Solarkabel und Kabelverluste: Leitungsquerschnitte optimieren und Erträge sichern

Die auf dem Datenblatt der Solarmodule ausgewiesene kWp Nennleistung sowie die höchsten Labor-Wirkungsgrade nützen dem Anlagenbetreiber wenig, wenn die erzeugte Energie auf dem Weg zum Wechselrichter verloren geht. Ein oft unterschätzter Flaschenhals bei der Anlagenplanung sind die elektrischen Zuleitungen. 

Sogenannte Kabelverluste (oder Leitungsverluste) treten immer dann auf, wenn elektrischer Strom fließt. Das physikalische Prinzip dahinter ist einfach: Das Leitermaterial stellt einen Widerstand dar, der einen Teil der elektrischen Energie in Wärme umwandelt. Da diese Wärmeenergie für die Stromnutzung im Haus oder für die Netzeinspeisung unwiederbringlich verloren ist, müssen die Kabelquerschnitte präzise dimensioniert werden, um die Leistungsverluste auf der gesamten Strecke auf ein absolutes Minimum zu drücken.

Wie viel Solarstrom auf dem Weg durch die Kabel verloren geht, wird maßgeblich von vier physikalischen Größen bestimmt:

• Kabelquerschnitt (Dicke): Der wichtigste Hebel in der Anlagenplanung. Je größer der Querschnitt des Kabels, desto geringer ist der elektrische Widerstand und desto geringer fallen die Verluste aus.
• Kabellänge: Ein längeres Kabel bedeutet einen längeren Weg für die Elektronen und somit einen höheren Gesamtwiderstand. Daher sollte der Wechselrichter so nah wie möglich an den Solarmodulen platziert werden. Wichtig bei der Berechnung: Es zählt immer die Hin- und die Rückleitung.
• Leitermaterial: Kupfer hat eine exzellente Leitfähigkeit und ist der absolute Standard in der Photovoltaik. Aluminium leitet den Strom deutlich schlechter und müsste bei gleicher Leistung viel dicker dimensioniert werden.
• Stromstärke: Das ist der tückischste Faktor. Die elektrische Verlustleistung im Kabel steigt quadratisch zur Stromstärke. Bereits kleine Erhöhungen der Ampere-Zahl wirken sich gravierend aus.

In einer Photovoltaikanlage muss die Verkabelung in zwei Bereiche unterteilt werden: Die Gleichstrom-Seite (DC-Seite) von den Modulen bis zum Wechselrichter und die Wechselstrom-Seite (AC-Seite) vom Wechselrichter zum Stromzähler. 

Das Ertragsrisiko ist auf der Gleichstrom-Seite zumeist deutlich höher. Moderne Hochleistungsmodule, wie wir sie im Modulwirkungsgrad-Vergleich besprochen haben, arbeiten mit extrem hohen Strömen. Für die professionelle Planung zieht der Elektrofachbetrieb konkrete Normen heran: Die Errichtungsnorm DIN VDE 0100-712 regelt speziell die Anforderungen an PV-Stromversorgungssysteme, ergänzt durch die VDE-AR-E 2100-712. In der Praxis wird auf Basis dieser Normen häufig ein extrem geringer Spannungsabfall von unter 1 Prozent auf der DC-Strecke als festes Effizienzziel angesetzt.

Die beste Methode zur Reduzierung von Kabelverlusten beginnt bereits bei der Anlagenplanung auf dem Dach:

• Intelligente Stringplanung: Werden Module in Reihe geschaltet (String), addiert sich die Spannung, während die Stromstärke gleich bleibt. Da hohe Ströme die Verluste quadratisch ansteigen lassen, reduziert eine Reihenschaltung die DC-seitigen Kabelverluste massiv. Bei einer Parallelschaltung addieren sich hingegen die Ströme – hier ist zwingend ein größerer Kabelquerschnitt nötig.
• Der Einsatz von Mikrowechselrichtern: Eine elegante Lösung, um DC-Kabelverluste gänzlich zu eliminieren, sind Mikrowechselrichter. Diese kleinen Geräte werden direkt unter jedem einzelnen Solarmodul auf dem Dach installiert und wandeln den Gleichstrom sofort in Wechselstrom um. Die langen, verlustbehafteten Gleichstrom-Leitungswege durch das halbe Haus entfallen komplett.

Besondere Vorsicht bei der Kabelwahl ist bei netzunabhängigen Photovoltaik-Inselanlagen geboten (z. B. auf dem Gartenhaus, im Wohnmobil oder als Solargenerator). Solche autarken Off-Grid-Systeme arbeiten meist mit einer sehr niedrigen Systemspannung von 12 oder 24 Volt. Um hier dieselbe elektrische Leistung (Watt) zu übertragen wie bei einer 400-Volt-Hausanlage, müssen extrem hohe Ströme (Ampere) fließen. Ein zu dünnes Kabel bei einer Inselanlage führt nicht nur zu dramatischen Leistungsverlusten, sondern kann aufgrund der starken Erhitzung zu einer akuten Brandgefahr werden.

Wie sich der Spannungsabfall auf der DC-Seite ohne komplexe Formelzeichen greifbar machen lässt: Spannungsabfall = (2 × Kabellänge × Stromstärke) geteilt durch (Leitfähigkeit von Kupfer × Kabelquerschnitt). 

Nehmen wir ein praxisnahes Beispiel für ein typisches Einfamilienhaus: Wir haben 10 Meter einfache Leitungslänge (vom Modul zum Wechselrichter) und einen typischen Modulstrom von 10 Ampere.

• Mit einem 4-mm²-Kabel: Wir rechnen (2 × 10 × 10) geteilt durch (56 × 4). Das ergibt einen Spannungsabfall von ca. 0,89 Volt.
• Mit einem 6-mm²-Kabel: Wir rechnen (2 × 10 × 10) geteilt durch (56 × 6). Der Spannungsabfall sinkt auf knapp 0,60 Volt.
   

Die Wirtschaftlichkeitsrechnung: Ein Upgrade von 4 mm² auf 6 mm² kostet oft nur wenige Euro mehr pro Meter. Über die Anlagenlebensdauer von 25 Jahren rettet der dickere Querschnitt jedoch hunderte Kilowattstunden Strom, die ansonsten als nutzlose Wärme im Kabel verpufft wären.

PV-Kabel auf dem Dach sind extremen Witterungsbedingungen ausgesetzt. Sie müssen Frost, UV-Strahlung, Regen und dauerhafter Hitze über Jahrzehnte standhalten. Gewöhnliche Hausinstallationskabel sind hierfür völlig ungeeignet. 

Ein professionelles PV-Kabel besitzt immer nur eine Ader (bestehend aus verzinntem Kupfer oder Aluminium) und ist zwingend doppelt isoliert. Genauso wichtig wie das Kabel selbst sind die Steckverbindungen. Renommierte Fachbetriebe nutzen absolut wasserdichte und berührungssichere Original-MC4-Stecker. Werden hier minderwertige Klemmen genutzt oder Kabel zu stark geknickt, entstehen hohe Übergangswiderstände. Diese fehlerhaften Verbindungen können sich massiv erhitzen und schnell zu lebensgefährlichen Hot-Spots oder Lichtbögen führen. Solche unsichtbaren Fehler lassen sich im Rahmen der Wartung später oft nur noch mit dem aufwendigen Kontrolle-Elektrolumineszenz-Verfahren lokalisieren.

Hinweis: Angaben zur Strombelastbarkeit sind Richtwerte. Die verbindliche Berechnung muss je nach Verlegeart durch den Elektrofachbetrieb nach DIN VDE erfolgen. 

Wie hoch dürfen die Kabelverluste in einer PV-Anlage maximal sein?
In der professionellen Anlagenplanung wird nach den Vorgaben der DIN VDE 0100-712 zumeist ein Spannungsabfall von unter 1 Prozent auf der Gleichstrom-Seite (DC) als festes Ziel angestrebt, um die Effizienz der Anlage langfristig zu maximieren.

Ist Kupfer oder Aluminium besser für Photovoltaikanlagen?
Für den Hausgebrauch und Dach-Solaranlagen ist doppelt isoliertes Kupferkabel der absolute Standard. Kupfer besitzt eine wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit als Aluminium. Ein Aluminiumkabel müsste für denselben Ertrag deutlich dicker dimensioniert werden, was die Montage auf dem Dach und im Kabelkanal erschwert.

Reicht ein Solarkabel mit 4 mm² Querschnitt aus?
Für sehr kurze Kabelwege kann ein 4-mm²-Kabel genügen. Da moderne Hochleistungsmodule jedoch hohe Ströme produzieren (bei denen die Verlustleistung quadratisch ansteigt), hat sich in der Branche ein Querschnitt von 6 mm² als neuer Standard etabliert. Das Upgrade auf das dickere Kabel kostet nur wenig mehr, minimiert den Leitungsverlust aber dauerhaft.

Welche Farbe müssen Solarkabel haben?
Solarkabel werden am Markt primär in Schwarz und Rot angeboten. Es gibt keine gesetzliche Vorschrift, ein rotes Kabel für den Pluspol und ein schwarzes für den Minuspol zu verwenden. Viele Handwerker nutzen diese Farben jedoch zur besseren Übersicht. Aus optischen Gründen werden auf Dächern auch oft rein schwarze Kabel verlegt – die Polarität wird dann durch die MC4-Stecker gesichert.