Im deutschen Balkon-Photovoltaik-Produktstandard VDE V 0126-95:2025-12 ist die AC-Ausgangsleistungsgrenze für Balkon-PV-Anlagen auf 800 VA und die DC-Installationsleistungsgrenze auf 2 kWp festgelegt. Dies basiert hauptsächlich auf Forschungen von Joseph Bergner von der Berliner Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW Berlin). Dieser Artikel stellt diese Forschung kurz vor und ordnet sie in den Entwicklungskontext der Technologie ein, zur Information der Leser.
Ebenfalls beauftragte der Deutsche Solarverband (DGS) bereits 2017 eine spezielle Studie bei PI Berlin, die bewies, dass dieses Leistungsniveau für die Elektroinstallationen in deutschen Gebäuden sicher ist. Während der Erarbeitung des Standards VDE V 0126-95:2025-12 (2020–2025) schufen gestiegene PV-Modulleistungen und niedrigere Kosten eine klare Marktnachfrage nach leistungsstärkeren Balkon-PV-Geräten. Die damals bereits in Österreich übernommene 800-W-Spezifikation fand in Deutschland breite Zustimmung in der Bevölkerung. Darüber hinaus war die gesetzlich zulässige Obergrenze für die Leistung (Modulleistung) von steckerfertigen PV-Anlagen im deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) bereits als nicht überschreitend 2 kWp definiert. Daher war Bergners Hauptforschungsziel zu untersuchen, ob Balkon-PV-Anlagen mit AC/DC-Leistungen bis zu 800 VA/2 kWp die elektrische Sicherheitsrisiken signifikant erhöhen würden. Falls ja, müsste der Produktstandard diese Grenzwerte weiter absenken.
Tatsächlich rührt das potenzielle Sicherheitsrisiko von Balkon-PV-Anlagen hauptsächlich aus der Überlagerung des Balkon-PV-Ausgangsstroms mit dem Netzstrom.
Anders als bei Dach-Photovoltaikanlagen werden Balkon-PV-Geräte direkt an bestehende Endstromkreise angeschlossen und können parallel zu anderen Teilen des Stromkreises liegen, wie im folgenden Diagramm dargestellt. Der Strom im Leiter B kann die Summe der Ströme aus A (Netz) und C (Balkon-PV) sein. Leiter B wurde ursprünglich nicht für den zusätzlichen Balkon-PV-Strom ausgelegt. Daher muss in einem Extremfall bewertet werden, ob die Überlagerung des maximalen Netzstroms und des maximalen Balkon-PV-Stroms auf Leiter B zu Brand oder anderen Gefahren durch Leitungsüberlastung führen könnte.
Diagramm: PI Berlin
Gemäß der Norm VDE 0298-4 beträgt sein Nennstrom In 16 A, und der maximal zulässige Dauerstrom ist In × 1,13, also 18,1 A. Die Norm schreibt vor, dass Überstromschutzeinrichtungen bei diesem Strom für mindestens eine Stunde nicht ansprechen dürfen.
Der 800-VA-Ausgang der Balkon-PV entspricht einem Strom von 3,48 A. Daher beträgt im beschriebenen Worst-Case-Szenario der maximale Strom in Leiter B etwa 21,6 A. Dieser Betriebszustand wird als "Maximal vorhersehbare Belastung" oder GAB bezeichnet.
Es ist anzumerken, dass GAB ein theoretischer Zustand ist, der im tatsächlichen Haushaltsstromverbrauch fast unmöglich ist.
Unter Verwendung deutscher meteorologischer Daten simulierte Bergner die typische Jahreserzeugung einer Balkon-PV-Anlage mit 2 kWp Installationsleistung und einer 800-VA-Wechselrichter-Netzeinspeiseleistung. Aus der Jahreserzeugungskurve berechnete er den Ausgangsstrom zu verschiedenen Zeiten und überlagerte ihn mit dem maximalen Dauer-Netzstrom von 18,1 A, um den maximalen Gesamtstrom zu jedem Zeitpunkt zu erhalten, wie unten dargestellt.
Diagramm: DKE
Ein intuitiveres Stromstärke-Dauer-Verteilungsdiagramm trägt die Stromstärke auf der horizontalen Achse gegen die jährliche Gesamtdauer (in Minuten, logarithmische Skala) auf der vertikalen Achse auf (siehe unten). Es zeigt, dass die Stromstärke jährlich über 1.000 Stunden (60.000 Minuten) 21,6 A erreicht, was auf das hohe DC-zu-AC-Verhältnis des PV-Systems zurückzuführen ist.
Diagramm: HTW Berlin
Unter der Annahme, dass Leiter B nach der A2-Methode¹ verlegt ist, wird der maximale Temperaturanstieg an Punkt B mit der Formel aus dem PI-Berlin-Report von 2017 berechnet:
ΔT = 0,0615 * I^(2,3347).
Bei einer Umgebungstemperatur von 25°C beträgt der maximale Temperaturanstieg von Leiter B für einen maximalen Dauerstrom von 18,1 A 53°C, was 78°C erreicht. Nach Überlagerung des 3,5-A-PV-Stroms wird der maximale Temperaturanstieg 80°C, was 105°C erreicht.
Nachfolgende Berechnungen ergaben, dass die jährliche Gesamtdauer, in der Leiter B 105°C erreicht, 10.000 Minuten übersteigt. Diese Dauer ist kürzer als die Zeit, in der der Strom 21,6 A erreicht, weil die PV-Erzeugung schwankt, was die GAB-Bedingung verkürzt und verhindert, dass der Draht die Spitzentemperatur erreicht.
Diagramm: HTW Berlin
105°C liegt weit unter dem Entzündungspunkt gängiger Baumaterialien. Beispielsweise entzündet sich PVC, das häufig für Kabelisolierungen verwendet wird, bei 390°C. Dies zeigt, dass Brandrisiko selbst unter extremen GAB-Bedingungen ausgeschlossen werden kann.
Allerdings übersteigt 105°C die Langzeitbetriebstemperaturgrenze von PVC und beschleunigt dessen Alterung. Theoretisch deutet dies darauf hin, dass Balkon-PV-Anlagen das Risiko eines Isolationsversagens in Leiter B erhöhen könnten. Bergners spätere Forschung hat diese Sorge weitgehend ausgeräumt.
Unter Verwendung typischer deutscher Haushaltsstromlastkurven aus früheren HTW-Forschungen kombinierte Bergner diese mit Balkon-PV-Erzeugungskurven, um maximale Belastungsszenarien zu simulieren, denen ein Endstromkreis mit Balkon-PV in der Praxis begegnen könnte. Die folgenden Diagramme zeigen die Dauerverteilung der Leiterstromstärke (logarithmische Skala, in Minuten) bzw. die Dauerverteilung der Leitertemperatur (in Minuten; Zeiträume unter 60°C sind nicht dargestellt).
Diagramm: HTW Berlin
Diagramm: HTW Berlin
Die Stromstärkeverteilung zeigt, dass nach der Installation einer Balkon-PV-Anlage (grüne Linie) die Dauer hoher Ströme (über 8 A) im Leiter tatsächlich geringer ist als vor der Installation (blaue Linie). Dies liegt daran, dass die Balkon-PV-Steckdose und Hochleistungsgeräte typischerweise an verschiedenen Leitern liegen und die PV-Erzeugung den Netzbedarf teilweise ausgleichen kann. Die Temperaturverteilung zeigt, dass die jährliche Dauer über 95°C nur in der Größenordnung von Minuten liegt und die Hochtemperaturdauern nach der Installation (grün) kürzer sind als vorher (blau). Die Gesamttemperaturverteilung nach der Installation ist ebenfalls etwas niedriger. Kurz gesagt, der Leiter läuft mit einer Balkon-PV-Anlage kühler.
Zusammenfassend lässt sich die Sicherheit von 2-kWp/800-VA-Balkon-PV-Anlagen auf zwei Punkte reduzieren:
¹ Die A2-Methode beinhaltet die Verlegung des Kabels innerhalb der Wärmedämmschicht der Wand. Unter gängigen Installationsmethoden hat sie die schlechteste Wärmeableitung und führt zu den höchsten Kabeltemperaturen.
Der deutsche Balkon-Photovoltaik-Produktstandard VDE V 0126-95:2025-12 enthält Anforderungen an die Abschaltleistung von PV-Wechselrichtern. Die wesentlichen technischen Untersuchungen für diesen Abschnitt führte Hermann Laukamp vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE), einem Mitglied des Normenerarbeitungsausschusses, durch. Die für die Tests verwendeten Wechselrichterproben wurden von einem weiteren Ausschussmitglied, Marcus Vietzke von der Indielux GmbH, bereitgestellt. Nachfolgend wird diese Forschungsarbeit vorgestellt.
Balkon-PV-Anlagen stellen zusätzliche Anforderungen an die Abschaltleistung des Wechselrichters, weil der AC-Ausgangsstecker des Wechselrichters unter Spannung gesteckt oder gezogen werden kann und der Wechselrichter eine gewisse Kapazität aufweist.
Nach dem Abziehen sollten die Restspannung und die Restenergie an den Steckerkontakten keine Stromschlaggefahr darstellen. Hier bezog sich Laukamp auf Klausel 22.5 des Haushaltsgerätesicherheitsstandards VDE 060335-1: Innerhalb von 1 Sekunde nach dem Entfernen des Steckers darf die Restspannung an den Kontakten 34 V nicht überschreiten. (Anmerkung 1) Wechselrichter, die die obige Spannungsbedingung nicht erfüllen, können dennoch als sicher betrachtet werden, sofern die Restenergie nach dem Abziehen des Steckers 350 mJ nicht überschreitet. (Anmerkung 2) Das folgende Bild zeigt den von Laukamp aufgebauten Testaufbau:
Quelle/Bild: DKE
Während der Tests stellte Laukamp fest, dass bei einigen Wechselrichtern die Zeit, bis die Restspannung auf 34 V abgeklungen war, 1 Sekunde überschritt. Wie unten gezeigt, stellt die magenta Kurve auf dem Oszilloskopbildschirm die Spannungsänderung am Wechselrichterausgang dar, und die gelbe Kurve ist das Triggersignal.
Restspannungs-Testkurve. Der Wechselrichterausgang ist nach dem Auslösen (Trennen) im Leerlauf. Quelle/Bild: DKE
Ein typisches Testergebnis für die Stecker-Restenergie ist unten dargestellt. Nach dem Abschalten fallen Reststrom und -leistung schnell auf null. Die Restspannung steigt zunächst schnell an und klingt dann innerhalb weniger Dutzend Millisekunden allmählich auf null ab. Restenergie ist das Integral der Leistung über die Zeit.
Spannungs- (blau), Strom- (grün) und Leistungskurven (magenta) aus dem Restenergietest. Der Wechselrichterausgang ist mit einem 1,2-kΩ-Widerstand verbunden (simuliert den menschlichen Körper-Ersatzwiderstand). Quelle/Bild: DKE
Von den 13 getesteten Wechselrichterproben hatten fünf eine Restspannungs-Abklingzeit auf 34 V von mehr als 1 Sekunde.
Das Diagramm zeigt die Restspannungs-Abklingzeit auf 34 V für verschiedene Wechselrichterproben. Die vertikale Achse ist die Zeit (in Sekunden). Die blauen Balken zeigen den Testdurchschnitt, die orangefarbenen Balken das Testmaximum, und die rote Linie markiert 1 Sekunde. Quelle/Bild: DKE
Nur eine Probe der Marke Letrica hatte eine durchschnittliche gemessene Restenergie von über 350 mJ (die Restspannungs-Abklingzeit dieser Probe lag unter 1 Sekunde).
Das Diagramm zeigt Restenergie-Testergebnisse für verschiedene Wechselrichterproben. Die vertikale Achse ist Energie (in mJ). Die blauen Balken repräsentieren den Testdurchschnitt, die orangefarbenen Balken das Testmaximum, und die rote Linie entspricht 350 mJ. Quelle/Bild: DKE
Basierend auf den obigen Testergebnissen wurden alle 13 getesteten Proben als konform mit dem Wechselrichtersicherheitsstandard für Balkon-PV-Anlagen eingestuft.
Anmerkung 1: Die deutsche Norm VDE 60335-1 leitet sich von der IEC-Norm 60335-1 ab. Folgendes ist aus IEC 60335-1:2020 exzerpiert:
22.5 Geräte, die mittels eines Steckers oder über eingesteckte Stifte an die Versorgung angeschlossen werden sollen, müssen so gebaut sein, dass bei bestimmungsgemäßem Gebrauch keine Gefahr eines elektrischen Schlags besteht, wenn die Stifte berührt werden, für Kondensatoren mit einer Kapazität gleich oder größer als 0,1 μF, die zwischen zwei beliebigen Stiften angeschlossen sind.
Die Übereinstimmung wird durch folgenden Prüfung nachgewiesen.
Das Gerät wird mit Nennspannung versorgt. Jeder Schalter wird dann in die Aus-Stellung gebracht und das Gerät im Moment eines Spannungsscheitelwerts von der Versorgung getrennt. Eine Sekunde nach dem Trennen wird die Spannung zwischen den Stiften des Steckers mit einem Messgerät gemessen, das einen Eingangswiderstand von nicht weniger als 100 MΩ parallel zu einer Eingangskapazität von nicht mehr als 25 pF hat. Die Spannung darf 34 V nicht überschreiten.
Hängt die Übereinstimmung vom Betrieb elektronischer Schaltungen ab, werden die Prüfungen für elektromagnetische Phänomene nach 19.11.4.3 und 19.11.4.4 nacheinander auf das Gerät angewendet. Die Prüfung zur Messung der Spannung zwischen den Stiften des Steckers wird dann dreimal wiederholt, wobei die Spannung bei keiner Gelegenheit 34 V überschreiten darf.
Anmerkung 2: Folgendes ist aus IEC 60335-1:2020 exzerpiert:
8.1.4 Ein zugängliches Teil gilt in folgenden Fällen nicht als spannungsführend.
Das Teil wird mit Sicherheitskleinspannung versorgt, vorausgesetzt, dass bei Wechselstrom der Scheitelwert der Spannung 42,4 V nicht überschreitet. Bei Gleichstrom überschreitet die Spannung 42,4 V nicht.
Oder das Teil ist durch Schutzimpedanz von spannungsführenden Teilen getrennt. Wird Schutzimpedanz verwendet, darf der Strom zwischen dem Teil und der Versorgung 2 mA für Gleichstrom nicht überschreiten und sein Scheitelwert darf 0,7 mA für Wechselstrom nicht überschreiten. Die Kapazität darf 0,1 μF für Spannungen mit einem Scheitelwert von mehr als 42,4 V bis einschließlich 450 V nicht überschreiten. Die Entladung darf 45 μC für Spannungen mit einem Scheitelwert von mehr als 450 V bis einschließlich 15 kV nicht überschreiten. Die Entladungsenergie darf 350 mJ für Spannungen mit einem Scheitelwert von mehr als 15 kV nicht überschreiten.
Die Übereinstimmung wird durch Messung nachgewiesen, wobei das Gerät mit Nennspannung versorgt wird. Spannung und Strom werden zwischen dem betreffenden Teil und jedem Pol der Versorgung gemessen. Die Entladung wird unmittelbar nach Unterbrechung der Versorgung gemessen. Die Ladung und Energie der Entladung werden mit einem Widerstand mit einem Nennwert von 2 000 Ω (ohmsch, induktionsfrei) gemessen. Die Ladung wird aus der Summe aller auf dem Spannungs-/Zeit-Diagramm aufgezeichneten Flächen berechnet, unabhängig von der Spannungspolarität. Einzelheiten einer geeigneten Schaltung zur Strommessung sind in Bild 4 der IEC 60990:2016 angegeben.
Es scheint, dass das von Laukamp verwendete Sicherheitskriterium – wonach eine Entladungsenergie von nicht mehr als 350 mJ als sicher gilt – wahrscheinlich nicht aus Abschnitt 8.1.4 stammt, sondern eine andere Quelle hat. Denn in Abschnitt 8.1.4 entspricht die Entladungsenergie von 350 mJ Spannungen mit einem Scheitelwert von über 15 kV, nicht dem zivilen Niederspannungs-Wechselstrom (mit einem Scheitelwert von etwa 325 V).
In Teil 1, "Technische Grundlagen der VDE-Norm für Balkon-PV (1): Die Leistungsbegrenzung", wurde festgestellt, dass Deutschland bei der Entwicklung seiner Balkon-PV-Norm auf die praktischen Erfahrungen und Leistungsvorschriften für Balkon-PV-Anlagen in Ländern wie den Niederlanden, der Schweiz und Österreich zurückgegriffen hat. Bei näherer Betrachtung stellt der Autor jedoch fest, dass Balkon-PV-Anlagen in diesen Ländern aus elektrischer Sicherheitssicht grundlegend anders sind als in Deutschland. Man kann nicht einfach schlussfolgern, dass solche Anlagen, weil sie in diesen Nationen eine gute Sicherheitsbilanz aufweisen, in Deutschland oder anderswo gleichermaßen sicher sind.
Warum ist das so?
Im Folgenden finden Sie eine Vergleichstabelle der Leiterspezifikationen für Wohnungs-Endstromkreise in mehreren europäischen Ländern und der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC). Für den gleichen 1,5 mm² Kupferleiter beträgt der Nennstrom in Österreich und der Schweiz 13 A, in Deutschland jedoch 16 A. Das bedeutet, dass nach schweizerischen oder österreichischen Elektronormen die elektrische Sicherheitsreserve des Leiters um 3 A größer ist als in Deutschland (ein niedrigerer Nennstrom erlaubt eine geringere angeschlossene Gerätelast, was zu einer größeren elektrischen Sicherheitsreserve für den Leiter führt).
Anmerkungen: (1) Basierend auf alten Vornormen vor 2015; (2) Umgerechnet von 30 °C-Werten; (3) Mindestwert (Installationsmethode A2); (4) "?" = unbekannt, vermutlich der IEC-Wert bei 25 °C Umgebungstemperatur.
Gemäß der deutschen Norm DIN VDE 0298-4 gilt bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C ein Dauerstrom von 16,5 A durch einen 1,5 mm² Kupferleiter als nicht überlastungsgefährdend. Wenn diese Norm zutrifft, würde eine Balkon-PV-Anlage mit einer netzgekoppelten Ausgangsleistung von 800 W (entsprechend 3,5 A) für die Schweiz und Österreich kein Leiterüberlastungsrisiko darstellen. Dies unterscheidet sich grundlegend von dem Szenario, das bei der Ausarbeitung der deutschen Balkon-PV-Norm VDE V 0126-95 zugrunde gelegt wurde – nämlich dem Überlastungsrisiko durch einen dauerhaften Strom von 21,6 A durch den Leiter!
In den Niederlanden ist der standardmäßige Kupferleiterquerschnitt für Wohnungs-Endstromkreise 2,5 mm², mit einem Nennstrom von 16 A. Bei 25 °C Umgebungstemperatur beträgt der zulässige Dauerstrom 18,3 A. Daher legten die Niederlande den maximalen Strom für Balkon-PV auf 2,25 A fest, was einer netzgekoppelten Leistung von 520 W entspricht. Würde die niederländische Methode zur Berechnung des Maximalstroms angewendet, wären der maximale Balkon-PV-Strom und die Leistung in Deutschland nur 0,5 A bzw. 115 W.
Um den deutschen Marktanforderungen gerecht zu werden, erhöhte die VDE-Balkon-PV-Norm die Grenze für die netzgekoppelte Leistung von Balkon-PV-Anlagen auf 800 W – ein Schritt, der sich tatsächlich von der ursprünglichen Logik des elektrotechnischen Normengerüsts entfernt hat. Das technische Risiko ist daher theoretisch höher als in den Niederlanden, der Schweiz und Österreich.
Darüber hinaus beträgt die Grenze für die netzgekoppelte Leistung von Balkon-PV in der Schweiz 600 W, nicht 800 W. Die Schweiz legte diese Grenze nach umfassender Berücksichtigung des zulässigen Dauerstroms für einen 1,5 mm² Kupferleiter bei 22 °C (2,3 A), des zulässigen Stroms für den Euro-Normstecker 50075 (2,5 A) und der niederländischen Balkon-PV-Norm (2,25 A) fest – ein relativ vorsichtiger Ansatz.
Österreichs maximale netzgekoppelte Leistung für Balkon-PV beträgt 800 W.
Bild: Mariana Serdynska/Shutterstock
Die chinesische Haushaltsgerätesicherheitsnorm GB/T 4706.1-2024 basiert auf IEC 60335.1-2016, und ihre Kabel-Nennstromanforderungen sind mit der IEC konsistent. Sollte China eine Balkon-PV-Norm entwickeln, hofft der Autor, dass die relevanten Stellen die VDE-Balkon-PV-Norm objektiv prüfen und eine strenge, unabhängige wissenschaftliche Analyse ihres Inhalts durchführen. Schließlich unterscheiden sich die Wohnstrompreise und Arbeitskosten in China erheblich von denen in Deutschland, und Balkon-PV ist in China derzeit mehr ein Luxus als eine Notwendigkeit.
Hauptreferenz für diesen Artikel: Der Bericht 2019 "STECKERFERTIGE, NETZGEKOPPELTE KLEINST-PV-ANLAGEN" von Dr. Thomas Erge et al. vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE), Deutschland.
