Haustech 2/2018

Farbe reinbringen

«PV-Ziegelsteine»: Das Neuenburger Forschungszentrum CSEM hat terracottafarbene Panels entwickelt. So können in Zukunft auch denkmalgeschützte Bauten mit Solarstrom versorgt werden. (Foto: CSEM)
Die Fassade der Copenhagen International School setzt sich aus mehr als 12 000 gefärbten Solarmodulen zusammen und ist damit die grösste Solarfassade der Welt. (Foto: SwissInso)
Auf der von der Hochschule Luzern entwickelten Photovoltaikwand bei der Umweltarena Spreitenbach schmücken Schweizer Kantonswappen die Solarpanels. (Foto: HSLU)
Leonid Leiva /

Auf Dächern in denkmalgeschützten Orten und an Fassaden findet man bisher fast keine Photovoltaikpanels vor. Der Grund: die unpassende bzw. ästhetisch unattraktive Optik der blauschwarzen Module. Dank neuer Technologien zur Farbgebung soll sich 
das ändern.

Photovoltaikanlagen erfreuen sich auf Schweizer Grundstücken, vor allem auf Hausdächern, einer immer grösseren Verbreitung. Doch Einschränkungen bleiben, so etwa die vom Denkmalschutz diktierten Anforderungen an das Erscheinungsbild der Module. Dies hat bisher vielerorts die Installation von PV-Modulen verhindert. Aber mit neuen, in der Schweiz entwickelten terracottafarbenen Panels könnten in Zukunft auch denkmalgeschützte Bauten problemlos mit sauberem, selbst produziertem Solarstrom versorgt werden.

Seit vergangenem Oktober sind die ersten solchen PV-Anlagen in Ecuvillens, einem Ortsteil der Gemeinde Hauterive im Kanton Freiburg, in Betrieb. Das an die Optik von Dachziegeln erinnernde Produkt wurde am Neuenburger Forschungszentrum CSEM entwickelt. Wie gut die Performance der Anlage ausfällt, wird zurzeit im Rahmen eines vom Bundesamt für Energie  (BFE) geförderten Leuchtturmprojekts untersucht. Fest steht jedenfalls, dass durch die Farbgebung der Wirkungsgrad der Umwandlung von Solar- in elektrische Energie etwas abnimmt. Die Installation der Anlage auf einem bisher energetisch ungenutzten Dach biete aber trotzdem einen Mehrwert, so die Projektverantwortlichen in einer Mitteilung.

Der Meilenstein von Ecuvillens zeigt, wie durch Forschung und Entwicklung derzeit das Einsatzspektrum von Photovoltaik auch auf geschützte Ortsbilder erweitert wird. Noch viel grösseres Potenzial steckt jedoch in der Verwendung von PV-Modulen als Fassadenelemente. Aber der Wunsch vieler Bauherren und Architektinnen, Gebäude für die Erzeugung von Solarstrom zu nutzen, scheitert immer noch meistens an der ungenügenden Ästhetik der PV-Anlagen.

Nachteil geringere Stromausbeute

Schweizer Forscher und Unternehmen haben aber ein paar Lösungen parat: Sie entwickeln zurzeit eine Reihe verschiedener Methoden, um wie im Fall der Terracotta-Dachpanels Farbe ins PV-Modul zu bringen. Am Forschungsinstitut CSEM in Neuenburg haben Wissenschaftler um EPFL-Professor Christophe Ballif Techniken entwickelt, um PV-Module in Weiss und anderen Farbtönen zu produzieren.  Zuletzt enthüllten die Forscher sogar eine neue Generation von Solarpanels, die mit farbvollen Porträts von Menschen bedruckt sind. Einige Exemplare wurden bereits an einer Gebäudefassade  der Neuenburger Kantonalbank installiert. 

Die gefärbten Solarpanels haben allerdings eine geringere Stromausbeute als ihre «mausgrauen» Pendants. Das ist eine direkte Konsequenz der Technik, die für die Farbgebung sorgt. «In unseren Modulen wird das sichtbare Licht durch spezielle Filter so reflektiert und gestreut, dass die gewünschte Färbung entsteht. Die Filter lassen Infrarotlicht durch, das in der aktiven Photovoltaikschicht in Strom umgewandelt wird», erklärt Christophe Ballif. Da das sichtbare Licht herausgefiltert wird, resultieren Effizienzverluste. Je nach Farbe sinkt die  Energieeffizienz um 10 bis 45 Prozent, wobei eine schneeweisse Färbung die grössten Einbussen zur Folge hat.

«Wir sollten diese Technologie aber nicht mit herkömmlichen PV-Modulen vergleichen, sondern mit konventionellen  Fassaden», sagt Ballif. «Die farbigen PV-Fassaden können 80 bis 150 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr produzieren. Eine inaktive Fassade produziert hingegen gar keinen Strom.»
Das Einfärben durch den Einbau von Filtern bedeutet allerdings Zusatzkosten für die Herstellung und somit höhere Modulpreise. Das Ziel sei, zuerst ins Premiumsegment einzudringen. Dann könne bei einem Anstieg des Produktionsvolumens und einer damit verbundenen Kostensenkung ein breiterer Markt angesprochen werden.

Bunt dank Filtern

Dass bunte Photovoltaik kommerziellen Erfolg haben kann, zeigt eine andere, an der ETH Lausanne (EPFL) entwickelte Technologie. Ein EPFL-Team um Jean-Louis Scartezzini und Andreas Schüler verändert das Frontglas eines PV-Moduls durch das Aufbringen zusätzlicher, äusserst dünner Schichten so, dass jeweils nur Licht einer einzigen Farbe reflektiert wird. Nach dem gleichen Prinzip erhalten Seifenblasen oder Schmetterlingsflügel ihre Färbung. Wie bei den natürlichen Pendants verändert sich auch bei diesen PV-Platten die Farbe bei unterschiedlichen Blickwinkeln. Aber Scartezzini beteuert, dass der Effekt recht gering sei und bei grüner oder blauer Färbung praktisch nicht wahrnehmbar.

Das Plus dieses Ansatzes liegt darin, dass er den mit der Farbgebung verbundenen Energieverlust minimiert. Denn die eigentliche stromproduzierende Schicht hinter dem Frontglas wird nur von dem wenigen Licht beraubt, das für die Färbung reflektiert wird. Laut Scartezzini sinkt dadurch die Effizienz eines herkömmlichen Solarmoduls nur um rund einen Prozentpunkt.

Ein Spin-off der EPFL vermarktet die Technik mit zunehmendem Erfolg. Im Jahr 2015 wurde die neue Fassade des ehemaligen Kohlesilos in Basel damit ausgerüstet. Das Mehrzweckgebäude erzeugt dank der 159 Quadratmeter grossen Anlage rund 16 400 Kilowattstunden Strom pro Jahr, was 37 Prozent des Gesamtenergiebedarfs ausmacht.

Ein jüngeres, aufsehenerregendes Beispiel stellt die Copenhagen International School in der dänischen Hauptstadt dar. Die Fassade setzt sich aus mehr als 12 000 gefärbten Solarmodulen zusammen und ist damit die grösste Solarfassade der Welt. Die Photovoltaikplatten sollen um die 300 Megawattstunden Strom pro Jahr erzeugen, was rund die Hälfte des Energiebedarfs des Gebäudes decken würde.

Gedruckte Motive

Eine dritte Variante farbiger Solaranlagen ist seit kurzem im Kanton Zürich zu sehen. Seit Ende Juni schmücken die Wappen der Schweizer Kantone einen Fassadenbereich der Umweltarena in Spreitenbach. Um föderalistischen Geist geht es dabei aber nicht: Hinter den bunt bedruckten Glasplatten 
produzieren Solarpanels Strom. Die farbige Photovoltaikwand ist eine Entwicklung der Hochschule Luzern (HSLU). Stephen Wittkopf, Professor an der HSLU und Leiter 
des Projekts, will mit dieser Erweiterung 
der Farbpalette mehr Akzeptanz für Photovoltaik unter seinen Architektenkollegen schaffen. Die Luzerner Forscher haben 
sich vorgenommen, die Effizienzverluste durch das Einfärben auf 20 Prozent zu minimieren.

Auch die Lebensdauer der Module könnte unter der Färbung leiden. Denn Unterschiede in der Lichtdurchlässigkeit verschiedener Farben führen zu unerwünschten elektrischen Spannungen an den betroffenen Stellen  – das PV-Modul  altert folglich schneller.  Die HSLU-Forscher schufen deshalb einen Rechenalgorithmus, der die von jeder Farbe durchgelassene Lichtmenge optimiert. Wittkopf beziffert die Computerberechnungen auf rund 500 Franken pro Druckmotiv. Das Druckverfahren, das bereits industriell etabliert sei, bringe weitere Zusatzkosten mit sich. Rund 100 Franken pro Quadratmeter müsse man für das Einfärben einrechnen.