Brandrisico van in-gevel PV-panelen

Fotovoltaïsche panelen (PV) zijn een veelgebruikte toepassing bij het verduurzamen van gebouwen. Naast de toepassing van PV op daken, zie je PV ook steeds vaker terug in gevels. In-gevel PV-panelen zijn onderdeel van de constructie en daarmee worden nieuwe brandrisico’s geïntroduceerd.

Er is nog relatief weinig bekend over de brandrisico’s van in-gevel PV en de vraag is of het Bouwbesluit alle brandrisico’s afdekt. Om een inschatting te kunnen maken van deze risico’s, kan er gekeken worden naar de risico-subsystemen die relevant zijn voor in-gevel PV: beperk het ontstaan van brand, beperk de ontwikkeling van brand en beperk branduitbreiding.

Brandgedrag gebouwen met in-gevel PV

PV-panelen zijn onderdeel van de constructie en worden dan ook vaak dicht tegen de gevel geplaatst. Door de beperkte spouw is er weinig ventilatie mogelijk achter in-gevel PV-panelen, waardoor de temperaturen in de spouw hoog kunnen oplopen. Er is dan ook weinig energie nodig van een vonk ten gevolge van een defect aan een paneel om een brand te kunnen veroorzaken. Het toepassen van PV-panelen in vergelijking met ander gevelmateriaal zorgt in de basis altijd voor het vergroten van een brandrisico door het feit dat er een elektrotechnische installatie wordt toegepast. Daarnaast worden er vaak brandbare (isolatie)materialen gebruikt achter in-gevel panelen, die bij een potentiële brand mee kunnen gaan branden. Ondanks dat PV-panelen weinig brandbare massa bevatten, kunnen de vlammen, rook en warmte zich makkelijk via de panelen en via de spouw (schoorsteeneffect) verspreiden naar andere compartimenten. Ook conductie is een risico, omdat aluminium ophangsystemen van in-gevel panelen al snel structurele sterkte kunnen verliezen, met vallende (brandende) PV-panelen tot gevolg.

Risico-subsystemen bij in-gevel PV

Beperken kans op het ontstaan brand

Het eerste relevante risico-subsysteem is het beperken van de kans op het ontstaan van brand. Brand bij in-gevel panelen wordt bijna altijd veroorzaakt door fouten bij de installatie. Een bekend probleem ligt bij het falen van de connectoren, wat ook nog eens vergroot wordt op het moment dat er connectoren van verschillende fabrikanten toegepast worden (1). Vlambogen kunnen voor een ontsteking zorgen wanneer er in de lucht stroom gaat lopen tussen twee connectoren. Lokale oververhitting van een PV-paneel kan ontstaan wanneer een deel van een paneel bedekt is, bijvoorbeeld door schaduw. De betreffende cel gaat als een weerstand werken, waarbij veel warmte vrijkomt. In combinatie met de eerdergenoemde hoge temperaturen achter in-gevel PV kan een brand bij relatief weinig energie dus snel ontstaan.

Beperken ontwikkeling potentiële brand

Het tweede risico-subsysteem wat betrokken is bij in-gevel PV, is het beperken van de ontwikkeling van een potentiële brand. PV-panelen zijn inherent brandbaar, waarbij vooral het gelamineerde stuk van het paneel (zoals EVA) erg brandbaar is, samen met de achterkant die het paneel moet beschermen tegen indringend vocht. Doordat vrijkomende temperaturen tijdens een gevelbrand hoger kunnen uitkomen dan de brandklasse van een PV-paneel verlangt, kan een uitslaande vlam alsnog bij het brandbare deel van het paneel komen (2).

Beperken brand in compartiment

De brandbare materialen in en rondom in-gevel PV zijn ook niet optimaal als het aankomt op risico-subsysteem 3: het beperken van een brand in het compartiment. De vlammen en rook kunnen zich makkelijk verspreiden via de spouw achter de panelen (schoorsteeneffect) en daarbij buitenom brandcompartimenten oversteken. Experimenten op grote schaal (een gebouw van drie verdiepingen) laten zien dat in-gevel panelen daarbij blootgesteld kunnen worden aan warmtestraling van 100 kW/m² en temperaturen tot 1000 graden Celsius (3). Flash-over op de begane grond werd daarbij 16 minuten eerder bereikt op het moment dat de brand ontstond in de gevel, in vergelijking met een brand die ontstond in het gebouw.

Bedreiging voor andere risico-subsystemen

In-gevel PV vormen ook een bedreiging voor andere risico-subsystemen. Zo is er voor de brandweer het risico op elektrocutie bij het blussen van een brand met PV panelen. De omvormer is niet altijd direct te vinden bij een brand, waardoor er stroom blijft lopen door de PV. Ook vallende panelen kunnen een risico vormen voor de brandweer, wanneer het ophangsysteem van een in-gevel PV-configuratie bezwijkt. Daarnaast kunnen (potentieel schadelijke) deeltjes van PV-panelen meegenomen worden met de rook die vrijkomt bij een PV-brand. Deze deeltjes kunnen hierdoor tot kilometers rondom de brand verspreid worden en schade aan de omgeving toebrengen.

Expertpanel over brandveiligheid in-gevel PV

Vanwege het complexe brandgedrag van een in-gevel PV-brand, is het lastig om door middel van simulaties en (kleinschalige) experimenten antwoord te krijgen op de vraag hoe groot de faalkans van een gebouw met een in-gevel PV-systeem is. Door middel van een enquête aan een expertpanel is beoogd meer inzicht te geven in deze faalkansen. In de enquête zijn twee situaties uitgevraagd: een brand in een compartiment, die zich kan verspreiden via een in-gevel PV-systeem, en een brand die is ontstaan in het in-gevel PV-systeem en zich kan verspreiden naar andere compartimenten. Per situatie zijn er daarnaast verschillende constructies te onderscheiden, ingedeeld in thermisch gewicht van de constructie en brandbaarheid van de isolatiematerialen. Thermisch gewicht houdt in deze context in dat er veel of weinig warmte opgeslagen kan worden in de constructie tijdens een brand. Een voorbeeld van een thermisch zware constructie is bijvoorbeeld beton, een voorbeeld van een thermisch lichte constructie is hout. In totaal zijn er dus acht verschillende situaties uitgevraagd, waarbij het expertpanel steeds de vraag kreeg om per situatie in te schatten wat de available safe time (AST), oftewel de brandwerendheid, van de gevel zou zijn.

Door het vergelijken van de available safe time met de required safe time (RST), kan er een conclusie worden getrokken over de faalkans van de in-gevel PV-systemen. De RST is gebaseerd op een residentieel compartiment van 70m², wat zich vertaalt in een RST van 54 minuten voor een compartimentsbrand en een RST van 5.5 minuten voor een in-gevel brand. De RST voor de in-gevel brand is een stuk lager, omdat zowel het oppervlakte als de brandlast van de gevel lager uitvalt in vergelijking met een compartiment van 70m². De faalkans in het geval van een brand (AST-RST) wordt vervolgens vermenigvuldigd met de kans dat er een brand ontstaat. Aangezien een gevel slechts een deel van het oppervlakte van een compartiment is, wordt aangenomen dat de kans op het ontstaan van een gevelbrand 21/70 van de kans op een compartimentsbrand is. Oftewel, de algehele kans op het ontstaan van een brand worden op 91/70 keer groter geschat in het geval van een in-gevel PV-systeem.

De gemiddelde AST geschat door het expertpanel lag tussen de 23.17 minuten en de 34.01 minuten, met standaarddeviaties rond de 26 minuten. Gezien de lage brandlast van de gevelpanelen (wat zich vertaalt in 5.5 minuten RST), is er een lage faalkans als een brand ontstaat in de in-gevel PV-systemen.

Toch is de brandlast van in-gevel PV-systemen niet het grootste probleem, maar de mogelijk snelle verspreiding naar andere compartimenten. Voor zowel de compartimentsbrand als de brand die ontstaat in het in-gevel PV-systeem beoordeelde het expertpanel brandbare isolatie met een significant lagere brandwerendheid. Dit verschil werd niet gevonden bij thermisch zware versus thermisch lichte constructies.

Wat voornamelijk opvalt in de antwoorden van het expertpanel, zijn de grote standaarddeviaties. Hieruit kan worden opgemaakt dat er op dit moment een raamwerk ontbreekt wat brandveiligheidsexperts kunnen gebruiken bij het beoordelen van faalkansen van in-gevel PV-systemen.

Innovatieve oplossingen uit de literatuur

Een belangrijke stap naar het verkleinen van de kans op en het uitbreiden van brand, is het verminderen van de kans op elektrische problemen in het PV-systeem. Toepassen van bypass diodes zorgt ervoor dat de stroom kan blijven lopen als een zonnecel de stroom blokkeert door bijvoorbeeld schaduw (4). Geavanceerde foutmelding systemen (met onder andere de toepassing van kunstmatige intelligentie) kunnen vlambogen op tijd registreren. Een groot nadeel van beide toepassingen is de toename in kosten en complexiteit van het systeem. Een grote stap richting het verbeteren van de brandveiligheid van zonnepanelen kan worden gezet door verplichte wet- en regelgeving te ontwikkelen voor het plaatsen van in-gevel systemen.

Uit de faalkansanalyse werd duidelijk dat het expertpanel brandbare materialen in de buurt van het PV-systeem als grote risicofactor ziet bij het verspreiden van brand. Onderzoek laat zien dat een beschermend achterblad voor de PV van 325 micrometer aan PET of PVF/PET/PVF de laagste vlamverspreidingssnelheid geven (5) (6).

Vanwege de hoge temperaturen in de spouw van in-gevel PV-systemen is er maar weinig energie nodig om tot ontsteking te leiden. Het afkoelen van de spouw verkleint niet alleen de kans op het ontstaan van brand, maar het verbetert ook de opbrengst van zonne-energie. Obstructies in de vorm van een plaat of ‘vinnen’ in de spouw kan de temperatuur verlagen door een verhoogde luchtstroom achter het paneel te creëren (7). Actieve koeling van de spouw is mogelijk door de uitgang van het mechanische ventilatiesysteem van het gebouw aan te sluiten op de spouw (8). Een interessant alternatief is de toepassing van een PCM (phase changing material) in het beschermende achterblad, die warmte kan wegnemen bij oplopende temperaturen (9) (10).

Tot slot zijn firestops een veelgebruikte oplossing om de verspreiding van vuur en rook via de gevel te beperken (2). Idealiter blokkeert de firestop pas de spouw in het geval van brand. Een permanente firestop beperkt namelijk de ventilatie die nodig is om de temperatuur achter de PV-systemen niet te hoog op te laten lopen.

Conclusie

De bijdrage van PV-systemen aan de energietransitie beperkt zich niet langer alleen tot daken, maar wordt ook steeds vaker toegepast als gevelbekleding. In-gevel PV-systemen voegen niet alleen een ontstekingsbron toe aan de gebouwschil, maar ze kunnen mogelijk ook leiden tot additionele brandtrajecten. Een analyse van in-gevel PV-systemen door een expertpanel bevestigt de hypothese dat het momenteel nog ontbreekt aan een universeel beoordelingssysteem voor brandveiligheid. Naast wet- en regelgeving voor het installeren van in-gevel PV-systemen, kunnen verschillende innovatieve toepassingen de risico’s op het ontstaan van brand en de verspreiding van brand verkleinen.

Tessa Junggeburth, Masterstudent Building Physics & Services aan de Technische Universiteit Eindhoven

Literatuur

(1)        E. Bend and N. Dekker, “Brandincidenten met fotovoltaïsche (pv) systemen in Nederland. Een inventarisatie”, TNO, 2019. (Online). Available: https://repository.tno.

nl/islandora/object/uuid%5C%3Ab00b2673-e463-4b08-adcb-f7d567c9ee39.

(2)        Brandweer Nederland, “Handreiking risicobeheersing advies veilige pv-systemen”, Instituut Fysieke Veiligheid Kennisontwikkeling en onderwijs, 2020. (Online). Available: https://nipv.nl/zonnepanelen/.

(3)        G. Srivastava, D. Nakrani, and C. Ghoroi, “Performance of combustible facade systems with glass, acp and firestops in full-scale, real fire experiments”, Fire Technology, vol. 56, Jan. 2020.

(4)        Z. Wu, Y. Hu, J. X. Wen, F. Zhou, and X. Ye, “A review for solar panel fire accident

prevention in large-scale pv applications”, IEEE Access, vol. 8, pp. 132 466–132 480,

2020.

(5)        S. S. Nair, “Experimental study on the flammability of photovoltaic module backsheets”, May 2018.

(6)        C. Liciotti and P. Cancelliere, “Fire behaviour and performance of photovoltaic module backsheets”, Fire Technology, vol. 52, Jun. 2015.

(7)        M. Ritzen, Z. Vroon, R. Rovers, and C. Geurts, “Comparative performance assessment of a non-ventilated and ventilated bipv rooftop configurations in the Netherlands”, Solar Energy, vol. 146, pp. 389–400, 2017. (Online). Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X17301457.

(8)        J. Tonui and Y. Tripanagnostopoulos, “Air-cooled pv/t solar collectors with low cost

performance improvements”, Solar Energy, vol. 81, no. 4, pp. 498–511, 2007. (Online). Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X06002003.

(9)       A. Hasan, S. McCormack, M. Huang, and B. Norton, “Evaluation of phase change

materials for thermal regulation enhancement of building integrated photovoltaics”,

Solar Energy, vol. 84, no. 9, pp. 1601–1612, 2010. (Online). Available: https://www.

sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X10002215.

(10)      P. H. Biwole, P. Eclache, and F. Kuznik, “Phase-change materials to improve solar

panel’s performance”, Energy and Buildings, vol. 62, pp. 59–67, 2013. (Online). Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378778813001539.