Technologien zur flexiblen Einfassung von Solarmodulen am Beispiel passiver und aktiver Dachmodule (Photovoltaik + Solarthermie + Dämmung)

Dipl.-Ing. Hans Brandner, BBG GmbH & Co. KG, Mindelheim

Als Lösungsanbieter und Partner der Solar-, Photovoltaik- und Fensterindustrie ist BBG an der Entwicklung und Produktion von innovativen Modulen aus und mit Polyurethan, der Fertigung von Werkzeugen, Prototypen und kompletten Produktionsanlagen beteiligt. Zahlreiche Arbeitsbeispiele waren auf der glasstec und der solarpeq zu sehen: Hierzu zählen Solarthermie-, Photovoltaik- und Hybridmodule verschiedener Hersteller zur nachträglichen Installation. Ebenfalls zu sehen waren Photovoltaik-Schindeln der Firma Koramic und erstmals das integrale Dachsystem „detiga", das ebenfalls direkt auf den Dachstuhl montiert wird, beides sogenannte BIP-Systeme („Building Inte­grated Products"). Um die Technologien zur ihrer flexiblen Einfassung geht es im Folgenden.

Das Ganzdachsystem „detiga" besteht aus aufeinander abgestimmten Elementen Energie erzeugender und rein dämmender Module, die zusammen eine einheitliche und durchgehende Außenhaut bilden. Zu dem Programm gehören die Aktiv-Module „Thermie" und „Photovoltaik" und das passive Modul „Dämmung". Alle Module haben eine Abmessung von 990 x 714  x 345 Millimeter, die jeweils zulässige Dachlast beträgt 1.000 kg/m².

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Kurze Entwicklungshistorie von „detiga"

Bei der Entwicklung dieser Technologie hat BBG die Metallwerk Friedrich Deutsch GmbH (MFD) aus Innsbruck unterstützt, die 2007 einen Entwicklungspartner suchte. Nachdem MFD Ende 2007 den Auftrag erteilt hatte, konnte BBG Anfang 2008 das erste Schäum-Werkzeug für die Fertigung von Prototyp-Modulen bauen, die dann bei BBG in Mindelheim geschäumt wurden. Es folgten verschiedene Testreihen und Freigabeprüfungen mit Unterstützung der Technischen Universitäten Graz und Innsbruck. Anfang 2010 konzipierten BBG mit dem Partner Hennecke GmbH aus Sankt Augustin bei Bonn, einem Hersteller von Maschinen- und Anlagentechnik für die Polyurethanverarbeitung, die für die Serienfertigung der Dachmodule notwendigen Werkzeuge und Maschinen. MFD plant, die Elemente ab Ende 2011 in Serie zu produzieren und über ausgewählte Vertriebspartner zu verkaufen.

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Drei Modultypen
Links im Bild das passive Dämm-Modul mit einem Wärmedämmwert von 0,1 W/m²K. In der Mitte das Solar-Photovoltaik-Modul mit einer Nennleistung von 60 Wp, rechts daneben das Solar-Thermie-Modul mit einer Absorberfläche von 0,41 m² und einem Absorptionskoeffizienten von 0,953.

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Drei Typen von Polyurethan
Eingesetzt werden bei der Fertigung der passiven und aktiven Dachmodule drei Typen von Polyurethan (PUR):
- Hart-Isolierschaum
- Weich-Dämmschaum
- und zähelastisches Kompaktmaterial.

Während Hart-Isolierschaum und Weich-Dämmschaum in allen drei Modultypen Verwendung finden, wird Kompakt-PUR nur bei den aktiven Thermie- und Photovoltaikmodulen verwendet.

Der Schichtaufbau

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Die oberste Schicht (1) bildet die Außenhaut der Dachabdeckung. Beim reinen Dämm-Modul besteht sie aus einem flachen lackierten Aluminiumblech, bei den Energie erzeugenden Modulen ist das Aluminiumblech mit einer Wanne ausgeprägt. Die Trag- und Isolierschicht 1 (2) wird gefertigt, indem das Aluminiumblech bzw. die Blechwanne mit PUR-Hart-Isolierschaum hinterschäumt wird. In die Blechwanne werden später der Absorber und die Glasscheibe -  beim Thermiemodul - oder das Photovoltaik-Laminat - beim PV-Modul - eingelegt und anschließend mit zähelastischem Kompakt-PUR mit dem Aluminiumblech verbunden.

Weiterhin besteht der Isolierkörper aus den Schichten (3) bis (4), wobei der PUR-Hart-Isolierschaum für die Wärmeisolierung verantwortlich ist. Er wird bei allen Modulen als Träger und zur Isolierung eingesetzt und ist mit zwei Schichten (2, 4) am Aufbau beteiligt. Als Hart-Isolierschaum wird ein PUR mit einer Dichte von ca. 70 kg/m³ und mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,25 W/mK verwendet.

Die Schicht mit PUR-Weich-Dämmschaum (3) liegt als verbindende Dämmschicht zwischen den beiden Trag- und Isolierschichten aus PUR-Hart-Isolierschaum. Für die Weich-Dämmschaumschicht wird ein PUR mit einer Dichte von ca. 200  kg/m³ verwendet.

Die Fertigung der Module
Fertigungsschritt 1: Herstellen der Trag- und Isolierschichten aus PUR-Hart-Isolierschaum und Aluminiumblech (mit Wanne bei aktiven Modulen, eben bei passiven Modulen).

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Mit dem PUR-Eintragsverfahren „Eintrag ins offene Werkzeug" (unten symbolisch dargestellt) werden in je einem Arbeitsgang die beiden Trag- und Isolierschichten aus Hart-Isolierschaum und die Dämm- und Verbindungsschicht aus PUR-Weich-Dämmschaum hergestellt. Dabei werden für die Fertigung eines passiven Modules flache Aluminiumbleche, für die Produktion von Photovoltaik- und Thermiemodulen Aluminiumbleche mit Wanne eingelegt, die sich zur Trag- und Isolierschicht verbinden.

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Zuerst werden das Aluminiumblech oder die Blechwanne eingelegt. In einem Mischkopf, der dann über das Werkzeug fährt, wird unter hohem Druck Polyol und Isocyanat zu Polyurethan vermischt, welches dann in das geöffnete Werkzeug läuft. Danach fährt der Mischkopf weg, das Werkzeug schließt und wird in einem Shuttlewagen in die PUR-Aushärtestrecke gefahren, wo das Polyurethan aushärtet. Das Ergebnis ist - je nach Einlegeteil - Isolierkörper mit flachen Aluminiumblechen oder mit Wannen. Die Isolierkörper mit den Blechwannen,werden in einem zweiten Fertigungsschritt zu aktiven, Energie erzeugenden Elementen weiter verarbeitet.
Fertigungsschritt 2: Verbinden der Isolierkörper mit Blechwanne zu Energie erzeugenden Elementen (Solar ➜ Thermie und Photovoltaik) mittels zähelastischem PUR-Kompaktmaterial.

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Die Anlage erledigt verschiedene Arbeitsschritte: In einem Werkzeugträger befindet sich das geöffnete Werkzeug. Nachdem es gereinigt ist und Trennmittel aufgetragen wurde, legt ein Roboter den Isolierkörper (Wanne) ein. Für Photovoltaik-Module werden das PV-Laminat (Glas mit Photovoltaik-Zelle), für Thermie-Module das Glas und der Thermie-Absorber eingelegt. Dann schließen die Formaufspannplatten des Werkzeugträgers das Werkzeug. Die Hochdruckdosiermaschine schießt das Kompakt-PUR ein. Bis das Polyurethan ausgehärtet ist, bleibt das Werkzeug geschlossen. Nach dem Öffnen werden die miteinander verbundenen Elemente entnommen. Nach dem Entgraten ist das Modul fertig

Das hierbei verwendete Werkzeug (unten symbolisch dargestellt):

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Für das Verbinden der aktiven, Energie erzeugenden Elemente mit der Blechwanne auf dem Isolierkörper, wird das PUR-Eintragskonzept ins geschlossene Werkzeug verwendet. In der Grafik ist dieses Prinzip am Beispiel eines Schäumwerkzeugs für die Herstellung von PUR-Rahmen für Glasschiebedächer in Autos dargestellt. Der Mischkopf ist hierbei fest am Werkzeug montiert, dieses öffnet sich, so dass das Glas und andere Teile wie das Photovoltaik-Laminat und der Thermie-Absorber eingelegt werden können. Dann schließt sich das Werkzeug und zähelastisches Kompakt-PUR wird eingeschossen. Nach dem Erhärten des Polyurethans öffnet sich das Werkzeug, so dass das Bauteil entnommen werden kann.

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Das Ergebnis:

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Das zähelastische Kompakt-PUR verklebt Isolierkörper (Wanne) mit dem Energie erzeugenden Photovoltaik- oder den Thermie-Elementen zu fertigen Modulen und bildet gleichzeitig einen UV-stabilen und dauerbeständigen Rahmen gegen Witterungseinflüsse auf dem Dach.

Anmerkung: Der Vortrag „Technologien zur flexiblen Einfassung von Solarmodulen am Beispiel passiver und aktiver Dachmodule (Photovoltaik + Solarthermie + Dämmung)" wurde am 1. Oktober 2010 im Rahmen der glass technology live auf der glasstec / solarpeq 2010 in Düsseldorf von Dipl.-Ing. Hans Brandner, BBG GmbH & Co. KG, Mindelheim, (redigierte Textfassung) gehalten.