Installation PV intégrée Terracotta – Ecuvillens/Hauterive (FR)

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501458

Short description (French)

Aujourd'hui, il est fréquent que les installations PV ne soient pas autorisées dans des zones de protection du patrimoine. Ceci a pour conséquence que de grandes surfaces potentielles de production PV restent inexploitées, tel que par exemple dans les villes de Berne et de La Chaux-de-Fonds, qui sont sites Unesco, et dans beaucoup d'autres villes et villages d'intérêt historique.
Au travers du projet pilote de la maison villageoise à la Route Village 52 à Ecuvillens (FR), nous souhaitons faire une réalisation exemplaire de PV dans un contexte de protection élevé du patrimoine. Avec un démonstrateur in-situ de 9 m² de technologie de rendement visuel qui s'approche au maximum des tuiles en terre-cuite, nous avons déjà reçu un préavis positif de la commission cantonale de la protection du patrimoine et de la commune d'Hauterive (FR).
Sur la base de ce préavis, nous avons comme objectif de réaliser ce projet en utilisant une nouvelle technologie basée sur le c-Si et utilisant des verres imprimés, semi-transparents. Ces verres imprimés de couleur terra-cotta, en combinaison avec un verre texturé nous permettra de réaliser l'installation de 250 m² sur le pan sud complet de la maison villageoise en automne 2016 en tenant compte des contraintes architecturales et urbanistiques du site. La puissance installée sera de 30 kWc, avec une  production d'électricité annuelle de 30 MWh.
Cet exemple unique permettra potentiellement d'ouvrir un marché considérable d'objets semblables dans tout la Suisse, étant donné que les tuiles en terre-cuite couvrent la majeure partie des bâtiments classés en Suisse.

Final report (German)

In den letzten Jahren wurde eine grosse Zahl Gesetzesauflagen erlassen, um den Anteil erneuerbarer Energien in Gebäuden zu erhöhen. Dessen ungeachtet zielten bislang weder europäische noch nationale Direktiven zum Klimaschutz auf eine Erhöhung der Akzeptanz von Solarinstallationen (PV) speziell im denkmalgeschützen bzw. historischen Gebäudebestand. Der Mangel an marktseitig verfügbaren PV-Produkten, um die bestehende Lücke zwischen Technologie und Tradition zu schliessen, kann als ein weiteres Hemmnis ausgemacht werden: den Herstellern von Solarmodulen ist es bislang nicht gelungen, in ästhetischer wie auch ökonomischer Hinsicht solide und überzeugende Produkte auf den Markt zu bringen, um das traditionelle Ziegeldach durch akzeptable und im Einklang mit der traditionellen Architektur stehende Systeme zu ersetzen. Da diese Gebäude teils bis zu 10% des Gebäudebestands ausmachen können, ist mithin ein bedeutender Teil der Bevölkerung aus denkmalschutzrechtlichen Gründen von der Produktion von Solarstrom ausgeschlossen.
Ausgehend von dieser Situation haben Physiker, Ingenieure und Bauhistoriker des CSEM in enger Kooperation mit dem auf spezielle PV-Lösungen spezialisierten belgischen Hersteller Issol, der in der Schweiz eine Niederlassung unterhält,  die Problematik aufgegriffen und ein PV-Modul entwickelt, das die Eigenschaften der marktgängigen Hochleistungs c-Si Technologie mit einem mattierten Oberflächenfinish und einem ziegelfarbigem Erscheinungsbild verknüpft. Erreicht wurde dies mittels eines serigraphischen, hochbeständigen Farbdruckverfahrens (ceramic printing) auf der Innenseite des Deckglases. Dies ergibt eine perfekte Homogenität der Farbfläche bei möglichst hoher Transparenz, die im Modul zu Leistungseinbussen im Bereich von 22% führt. Ein in der Modulfarbe eloxierter Aluminiumrahmen garantiert Wasserdichtigkeit und eine gleichermassen einfach zu handhabende wie solide Installation. 
Neben zahlreichen Labortests bis hin zur Marktgängigkeit des neuartigen Produkts galt es, dessen überzeugende Eigenschaften im Denkmalschutzkontext zu demonstrieren. Ein aus der Mitte des 19. Jahrhunderts datierendes Bauernhaus in Ecuvillens (FR) wurde hierzu als geeignet für ein Pilotprojekt identifiziert: das Gebäude selbst ist nicht denkmalgeschützt, jedoch besteht Ensembleschutz für den Ortskern, so dass auch hier die Installation einer handelsüblichen PV-Anlage stark problembehaftet war. Nach Abschluss sämtlicher Testverfahren seitens des CSEM begann die Produktion der Module durch die Fa. Issol im Frühjahr 2017. Schliesslich konnte das weltweit erste ziegelfarbene 30kWc PVSystem auf besagtem Dach im August des Jahres installiert und Anfang Oktober 2017 eingeweiht werden. Das neuartige terrakottafarbige PV-Modul ist mittlerweile am Markt unter dem Produktnamen „Solar Terra“ erhältlich. Das Pilotprojekt in Ecuvillens hat seither weltweit ein überwältigendes und durchweg positives Presseecho erfahren. Dessen ungeachtet bestehen aus ökonomischer Sicht weiterhin Fragen bezüglich dessen Marktfähigkeit in jetziger Form. Ohne eine deutliche Kostenreduktion auf Herstellerseite wird eine breitere Akzeptanz auf dem stark umkämpften PV-Markt nicht erzielt werden können. Weitere R&D Anstrengungen sind hier unbedingt gefordert, um farbige PV-Systeme kostengünstiger herstellen und am Markt platzieren zu können.

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• Farbige PV-Module für denkmalgeschützte Zonen und Gebäude - Schlussbericht [PDF] 3'262 kB

Final report (English)

In recent years, many legal dispositions have come into force, with the goal of increasing the share of renewable energies in buildings. Despite this, neither the European directives, nor the national programs for climate protection, have substantially contributed to improving the acceptance of photovoltaic (PV) installations specifically conceived for historical monuments and traditional buildings. The lack of suitable PV products on the market to bridge the gap between technology and tradition is another obstacle: the solar module manufacturers have not yet succeeded in offering visually and economically sound solutions to replace the traditional terracotta roofs with acceptable PV systems dedicated to traditional architecture. Since these buildings represent around 10 percent of the built environment, a considerable segment of the population is excluded from producing its own electricity using PV, often on grounds of national heritage legislation.
To respond to this situation, physicists, engineers and historians of architecture at CSEM have developed – in close cooperation with specialized Belgian PV manufacturer Issol – a PV module combining the properties of a high-standard PV-unit based on c-Si technology with a semi-matt and close to terracotta appearance. This was achieved by applying a layer of color onto the inner face of the front glass by means of an ultra-reliable printing process, both perfectly homogenous and highly translucent, with losses in efficiency in a range of 22 percent. An anodized aluminum peripheral frame of the same color guarantees an installation that is both simple and robust. 
Apart from testing up to the marketability stage, the second issue was to demonstrate the convincing architectural features of the new PV-system. A mid-19th century farmhouse in Ecuvillens (FR) was identified as the ideal property to serve as a pilot project: the building itself is not listed as part of the national heritage, but rather the overall ensemble of the central village road where it is situated. The first terracotta-colored, fully integrated 30kWc PV roof of its kind was installed onsite in August 2017 and inaugurated the following October. The new terracotta-colored PV module has meanwhile been commercialized, and is available under the trade name “Solar-Terra”. The project has since then achieved worldwide press coverage, and has gained an overwhelmingly positive reaction and reputation. Despite that fact, there are still open questions in terms of the marketability of such a product due to financial reasons. Without a clear reduction in production costs, the market is not willing to accept such a product over a wider base. Therefore, further R&D is required to bring color to high-performance PV systems in a more cost-effective way.

Final report (French)

Ces dernières années, un grand nombre de dispositions légales ont été adoptées pour augmenter la production d’énergies renouvelables dans les bâtiments. Toutefois, ni les directives européennes ni les programmes nationaux de protection du climat n'ont permis d’accroître de manière substantielle l'acceptation des installations photovoltaïques (PV). Ce constat s’applique notamment aux monuments historiques et aux bâtiments traditionnels. Pour ce type de constructions, le manque de produits alliant esthétique et efficacité énergétique représente un obstacle majeur. Jusqu’à présent, aucune solution n’était en mesure de rendre les traditionnelles toitures couleur terre cuite actives en respectant leur apparence d’origine. Ce type de construction représentant environ 10 % du patrimoine bâti, toute une partie de la population ne pouvait ainsi aspirer à du courant photovoltaïque pour des raisons législatives. 
Fort de ce constat, une équipe pluridisciplinaire du CSEM a décidé de développer un module solaire spécifiquement destiné à ce type d’application. En étroite collaboration avec Issol, fabricant de panneaux PV, elle a mis au point une solution qui possède les propriétés d'un module à haut rendement basé sur la technologie c-Si et présente une apparence couleur terre cuite. 
L’innovation a été réalisée en appliquant une couche de couleur sur la partie intérieure du verre frontal. Pour ce faire, un procédé d'impression sérigraphique (ceramic printing) ultra résistant a été choisi car il permet d’optimiser le ratio entre transparence et homogénéité de la couleur. La perte de rendement énergétique est ainsi limitée à 22%. Facile à installer, ce nouveau module dispose d’un cadre en aluminium anodisé de la même couleur qui assure son imperméabilité et sa solidité. 
Au-delà des tests en laboratoire, il fallait démontrer l’intérêt de ce nouveau type de panneaux dans un site protégé. Une ferme datant du 19ème siècle a été identifiée à Ecuvillens (FR) pour un projet pilote: le bâtiment n’est pas protégé, mais il se trouve dans une rue protégée, ce qui empêchait le recours à des panneaux solaires conventionnels. Après la phase de tests réalisée au CSEM, Issol a débuté la fabrication des modules au printemps 2017. La première toiture photovoltaïque couleur terre cuite de 30 kWc entièrement intégrée a été installée en août, puis inaugurée en octobre 2017. Le projet a fait l'objet d'une couverture médiatique mondiale et a suscité des réactions extrêmement positives. 
Le nouveau module photovoltaïque est actuellement disponible sous la marque "Solar-Terra". Son succès commercial n’est toutefois par assuré pour des raisons financières. Sans une baisse de prix conséquente, le marché risque en effet de ne pas l’accepter. Conclusion : la R&D doit poursuivre ses efforts pour améliorer la rentabilité des systèmes PV de couleur.