Mehr als eine Luftnummer

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Die Tür zum Besprechungsraum öffnet sich einen Spalt. Herein schaut ein freundlicher grauhaariger Herr. „Frage an die Profis: Können wir auch auf 1.200 Meter über dem Meeresspiegel mit Scirocco installieren?“ Zum Glück sind heute gleich mehrere Experten im Haus, von denen einer mit hinausgeht, um die Anfrage einzuordnen.

Keine ruhige Minute hat Klaus-Dieter Hoeft, Geschäftsführer von HB-Solar, in diesen Wochen. Der ehemalige Mathematik- und Physiklehrer lächelt trotzdem. Bis zum Jahresende sollen mit dem ballastarmen Montagesystem Scirocco noch vier Megawatt Leistung installiert werden. In der Angebotsabteilung des westfälischen Unternehmens stehen die Telefone nicht mehr still. Zehn Personen arbeiten hier auf Hochtouren. Anders ist der Ansturm auf das Montagegestell, das Module mit durchschnittlich fünf Kilogramm pro Quadratmeter auf flachen Dächern hält, nicht zu bewältigen. Dabei sieht das Produkt ganz simpel aus, als wäre es gar nichts Besonderes. Ein bisschen Aluminiumblech, verschraubt mit Profilen, darunter ein bunter Streifen Gummigranulat.

Doch die Form hat es in sich. Rund drei Viertel der abhebenden Windkräfte werden durch das geschlossene Rückseitenblech ausgeglichen (siehe photovoltaik04/2009). Deshalb könne mit Scirocco auf Gebäuden bis zu einer Höhe von zwölf Metern in Windlastzone eins und zwei in der Regel komplett ohne Ballast installiert werden, versichert HB-Solar-Statiker Christoph Heer. Aber auch höhere Gebäude und stärkere Winde könne Scirocco bewältigen. Dafür ballastiert HB-Solar minimal und punktgenau. „Auf der Insel Fehmarn haben wir mit rund 30 Kilogramm pro Modul beschwert. Mit einem anderen System wären es 150“, erläutert Heer den Extremfall.

Die Dachflächen großer Lager- und Gewerbehallen, aber auch von Wohngebäuden mit Flachdächern, eignen sich bestens für die Installation großer Photovoltaikanlagen. Diese Flächen stehen reihenweise überall in Deutschland zur Verfügung, sind in den meisten Fällen nicht einsehbar und unverschattet.

Sicherer Stand mit wenig Gewicht

Doch viele Dächer sind statisch sehr knapp bemessen. Sie sind nicht dafür ausgelegt, große zusätzliche Lasten aufzunehmen. Gleichzeitig wollen die meisten Eigentümer und Handwerker eine Dachdurchdringung zur Befestigung von Modulen vermeiden, weil sie fürchten, die Dachhaut könnte undicht werden. Um das große Potenzial dieser Dachflächen trotzdem für die Photovoltaik zu erschließen, sind einige pfiffige Köpfe der Frage nachgegangen, wie man mit weniger Gewicht einen sicheren Stand der Solaranlagen gewährleisten kann. Neben HB-Solar hat auch Solarstep mit Sitz in Königstein im Taunus den Dreh raus. Modulmontagen mit einer Flächenlast von unter zehn Kilogramm pro Quadratmeter Dachfläche sind mit dem System Solarstep light laut Herstellerangaben möglich.

Der Markt der ballastarmen Montagesysteme ist stark in Bewegung. Das Montagesystem T10 von der kalifonischen Sunpower spielt ebenfalls in dieser Liga mit. Seit Anfang 2008 wird das US-amerikanische Produkt auch in Europa vertrieben. Donauer aus München zieht mit seiner Neuentwicklung Futura Flat Roof nach. Ebenso die Michelberger Energietechnik aus Bodnegg (Allgäu) mit ihrem System Knubix100. Die kalifonische Solyndra stellt Dünnschichtmodule aus Glasröhren ballastfrei aufs Dach. Im September präsentierte Schüco auf der jüngsten PV SEC in Hamburg das Montagesystem MSE 100, mit dem Dünnschichtmodule ohne zusätzlichen Ballast nahezu flächendeckend aufs Dach gestellt werden können – und laut Firmenangaben bei bis zu 200 Stundenkilometer Windgeschwindigkeit dort auch stehen bleiben. Lediglich ein paar Winkel und ein Drahtseil sind notwenig, um die Module an den aufgeklebten Rückseitenprofilen mit zehn Grad Neigung in Ost-West-Richtung aufzustellen.

Zauberei oder einfach Physik?

Kann das überhaupt möglich sein: Aufgeständerte Module „einfach so“ aufs Dach stellen mit der Gewissheit, dass selbst ein Sturm wie Kyrill daran nicht rüttelt? Hans Urban von der oberbayerischen Firma Schletter hat bereits Bedenken angemeldet. „Selbst wenn das Modul eines Konkurrenten vom Dach weht, wird dadurch die gesamte Branche geschädigt“, warnt der Leiter der Solarsparte. Deshalb hat er eine fachtechnische Stellungnahme zum Thema „ballastierte Aufdachsysteme“ vom hauseigenen Statiker Cedrik Zapfe verfassen lassen. Darin hinterfragt Zapfe die Sicherheit quasi ballastfreier Montagesysteme.

Auch Michael Kübsch, Geschäftsführer der Centrosolar-Tochter Renusol zeigt sich zurückhaltend. „Ich sag meinen Mitarbeitern immer, sie sollen konservativ rechnen.“ Kübsch verweist auf die DIN 1055, die für die statische Berechnung von Montagegestellen als Mindeststandard gilt. Zwar freue er sich darüber, dass es Leute gibt, die experimentieren und dafür auch Geld ausgeben. Auf Mutproben möchte er selbst aber gerne verzichten. Die Anbieter der Leichtgewichtmontage greifen diese Einwände gerne auf. „Die Frage nach der Qualitätssicherung ist berechtigt“, meint Markus Rombach, Projektleiter bei Solarstep. Schließlich haben auch HB-Solar, Solarstep und Co. ein verständliches Interesse an der Vermittlung der Sicherheitsstandards ihrer Produkte.

Um eine PV-Anlage nach den anerkannten Regeln zu bauen, beziehen sich die Planer auf die Deutsche Industrienorm oder den Eurocode. Grundlage der statischen Berechnung von Montagesystemen bildet die DIN 1055 für Deutschland beziehungsweise der Eurocode 1990 für Europa. Speziell mit Wind- und Schneelasten beschäftigen sich Teil 4 der DIN 1055 und der Eurocode 1991-2-4. Allerdings machen DIN und Eurocode keine Aussagen über aufgeständerte PV-Module, weshalb die Normen ausdrücklich darauf verweisen, fehlende Winddruckbeiwerte durch Messungen im Windkanal zu ermitteln (siehe photovoltaik 06/2009). In Zusammenarbeit mit windtechnischen Prüfinstituten haben inzwischen mehrere Hersteller ihre Montagesysteme in den Wind gestellt – und dabei Erstaunliches herausgefunden. Bei Windkanalmessungen an aufgeständerten Solaranlagen mit Rückseitenblech zeigt sich nämlich, dass die abhebenden Windkräfte ausgeglichen werden – mehr oder weniger, je nach Form des Montagesystems. Selbst gewiefte Spezialisten der Strömungslehre wären auf dieses Phänomen nicht ohne weiteres gestoßen. Dass das Montagesystem T10 von Sunpower, in den USA bereits seit 2005 auf dem Markt, bei einer Windgeschwindigkeit von 108 Kilometern pro Stunde ohne zusätzlichen Ballast an Ort und Stelle bleibt, konnte Rolf-Dieter Lieb vor drei Jahren kaum glauben.

Heute führt der Geschäftsführer des Instituts für Industrieaerodynamik in Aachen selbst Messungen an Photovoltaikanlagen durch und unterstützt damit zahlreiche Firmen bei der Entwicklung und Vermessung von ballastarmen Montagesystemen.

Ausgeglichenes Kräfteverhältnis

An einem Modell des Montagesystems Scirocco erläutert Lieb die Lastverteilung. Bekannt ist, dass an schräg stehenden Modulreihen auf der Oberseite abhebende Kräfte auftreten, die die Module bei starken Winden auch schon mal ordentlich durcheinanderpusten können. Bei Modulen mit Rückseitenblech entsteht nun zusätzlich auf der Unterseite ein Sog in die entgegengesetzte Richtung. Dieser ist optimalerweise genauso groß wie die abhebende Kraft. Bei Scirocco macht er im ungünstigsten Fall etwa drei Viertel davon aus. Nach Messung mit Wind aus allen Himmelsrichtungen bildet der ungünstigste Wert dann die Bezugsgröße für die weiteren Berechnungen nach DIN 1055-4. Zusätzlich fließt ein Sicherheitsbeiwert von 1,5 mit in die Berechnung ein. „Das Eigengewicht minus die abhebende Kraft multipliziert mit dem Reibungskoeffizienten muss die Verschiebung blockieren, am besten noch mit einem Sicherheitszuschlag“, erklärt Aerodynamiker Lieb. Statiker Christoph Heer

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Windkanaltests

Windkanaltests werden deutschlandweit einheitlich durchgeführt. Die Institute sind in der Windtechnischen Gesellschaft (WTG) organisiert. Die WTG hat eine ausführliche Prüfrichtlinie für Windkanalversuche festgelegt. Sie hat Vergleichsmessungen zwischen den Mitgliedswindkanälen durchführen lassen, anhand derer die Betreiber ihre Ergebnisse abgleichen.

Gemessen wird im Grenzschichtwindkanal am Modell in Maßstäben zwischen 1:10 und 1:500 und für unterschiedliche Gebäudehöhen. Der Grenzschichtwindkanal simuliert die realen Windverhältnisse mit Turbulenzen und Böentätigkeit. Das Ergebnis der Untersuchungen, der aerodynamische Beiwert, ist dimensionslos und kann in die Windlastberechnungen nach DIN 1055-4 eingesetzt werden.

Denn in der DIN 1055-4 sind Beiwerte für Windlasten an aufgeständerten Photovoltaikanlagen nicht aufgeführt. In Kapitel 6.3 beschreibt die DIN ausdrücklich die Möglichkeit zur Durchführung von Windkanalversuchen zur Ermittlung geeigneter Lastbeiwerte. Diese Vorgehensweise hat den zusätzlichen Vorteil, dass auch die günstigen Eigenschaften der jeweiligen Produkte durch die hierfür ermittelten aerodynamischen Beiwerte in die Bemessung eingehen.

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