Erdung & Blitzschutz der PV-Anlage

Die Begriffe hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe:

• Potentialausgleich: Alle leitfähigen Teile – bei der PV-Anlage vor allem Montageschienen, Haken und gegebenenfalls Modulrahmen – werden elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch kann zwischen zwei berührbaren Metallteilen keine gefährliche Spannung entstehen.
• Erdung: Die zuvor verbundenen Teile werden über einen Leiter und die Haupterdungsschiene im Haus mit der Erdungsanlage des Gebäudes verbunden. Der Potentialausgleich ist also die Voraussetzung für die Erdung.
• Funktionserdung bzw. Funktionspotentialausgleich: Eine Verbindung, die nicht primär dem Personenschutz dient, sondern dem sicheren Betrieb, zum Beispiel damit Störströme sicher abgeleitet werden (S:FLEX) und der Wechselrichter Isolationsfehler zuverlässig erkennt (DEHN). Laut S:FLEX-Leitfaden kann eine Schutzerdung auch der Funktionserdung dienen, aber nicht umgekehrt.
• Äußerer Blitzschutz: Fangstangen, Fangleitungen und Ableitungen, die einen direkten Einschlag auffangen und außen am Gebäude in die Erde führen.
• Innerer Blitzschutz: Blitzschutz-Potentialausgleich und Überspannungs-Schutzgeräte (Ableiter), die verhindern, dass Blitz- und Überspannungen über Leitungen ins Haus gelangen und dort Schäden anrichten.

DEHN beschreibt ein vollständiges Schutzkonzept für PV-Anlagen deshalb als Kombination aus Erdungsanlage und Potentialausgleich, äußerem Blitzschutz mit Trennungsabstand sowie innerem Blitzschutz mit Ableitern. Passendes Material wie Erdungsleiter und Klemmen finden Sie in unserer Kategorie Erdung.

Für die Errichtung von PV-Anlagen gilt DIN VDE 0100-712. Nach der Darstellung von DEHN enthält sie keine strikte Forderung, Modulrahmen oder Montagegestell aus Gründen des Personenschutzes zu erden: Die DC-Seite ist in der Regel doppelt bzw. verstärkt isoliert (Schutzklasse II) oder als Schutzkleinspannung ausgeführt, sodass ein gefährlicher Fehler normativ ausgeschlossen ist.

Das heißt aber nicht, dass Sie auf die Verbindung verzichten sollten. DEHN empfiehlt – ebenso wie nach seinen Angaben die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) und der Gesamtverband der Versicherer im Leitfaden VdS 3145 – das Montagegestell in den Potentialausgleich einzubeziehen. Die Gründe:

• Isolationsüberwachung: Trafolose Wechselrichter prüfen vor dem Zuschalten die Isolation der DC-Seite. Ein Isolationsfehler am Modul wird nur bei geerdetem Gestell sicher erkannt; ohne Anbindung kann ein Fehler unbemerkt bleiben und beim Berühren von Gestell oder Rahmen zur Gefahr werden.
• Überspannungsschutz: Ohne Anbindung des Gestells können DC-Ableiter nur zwischen Plus und Minus schützen, nicht gegen Überschläge zum Rahmen.
• Elektrostatische Aufladung wird ohne Verbindung ebenfalls nicht abgeführt.

Die Montagesystem-Hersteller K2 Systems und S:FLEX formulieren es in ihren Leitfäden strenger: PV-Anlagen seien nach VDE 0100 immer mit einem Potentialausgleich aller leitfähigen, berührbaren Teile zu versehen. In der Praxis läuft beides auf dasselbe hinaus: Ein fachgerecht errichtetes Gestell wird eingebunden.

Modulrahmen müssen laut K2 normativ nicht einzeln geerdet werden – es sei denn, der Modulhersteller schreibt eine Rahmenerdung vor, was nach Angaben von K2 zunehmend der Fall ist. Prüfen Sie deshalb die Installationsanleitung Ihrer Solarmodule; gegebenenfalls muss jeder Rahmen in den Potentialausgleich einbezogen werden.

Für die Verbindung des Montagesystems mit der Haupterdungsschiene nennen die ausgewerteten Fachunterlagen folgende Mindestquerschnitte:

DEHN nennt für die blitzstromtragfähige Verbindung alternativ einen 8-mm-Runddraht aus Aluminium oder Kupfer. Laut S:FLEX wird in der Praxis häufig ohnehin Aluminium-Runddraht mit 8 mm Durchmesser (50 mm²) verwendet, obwohl das nicht zwingend nötig ist. Wichtig nach DEHN: Ein Funktionspotentialausgleichsleiter nach DIN VDE 0100-712 darf nicht grün-gelb gekennzeichnet sein.

Weitere Hinweise aus den Herstellerleitfäden:

• Schienenverbinder mit Erdungsblech stellen den Potentialausgleich zwischen den Schienen her, sind laut S:FLEX aber nicht blitzstromtragfähig.
• Erdungsklemmen wie die TerraGrif-Bauteile von K2 dürfen nach dem Ausbau nicht wiederverwendet werden.
• Kontaktkorrosion vermeiden: Materialien sind nach der elektrochemischen Spannungsreihe zu wählen, etwa mit Edelstahl-Zwischenelementen zwischen Aluminium und Kupfer.
• Servicefreundlich planen: K2 empfiehlt, den Potentialausgleich so auszuführen, dass einzelne Module entnommen werden können, ohne dass die Verbindung unterbrochen wird.
• Messen: S:FLEX empfiehlt, vor Inbetriebnahme die niederohmige Verbindung vom äußersten Punkt der Anlage bis zur Haupterdungsschiene zu prüfen und bei mehr als 1 Ohm zusätzliche Verbindungen zu setzen.

Passende Leitungen und Klemmen vergleichen Sie in der Kategorie Erdung, Montagesysteme etwa unter Unterkonstruktion für Ziegeldächer oder Flachdach-Unterkonstruktion.

Das nationale Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) beschreibt Schutzmaßnahmen für den äußeren und inneren Blitzschutz von PV-Anlagen und unterscheidet drei Anwendungsfälle. Die folgende Tabelle fasst die Auswahlmatrix von DEHN und die Empfehlungen von S:FLEX zusammen:

Im dritten Fall werden Blitzteilströme über das Gestell und die Leitungen ins Gebäude geführt; deshalb sind auf der DC-Seite blitzstromtragfähige Kombi-Ableiter nötig. Die Zahl und Lage der Verbindungen zum äußeren Blitzschutz muss laut S:FLEX zwingend eine Blitzschutzfachkraft planen.

Zwei Grundsätze nennt K2 für alle Fälle: Ein bestehender Blitzschutz darf durch die PV-Anlage in seiner Wirkung nicht beeinträchtigt werden, und ein neu zu errichtender Blitzschutz ist so auszulegen, dass er auch ohne PV-Anlage funktioniert. Die Fachunterlagen setzen eine äußere Blitzschutzanlage nicht allein wegen der PV-Anlage voraus; DEHN behandelt Wohngebäude ohne äußeres Blitzschutzsystem als eigenen Standardfall. Überspannungsschutz ist nach DEHN aber auch dann vorzusehen, wenn kein äußerer Blitzschutz vorhanden ist.

Ob Fall 2 oder Fall 3 vorliegt, entscheidet der Trennungsabstand s zwischen Fangeinrichtungen bzw. Ableitungen und allen Teilen der PV-Anlage. Er wird nach DIN EN 62305-3 berechnet und hängt laut K2 von mehreren Faktoren ab:

• dem Induktionsfaktor ki, der sich nach der Blitzschutzklasse richtet,
• dem Stromaufteilungskoeffizienten kc, also davon, wie sich der Blitzstrom auf die Ableitungen verteilt,
• dem Materialfaktor km für die Isolationseigenschaften der Umgebung,
• und der Länge l vom Näherungspunkt bis zum Erdungspunkt.

Typische Werte liegen nach K2 zwischen 30 und 70 cm; die verbreitete Faustformel von 50 cm lässt sich ausdrücklich nicht sicher anwenden. Als typischen Rechenfehler nennt K2, dass an der Dachhaut der Materialfaktor für feste Baustoffe (km = 0,5) gilt. Wichtig: Den Abstand müssen alle Teile der Anlage einhalten – Module, Gestell, Leitungen, Kabeltrassen und die Erdungsleitung selbst. S:FLEX weist darauf hin, dass dadurch Dachfläche ungenutzt bleiben kann. Ist das nicht akzeptabel, wird die Anlage nach Fall 3 blitzstromtragfähig eingebunden.

Für die Berechnung gibt es Software, etwa das DEHN Distance Tool, sowie Fachliteratur wie den Blitzplaner von DEHN.

Der innere Blitzschutz ergänzt Erdung und Potentialausgleich. Nach DEHN gilt:

• AC-Seite: DIN VDE 0100-443 regelt, wann Überspannungsschutz nötig ist – auch bei nachträglich installierten PV-Anlagen, weil der Zählerplatz meist nach aktuellen Technischen Anschlussbedingungen bzw. VDE-AR-N 4100 angepasst werden muss. Die Auswahl und den Einbau regelt DIN VDE 0100-534; am Einspeisepunkt kommen in der Regel Kombi-Ableiter Typ 1 + 2 + 3 zum Einsatz.
• DC-Seite: DIN VDE 0100-712 verweist auf Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3. Ist auf der AC-Seite ein Ableiter vorhanden, ist laut DEHN auch auf der DC-Seite Überspannungsschutz zum Schutz des Wechselrichters notwendig – bei Gebäuden mit und ohne äußeren Blitzschutz.
• 10-Meter-Regel: Ableiter sollen möglichst nah am zu schützenden Gerät sitzen. Bei mehr als 10 m Leitungslänge zwischen Ableiter und Wechselrichter empfiehlt DEHN einen weiteren Ableiter.
• Datenleitungen: Sind Signal- oder Kommunikationskreise vorhanden, sollten auch diese geschützt werden.

Auf der DC-Seite werden die Ableiter oft in einem Generatoranschlusskasten direkt vor dem Wechselrichter untergebracht. Geräte im Vergleich finden Sie unter Überspannungsschutz, die Schritte beim Einbau erklärt der Ratgeber Überspannungsschutz anschließen.

Der Potentialausgleich der PV-Anlage ist nur so gut wie die Erdungsanlage, an die er angeschlossen wird. Planung, Ausführung und Dokumentation von Erdungsanlagen für Gebäude regelt DIN 18014 in der Ausgabe 2023-06. Laut der Anwendungshilfe von DEHN gilt sie seit Juni 2023 für neue Erdungsanlagen sowie für Änderungen und Erweiterungen bestehender Anlagen. Die Pflicht, bei Neubauten eine Erdungsanlage zu errichten, ergibt sich aus anderen Regelwerken wie VDE-AR-N 4100, DIN VDE 0100-410 und DIN VDE 0100-540.

Wichtige Punkte für Bestandsgebäude:

• DIN 18014 enthält keine Nachrüstpflicht für bestehende Gebäude. Ob eine Nachrüstung nötig ist, ergibt sich aus den Schutzzielen der jeweiligen Fachnormen. Laut DEHN besteht besonders in TT-Netzen eine Nachrüstpflicht für das Erdungssystem, um die Vorgaben der DIN-VDE-0100-Reihe zu erfüllen.
• Früher diente oft das metallene Wasserrohrnetz als Erder. Wurde es gegen Kunststoffrohre getauscht, fehlt diese Funktion – darauf muss die Elektrofachkraft laut DEHN bei der Nachrüstung einer PV-Anlage achten.
• Nachgerüstet werden kann zum Beispiel mit Tiefen- oder Strahlenerdern.
• Die Norm fordert die Messung des Durchgangswiderstands zwischen dem Anschlusspunkt für die Haupterdungsschiene und den übrigen Anschlusspunkten; der Wert ist auf höchstens 1 Ohm festgelegt. Einen bestimmten Ausbreitungswiderstand schreibt sie nicht vor.
• Die Planung muss eine Blitzschutz- oder Elektrofachkraft übernehmen.

DEHN betont, dass bei der Nachrüstung einer PV-Anlage auf Bestandsgebäuden der Erdungsanlage besondere Aufmerksamkeit gilt, weil sie den aktuellen funktionalen Anforderungen entsprechen muss. Lassen Sie den Zustand deshalb im Rahmen der Planung prüfen.

Auch eine gute Erdung hilft wenig, wenn die Verkabelung Überspannungen geradezu einsammelt. DEHN weist darauf hin, dass DC-Leitungen auf dem Dach oft große Leiterschleifen bilden, die bei Gewittern wie Antennen wirken und Ströme in die DC-Seite einkoppeln. Je länger der String, desto größer die Wirkung. Abhilfe schaffen einfache Maßnahmen:

• Plus- und Minusleitung eines Strings möglichst eng nebeneinander führen,
• Module so anordnen bzw. drehen, dass die Anschlüsse näher zusammenliegen,
• Leitungen der Energieversorgung und der Informationstechnik getrennt verlegen,
• geschützte und ungeschützte Leitungen nicht gemeinsam führen.

Diese Grundsätze beschreibt DIN VDE 0100-444. Bei mehreren Dachflächen, etwa Ost-West, gehört jeder String an einen eigenen MPP-Tracker; auch das beeinflusst die Leitungswege. Metallene Kabeltrassen und Schutzrohre sollten laut DEHN ebenfalls in den Potentialausgleich einbezogen werden.

Erdung, Potentialausgleich und Blitzschutz sind sicherheitsrelevant und gehören in Fachhände:

• Elektrofachkraft: Anschluss an die Haupterdungsschiene, Einbau der Ableiter, Arbeiten am Zählerschrank und die Inbetriebnahme der Anlage.
• Blitzschutzfachkraft: Berechnung des Trennungsabstands, Einbindung in eine vorhandene Blitzschutzanlage und deren Anpassung. S:FLEX empfiehlt, das gesamte Konzept mit einem Blitzschutz-Planungsbüro abzustimmen.
• Erdungsanlage: Laut DIN-18014-Anwendungshilfe dürfen Blitzschutzfachkräfte, Elektrofachkräfte oder Baufachkräfte unter deren Leitung und Aufsicht Erdungsanlagen errichten.

Wenn Sie Teile der Montage selbst übernehmen möchten, lesen Sie vorab unseren Ratgeber PV-Anlage selbst installieren. Für ein Gesamtangebot inklusive Potentialausgleich und Überspannungsschutz können Sie über unsere Angebotsanfrage regionale Fachbetriebe vergleichen – fragen Sie dabei ausdrücklich nach, welcher der drei Fälle an Ihrem Gebäude vorliegt und welche Querschnitte und Ableiter vorgesehen sind. Weitere Grundlagen finden Sie in der Ratgeber-Übersicht.