Als System denken

Kategorie: 06 / 2010, Forschung & Entwicklung Anja Riedel

Industriedächer: Damit Module den geforderten mechanischen Lasten standhalten, haben sie dicke Frontgläser. Solon hat ein Modul mit dünnerem Glas vorgestellt, das leichter ist, sich deshalb für viele Industriedächer eignet und ein großes Flächenpotenzial erschließen kann. Es soll halten, weil die Entwickler Dach und Modul als System gedacht haben und die Installateure kleben, statt zu schrauben.

Der erste Montage-Praxistest für das neue Modul. Es nutzt die Unterstützung durch das Trapezdach aus und ist dadurch so leicht, dass es auch für Industriedächer geeignet ist, die kaum Gewicht tragen können.
Fotos: Solon/myrzikundjarisch

Die quadratischen Spacer-Tapes markieren Anfang und Ende der Kleberaupen und sichern zusätzlich den Abstand zwischen Dachhaut und Modul.

Die Module werden auf der Rückseite abgewischt und einfach auf die Kleberaupen aufgelegt. Dafür haben Installateure knapp eine halbe Stunde Zeit, nachdem der Kleber aufgetragen ist.

Bei dem ersten Projekt haben die Installateure 288 monokristalline Leichtmodule mit insgesamt rund 80 Kilowatt Leistung montiert.

Das Modul musste die Tests nicht alleine durchlaufen, sondern aufgeklebt auf einem Stück Dach.

Die Akku-Klebepistole surrt. Schwarze, glänzende Raupen legen sich rasch nebeneinander auf die Erhebungen des hellgrauen Trapezblechs. Etwa 60 Zentimeter lang, immer zwei übereinander und das ganze je sechs Mal. So begann im April der erste Härtetest unter Praxisbedingungen für eine neue Methode zur Montage, mit der in Zukunft vielleicht mehr kristalline Module ihren Weg auf Industriedächer finden werden.

Zwei junge Installateure tragen dann ein hauchdünnes Solarmodul vom Schrägaufzug zur Montagestelle. Ein dritter greift zu Tuch und Reinigungslösung. Damit wischt er die Rückseite des Moduls an sechs Stellen ab. Zu viert richten die Solarteure aus dem niederbayerischen Landau schließlich das Modul aus und legen es vorsichtig auf die sechs Kle beraupen. Dabei achtet einer darauf, dass die Anschlussdose genau in der Vertiefung landet. Kurz andrücken, fertig.

Auf dem 720 Quadratmeter großen Dach der Tischlerei Tippelt im Regensburger Norden entstand Ende April die erste Photovoltaikanlage mit den neuen, superleichten Solon-Modulen. Rainer Lichtinger, Geschäftsführer von Lichtinger PV, nutzte das Projekt, um sechs seiner Mitarbeiter in die neue Montagetechnik einführen zu lassen. Nach einem Schulungstag im eigenen Betrieb ging es auf dem Regensburger Dach gleich zur Sache.

Unter Anleitung von Mitarbeitern des Berliner Modullieferanten Solon und des Klebstoffherstellers Sika aus Bad Urach testeten die Solarteure ihre neu erlernten Fähigkeiten aus. Schraubenschlüssel und Metallsäge konnten bei dieser Aktion getrost im Schrank bleiben. Denn die rahmenlosen Solon Black 280/12 mit den monokristallinen Zellen benötigen kein Montagegestell – sie werden einfach auf das Metalldach aufgeklebt.

Glasverzicht spart Gewicht

Der besondere Clou: Bei der Haltbarkeitsberechnung kalkulierten die Solon-Entwickler bereits ein, dass das Modul vom Trapezdach unterstützt wird, und konnten die Glasdicke reduzieren. Dadurch wird das kristalline Modul leichter und stößt mit seinem niedrigen Gewicht in Anwendungsgebiete vor, die bisher flexiblen Dünnschichtmodulen wie zum Beispiel von Flexcell und Uni-Solar vorbehalten waren. Anna-Maria Meyer, Produktmanagerin bei Solon, hatte als Ziel, unter zehn Kilogramm pro Quadratmeter zu bleiben. Die Anlage kommt jetzt mit sogar nur achteinhalb Kilogramm pro Quadratmeter tatsächlich als Fliegengewicht daher.

Große Flachdächer gibt es sowohl in Deutschland wie auch weltweit in unvorstellbar großer Zahl. Mehr als 300 Millionen Quadratmeter Hallendächer wurden im letzten Jahr allein in Deutschland verzeichnet. Ein Fünftel davon wird in diesem Jahr frisch saniert. Das hat das Bonner Marktforschungsinstitut B+L Marktdaten ermittelt. Doch gute Dachflächen, die so stabil gebaut sind, dass sie eine aufgeständerte Photovoltaikanlage inklusive Montagesystem und Ballastierung tragen können, sind größtenteils schon mit Modulen belegt. Deshalb müssen Investoren auf Dächer ausweichen, die statisch problematisch sind. Häufig können die Leichtdächer nur zehn bis 15 Kilogramm pro Quadratmeter zusätzlicher Last verkraften.

Dass viele Kunden ein Gewichtsproblem haben, hören auch die Solon-Vertriebler regelmäßig. „Wöchentlich bekommen wir Anfragen, ob wir für Flachdächer leichte Systemen ohne Dach durchdringung anbieten können“, sagt Anna-Maria Meyer. Rainer Lichtinger geht es ähnlich. Viele seiner Kunden warten auf ein leichtes Produkt. „Außerdem sind viele Industriedächer mit drei bis zehn Grad Neigung relativ flach“, fügt Lichtinger hinzu, „da brauchen wir rahmenlose Module, die sich selbst reinigen können, ohne dass Schmutz hängen bleibt“. 17 Megawatt haben seine Mitarbeiter im vergangenen Jahr auf niederbayerische Dächer gebracht.

 

Große Marktlücke

15 Prozent der Flachdächer in Deutschland sind laut B+L Marktdaten mit Metall gedeckt. Das macht rund 45 Millionen Quadratmeter Dachflächen – ein großer Markt für das neue Produkt. Denn Solon hat das Black 280/12 speziell für Trapezblech- und Stehfalzdächer entwickelt. Das Modul ist aber nicht nur leichter, sondern auch kostengünstiger als vergleichbare Standardmodule, denn die Metallkomponenten fallen komplett weg. Ohne Rahmen und Montagegestell spart das System sowohl Materialkosten als auch Arbeitszeit bei der Montage. „Etwa 25 Prozent schneller bekommen wir die Anlage aufs Dach“, schätzt Lichtinger nach dem ersten Arbeitstag. Das Produkt gibt es in Leistungsklassen zwischen 265 und 285 Watt. Auf einer Fläche von rund zwei mal einem Meter hat das Topmodell bei diesen Daten einen Wirkungsgrad von rund 14,5 Prozent.

Im Fall der Tischlerei Tippelt soll die Photovoltaikanlage die Dachsanierungskosten in Höhe von 45.000 Euro wieder einspielen. Anstelle des undichten, leicht geneigten Bitumendaches ließ Peter Tippelt Trapezbleche montieren. Die Dachflächen sind um sieben Grad nach Ost und West geneigt. Solarteur Lichtinger schlug vor, 288 monokristalline Leichtmodule mit insgesamt rund 80 Kilowatt innerhalb von drei Tagen zu installieren. Errechneter jährlicher Ertrag: 870 Kilowattstunden pro Kilowattpeak.

 

Stabilität gefragt

Leicht sollte das neue Modul werden und stabil. Doch wie kann Gewicht eingespart werden, ohne auf Stabilität zu verzichten? Die Entwickler von Solon sahen sich dafür die statischen Eigenschaften von Metalldächern an. Und kamen schließlich auf die Idee, die Steifigkeit des gefalteten Trapezblechs als Trägerkonstruktion für die Module mit zu nutzen.

Das Solon Black 280/12 ist als Glas-Folien-Laminat gebaut. Obwohl das Frontglas des zwei Quadratmeter großen, rahmenlosen Moduls mit 32 Millimetern recht dünn ist, kann das Modul in allen Schneelastzonen eingesetzt werden, im Prinzip weltweit, sagt Michael Wittner, Leiter der Modulentwicklung bei Solon. Denn jedes Modul liegt, je nach Ausrichtung, auf vier bis sechs Hochsicken des Trapezblechs auf, im Abstand von etwa 30 Zentimetern. Mit diesen wird es verklebt. Wie Backrails steifen die Hochsicken das Modul auf der Rückseite aus und geben ihm dadurch eine hohe Festigkeit.

„Wir hätten es sogar mit 28-Millimeter-Glas bauen können“, sagt Produktmanagerin Meyer. Verklebt mit dem Blechdach wäre das Modul immer noch stabil genug und noch etwas leichter geworden. Doch für das Handling während der Montage reichte die Steifigkeit nicht. Bei Lichtingers jungen Mitarbeitern haben die neuen Module den Praxistest bereits bestanden. „Wir dachten im Vorfeld, die wären empfindlicher. Aber die Module sind zehn Kilo leichter als Standardmodule und trotzdem stabil.“

Wie stabil die Black 280/12 wirklich sind, hat Solon in zahlreichen Tests genau analysiert. Acht Stunden lang testeten die Entwickler nach eigenen Angaben die Module beispielsweise auf Druck und Zug. Dabei brachten Kompressoren Lasten von 2.400 Kilopascal Sog und 5.400 Kilopascal Druck auf die Glasfläche. Das entspricht etwa 220 Stundenkilometer Wind und einer zehn Meter hohen Schneedecke aus Pulverschnee. Anschließend schauten die Ingenieure sich Infrarotaufnahmen der Module an. Dabei seien die Zellen unbeschädigt geblieben und keine Mikrorisse, die die Lebensdauer der Module einschränken könnten, zu sehen gewesen.

 

Kleben statt schrauben

„Kleben ist in den Köpfen der Endverbraucher erst einmal ungewohnt“, sagt Solarteur Lichtinger. Das ist seine Erfahrung aus zahlreichen Kundengesprächen. Allerdings ist Kleben in anderen Bereichen bereits Usus. Ganze Glasfassaden an Hochhäusern, ICE-Scheiben und viele Autoteile werden geklebt. Diese Fügetechnik hat nach Ansicht ihrer Befürworter viele Vorteile. Kleber verbinden unterschiedliche Werkstoffe unsichtbar miteinander und gleichen durch ihre Elastizität Größenänderungen aus, die gerade im Metall bei schwankenden Temperaturen auftreten. Auch im Photovoltaikbereich setzen die Hersteller bereits an verschiedenen Stellen Klebstoffe ein. Modulrahmen, Anschlussdosen, Folien und Aluminium-Hutprofile, sogenannte Backrails, werden beispielsweise an den Modulen festgeklebt.

Für die Montage des Solon-Moduls bot Björn Kappelhoff, bei Sika zuständig für Photovoltaikanwendungen, den Silikonklebstoff Sikasil SG-20 an, den seine Firma ursprünglich für den Fassadenbau entwickelt hat. Der Kleber sei daher sehr witterungsbeständig gegen Nässe und UV-Licht. Außerdem halte er Temperaturschwankungen zwischen minus 40 und plus 90 Grad stand. Auch die Spannungen im Modul seien reduziert, weil der Kleber elastisch sei und Dehnungen ausgleiche.

Für Michael Wittner war die Auswahl des passenden Klebers bei der Modulentwicklung besonders wichtig. Nach zahlreichen Proben mit unterschiedlichen Materialien habe das Team schließlich mit Sikasil den Kleber gefunden, der sich sowohl mit der Rückseitenfolie des Solon-Moduls als auch mit der Polyesterbeschichtung der Trapezbleche sehr gut verbinde.

 

System statt Modul testen

In diversen Klimakammertests nahmen die Entwickler die Klebeverbindung dann unter die Lupe. In den raumhohen Schränken werden die Module künstlich gealtert. In unterschiedlichen zeitlichen Abständen maßen Wittners Kollegen jeweils die Festigkeit der Klebeverbindung und verglichen sie mit den vorherigen Werten. Ziel war es, eine Festigkeit zu erreichen, die über den Zeitraum von 20 Jahren konstant bleibt. Allerdings ist nicht gesagt, dass beim Kleber mit denselben Methoden eine 20-jährige Alterung erreicht werden kann wie bei den Modulen (siehe auch Artikel Seite 112). Vertragspartner Sika führte deshalb ebenfalls Alterungstests an der Klebemasse im Zusammenspiel mit Rückseitenfolie und Trapezblech durch. Die Testergebnisse bilden schließlich die Grundlage dafür, dass Sika 20 Jahre Gewährleistung für die Verbindung zwischen Modulen und Dach übernimmt, wobei bei etwaigen Reklamationen erst einmal Solon der Ansprechpartner für die Installateure ist.

Da in dem System Module, Kleber und Trapezblech eine Einheit bilden, müssen sie auch zusammen getestet werden. Deshalb hat Solon einige seiner Module, aufgeklebt auf einem Stück Trapezblech, an den TÜV Rheinland übergeben, wo sie alle Tests bestanden und das TÜV-Zertifikat erhalten hätten.

Um garantiert auf der sicheren Seite zu sein, dimensioniert Solon die Klebermengen mit zehnfachem Sicherheitszuschlag. Etwa 150 Milliliter pro Modul verbrauchen Lichtinger und seine Mitarbeiter in Regensburg. Defekte Module kann der Installateur vom Dach lösen, indem er die Kleberaupen mit einem Draht abschneidet.

Der einkomponentige Sikasil SG-20 ist für die Handwerker auf der Baustelle leicht zu handhaben. Zuerst zieht ein Installateur die Kleberaupen auf der Dachhaut. Je nach Witterung bleiben dem Montageteam dann 15 bis 30 Minuten, um die Module aufzubringen. Seine endgültige Festigkeit erreicht der Kleber innerhalb von vier bis sieben Tagen. Damit die Module aber schon direkt nach der Montage sicher auf dem Dach bleiben, übernehmen sogenannte Spacer-Tapes vorläufig die Klebefunktion. Dafür setzen die Installateure zuerst die quadratischen Klebebänder und ziehen dann den flüssigen Klebstoff von Tape zu Tape. Das hat einen weiteren Vorteil: Die Spacer-Tapes geben auch den Abstand zwischen Dachhaut und Modul vor. Deren Dicke bestimmt also die endgültige Höhe der Kleberaupe.

Auf dem Regensburger Tischlereidach sind die Installateure guter Dinge an diesem sonnigen Apriltag. Das „Raupensetzen“ geht ihnen schon nach einem halben Arbeitstag flott von der Hand. „Wir waren zuerst skeptisch, was das Kleben anbelangt“, sagt ein Mitarbeiter Lichtingers. Die Praxis hat ihn schließlich überzeugt. Auch, dass er bei der Arbeit auf dem Dach nicht so viele Kleinteile in der Hand halten muss, nimmt den jungen Installateur für das neue System ein.

Mit den aufgeklebten Glas-Folien-Laminaten stößt Solon in einen Bereich vor, der bisher mit flexiblen Dünnschichtmodulen abgedeckt wird. Sie kommen ganz ohne Glas aus und werden deshalb bereits seit längerem für Industriedächer benutzt, die nicht viel Gewicht tragen können. Allerdings liegt ihr Wirkungsgrad deutlich unter dem der kristallinen Variante mit dem dünnen Glas.

 

Konkurrenz für Dünnschicht

„Das ist eine clevere Lösung, um auch kristalline Module für Industriedächer verfügbar zu machen“, sagt Willi Ernst, Beirat der Firma Centrosolar, die flexible Dünnschichtmodule verkauft, und Experte für Industriedachlösungen. „Das Risiko liegt meines Erachtens beim Verkleben unter Baustellenbedingungen. Die Gefahr ist hoch, dass Installateure unter Kosten- und Zeitdruck, wie wir ihn zum Beispiel gerade jetzt wieder vor der EEG-Novelle erleben, die Rahmenbedingungen nicht immer einhalten.“

Aus diesem Grund legt der Kleberhersteller Sika auch besonderen Wert darauf, dass jeweils ein Solarteur die Rahmenbedingungen vor Ort genau protokolliert. Bevor seine Kollegen morgens mit der Installation loslegen, nimmt Daniel Wessely von Lichtinger PV deshalb Fragebogen und Stift zur Hand und notiert die Umgebungstemperatur und die Luftfeuchtigkeit ebenso wie Haltbarkeitsdatum und Anzahl der verbrauchten Klebertuben. Lichtinger schickt das Protokoll nach der Montage an Sika.

Die Produktgarantie gilt zehn Jahre, die Leistungsgarantie 25 Jahre, die Garantie auf die Klebung immerhin 20 Jahre. Damit sie voll greift, müssen die Rahmenbedingungen an der Dachfläche stimmen. Nach Angaben von Solon dürfen Trapezblechdächer mit Polyesterbeschichtung, die maximal ein Jahr alt sind, bedenkenlos beklebt werden. Die Tiefsicken sollten so breit sein, dass sie die Anschlussdose der Module aufnehmen können. Bei älteren Dächern macht der Installateur vorher einen sogenannten Peeltest. Dafür klebt er ein Stück eines Modul-Dummys auf die Dachfläche und versucht, dieses nach sieben Tagen wieder abzuziehen. Bricht das Modul, dann hat die Klebung gehalten und das Dach ist geeignet.

Auch die Bauweise des Dachs macht unter Umständen zusätzliche Arbeiten notwendig. Trapezblechdächer sind häu fig an den Hochsicken miteinander verschraubt. Der Abstand zwischen den Schrauben sollte so groß sein, dass die Modulreihen dazwischen Platz finden. Auf Tippelts Dach war das im Prinzip der Fall. Jedoch waren die Schraubenreihen nicht in geraden Reihen gezogen. Deshalb haben die Solarteure erst einmal einige Schrauben versetzt, bevor sie mit der Montage beginnen konnten. Liegen die Schrauben zu ungünstig oder handelt es sich um ein Stehfalzdach, so liefert Solon C-Profile aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit, die einen Abstandhalter zur Dachhaut bilden. Obendrauf setzt der Installateur dann die Module. Das System wird dadurch mit etwa 12,5 Kilogramm pro Quadratmeter natürlich etwas schwerer.

Ist das Kleben wirklich so einfach, wie es aussieht? „Wichtig ist, dass die Oberfläche gut vorbehandelt ist“, sagt Björn Kappelhoff von Sika. „Der Installateur muss sie reinigen und aktivieren.“ Dafür liefert Solon ein Reinigungsmittel mit, das bewirkt, dass der Kleber besser haftet und schneller aushärtet. Die erste Reihe sauber einzurichten, das ist aus der Perspektive der Installateure das A und O. Danach kann man nicht viel falsch machen, meint Rainer Lichtinger. Größere Klebstofftuben wünscht er sich für seine Mitarbeiter. Beim nächsten Projekt werden sie doppelt so große Klebstoffbeutel mit 600 Milliliter Inhalt verwenden.

Auch die Produktmanager von Sika und Solon denken in die Zukunft. Dächer, die steiler sind als 45 Grad, und Fassadenanwendungen fände Björn Kappelhoff für das Solon-Modul interessant. „Wir haben Solon auch schon vorgeschlagen, die Module auf Schiffe, Lkw oder Busse zu kleben“, sagt der Klebstoffspezialist. „Wenn wir das Material kennen, ist alles möglich.“ Anna-Maria Meyer von Solon möchte eher die Möglichkeiten auf dem Dach ausreizen. Ihr schwebt eine leichte, schräge Unterkonstruktion vor, so dass die Module aufgeständert auf die Fläche geklebt werden können.

Solon scheint mit den aufklebbaren Modulen ein Bedürfnis der Solarbranche getroffen zu haben. Rainer Lichtinger hat nach eigenen Angaben bereits vier Projekte mit einer Gesamtleistung von rund 400 Kilowattpeak verkauft. Und das, obwohl noch nicht einmal die erste Referenzanlage stand. Jetzt muss der Modulhersteller nur noch liefern.

 


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