Integrierte Kollektor- und Modulsysteme - Kraftwerk aufs Dach (01.11.2000)

In den letzten Jahren hat die Solartechnik ihr Schattendasein in der Öko-Nische beendet. Die Kunden sind nicht mehr ausschließlich idealistisch Spät-68er, die die alternative Energiegewinnung für beinahe jeden Preis und ganz unabhängig vom Aussehen installieren lassen. Diese erfreuliche Akzeptanzsteigerung bei der Solartechnik lässt für die Zukunft größere Mengen von produzierten Anlagen erwarten, was sich günstig auf die Innovationsfreude der Hersteller und den Preis pro Anlage auswirken dürfte. Der „normale" Bauherr und sein Planer verlangen allerdings nicht nur technisch ausgereifte und bezahlbare Anlagen, vielmehr müssen sich alle Teile dieser Anlagen problemlos in das Gesamtkonzept des Gebäudes einbinden lassen. Für solarthermische Kollektoren oder Photovoltaik (PV)-Module auf geneigten Dächern bedeutet dies, dass sie einerseits harmonischer Bestandteil der Dacharchitektur werden und anderseits nicht nur energetisch, sonder auch dachdeckungstechnisch allen Anforderungen zu genügen haben. Die Hierarchie der Funktion lässt sich schließlich nicht einfach umkehren: Ein Dach muss in erster Linie dicht sein, zweitens sollte es gut aussehen und drittes kann es außerdem Sonnenenergie in Strom oder Wärme umwandeln - also Kraftwerk auf dem Dach sein.

 
Integration auf geneigten Dächern

Variable Modulbauweise

Die kleinste Einheit bei der Stromgewinnung aus Sonnenlicht ist die Solarzelle. Um ein installierbares Paneel zu erhalten, schaltet man mehrere Solarzellen auf einem Trägermaterial (ggf. mit Rahmen) zusammen und bringt einen Wetterschutz auf. Für diese Paneele hat sich die Bezeichnung PV-Module durchgesetzt, da sie sich erforderlichen Größe zusammensetzen lassen. Viele kleine Module können die gleiche Stromausbeute erreichen wie wenige große. Maßgeblich für dir quantitative Beurteilung eines Systems ist deshalb nicht die Modulleistung allein, sondern die Leistung in Relation zum Flächenverbrauch. Die Leistung wird als Nennleistung in Watt peak angegeben. Dabei handelt es sich um ideale und unter definierten Bedingungen ermittelte Werte, die in der Praxis meist nicht erreicht werden, aber als Vergleichskriterium der Systeme untereinander trotzdem dem hilfreich sind. Am nächsten kommt man den Idealwerten auf 30° nach Süden geneigten und selbstverständlich unverständlich unverschatteten Dächern. Als gut geeignet gelten auch noch bis 45° geneigte Dächer und geographische Abweichungen um 30° aus der Südrichtung. Damit die diversen Modulabmessungen und Leistungsangaben pro Modul nicht zur totalen Verwirrung führen, hat sich die Angabe der benötigten Dachfläche für die Installation von 1 Kilowatt peak (kWp) Nennleistung durchgesetzt. Diese Ein-Zahl-Angabe lässt sich leicht vergleichen und bietet einen ersten Anhaltepunkt, ob die gewünschte Leistung auf dem geplanten Dach überhaupt zu realisieren ist. Der Bezug auf 1 kWp Nennleistung ist auch deshalb praktisch, weil damit in grober Näherung 700 bis 900 kWh/Jahr gewonnen werden können, was dem Stromverbrauch einer (sehr sparsamen) Person entspricht. Allerdings haben diese Angaben nur Orientierungswert, denn in der Regel sind netzgekoppelte Anlagen, bei denen der gewonnene Strom ins Netz gespeist wird. Den Strom für den Eigenverbrauch kaufen die Solarbetreiber dann vom EVU zurück. Der in manchen Prospekten außerdem angegebene Wirkungsgrad bezieht sich nur auf die Qualität der verwendeten Solarzellen. Der exakte erreichbare Energiegewinn der ganzen Anlage kann nur objektbezogen ermittelt werden, weil er - wie oben beschrieben - von der Einbausitution abhängt. Die Möglichkeit, auch sehr kleinteilige PV-Module zu verwenden, hat die Dachdesigner zu einer Reihe von Innovation inspiriert. Dachintegrierte Lösungen sind in der Photovoltaik viel häufiger und vor allem variantenreicher anzutreffen als in der Solarthermie. Ein Kollektor muss immer eine gewisse Größe haben (meist um 1 m2) und bleibt somit ein flächenhaftes Bauteil. Die vielen kleinen PV-Module erfordern eine Vielzahl von Verbindungen untereinander. Gängiger Standard sind verwechslungssichere Stecker, oft MC-Stecker der Multi-Contact AG. Dem Dachdecker werden dadurch Berührungsängste vor der gewerkfremden Technik genommen, denn die Verkabelung der Module soll - und muss teilweise - während der Verlegung geschehen. Tatsächlich sind die Stecker äußerst einfach zu handhaben, doch ist jede Steckverbindung nun mal eine potenzielle Fehlerquelle, erst bei der Montage und dann im Laufe der Standzeit. Hier haben kleinformatige Module wohl einen gewissen Nachteil.

Befürchtete Erwärmung

Für Ziegel, Steine, Schiefer und Metall

Ein ähnliches Aussehen ergibt sich mit den Solarmodulen SRT 90, die die Unternehmen Braas und RuppKeramik für die nachträgliche Auf-Dach-Montage anbieten. Echte In-Dach-Lösungen sind bei diesen beiden Firmen mit den PV-Modulen SRT 35 möglich. Die Module werden in Kunststoffkassetten eingelegt, deren Anschlussprofile jeweils auf die hauseigenen Dachsteine von Braas bzw. auf die Reformpfanne von RuppKeramik ausgelegt sind. Die Module verdecken im Einbauzustand die Kassetten, es ergibt sich eine harmonische Ansicht, bei der die Dachziegel bzw. Dachsteine mit den Energiegewinnungsflächen eine Ebene bilden. Mit dem SRT 35 werden ca. 12 m2/ kWp benötigt.

Spezelle auf den Heidelberger Dachstein (und weitgehend baugleiche Modelle anderer Hersteller) ist das Solardachsystem Cuardro zugeschnitten. Es handelt sich um einen Eindeckrahmen in den Eternit-Dachfarben, der an allen vier Seiten (Falze und Wulste) aufweist. Die Abmessungen des Rahmens entsprechen exakt dem Deckmaß von zwei Reihen mit fünf Dachsteinen, er wird sozusagen wie zehn Dachsteine auf einmal verlegt. Die solare Ebene wird liegt leicht über der Deckung, durch das angepasste Design des Eindeckrahmens ist sie trotzdem harmonisch in die Deckung integriert. Zunächst war Cuadro nur für solarthermische Anwendungen erhältlich, seit Neustem gibt es das System auch mit PV-Modulen.

Bei Terra Piatta Solra sind die Module fest mit einem Kunststoffträger verbunden, dessen Kopf und Seitenverfalzung auf den Tondachzeigel Terra Piatta abgestimmt ist.
Jedes Modul ersetzt sechs Dachziegel in einer Reihe (450 x 1423mm) und leistet ca. 50 Wp (etwa 10 m2/ kWp). Es wird wie ein Ziegel auf die Lattung gelegt und dort verschraubt. Auch bei diesem System ist das Verlegebild von exakt in einer Ebene liegenden Dachziegeln und PV-Modulen geprägt.

Für die hier beschriebenen rahmenlos in die Dachdeckung integrierten kleinteiligen PV-Module hat sich u.a. die Bezeichnung Solardachziegel durchgesetzt, auch wenn dis im Sinne der formalen Terminologie nicht ganz exakt ist. Die Systeme können in Ziegeldächer - in einigen Fällen auch Betonsteindächer - integriert werden, bestehen aber selbst aus nicht aus gebranntem Ton. Als Namensgeber dürften Entwicklungen von Heisterholz und Laumanns Pate gestanden haben, die tatsächlich Tondachziegel mit Solarelementen verbinden. Laumanns bietet Module an, die mittels eines patentierten Klemm-Mechanismus`in die speziell ausgeformten Mulden der Ziegelmodelle Rheinland und Tiefa XL eingeclipst werden. Das Dach ist also völlig homogen mit einer Ziegelform gedeckt, nur in den zur Energiegewinnung vorgesehenen Bereichen trägt jeder Ziegel ein Modul, das aber die optische Wirkung der keramischen Eindeckung nicht beeinträchtigt. Der Bauherr kann bei dieser Form der Integration sogar seine Investition zeitlich strecken, indem er zunächst nur die Ziegel und zu einem späteren Zeitpunkt erst die Module verlegen lässt. Je nach Ziegelmodell und Typ der Solarzelle benötigt man 16 bis 22 m2/ kWp.

Bei Dachziegel Müritz-Solar von Heisterholz sind drei Dachziegel der Modellserie Müritz zu einer Einheit verbunden, auf deren Oberseite das PV-Modul schon werkseitig fest montiert ist. Die Dreifachziegel werden wie normale Ziegel verlegt, die typische Struktur des Ziegeldachs bleibt erhalten. Bei Lattweiten von 37,2 bis 39,2 cm deckt eine Einheit 69 cm Breite und bringt 30 Wp Leistung. Das entspricht einem Flächenbedarf von rund 9 m2/ kWp.

An ein Ziegeldach erinnert auchdie Halbauer-Platte, bei der es sich um eine relativ junge Dachdeckung aus Polycarbonat handelt.
Im Spritzgussverfahren entstehen Dachplatten in der Form eines Biberschwanzziegels, die dann eben so wie das bekannte Ziegelmodell verlegt werden. Speziell für diese Deckung gibt es eine Solardachplatte, die bei einer Leistung von 30 Wp sechs biberförmige Platten in einer Reihe ersetzt (300 x 1070 mm). Die Oberflächen der integrierten Module bilden mit den Kunststoffbibern eine Ebene. Für 1 kWp Nennleistung benötigt man etwa 10 m2.

Gebirge, auch Mittelgebirge, bieten ausgezeichnete Standorte für die solare Energiegewinnung auf dem Dach. In Hanglagen hat man wenig Verschattungsprobleme, die Sonnenscheindauer ist oft lang und die Temperatur dabei relativ gering. Es lag also nahe, dass die Hersteller auch über die Integration von PV-Systemen in Schieferdächer nachgedacht haben. Eine Entwicklung auf diesem Gebiet ist beispielsweise SolarSklent, ein PV-Modul auf farblich angepasstem Kunststoffträger, das in Form und Maß über die Dächer mit Bogenschnittschindeln 30 x 30 cm konzipiert wurde. In Rechtsdeckung mit Gebindesteigung verlegt ersetzt das Element vier Schindeln in der Höhe und ebenso viele in der Breite. Es ist also faktisch eine übergroße Schindel. Dich sichtbare Fläche eines 55 Watt leistenden Elements beträgt 750 x 735 mm. Der Flächenbedarf hängt u.a. von der Dachneigung ab, als Richtwert werden 10 m2/ kWp angegeben.

Für die Rechteckdoppeldeckung mit Schiefer wurde das Magog-Solarsystem entwickelt. Jeweils vier Solarzellen sind werkseits auf einer Rechteckschindel befestigt, die wie eine normale Schindel verlegt wird. Diese vier Zellen leisten zusammen ca. 7,89 Wp, für 1 kWp werden ca. 9,18 m2 benötigt.

Nach einem ähnlichen Prinzip sind auch die SunZinc-Rauten aufgebaut. Jedoch sind die Solarzellen hier auf Titanzinkschindeln in Rautenform auflamiert. Diese werden wie normale Schindeln des Rautensystems von NedZink auf dem Dach oder an der Fassade befestigt. Eine einzelne Quadratraute mit einem solarnutzbaren Format von 283 x 283 mm erreicht 2,6 Wp. Es werden 385 Rauten für eine Nennleistung von 1 kWp benötigt, das entspricht einer Deckfläche von 25,6 m2.

Für großformatige metallische Deckung bzw. Bekleidungen ist delitherm-solar entwickelt worden. Bei diesem System wird zunächst konventionell die Deckung mit profilierten Metall-Sandwichelemten Typ delitherm G4 montiert , ehe dann das in der Breite passende PV-Modul mit Klemmporfilen an den Hocksicken befestigt wird. Da das Modul von Hochsicke zu Hochsicke spannt, ergibt sich in jedem Fall eine gute Hinterlüftung. Eine Elemente misst 1300 x 978 mm und hat 134 bis 163 Wp Nennleistung.

Schon herstellerseits direkt auf die Metallelemente der Deckung sind Solarzellen beim System Solartec aufgebracht. Die länglichen Paneele (Längen bis 5,80 m, Breiten bis 45 cm) werden wahlweise vom First zur Traufe oder von Giebel zu Giebel auf normaler Lattung verlegt. Bei waagerechter Anordnung erinnert die gestülpte Verlegung an ein Ziegeldach, die senkrechte Verlegung zeigt das typische Erscheinungsbild einer metallischen Baulängen und Farbgebungen stehen zur Auswahl.

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