Module halten dicht

Kategorie: 10 / 2011, Fachwissen & Technik Anja Riedel

Indachsysteme: In die Dachhaut integrierte Module sehen meist eleganter aus als Aufdachanlagen und können in Ländern wie Frankreich deutlich mehr Geld einbringen. Wenn es schüttet und der Wind weht, müssen sie allerdings das Wasser sicher ableiten. Schlagregentests an der TU Berlin zeigen, wie man die Grenzen von integrierten Photovoltaiksystemen ausloten kann und was das dort getestete System von Mecosun und Sanyo draufhat.

Indachsysteme müssen ähnliche Anforderungen erfüllen wie die Dacheindeckung. Sie haben bei jedem Wetter die Nässe abzuhalten.
Foto: Renusol

Die Ober- und Unterkanten der Rahmenverbindungen greifen bei Mecosun wie Ziegel ineinander.
Foto: Mecosun

Das Modul von Mecosun und Sanyo muss im Testlabor unter die Dusche. Simuliert werden verschiedene Regen- und Windstärken.
Foto: TU Berlin

Das Gebläse heult, Wasser strömt über die gläserne Oberfläche der drei übereinander installierten Module. Durch einen Acrylglaskasten schauen die Ingenieure gespannt auf die Unterseite des simulierten Dachaufbaus. Je länger sich hier kein Tropfen Wasser blicken lässt, umso besser schneidet das System im Test ab. Denn die Forscher befinden sich in einem Versuchslabor an der Technischen Universität Berlin des Fachgebietes Bauphysik und Baukonstruktionen. Auf dem Prüfstand steht das neue Indachsystem MVL², das der Montagesystemhersteller Mecosun in Kooperation mit dem Modulproduzenten Sanyo entwickelt hat und das bei Sanyo „Hit Power Roof“ heißen wird.

Indachanlagen wie diese sehen nicht nur schöner aus als über den Ziegeln verschraubte Module. Sie helfen auch, Material am Bau einzusparen, denn sie übernehmen zusätzlich zur Stromproduktion Funktionen der Dacheindeckung. Da Standardmodule nicht dafür ausgelegt sind, wasserdicht zu sein, entwickelnneben Montageherstellern auch immer mehr Modulproduzenten eigene Indachsysteme (siehe auch Marktübersicht ab Seite 98). Besonders fruchtbar kann die Zusammenarbeit beider Parteien sein, wie das Beispiel des japanischen Modulspezialisten Sanyo und den Integrationsprofis von Mecosun aus dem südfranzösischen Saint-Lys bei Toulouse zeigt. Mit nur fünf Zentimetern Aufbauhöhe und einer ebenen Modulfläche hat das Team ein interessantes neues Indachprodukt geschaffen. Erklärtes Ziel der Entwicklerwar es, ein System auf den Markt zu bringen, das auch heftigsten Witterungseinflüssen in Lagen direkt am Atlantik sowie in den französischen Überseegebieten die Stirn bietet.

Die Regensicherheit spielt eine wesentliche Rolle für die Qualität einer integrierten Photovoltaikanlage, neben einer möglichst guten Hinterlüftung der in die Dachhaut eingebauten Module (siehe photovoltaik 10/2010). Auch bei Starkregen oder Sturm müssen die Anschlüsse der Module untereinander gewährleisten, dass das Regenwasser auf der Oberfläche abfließt. Dasselbe gilt für die Randanschlüsse zur angrenzenden, konventionellen Dacheindeckung. Es darf keine Feuchtigkeit ins Unterdach eindringen.

Um eine integrierte Solaranlage regenfest zu machen, gibt es unterschiedliche Herangehensweisen. Manche Hersteller kleben die Solarzellen direkt auf Dachziegel oder baugleiche Elemente. So muss das bestehende Bedachungssystem gar nicht unterbrochen werden. Allerdings sind die Mini-Module oft teuer, und der Flächenbedarf ist meist größer als bei Indachsystemen mit größeren Modulformaten.

Andere Hersteller streben eine komplett wasserdichte Oberfläche an. Wie ein Dachfenster soll die Anlage rundherum dicht ins Dach eingebaut sein. Das Problem dabei: Die Oberfläche einer Photovoltaikanlage besteht nicht aus einem einzigen Glaselement, wie es bei einem Dachfenster meist der Fall ist, sondern aus mehreren Glasflächen, deren Fugen eine Schwachstelle bilden können. Zudemragen diese Systeme durch den hohen Aufbau oft stark über die angrenzende, konventionelle Ziegel- oder Schiefereindeckung hinaus, was ästhetisch weniger ansprechend ist.

Mit der Problematik haben sich auch Mecosun und Sanyo auseinandergesetzt. „In unseren Augen ist der Schwachpunkt von Indachsystemen der Kautschuk, also die Dichtung“, sagt Alfredo Vicente, Geschäftsführer von Mecosun. „Deshalb wollten wir ein System entwickeln, das komplett ohne Dichtung und EPDM auskommt.“ EPDM, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, ist ein künstliches Dichtungsmaterial, das die Hersteller von Montagesystemen gerne einsetzen. Seys ist bei Sanyo Produktmanager für den europäischen Markt und bestätigt die Bedenken. Aus seiner beruflichen Erfahrung bei einem großen französischen Fensterhersteller weiß Seys, dass Dichtungen nicht selten nach fünf oder zehn Jahren ihre Funktion nicht mehr erfüllen.

Das Ziegeldach-Prinzip

Für das neue Indachsystem haben sich die Produktentwickler von Mecosun deswegen das Prinzip des Ziegeldachs genau angeschaut. Ziegel liegen in der Regel lose aufeinander. Sie sind so geformt, dass sie durch Einhaken und Überlappen konstruktiv die Regensicherheit herstellen. Der Weg des Wassers vom Dach weg ist dabei vorgezeichnet, ohne dass die Dachhaut an sich dicht wäre. Photovoltaikmodule können in ähnlicher Weise auf dem Dach verlegt werden. Der Vorteil: SolcheAufbauten passen in der Höhe gut zu bestehenden Dachhauttypen, da die Module meist ohne aufwendige Unterkonstruktion direkt in einer Ebene auf der Lattung aufgebracht werden. Ein Paradebeispiel ist sicherlich das tausendfach verbaute Solrif-System von Schweizer, mit dem bereits seit 1999 dreiseitig gerahmte Laminate direkt auf der Dachlattung verlegt werden.

Auch das Modul schützen

In Zusammenarbeit mit Mecosun setzte Sanyo sich aber andere Ziele. Die Hochleistungsmodule japanischer Technologie mit Zellwirkungsgraden von über 20 Prozent sollen auch in einer Indachvariante rundherum vor mechanischen Witterungseinflüssen geschützt sein. Neben einer ebenen Moduloberfläche, die keinen Halt für Schmutz bietet, wollten sie mit einem ausgeklügelten Wasserabflusssystem punkten. „Mecosun ist eigentlich ein kleines Unternehmen“, sagt Michael Seys von Sanyo über die Auswahl desProjektpartners. „Es hat aber in Frankreich die besten Referenzen für qualitativ hochwertige Montagesysteme.“ Sanyo wünschte sich ein neues System auf Basis des eigenen Modulrahmens. „Unsere Rahmen passen perfekt auf unsere Qualitätsansprüche, deshalb wollten wir auf diesem Niveau bleiben“, sagt Seys. Die Anforderung an die Produktentwickler bei Mecosun lautete deshalb: Ihr könnt hinzufügen, was immer notwendig ist, aber nichts vom bestehenden Rahmen wegnehmen. Herausgekommen sind gerahmte Module, deren Ober- und Unterkanten ineinandergreifen. Dadurch verzahnen sie sich mehrfach, wie Ziegel. Diese vertikalen Modulreihen liegen wiederum auf Montageschienen auf, die genügend Platz bieten, um das Regenwasser rechts und links der Module nach unten abzuleiten.

Die Dichtigkeit auf lange Zeit zu garantieren stellt eine der größten Herausforderungen für die Produktentwickler von Indachsystemen dar. Denn Wasser kannunberechenbar sein. Im Zusammenspiel mit Wind sucht es sich zuweilen die seltsamsten Wege ins Innere der Konstruktion. Das hat auch Seys auf den Testständen für Schlagregensicherheit in Nantes und Berlin bereits erlebt. „Die Kombination aus sehr starkem Regen und sehr starkem Wind ist gar nicht die schwierigste Situation, obwohl man es so annehmen würde“, sagt der Franzose. Manchmal reicht auch wenig Regen. Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Witterungsbedingungen sei eine sehr komplexe Angelegenheit, erklärt Seys. Nach zwei Testreihen sahen Mecosun und Sanyo ihre Ansprüche an ihr Modul aber bestätigt.

Genormter Regen im Testlabor

So weit die Firma. Zu welchem Ergebnis kommen die Forscher? Sie wollen herausfinden, wie viel Wasser unter bestimmten Randbedingungen, wie sie auch in der Natur vorkommen, unter die Dachhaut dringen kann. Mit diesen Informationen können die Grenzen von Dacheindeckungen genau definiert werden. Damit Kunden und Planer zukünftig die Schlagregensicherheit von Bedachungsmaterialien europaweit vergleichen können, haben europäische Sachverständige und Testinstitute gemeinsam eine Prüfnorm für kleinformatige Dacheindeckungen erarbeitet. Ein Normentwurf in deutscher Sprache liegt seit dem Jahr 2007 vor. „Das ist die detaillierte Beschreibung eines Versuchsaufbaus, der eine natürliche Schlagregenbelastung nachbildet“, erklärt Frank Vogdt, Professor für Bauphysik an der TU Berlin. In seinem Fachgebiet wurde der Prüfstand entwickelt. Der Test eignet sich auch für photovoltaische Indachsysteme, weil es sich um Bedachungssysteme handelt, die hohe Anforderungen im Hinblick auf die Schlagregensicherheit erfüllen müssen.

Dafür werden die Dachaufbauten unterschiedlichen Kombinationen von Wind- und Regenstärken ausgesetzt: Niedrige Windgeschwindigkeit bei hoher Niederschlagsmenge, mittlere Wind- und Regenwerte sowie hohe Windgeschwindigkeit mit wenig Niederschlag gehören zur Untersuchung.

Die Besonderheit im Versuchsaufbau bildet eine Art Staubsauger, der einen Unterdruck auf der Dachunterseite erzeugt. Der Unterdruck wird konstant erhöht, während Wasser über die Oberfläche strömt. „Das Phänomen desUnterdrucks wurde in England an realen Dächern gemessen und konnte auch durch aufwendige Berechnungen nachgewiesen werden“, sagt Vogdt. Deshalb fließt es in den Prüfversuch ein, der zukünftig europaweit zum Standard für kleinteilige Dachbedeckungen werden soll. Das Phänomen ermöglicht eine klare Klassifizierung unterschiedlicher Produkte. In Schritten von je zehn Pascal erhöhen die Ingenieure am Teststand den Unterdruck. Zehn Pascal entsprechen dabei einem Millimeter Wassersäule. „Wir wollen herausfinden, wo der Schwachpunkt der Konstruktion liegt“, sagt Vogdt. Im vierten Versuchsaufbau, der einen Wolkenbruch bei Windstille simuliert, wird dann die Dachneigung immer flacher eingestellt. So ermitteln die Bauphysiker die minimal zulässige Dachneigung für das System. Ergebnis für das Hit Power Roof von Sanyo und Mecosun: Es kann auf Dächern mit nur zwölf Grad Dachneigung ohne Unterdach verbaut werden – vorausgesetzt, dass die Installateure die Herstellervorgaben einhalten, die im Testlabor überprüft wurden. Das bescheinigt das Berliner Testlabor.

Schwachstellen der Module

Vogdts Mitarbeiter haben bereits rund zehn verschiedene Systemaufbauten mit Indachmodulen untersucht. Die Schlagregenexperten der TU Berlin können die möglichen Schwachstellen daher konkret benennen. „Jeder Trichter ist eine Gefahrenstelle“, sagt Vogdt. Die Anlagen müssen also so konstruiert sein, dass sich nirgendwo Wasser ansammeln kann. Außerdem muss der Regen unbehindert abfließen können. „Probleme bereiten enge, schmale, lange Verbindungen zwischen den Bauteilen“, erklärt der Bauphysiker. „An denen kann das Wasser bei schwachem Regen durch die Kapillarwirkung sogar dachaufwärts fließen.“ Bei schlecht konstruierten Systemen sieht es ebenfalls am Vierfeldereck zwischen den Modulen sowie an den Kopf- und Fußpunkten kritisch aus. Der Kopfpunkt wird durch ablaufenden Regen von höher gelegenen Dachbereichen besonders belastet. An dieser Stelle wird viel Wasser ins System eingeleitet. Es kann im schlimmsten Fall auch ins Gebäude eindringen und dort schwere Schäden verursachen. „Das muss konstruktiv verhindert werden“, sagt Vogdt. Beim Fußpunkt liege die Schwierigkeitbei den Belüftungsöffnungen, die viele Indachsysteme benötigen, um eine Überhitzung der Solarmodule zu vermeiden. Wenn der Wind das Regenwasser von unten ins System treibe, müsse es dort direkt wieder herauslaufen können, fordert Vogdt. Mecosun hat mit dem MVL² alle Anforderungen gut erfüllt, so das Ergebnis der Wissenschaftler.

Seys von Sanyo ist zur Testreihe des Hit Power Roof mit nach Berlin gereist. Er sieht Vorteile in der Prüfnorm, nach der sich das Verfahren der TU richtet: „Leider ist das Normprojekt noch kein europäischer Standard.“ Anders als das TU-Verfahren hat etwa der härteste Schlagregentest Frankreichs, Mobydick, leicht abweichende Anforderungen und wird ohne Unterdruck gefahren. Doch der europäische Normentwurf steht und kann schon jetzt als Referenz für diejenigen gelten, die ihre Produkte freiwillig auf Regensicherheit prüfen möchten. So ein Test kann sehr aufschlussreich sein, wie im Beispiel von Sanyo und Mecosun. Die Firmen hatten beim ersten Testdurchlauf in Nantes prompt eine Schwachstelle im System gefunden, die sie dadurch schnell korrigieren konnten. Unter anderem haben auch Renusol, Solarwatt und Solarcentury ihre Indachsysteme nach dem Normentwurf namens prEN 15601 testen lassen, nach dem sich auch die TU Berlin richtet.

„Wir wussten, dass diese Normen kommen werden, und wollten uns darauf schon vorbereiten und unser Produkt einordnen“, sagt Vicente von Mecosun. Denn das MVL² soll nicht nur auf französischen Dächern Strom produzieren. Auch Italien könnte ein interessanter Indachmarkt werden, weil das Land speziell innovative Produkte fördert und für sie eine gute Einspeisevergütung zahlt. „Großbritannien und Belgien sind ebenfalls interessant, aber aus einem anderen Grund“, sagt Seys. „Hier sind viele Dächer dunkel und haben eine flächige Dacheindeckung, dazu passt Photovoltaik sehr gut.“ Er sieht auch Chancen für das Hit Power Roof in Ländern, die keine explizite Indachvergütung anbieten. „Wenn man ein gutes Produkt macht, das eine gute Dachhaut ausbildet, dann ist das für den Neubau auch sehr interessant“, fügt Vicente hinzu. Und die Kunden werden sicherlich mehr Vertrauen in ein Produkt haben, das alle Schlagregentests mit Bravour bestanden hat, da ist er sich sicher.


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