Požáry fotovoltaických elektráren

kpt. Ing. Filip Nos

Recenzovaný

Problematika požárů fotovoltaických elektráren přitahovala okolo roku 2010 velkou mediální pozornost. Co do celkového počtu instalací fotovoltaických elektráren a množství vyprodukované elektrické energie se nemůže Česká republika rovnat se solárními velikány, jakými jsou Německo, Itálie, Francie. Pokud se ovšem zaměříme na srovnání dle fotovoltaické kapacity vztažené na počet obyvatel, nestojí si Česká republika v rámci EU špatně.

Vzhledem k jejich stále vyššímu počtu lze usuzovat, že by fotovoltaické systémy mohly z pohledu požární ochrany představovat relativně významný problém. Tím spíš, pokud se ztotožníme s mediálně poskytovanými informacemi, že požáry solárních elektráren přinášejí významná rizika, a že počty tuzemských požárů, např. ve srovnání s Německem, vykazují tristní bilanci. Ale je tomu skutečně tak?

Identifikace rizik

I když se problematika požárů fotovoltaických elektráren těšila, řekněme, že ne příliš oprávněné pozornosti, není radno celou záležitost bagatelizovat. Fotovoltaické elektrárny jsou, co do podstaty, elektrická zařízení, která vždy přináší určitá nezanedbatelná bezpečnostní rizika. Pro možnost tvorby preventivních opatření, ale i provedení efektivního hasebního zásahu je vždy nezbytná identifikace relevantních rizik. Tato rizika lze z pohledu požární bezpečnosti rozdělit do dvou skupin. První skupinou jsou scénáře, mající příčinnou souvislost se vznikem požáru, přičemž druhou skupinu představují úskalí spojená se samotným hasebním zásahem. Je nutné konstatovat, že fotovoltaické moduly jsou, jako celek, hořlavé, a to bez ohledu na jejich technologii a konstrukci. S touto skutečností musíme počítat jak při represivní, tak preventivní činnosti.

Graf č. 1: Problémové oblasti u FVE (Zdroj dat: Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagen und Erstellung von Sicherheitskonzepten zur Risikominimierung – březen 2015)

Zaměříme-li se na první skupinu rizik, musíme specifikovat do jaké míry a zda vůbec mohou technologie fotovoltaických elektráren zapříčinit vznik požáru. Jak již bylo uvedeno, jedná se v podstatě o soustavu komponentů, kterými protéká vygenerovaná elektrická energie. Z praxe vyplývá, že jakékoliv zařízení, kterým protéká elektrický proud, je potenciálním zdrojem rizik požáru. U solárních elektráren lze tedy rizika identifikovat na jejich jednotlivých proudově zatěžovaných komponentech. Nutno však dodat, že u vhodně navržených, bezchybně realizovaných a udržovaných elektráren jsou dle očekávání rizika minimální. K čemu tedy musí dojít, aby se potenciální riziko překlenulo až v onen negativní následek, požár?

Nabízí se několik běžně uvažovaných variant. Jednotlivé varianty znázorňující problematickou oblast, včetně jejich procentuálního zastoupení, jsou uvedeny v grafu č. 1. Z grafu je patrné, že zdrojem nejčastějších problémů jsou chyby/nedostatky pří instalaci fotovoltaických systémů, následovány vadami komponentů dále nevhodným návrhem celé technologie či dílčích částí. Jako problematické se jeví i přímé vystavení systémů vlivům vnějšího prostředí.

Toto rozložení ovšem nelze chápat jako dogma. Jedná se spíše o orientační nastínění dané problematiky, inspirované závěry zahraničního vědeckého bádání.

Vady výrobku zde představují výrobní vady, nevhodný design, materiálové složení a provedení konkrétních komponentů. Pokud bychom chtěli danou oblast lépe konkretizovat, jedná se především o vady samotných fotovoltaických panelů či měničů (DC/AC).

Oblast mající s velkou pravděpodobnosti největší podíl na celkové požárovosti fotovoltaických systémů je jejich nevhodná či zcela chybná instalace. To, že k chybám při instalaci dochází a docházet bude, je bohužel, spojeno s působením lidského faktoru. Lze jen spekulovat, co je toho skutečnou příčinou, jestli jsou to ztížené podmínky při instalaci ve venkovním prostředí, časový nátlak nebo nedostatečné odborné znalosti osob pověřených instalací. Chyby při instalaci jsou reprezentovány například:

špatným napojením konektorů DC části,
špatným krimpováním (spojování odizolované části kabeláže s konektory) kabelů s konektory,
nedostatečným nebo žádným odlehčením kabeláže (mechanické přetěžování svorek),
nedostatečným odizolováním kabelových přípojů,
nedostatečným utažením svorkovnic a šroubových spojů.

Dalším poměrně častým problémem může být nevhodný návrh celého systému nebo jeho jednotlivých dílčích částí. Zde se jedná například o:

volbu nevhodných komponentů
- nesprávné pojistky na DC straně,
- nevhodné venkovní měniče,
- nevhodné svorky pro hliníkové kabely,
poddimenzování kabeláže,
nevhodné umístění měniče (vystavení přímému slunečnímu záření, korozivním látkám atd.)

Poslední problémovou oblast představují vnější vlivy. Jedná se především o působení atmosférických jevů, poškození zvířaty apod.

Obecně lze konstatovat, že případy požárů elektrických instalací mnohdy souvisí s přetížením určitého komponentu či spoje a následným zahříváním problémové části. S rostoucí teplotou vodičů se zvyšuje jejich elektrický odpor, což opět přináší další teplotní přírůstky. V extrémních případech je nárůst teploty přetěžované části tak významný, že dochází k tavení izolací a přítomného hořlavého materiálu, což může při vhodných podmínkách vést až ke vzniku požáru. V souvislosti s přetížením vodičů a spojů jsou popisovány dvě typické elektrické disfunkce, přechodový odpor a svodový proud. Přechodový odpor nelze nikdy zcela eliminovat, je však žádoucí jej minimalizovat na únosnou míru. Zvýšení elektrického odporu a následně i teploty je zde způsobeno oslabením průřezu vodiče. Oslabení průřezu vodiče lze očekávat například u nevhodně provedených spojů, kde není napojovaný vodič v potřebném vodivém spojení s vodivou plochou propojované části (spojení kabel + konektor, svorkovnice apod.) V důsledku nedostatečné styčné plochy propojených vodičů pak dochází k postupnému zahřívání inkriminovaného místa.

Dalším jevem je tzv. svodový proud. Tento jev je ve spojení se vznikem požáru popisován například při oslabení dielektrických vlastností izolace kabelů. K oslabení izolace může dojít v důsledku útlaku či nevhodného zatížení kabeláže, přičemž dojde k vzájemnému přiblížení vodičů s různými potenciály a oslabení tloušťky jejich vzájemného odizolování. Následkem oslabení tloušťky izolace jsou sníženy jejich požadované dielektrické vlastnosti a tato disfunkce umožní částečný prostup elektrického proudu v místě oslabení. Tato skutečnost nemusí znamenat okamžitý zkrat mezi přibližujícími se vodiči, ale může docházet pouze k pozvolnému dlouhodobému zahřívání oslabené části, a to aniž by došlo k vybavení jistících prvků. Pokud teplota dosáhne určité meze, dochází k uhelnatění již tak oslabené části izolace a dalšímu snížení požadovaných izolačních vlastností (vznikající uhlík je elektricky vodivý). Tímto způsobem se může svodový proud prostupující oslabenou izolací dostat až na hodnotu zkratového proudu.

Oba popisované jevy mohou mít následně příčinnou souvislost se vznikem požáru fotovoltaických systémů. Tyto elektrické disfunkce souvisí především s nedostatečnou údržbou a chybnou instalací fotovoltaických aplikací.

Graf č. 2: Procentuální vyjádření pravděpodobnosti výskytu chyb u fotovoltaických elektráren (Zdroj dat: Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagen und Erstellung von Sicherheitskonzepten zur Risikominimierung – březen 2015)

Ve věci provedení efektivního a bezpečného hasebního zásahu nastavil Hasičský záchranný sbor ČR v rámci „Bojového řádu jednotek požární ochrany“ potřebná bezpečnostní opatření a doporučené hasební postupy formou metodických listů. Hlavním úskalím při realizaci hasebních prací je bezesporu nebezpečí úrazu elektrickým proudem, toto do značné míry souvisí s mnohdy problematickým uvedením systému do beznapěťového stavu. Lze ovšem konstatovat, že samotné hasební práce jsou vedeny obdobně jako v případě hašení jiných zařízení pod elektrickým napětím.

Obecně lze říci, že rizika požáru do značné míry souvisí s chybami, které vznikají při instalaci, návrhu či výrobě fotovoltaických systémů. Je nutné podotknout, že ne každý nedostatek nevyhnutelně vede ke vzniku a rozvoji požáru, ba naopak, pro vznik požáru musí nastat mnohdy velice specifické podmínky, které jsou způsobeny třeba i kombinací různých pochybení a nedostatků. Výskyt nedostatků není zcela nahodilý i zde lze vypozorovat určité trendy a oblasti, které jsou s výskytem nedostatků spojeny mnohem častěji (viz Graf č. 2). [5], [6], [7]

Statistická analýza požárů na území ČR

Dílčím výsledkem analýzy rizik vztažené na fotovoltaické elektrárny je, že tyto technologie skutečně přináší určitá rizika vzniku požárů. Jsou ovšem tato rizika opravdu tak významná? Je na tom Česká republika skutečně hůře než kupříkladu Německo? Veškeré predikce a spekulace musí jít stranou, pokud se zaměříme na skutečná čísla a statistiky, které poskytují reálný náhled do dané problematiky.

Graf č. 3: Vývoj počtu instalací fotovoltaických elektráren na území ČR (Zdroj dat: ERÚ)

Graf č. 4: Vývoj počtu požárů fotovoltaických elektráren na území ČR (Zdroj dat: Statistika HZS ČR)

Graf č. 5: Vztah mezi četností požárů a celkovým počtem instalací fotovoltaických elektráren na území ČR (Zdroj dat: Statistika HZS ČR)

Ze statistik Hasičského záchranného sboru České republiky vyplývá, že na našem území došlo za posledních sedm let, tj. období 2011–2017, k 72 požárům majících příčinnou souvislost s fotovoltaickými elektrárnami. Celkový počet požárů za sledované období tedy není nijak vysoký a v průměru se dostáváme na 10 požárů za rok. Pokud průměrný roční počet požárů fotovoltaických elektráren vztáhneme k průměrnému celkovému ročnímu počtu požárů za sledované období, tj. 18 479, zjistíme, že požáry fotovoltaických elektráren představují pouze 0,054 % požáru zaznamenaných na územní ČR. Mnohem zajímavější je ovšem fakt, že celkový trend požárovosti je i přes postupný růst počtu instalací fotovoltaických elektráren (vztaženo k sledovanému období 2011 až 2017) velice příznivý a lze hovořit o jeho sestupné tendenci. Pro lepší demonstraci celé problematiky na území ČR uvádíme reálná statistická data prostřednictvím grafů č. 3, 4, 5. Celkový vývoj dané problematiky je z těchto grafů na první pohled patrný.

Je tedy očividné, že současná situace není nijak zvlášť alarmující. Navzdory rostoucímu počtu instalací fotovoltaických elektráren a jejich postupnému stárnutí lze v současné době hovořit o příznivém výsledku. Tento fakt vynikne v porovnání s požáry baterií, které jsou volitelným komponentem fotovoltaických systémů. Pro tyto účely jsou běžně využívány olověné baterie s kapalným či gelovým elektrolytem. Výjimkou ovšem nejsou ani modernější typy akumulátorů na bázi lithia. Mezi běžně používané lithiové akumulátory lze zařadit lithium iontové (Li-ion) a lithium-železo-fosfátové akumulátory (LiFePO₄). Zajímavé je, že akumulátory jsou z pohledu požárních rizik mnohem větším problémem, než samotné fotovoltaické systémy. V případě akumulátorů a baterií lze ročně hovořit o stovkách požárů, což je v porovnání s jednotkami požárů ve spojitosti s fotovoltaickými systémy markantní rozdíl. Posouzení rizik akumulátorových úložišť je kapitolou samo pro sebe, a proto se jimi nebudeme v tomto článku podrobněji zabývat.

Další otázkou je, jak jsme na tom v porovnání s jinými státy? Jako ideální stát pro porovnání se jeví sousedící fotovoltaická velmoc, Německo. Je ovšem velice náročné dohledat relevantní statistická data z jiných států, které mnohdy podobné statistiky z této oblasti vůbec neevidují, popřípadě je evidují pouze částečně, což je pro porovnání nevyhovující. Pro Německo bylo možné relevantní data dohledat a provést alespoň orientační porovnání. V roce 2013 bylo v Německu zaznamenáno na 440 požárů ve spojení s fotovoltaickými elektrárnami, přičemž celkový počet jejich instalací se v daném období pohyboval okolo 1,3 milionů. Pokud tedy vztáhneme počet požáru k celkovému počtu instalací, dostaneme se v rámci Německa na procentuální hodnotu 0,034 %, což je v porovnání s 0,035 % v případě ČR téměř totožný údaj. Nelze tedy tvrdit, že by v obecné rovině ČR vykazovala nepříznivé výsledky z pohledu požárovosti fotovoltaických systémů. Spíše lze tvrdit, že četnost požárů odpovídá pravděpodobnostním a prakticky nevyhnutelným chybovým jevům způsobeným lidským faktorem, výrobními vadami a působením vnějších vlivů.

Závěr

Závěrem je nutné zdůraznit, že článek není zacílen na zjednodušení či bagatelizaci celé problematiky požárů fotovoltaických elektráren. Rozhodně není radno celou záležitost podceňovat. Cílem je pouze poukázat na skutečnost, že v současné době nelze hovořit o neúnosném a zhoršujícím se stavu. Jako každá nová oblast vykazovala i oblast využití fotovoltaických elektráren počáteční problémy, s kterými ovšem bylo nutné počítat. Aktuálně, když je růst počtu instalací více méně utlumen, se nacházíme v určitém období stagnace a ustálení celé problematiky. Jestli bude v budoucnu následovat další fotovoltaický boom či zavedení zásadních změn, které ovlivní celý vývoj dané oblasti, o tom lze v současné době skutečně jen spekulovat. Nezbývá než čekat a doufat, že vše bude směřovat k lepším a slunným zítřkům.

Literární zdroje

Photovoltaic barometer 2017 – EUROBSERV’ER
Roční zpráva o provozu ES ČR 2016 (ERÚ)
Metodická pomůcka Ministerstva pro místní rozvoj k umisťování, povolování a užívání fotovoltaických staveb a zařízení – listopad 2009
Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v České republice – Studie analyzuje současný stav a předpoklady rozvoje v dlouhodobějším horizontu (ČEZ, a. s., rok 2007)
Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagen und Erstellung von Sicherheitskonzepten zur Risikominimierung – březen 2015
Metodický list číslo 47P. Praha: MVČR – GŘ HZS, 2012.
Metodický list číslo 48P. Praha: MVČR – GŘ HZS, 2012.

English Synopsis

Photovoltaic powerplant fire

The issue of fires of photovoltaic power plants attracted great media attention around 2010. In terms of the total number of installations of photovoltaic power plants and the amount of electricity produced, the Czech Republic is equal to solar giants such as Germany, Italy, France. However, if we look at a comparison of photovoltaic capacities related to the population, position of the Czech Republic is not bad in the EU.