrennkastenTeil 7: Test von Bedachungen: Brandtest mit Drahtkorb und HolzwolleGröße Versuchsdach: 250cm x 200cmParameter: Dachaufbauten, DachneigungErgebnisse: Brandverhalten (Zeit, Ort, Ablauf), SchadensdimensionenENV 1187 und DIN EN 13501-5Prüfverfahren zur Beanspruchung von Bedachungen durch Feuer von außen (ENV 1187) undKlassifizierung mit den Ergebnissen aus Prüfungen von Bedachungen bei Beanspruchungdurch Feuer von außen (DIN EN 13501-5)Prüfverfahren 1 Prüfverfahren 2 Prüfverfahren 3 Prüfverfahren 4Brandsatz Brandsatz Brandsatz BrandsatzDrahtkorb Holzkrippe Holzfaserplatten StadtgasflammeHolzwolle & Wind & Wind & Wind& Wärmestrahlung & WärmestrahlungDie DIN EN 13501-5 definiert aufbauend auf den Ergebnissen aus der EN 1187 einKlassifizierungsverfahren.UL 790Underwriters Laboratories Inc. , Genormter Brandtest für Bedachungen, Amerikanische Norm3 Klassifikationen für Bedachungen:A: hohe AnforderungB: mittlere Anforderung undC: geringe Anforderung an den Feuerwiderstand.Spread of Flame Test:Beflammung eines Prüfdaches mit Gasflamme von oben unter WindKlassifikation Brennerleistung ZeitA/B ca. 378kW 10minC ca. 325kW 4minBurning Brand Test:Brandsatz mit Holzkrippe auf einem Prüfdach unter WindKlassifikation Brandsatz Anzahl BrandsätzeA 12 Zoll Holzkrippe 1B 6 Zoll Holzkrippe 2C 1,5 Zoll Holzkrippe 206

IEC 61730-2Diese Norm ist die deutsche Ableitung der UL 790 (nur Spread of Flame & Burning Brand)mit identischen Prüfverfahren, Klassifizierungen und Anforderungen.Durchführung der VersucheFolgende PV-Module wurden für die Untersuchungen ausgewählt:Technologie Verkapselung Rahmen Maße in mmamorphe Si Dünnschicht Glas-Glas - 1311*711*7amorphe Si Dünnschicht Glas-Folie Aluminium 1253*1103*41Monokristalline Dickschicht Glas-Folie Aluminium 1082*1237*38Cadmiumtellurid Dünnschicht Glas-Glas - 1200*600*7Dünnschicht CIGS Glas-Glas Aluminium 1196*636*36Die ausgewählten Module decken dabei einen großen Teil der am Markt verfügbarenTechnologien, Verkapselungen und Rahmenarten ab.Versuche im Brennkasten: Entflammbarkeit nach DIN 4102-1Für die Vorversuche zur Entflammbarkeit wurden die Modulproben im Brennkasteneingespannt und für 15s einer Propangasflamme ausgesetzt. Die Tests wurden sowohl an derVorderseite als auch an der Rückseite durchgeführt. Die Flammenleistung ist vergleichbar miteiner Streichholzflamme.Abb. 6: Tests zur Entflammbarkeit nach DIN 4102-1 im Brennkasten, links: Si-Dünnschichtmodul, Rückseite, rechts: Si-monokristallin, VorderseiteDie Versuche im Brennkasten ergaben, dass alle Module als nicht entflammbar gemäßDIN 4102-1 eingestuft werden können.Versuche in der RauchdichtekammerFür die Versuche in der Rauchdichtekammer wurden aus den PV-Modulen Proben mit einerGröße von 75 mm x 75 mm zugeschnitten. Bei einer Bestrahlungsstärke von 50 kW/m²werden diese in der Rauchdichtekammer in Anlehnung an DIN EN ISO 5659-2 beansprucht.7

Neben der spezifischen optischen Rauchdichte wurde die Rauchgaszusammensetzung mittelsFTIR-Spektroskopie ermittelt.Abb. 7: Flammenbildung während eines Brandversuches eines CdTe-ModulsEtwa 7-9 min nach Versuchsbeginn begann die Laminatschicht zwischen den Glasplatten derModulproben zu vergasen, die Gase entzündeten sich. Die Flammenhöhe betrug ca. 15 cm.Während des Brandversuches wurden die Rauchgaskomponenten gemessen:Abb. 8: Rauchgaszusammensetzung in der RauchdichtekammerEs zeigten sich bei allen Versuchen leicht erhöhte Konzentrationswerte fürKohlenstoffmonoxid (bis 56 ppm) und Acrolein.Abb. 9: Modulproben nach dem Brandtest in der Rauchdichtekammer (a-Si, CdTe, CIGS)8

Versuche nach EN 1187Wie in Abbildung 10 zu erkennen, werden die Versuche auf einem Testdach durchgeführt. Esbesitzt die Mindestmaße 1,8m x 0,8m, die Dachneigung lässt sich variieren. Zunächst wurdendie PV-Module entsprechend der EN 1187-1 mit einem Holzwolle-Drahtkorb getestet.Abb. 10: Drahtkorbtest nach ENV 1187/Prüfverfahren 1: Testdach mit Si-DickschichtWährend der größten Hitzeentwicklung wölbte sich das Solarglas, welches nur ca. 3 mm dickist nach unten, es zerbrach aber nicht. Dabei verbrannte ein Teil der rückseitigen Folie. Diesist auf den Schadensbildern zu erkennen:Abb. 11: Schadensbilder an Vorder- und Rückseite des Si-Dickschicht-ModulsBrandtests mit HolzkrippeDa nur ein einziges der getesteten Module sowie das Folienmodul der Beanspruchung durchden Holzwolle-Brandsatz nicht standhielt, wurde ein Brandtest mit höheremBeanspruchungsniveau durchgeführt.Abb: 12: Burning Brand Test eines Si-Dickschicht-Moduls in aufgeständerter Anordnung9

Dazu wird eine Holzkrippe nach IEC 61730-2 der A-Klassifizierung herangezogen. AlsBrandsatz kommt hier eine dreilagige, im Grundriss quadratische Holzkrippe mit einerKantenlänge von jeweils 30cm zum Einsatz. Die Feuerungsleistung wird durch ein starkesAnfachen der Krippe mit Wind signifikant erhöht.Nach nur 2 min. war das Bersten des Sicherheitglases zu vernehmen, nach einer weiterenMinute brannte die Folie auf der Rückseite und das Feuer zerstörte einen Teil des Modulsvollständig (Abbildung 13).Abb. 13: Schadensbilder am Si-Dickschicht-Modul nach einem Burning Brand TestBrandrückstandsanalytikUm beurteilen zu können, welche Menge der Schwermetalle in den Modulen bei einem Brandfreigesetzt werden, werden Probenstücke (25 x 25 cm) vom CIGS-und CdTe-Modul verbranntund die Rückstände im Vergleich zu den Originalen analysiert. Dazu kam ein ICP-OESSpektrometer der Marke HORIBA Jobin Yvon Ultima 2 CHR zum Einsatz. Dabei werden dieProben in die Gasphase überführt und in einem induktiv gekoppelten Plasma zur Emissionangeregt. Die Elemente haben ein charakteristisches Emissionspektrum, welches mit Hilfeeines Monochromators und einem Lichtdetektor aufgenommen wird.Abb. 14: Burning Brand Test und Rückstände eines CdTe ModulsDie Rückstände der CdTe-Probe zeigten eine signifikant hellere Färbung, die vorherschwarze, fotoaktive Schicht schien zum großen Teil verbrannt, bzw. chemisch umgewandeltworden zu sein. Im Anschluss an die Versuche wurden die Rückstände in einerSchlagrotormühle der Marke RETSCH SM 2000 zu Pulver gemahlen und in einer Mikrowellemit Borax aufgeschlossen. Für die Elementaranalyse kam ein ICP-OES Spektrometer derMarke HORIBA Jobin Yvon Ultima 2 CHR zum Einsatz. Dabei werden die Proben in dieGasphase überführt und in einem induktiv gekoppelten Plasma angeregt. Die Elemente habenein charakteristisches Emissionsspektrum, welches mit Hilfe eines Monochromators undeinem Lichtdetektor aufgenommen wird. Das Plasmagerät ist in der Abbildung 15 zuerkennen.10

Abb. 15: Atomemissionsspektrometrie zur quantitativen und qualitativen Analyse vonElementen in Feststoffen mit dem ICP-OES Spektrometer.Als Ergebnis ergaben sich nur geringfügige Abweichungen der Schwermetallgehalte nach derVerbrennung im Vergleich zu den Originalproben. In der Abbildung 16 sind dieMessergebnisse zusammengestellt. Man erkennt dabei deutlich, dass nach derBrandbeanspruchung der Proben noch fast die gesamten Schwermetalle im Modul verbliebensind. Dies bedeutet, dass im Brandfall mit einer mechanischen Zerstörung der Module nur eingeringer Anteil der toxischen Metalle in die Umwelt freigesetzt wird. Im Mittelwert enthaltendie Proben nach der Verbrennung noch ca. 94% der Schwermetalle der Ausgangsproben. In[8] wird angegeben, dass die Schwermetalle bei der Erhitzung im Glas des Modulseingeschlossen bleiben und dadurch immobilisiert werden.Der Cadmium-Gehalt in den Originalproben (6,9g/m²) stimmt sehr gut überein mit denUntergrenzen für Cadmiumgehalte in der Literatur [9] in Höhe von ca. 7g/m².Abb. 16: Ergebnisse der Rückstandsanalyse vor und nach dem Brandtest an CdTe- und CIGS-Modulproben11

AusblickDie Messwerte der Rückstandsanalysen weisen eine hohe Streuung auf. Aus diesem Grundsind weitere Testreihen notwendig, um die Ergebnisse zu verifizieren. Weiterhin sindUntersuchungen geplant, um das Verhalten von senkrecht montierten Modulen im Brandfallzu untersuchen. Dazu ist die Apparatur des Single-Burning-Item Brandtests nach EN 13831vorgesehen. Durch eine Variation der Brandlasten und der Modularten soll herausgefundenwerden, ab welcher Brandlast übliche Module anfangen zu versagen. Dazu kann u.a. auch beikonstanter Brandbeanspruchung die Zeit bis zum Versagen herangezogen werden.Weitreichendes Ziel wäre die Ausarbeitung des brandtechnologischen Wissens zurVereinfachung und Vereinheitlichung der bestehenden Normen.DanksagungDer Forschungsbericht wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau desBundesinstitutes für Bau, Stadt- und Raumforschung gefördert (Aktenzeichen: SF –10.08.18.7-11.39 / II 3-F20-10-1-113, die Verantwortung der Ergebnisse liegt beim Autor).Literatur:[1] www.solarwirtschaft.de/fileadmin/media/pdf/bnetza_2011_konsolidiert.pdf (24.4.2012, Werte derBundesnetzagentur)[2] Grafik: www.cetechnologie.de (23.4.2012)[3] Grafik: www.volker-quaschning.de (23.4.2012)[4] www.solarfirmen.com (23.4.2012)[5] Grafik: Koyo Thermo Systems: www.koyo-thermos.co.jp (23.4.2012)[6] www.solarfirmen.com (30.4.2012), Photon Europe GmbH[7] www.atlintl.com/doe/teels/teel/Table2.pdf (25.4.2012)[8] Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production, Vasilis M. Fthenakis _National Photovoltaic Environmental Health and Safety Assistance Center, Environmental SciencesDepartment, Brookhaven National Laboratory, Upton, NY11973, USA, 2003[9] Berechnung von Immissionen beim Brand einer Photovoltaik-Anlage aus Cadmiumtellurid-Modulen,Bayerisches Landesamt für Umwelt, 201112