Wie verhalten sich Optimierer bei Hitze?

In der Schweiz zeigt die Branchen­statistik seit 2020 eine Zunahme von Fassaden-PV (Tabelle 1). Das unterstreicht die wachsende Relevanz dieses Anwen­dungs­bereichs [1,2].

Das PV-Labor der Berner Fach­hoch­schule testet ein voll betriebenes PV-System mit 16 simulierten Modulen. Untersucht wurde das Systemverhalten, wenn ein von aussen verursachter Tempe­ratur­anstieg gezielt auf einen einzelnen Leistungs­opti­mierer einwirkt (Bild 1). Die Gebäude­versicherung Bern unterstützt das Projekt finanziell im Rahmen ihres Engagements für die Brand­prävention. Dabei wurde ein PV-System mit einer installierten Leistung von rund 5,28 kW untersucht. Jedes PV-Modul ist mit einem Optimierer ausgerüstet. Der Maximum Power Point (MPP) der simulierten PV-Kennlinie liegt bei Standard-Test­bedin­gungen (STC) bei 33 V und 10 A. Dies entspricht 330 W pro Optimierer. Für eine markt­repräsen­tative System­antwort werden die Optimierer jeweils mit kompatiblen Wechselrichtern verwendet (Tabelle 2).

Erfasst wurden Strom und Spannung des Gesamtsystems. Am jeweils getesteten Optimierer werden zusätzlich die Ober­flächen­temperatur und die Temperatur in der unmittel­baren Umgebung gemessen. Von diesem Optimierer werden die Werte der Ein- und Ausgangs­seite aufgezeichnet, um die Energie­aufnahme und das Schaltverhalten nachvollziehen zu können. Gleichzeitig wurden die Hersteller­portale beobachtet. Die Versuche liefen mit den jeweils aktuellen System­versionen vom November 2024 bis Januar 2025, um das Verhalten unter praxisnahen Bedingungen markt­repräsen­tativ abzubilden.

Der Fassaden­prüf­stand bildete einen hinter­lüfteten Aufbau ab. Die sichtbare Ebene bestand aus einem Glas-Glas-PV-Modul. Dahinter folgten eine metallische Unterkonstruktion und ein definierter Hinter­lüftungs­raum von 10 cm vor der mit Steinwolle gedämmten Tragebene. Der Prüfstand stellt eine Fassadenfläche von etwa 1,7 m2 dar. Er eignet sich, um das Brandverhalten eines Optimierers realitätsnah zu betrachten.

Methodik

Die Untersuchungen umfassten zwei Versuchsreihen. In allen Versuchen wurde gezielt ein einzelner Optimierer im String thermisch belastet, während alle übrigen Geräte normal arbeiteten. So kann die Systemantwort auf ein lokales Ereignis nachvollzogen werden, ohne den übrigen Anlagenbetrieb zu verändern.

In der Klimakammer (Bild 1) wurden einzelne Optimierer stufenweise auf 80°C, 100°C, 120°C und 140°C erwärmt. Zwischen den Stufen kühlt das Gerät jeweils vollständig auf Umgebungs­tempe­ratur ab. Damit ist das Aus- und Einschalten unter definierten Über­tempe­raturen festgehalten. Am thermisch belasteten Optimierer ist ein pulsierend veränderter MPP eingestellt. Dabei beträgt dieser 2 Minuten bei 330 W (33 V/10 A) und 6 Minuten bei 96 W (32 V/3 A). Ziel war es, die Optimie­rungs­funktion des belasteten Optimierers bewusst zu provozieren und das Schalt­verhalten unter wechselnden Arbeits­punkt­bedingungen zu beobachten.

Die zweite Versuchsreihe fand auf dem Fassaden­prüfstand statt. Um die von den Flammen verursachte komplexe System­antwort zu vereinfachen, blieb der MPP während der Brand­belastung konstant bei 330 W (33 V/10 A). Als Brandquelle dient ein Brenner mit rund 37 kW Wärmeleistung, der aus 50 cm von unten auf den hinterlüfteten Bereich einwirkte und realistische Brand­tempe­raturen von über 800°C erzeugte. Zuerst wurde der betroffene Optimierer mit einer kurzen Sequenz auf seine Funktion geprüft. Die Versuche wurden fotografisch dokumentiert, um eine nachvoll­ziehbare Auswertung zu ermöglichen.

Ergebnisse

Wird ein einzelner Optimierer gezielt aufgeheizt, öffnet er seine Modulseite elektrisch und schaltet strangseitig in den Bypass. Das Gesamtsystem speist weiter ein. Nur der Ausfall des Leistungs­beitrags des betroffenen Moduls ist sichtbar. Eine durch dieses Ereignis ausgelöste Reduktion der Systemleistung oder ein Betriebs­unterbruch treten nicht auf. Das Aus- und Einschalten folgt einer Tempe­ratur­hysterese (Bild 2). Bei steigender Temperatur des Optimierers schaltet der Optimierer ab und nach der Abkühlung schaltet er bei tieferer Temperatur wieder ein. Dieses Verhalten zeigte sich bei allen drei Herstellern.

Die Boxplots der Messreihen zeigen für Abschalt- und Wieder­anlauf­tempe­raturen unter­schiedliche Tempe­ratur­niveaus pro Hersteller (Bild 3). Für die Vergleichbarkeit dient die Temperatur an der Gehäusevorderseite als Referenz. Auch nach etwa 20 Minuten bei rund 180°C schalten die Optimierer nach Abkühlung wieder in den Normalbetrieb – trotz sichtbarer Deformie­rungen und Löchern in der Gehäusehülle.

Der in der Klimakammer variierende MPP führt zu keinen wesent­lichen Verände­rungen des Aus- und Einschalt­verhaltens. Nach dem Abschalten nimmt der Optimierer keine Leistung auf.

Portal und Monitoring­verhalten

Die Implemen­tierungen auf den Hersteller­portalen zeigen bei Über­tempe­ratur ein unterschiedliches Warn-/Fehler­meldungs­verhalten. Tigo stellt keine entsprechenden Meldungen bereit. Huawei und SolarEdge zeigen Warn- oder Fehler­benach­richtigungen. Bei beiden Systemen werden die Hinweise automatisch archiviert, nachdem der abgekühlte Optimierer wieder einschaltet – auch dann, wenn in den Klima­kammer­versuchen sichtbare Beschädi­gungen am Gerät auftreten.

Verhalten unter Flammeneinwirkung

Unter Brandbelastung zeigt die PV-Anlage ein eher chaotisches elektrisches Verhalten. In den meisten Versuchs­durchläufen reduziert der Wechselrichter zwar die PV-Anlagen­leistung durch einen Strang­unterbruch, aber eine Absenkung der Systemspannung bleibt aus (Tabelle 3). Optimierer ausserhalb des Brandherds senken ihre Ausgangs­spannung nicht. Manchmal gibt es keine Über­tempe­ratur­meldungen, wenn ein betroffener Optimierer sehr rasch versagt, bevor Melde- und Abschaltlogik ausgelöst wird. Während der Verbrennung eines Optimierers tritt keine elektrische Leistungsaufnahme auf. Eine Beeinflussung der Systemantwort durch die Spannungs- und Strom­messungen ist unwahr­scheinlich, lässt sich aber nicht ganz ausschliessen.

Kurz nach Entzünden des Brenners lösen sich die getesteten Optimierer von der Montagebefestigung und hängen nur noch an den Anschlusskabeln im Hinter­lüftungs­raum (Bild 4b). Intensität und Geschwindigkeit des Brandverlaufs variieren je nach Hersteller. In einzelnen Experimenten fallen Geräte oder Geräteteile ab (Bild 4c). Häufig zeigt sich starkes Abtropfen mit brennenden Tropfen auf dem Boden sowie eine starke Rauchbildung. Bei einer Branddauer von rund 20 Minuten verbrennt der Optimierer nahezu vollständig.

Einordnung der Vor- und Nachteile aus Brandschutzsicht

Optimierer erkennen lokale Über­tempe­raturen, schalten die Eingangsseite auf Leerlauf und die Stringseite in den Bypass. Die Anlage bleibt in Betrieb, die System­spannung sinkt nicht. Ein tempe­ratur­bedingtes Abschalten des Gesamtsystems tritt nicht auf.

Bei der Alarmierung gibt es herstellerseitig Unterschiede. Dabei fehlen teilweise Meldungen oder sie werden nach Abkühlung automatisch archiviert, sodass sichtbare Schäden ohne anhaltende Portal­alarmierung bleiben. Unter Flammen­einwirkung führt der Optimierer zu einem zusätzlichen Brand­last­eintrag mit brennenden Tropfen sowie Schmelzen und Ablösen von Teilen. Diese Effekte sind brand­schutz­relevant, weil sie eine vertikale Brand­aus­breitung im Hinter­lüftungs­raum begünstigen. Herabfallende oder hängende brennende Teile können so zu Folgeschäden führen. Das automatische Wiedereinschalten nach Abkühlung kann zu einer raschen Wiederinbetriebnahme geschädigter Geräte führen, während fehlende oder archivierte Portalhinweise eine Kontrolle erschweren. Ob eine künftige Verbesserung der elektrischen Systemantwort das kritische Brandverhalten ausreichend kompensiert, bleibt offen, scheint aber nach aktuellen Kenntnissen eher unwahrscheinlich [4].

Hinweise für die Praxis

Im aktuellen Über­gangs­dokument für PV-Fassaden wird ab einer Gebäudehöhe von 11 m ein Brand­schutz­nachweis für Komponenten in der hinterlüfteten Gebäudehülle gefordert. Die vorliegenden Versuchsergebnisse sprechen für diese Regelung. Optimierer erhöhen den Brand­last­eintrag und weisen ein kritisches Brandverhalten mit brennenden Tropfen, schmelzenden oder ablösenden Teilen und deutlicher Rauch­ent­wicklung auf. Das rechtfertigt die im Dokument vorgesehene vorsichtige Handhabung und Nachweispflicht bei Optimierern in PV-Fassadenanlagen [3].

Portalhinweise zu Über­tempe­ratur sind je nach Hersteller nicht vorhanden oder werden nach der Abkühlung automatisch archiviert. Trotzdem können am Optimierer sichtbare Beschädigungen auftreten, weshalb nach einem Über­tempe­ratur­ereignis die Komponenten überprüft werden sollten.

Für die weitere Arbeit bietet sich die quantitative Bestimmung des flächen­spezifischen Brand­last­eintrags an. Ergänzend sind Versuche im grösseren Massstab sinnvoll, um die Trends im realen Fassadenverbund zu prüfen. Bei zukünftigen Geräteversionen kann das Über­tempe­ratur­verhalten durch die Hersteller angepasst werden. In einem solchen Fall müsste eine erneute Bewertung der elektrischen Systemantwort erfolgen.

Ausblick

So wie viele Forschungs­projekte führt auch dieses zu weiteren Fragen. In weiteren Schritten soll eine quantitative Bestimmung des flächen­spezifischen Brand­last­eintrags untersucht werden. Zudem könnten mittels eines Gross­brand­versuchs an realitätsnahen Fassaden­aufbauten Aussagen über die Brand­aus­breitung konkretisiert werden.

Mit Blick auf das entstehende Stand-der-Technik-Papier lässt sich eine ähnliche Handhabung wie im aktuellen Über­gangs­dokument vermuten. Dies könnte weiterhin eine zurückhaltende Verwendung von Optimierern in hinterlüfteten Fassaden und objektspezifische Nachweise ab 11 m Gebäudehöhe beinhalten. Vorläufig deutet der Trend darauf hin, dass Optimierer ihren Schwerpunkt bei Aufdach- und Indach-Anwendungen haben und an Fassaden nur selten zum Einsatz kommen.

Referenzen

[1] Statistik Sonnenenergie – Referenzjahre 2020–2024. Jahresberichte, diverse Publikationsdaten (u. a. 10. Juli 2025 für Referenzjahr 2024), Swissolar, 2020–2025.

[2] Christof Bucher, Photovoltaikanlagen: Planung, Installation, Betrieb (2., überarb. Aufl.), Faktor Verlag, 2025.

[3] Über­gangs­dokument für Planung und Brand­schutz­nachweis von PV-Fassaden (gültig in der Übergangsphase bis Ende 2026), Swissolar, 2024.

[4] Lasse Halle, David Joss, Christof Bucher, «Fire Performance of Power Optimizers in Photovoltaic Systems», in Proceedings 41st European PV Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC 2025), 2025 (angenommen; erscheint in den Proceedings der EU PVSEC 2025).