Üebersicht über die zwei Gebäude Leimbachstrasse 215 und Sihlweidstrasse 1 in Zürich (2011)

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1 PV-Fassadenelemente auf allen vier Seiten eines Hochhauses: Beispiel für einen Markt für PV-Dünnschicht-Elemente? Urs Muntwyler, David Joss, Nicole Reber, Daniel Bützer, Daniel Gfeller Berner Fachhochschule Technik und Informatik (BFH-TI), PV-Labor CH-3400 Burgdorf, Schweiz Michael Winkler, Solarcenter MuntwylerAG, Tannholzstrasse 1, CH 3052 Zollikofen Zusammenfassung Photovoltaik-Fassadenelemente sind eine interessante aber ausserordentlich anspruchsvolle Applikation im Bereich der Gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV). Am Beispiel realisierter Fassaden werden die Vorteile von gebäudeintegrierten Solarmodulen herausgearbeitet. Solarfassaden mit Dünnschicht-Solarmodulen haben zusätzliche Vorteile. Diese drehen eine der Schwächen der Dünnschicht-Solarmodule, die geringere Flächeneffizienz, in einen Vorteil um. Damit die vollen Vorteile genutzt werden können, sind allerdings einige anspruchsvolle technische und nichttechnische Probleme zu lösen. Wie das erfolgreich gemacht werden kann, wird anhand der Sanierung zweier 60 m Hochhäuser in Zürich gezeigt. Hier wurden alle vier Seiten mit mikromorphen/ amorphen Tandemsolarmodulen bedeckt. Zusammen ergibt dies mit Wp kwp pro Haus eine der grössten Dünnschicht-Fassaden der Welt. Durch die Solarstromproduktion sollen die Hochhäuser die Ziele der 2 000Watt-Gesellschaft erreichen, die in der Stadt Zürich eine gesellschaftliche Vorgabe im Gebäudebau der Zukunft ist i. Üebersicht über die zwei Gebäude Leimbachstrasse 215 und Sihlweidstrasse 1 in Zürich (2011) Keywords: PV-Dünnschichtfassaden-Elemente, mechanische Tests, Brandschutz, Wirkungsgrad, Rendite

2 Einführung: Die Planung und Realisation von Plusenergie-Häusern wird immer mehr ein Ziel ambitionierter Planer. Dabei wird meist das Dach mit einer grossen Photovoltaik- Anlage belegt. Will man dasselbe bei Hochhäusern machen, so zeigt sich schnell, dass die Rechnung nicht aufgeht. Das Dach/ Volumen Verhältnis ist sehr klein. Grösser ist das Oberflächen/ Volumen-Verhältnis. Es gilt also die Seitenflächen des Hochhauses zur Energieproduktion heranzuziehen. Berechnungen an der Berner Fachhochschule Technik und Informatik (BFH-TI) haben aber gezeigt, dass das bei grossen Hochhäusern auch nicht mehr reicht ii. Es braucht dann zusätzliche Produktionsanlagen, z.b. Freiflächenanlagen. Werden die Seitenflächen für die Energieversorgung nutzbar gemacht, so kann ein erheblicher Teil des Stromverbrauchs selber produziert werden. Dieses Ziel setzte sich die Baugenossenschaft Zurlinden (BGZ) bei der Sanierung von zwei 60 m hohen Hochhäusern in der Sihlweid in Zürich. Die beiden Hochhäuser werden über zwei Jahre verteilt saniert. Die Sanierung ist tiefgreifend und tangiert die Struktur der Gebäude. Das Bauvolumen beträgt CHF 15 Millionen pro Gebäude. Die Sanierung erfolgt im vermieteten Zustand und es wird pro Woche eine Etage saniert. Das erste Gebäude wurde auf Ende 2011 fertiggestellt. Das zweite Gebäude folgt nun Zwei Studierende der Berner Fachhochschule in Burgdorf erarbeiteten die Fassadenbelegung mit den Solarmodulen, die Wirtschaftlichkeitsberechnung und die elektrische Verdrahtung der Fassaden mit den Wechselrichtern im Rahmen einer Projektarbeit und der Bachelor-Arbeiten unter Professor Urs Muntwyler iii. Er beschäftigt sich seit 1988 mit PV-Fassaden iv. In die Planung integriert waren der Solarmodul-Lieferant Sharp Europe in Hamburg, das ausführende Elektrounternehmen Müller+Kälin AG (ein Mitglied der BGZ), sowie der lokale Lieferant die Solarcenter Muntwyler AG. Ohne diese enge Zusammenarbeit wäre die Solarfassade Sihlweid nie durchgeführt worden. Dächer und Fassaden bedecken das Haus Dächer sind in der Schweiz ein bevorzugter Produktionsort für Solarstrom. Damit lassen sich Häuser, welche nach den gesetzlichen Vorgaben gebaut sind, mit einer Plusenergie-Jahresbilanz bauen. Stehen die Gebäude auf (Prof. Mario Salvadori) so reicht das Dach nicht mehr für die Energieproduktion. Hier werden die Fassaden die dominanten Flächen. Durch die vertikale Ausrichtung erzielen wir auf der Südseite aber nur noch etwa 70% der Produktion eines optimalen Süddaches. Dies geht zurück auf den Ost- und West-Seiten und noch mehr auf der Nordseite auf ca. 20% des maximalen Ertrages. Damit sind solche Ausrichtungen nicht mehr alleine durch die Stromproduktion zu rechtfertigen. Plusenergie-Haus mit PV-Dach (Gewinner CH-Solarpreis 2009) v PV-Fassade in Lausanne als visuelles Zeichen für Solarnutzung (CH) 1999 vi

3 Energielabels bedingen eine Stromproduktion in der Fassade Im Projekt der beiden Hochhäuser in der Sihlweid in Zürich sollten die Ziele der Watt Gesellschaft erreicht werden. Zu diesem Ziel haben sich die Stimmbürger der Stadt Zürich in einer Abstimmung verpflichtet. Die Baugenossenschaft Zurlinden (BGZ) evaluierte auch die Installation von Windrädern auf den Hochhäusern. Die Solarstromproduktion von Photovoltaik-Fassaden ist wesentlich grösser. Die Produktion von Elektrizität hat normalerweise keine Priorität bei Architekten. Dünnschicht-Solarmodule sind für Fassaden speziell geeignet, weil die Kosten pro Quadratmeter tiefer als bei anderen Solarmodultypen sind. Dies ist die positive Umkehrung des tieferen Wirkungsgrades von Dünnschicht-Solarmodulen. Die gleichförmige optische Erscheinung von Dünnschichtmodulen findet zudem Gefallen bei Architekten, bei denen die strukturierten Flächen monokristalliner Solarmodule weniger Akzeptanz findet. Daher sind Dünnschicht-Solarmodule für Fassadenanwendungen speziell interessant. Mechanische Tests der PV-Fassadenelemente im Testlabor der Berner Fachhochschule Weil die Fassadenelemente vertikal montiert sind, treten kaum Schneelasten auf. Die Windlasten sind hingegen zu beachten. Dies speziell bei den in den oberen Bereichen des Hochhauses montierten Elementen. Im Falle der Hochhäuser Sihlweid betragen die Spitzen der Windturbulenzen nach der Norm der Schweizerischen Ingenieure und Architekten (SIA 261) in 50 Jahren gegen N/m 2.Dies ist mehr als Standardmodule (2 400 N/m 2 ) ertragen. Es stellte sich deshalb die Frage ob die Solarmodule zusammen mit der Befestigung überhaupt verwendet werden dürfen. Durchbiegung des Sharp NA F128-G5 bei mehr als N/m 2 auf dem Prüfstand der Berner Fachhochschule vii Infrarot-Temperaturmessungen ohne (links) und mit Isolation (rechts) der Solarmodule viii Die Feuerpolizei von Zürich erwog eine zusätzliche rückseitige Isolation (Brandschutzmatte) hinter den Modulen aufgrund der Menge an brennbarem EVA. Die entsprechende Messung zeigte einen relevanten Temperaturanstieg der isolierten Module. Wie die Messungen an der PV-Fassade der SAC-Hütte Monte Rosa gezeigt hatten, ist dies ein kritischer Faktor. Schlussendlich begnügte sich die Feuerpolizei der Stadt

4 Zürich mit Vorschriften im Bereich der Verkabelung. So mussten speziell feuerfeste Kabel und Anschlussdosen verwendet werden. Damit die Module in der Fassade von Hochhäusern eingesetzt werden können, sind umfangreiche mechanische Tests der Fassadenelemente nötig. Dies ist nötig, weil die Spezifikationen von Solarmodulen unterschiedlich zu der von Fassadenelementen sind. Solche Tests führt in der Schweiz die Berner Fachhochschule für die Bauindustrie durch. Dabei wurden die Solarmodule zusammen mit der mechanischen Befestigung kombinierten Druck- und Sogtests, sowie einem Drucktest bis zur Zerstörung ausgesetzt. Die Konstruktion der Solarmodule Sharp NA F128-G5 ist mit zwei Querstreben verstärkt. Sharp hat diese Verstärkung bei Modulen der Reihe NU 175 etc. gemacht, um Schneeschäden vorzubeugen ( Pfeilbogenschaden ). So konnte vermutet werden, dass die Belastung ertragen werden kann. Der Bruch des Modules erfolgte bei über N/ m 2, was ein grosses Lastvielfaches ergibt. Nach dem Bestehen dieses Tests stand der Realisation der Fassaden nichts mehr entgegen. Wäre der Test missglückt, so wäre das gesamte Sanierungs-Projekt verzögert worden. Dies macht deutlich, wie kritisch die Planung einer Solarfassade ist. Dies umso mehr als in der Solarbranche die Lieferfähigkeit bestimmter Produkte oft nicht über längere Zeit gewährleistet ist. Das macht es schwierig eine Fassade mit Standardprodukten zu realisieren. Dies ist aber eine Voraussetzung um die Kostenvorteile einer Dünnschicht- Fassade zu realisieren. Eine enge Begleitung durch den Solarmodulproduzenten ist eine Notwendigkeit. Energieertrag mit Einbezug der Beschattung Ziel war die Installation der Dünnschicht-Solarmodule auf allen vier Seiten des Gebäudes. Dazu mussten die erlaubten Montagevarianten evaluiert werden. Das Dünnschicht-Solarmodul NA F128-G5 verbietet gewisse Teilbeschattungen. Die Studierenden mussten also die Beschattungssituation abklären. Dies ist in einer Fassadenanlage kritischer als bei Aufdach - Anlagen. Im Fussbereich des Hochhauses sind Beschattungen durch Bäume zu erwarten. In der Sihlweid trat eine zusätzliche Objektbeschattung durch das Hochhaus Leimbachstrasse 210 auf. Hauptproblem waren aber die neuen vorgestellten Balkone. Dazu war auf der Westseite die Horizontbeschattung durch den westlichen Bergkamm des Uetliberges zu berücksichtigen. Als Ergebnis wurden 36 Module mit starker, kritischer Teil-Beschattung nicht beschaltet. Damit konnte der Energieertrag der vier Seiten mit dem PVSyst-Simulationsprogramm berechnet werden. Die Süd-, Ost- und Westseite haben mehr Balkone und Fenster als die Nordseite ix : Fasaden Seite Anzahl Module Nominalleistung [Wp] WR- Konfiguration Ertrag pro Jahr [MWh] PR [kwh/ kwp/a] Süden IG Plus 35 15,42 557,73 Osten IG Plus 35 8,47 523,17 Westen IG Plus ,16 Norden IG Plus 35 7,40 200,73 Auf der Nordseite sind mit 288 am meisten Solarmodule Sharp NA 128G5 installiert, weil in der Architektur des Gebäudes die Fenster minimiert sind.

5 Sihlweidstrasse 1 bei Baubeginn Fassadenansicht mit Solarmodulen Auf der Südseite sind noch 36 Module montiert, die nicht elektrisch angeschlossen sind. Die 36 nicht installierten Solarmodule hätten unerlaubte Teilbeschattungen. Es sind dort also eigentlich 252 Module installiert. Das ergibt eine totale montierte Leistung von 882 mal 128 Wp = Wp. Elektrisch sind nur 846 Solarmodule mit einer Leistung von Wp angeschlossen. Wirtschaftliche Überlegungen Die Realisation der Solarfassade basierte auch auf der Forderung, dass die Lösung wirtschaftlich ist. Das bedingt im Falle einer Solarfassade, dass die Mehrkosten der Solarmodule anstelle konventioneller Fassadenelemente und vor allem die Verdrahtung, Wechselrichter und der zusätzliche Verwaltungsaufwand amortisiert werden können. Eine Fassade mit Dünnschicht-Modulen ist gegenüber einer mit kristallinen Solarmodulen durch den tiefen Quadratmeter im Vorteil. Würden Hochleistungsmodule verwendet, so würde der Quadratmeterpreis um 100% steigen. Auf der Südseite konnte zusätzlich ein Beitrag der Solarstrom-Börse des stadteigenen Elektrizitätswerkes der Stadt Zürich angefordert werden. Dazu ist ein minimaler Ertrag / Quadratmeter erforderlich, der auf der Südseite erreicht wurde, nicht jedoch auf den drei anderen Seiten. Die Vermarktung des Solarstroms dieser Seiten sollte nicht über die kostendeckende Einspeisevergütung KEV der Schweiz erfolgen. Den Berechnungen wurde also ein normaler Strompreis zugrunde gelegt. Das ergab auf den ertragsstärkeren Ost- und Westseiten eine ausreichende Rendite. Auf der Nordseite wurde das erst erreicht, als der Solargenerator im Vergleich zu den Wechselrichtern massiv überdimensioniert wurde. Bei diesen Auslegungen konnten uns weder Auslegungsprogramme noch der Wechselrichter-Lieferant helfen. Wir haben deshalb Referenzmessung am Gebäude des PV-Labors der BFH-TI gemacht.

6 Verkabelungsvarianten Die verwendeten mikromorphen Solarmodule wurden horizontal und vertikal montiert. Die Verkabelung wurde zentral, auf die im Erdgeschoss geführte Wechselrichter geführt. Die optimale Wechselrichterkonfiguration wurde in Simulationen berechnet. Elektroinstallationen in 60 m hohen Gebäude mit fragmentierten Solarmoduln in vielen parallelen Strängen sind schwierig zu realisieren. Blitzschutz, Feuersicherheit, optimierte Länge und Querschnitte der Kabel und die Wahl der galvanisch getrennten Inverter und ihren Betriebsspannungen sind wichtige Kriterien. Dies war das Thema der eigentlichen Bachelor - Arbeit der beiden Studierenden der BFH-TI. Dies gelang ausgezeichnet und die Realisation wird nun gemäss den Vorgaben unserer Studierenden gemacht. Das erste Gebäude die Sihlweidstrasse 1 wird Ende 2011 in Betrieb genommen. Detailliertes Messprojekt geplant Am Gebäude Sihlweidstrasse 1 soll eine vereinfachte Datenerfassung gemacht werden. Dabei wurden vorausschauend Temperaturfühler in die Fassadenelemente integriert. Die Daten des 1. Hochhauses werden aus Kostengründen mit einer einfacheren Messkonfiguration erfasst. Daraus sollen wichtige Schlüsse für den Betrieb von Dünnschicht-Fassaden gezogen werden. Zur genauen Evaluation der Dünnschicht-Solarmodul-Fassaden soll am zweiten Gebäude Leimbachstrasse 215 eine Feinmessung der Produktion mit der normalisierten Darstellung durch das PV-Labor Berner Fachhochschule gemacht werden. Dafür wird im Moment die Finanzierung gesucht. Damit könnte im Sommer 2012 das zweite Hochhaus bestückt werden. Zusammenfassung Mit dem Fassadenprojekt Sihlweide konnte die Erfahrung aus über 20 Jahren Beschäftigung mit Solarfassaden und Dünnschicht-Solarmodulen an einem sehr grossen Objekt umgesetzt werden. Das Fassadenprojekt ist nun ein Leuchtturm-Projekt des Solarmodul-Lieferanten Sharp Solar. Die Resultate werden wichtige Hinweise für die Planung und Realisation von weiteren Fassaden mit solaren Dünnschicht-Solarmodulen bringen. Dabei bestehen viele offene Fragen wie: Langlebigkeit und visuelle Stabilität der Solarelemente, kostengünstiger Service und Unterhalt in den nächsten Jahren. Das Projekt Sihlweid hat auch gezeigt, wie wichtig die enge Zusammenarbeit von PV- und Elektro-Planer, Solarmodul-Lieferant, Bauherrschaft und Architekt ist. Hier eine gemeinsame Sprache zu finden, wird eine wesentliche Herausforderung zur Realisation von Solarfassaden in der Zukunft sein. i 2000 Watt-Gesellschaft Stadt Zürich: ii Workshop MSE Kurs Electric energy Systems Sommer 2011, PV-Labor der BFH-TI iii BSc-Diplomarbeit PV-Fassade Sihlweid Zürich; Nicole Reber/ Daniel Bützer; Berner Fachhochschule iv Architektonisch integrierte und zweifach genutzte Module ; S. 48 ff.; Muntwylers SolarHandbuch 7. Auflage, 1995; Zollikofen bei Bern v Urs Muntwyler, Muntwylers SolarHandbuch 12. Ausgabe, 2011,Seite 17; Zollikofen bei Bern vi Urs Muntwyler. Muntwylers SolarHandbuch 11. Ausgabe 2001, Seite 76; Zollikofen bei Bern vii BSc-Diplomarbeit PV-Fassade Sihlweid Zürich; Nicole Reber/ Daniel Bützer; Berner Fachhochschule viii BSc-Diplomarbeit PV-Fassade Sihlweid Zürich; Nicole Reber/ Daniel Bützer; Berner Fachhochschule ix BSc-Diplomarbeit PV-Fassade Sihlweid Zürich; Nicole Reber/ Daniel Bützer; Berner Fachhochschule