eKitaMarburgSolarfassaden© Eibe Sönnecken, opus Architekten BDA

Solar facades

The upright alternative

Text: Birgit Scheuch, 02.06.2021

For most people, the word “photovoltaics” conjures up images of shimmering blue panels on single-family homes or open spaces next to the highway. In fact, around three quarters of the PV modules in Germany are installed on roofs and one quarter on the ground. However, that leaves lots of unused space for vast amounts of clean electricity where you might least expect it: in the vertical plane.

Renewable energies to the fore

PV systems on roofs and in open spaces only work when there are enough of them. However, downtown high-rises and multi-story office and residential buildings do not have large enough roofs to supply electricity, let alone produce it. No wonder all eyes are on façades.

“Building surfaces offer huge opportunities to use the built environment to produce renewable energy on-site. Our goal is to protect the land and countryside while upgrading the buildings in the EU and delivering on the European Green Deal, which has targeted on-site production of electricity as a key strategy for exiting the carbon age,” said Pierluigi Bonomo of the Institute for Applied Sustainability in the Built Environment at the University of Applied Sciences and Arts of Southern Switzerland (SUPSI).

Façade-mounted solar panels are 20 to 30 percent less efficient than roof-mounted ones depending on the solar irradiation. However, this disadvantage is offset by the much larger area offered by façades on multi-level buildings. Also, as the sun dips lower during the year, it irradiates more of south-facing façades than roof areas.

“Performance optimization is particularly important for solar façades because parts of the system will be shaded at times. SMA makes inverters featuring integrated yield optimization instead of conventional module optimizers, which are essentially electronic controllers for each individual module. With integrated yield optimization, the inverters seek out the point that currently has the highest output on the entire surface, which makes it possible to use almost all the energy supplied by the PV modules,” said Hannes Knopf, Senior Expert Standards & Committee Work at SMA.

Solar range

Typical solar roofs with their utilitarian panels may be a marvel of technology but fall short aesthetically. That makes it surprising that ambitious designers and architects all over the world have created true gems ever since it became possible – or rather necessary – to generate solar power on building walls.

Pierluigi Bonomo sees in the transfer of PV to buildings, including roofs, façades, and accessory systems, a tangible cause of innovation in contemporary architecture and PV today. “It is much more than an energy or technical possibility: it is a new fundamental in building aesthetics, ethics, and technology.”

There are three basic approaches. On some buildings, PV panels are recognizable as such but simply act as a neutral design element. Other buildings do not offer even the slightest hint that their façades generate electricity. The PV modules are so cleverly integrated that they could be glass or another façade material. Occasionally, PV modules serve several purposes such as a sunshade. Finally, there are proud façades that deliberately put modules on display, shouting from the rooftops – or, rather, façades – that “solar is cool!”.

Bonomo_Solarfasaden© Kingsgate House, London (Photo: P. Bonomo)
Pierluigi Bonomo, Head of Innovative Building Skin Team, Swiss BIPV Competence Centre, Institute for Applied Sustainability in the Built Environment (ISAAC)
Pierluigi-Bonomo_Solarfasaden

Crystal-clear advantages

Conventional PV modules consist of crystalline PV cells enclosed in a plastic or resin layer, an aluminum frame and a glass cover. They are the preferred option for directly irradiated areas such as pitched roofs. However, they also quickly pay for themselves when installed on a south-facing building wall. The lower yield due to shorter solar irradiation periods can be offset by increasing the usable area.

The surface of crystal PV cells has a bluish, dark-blue or matte-black appearance depending on how they are made. The modules are also rigidly built. Both characteristics seem to leave little leeway for creativity in façade design. However, these restrictions do not have to be an obstacle for imaginative minds.

Flexible elegance

Thin-film solar cells have an even thinner solar active layer than crystalline cells. That allows them to be laminated between flexible materials (usually plastic sheets) and bent. This technology inspired high hopes for some time. It seemed predestined for façades – architects could let their imaginations run wild in mounting these cells on curved surfaces and choosing color schemes.

However, none of these expectations materialized, and flexible thin-film modules have not become widely adopted as a building material, as confirmed by Dr. Friedrich Kessler, who researches flexible PV cells and modules at the Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg (ZSW). “There are some use cases today, but they tend to be rather unusual projects.” He believes their real future will be in mobile or temporary applications, which are still niche markets: “For example, you can roll thin-film modules out on greenhouses in the summer. They provide emission-free electricity while shading the soil and protecting it from drying out. Agrivoltaics is starting to spread successfully. Other applications include the recreational and automotive domain – anywhere mobility and/or light weight are required.”

Interestingly, architects’ and planners’ attitudes toward crystalline PV cells seem to have shifted dramatically as climate awareness has grown: Modules that used to be unsentimentally pre-assembled or hidden are now put on display: Look here, I’m producing renewable energy! Visible solar architecture seems to be trending towards crystalline PV modules, the blue shimmering rigid panels.

Utilitarian productivity

In retrofit projects, classic PV modules are usually hung on rails in front of a wall with a few centimeters of clearance so air can circulate. Most property owners choose retrofitting so their building will have an on-site supply of renewable energy. However, even this utilitarian solution has aesthetically beautiful examples.

The Rhein-Kai-Speicher 7 building in Mannheim, Germany, generates more energy with its large-scale PV system than it consumes. That makes it an energy-plus building.

Large-scale photovoltaic systems generate more energy than their operation consumes.

Invisible power plant

Wohnhaus Solaris is a multi-family home built on Lake Zurich by Adrian Berger, Erika Fries, and Lukas Huggenberger in 2018. The architects’ goal was to make Wohnhaus Solaris‘s PV systems invisible. Easier said than done – the façade’s printed and structured cast glass had to let as much sunlight as possible into its integrated PV cells to make the photovoltaics pay off.

Laminated glass modules have made tremendous progress in just a few years. People who want PV cells that produce electricity incognito in the façade now have plenty of design options.

The façades of this residential building in Zurich are completely covered by PV modules that produce more electricity than the house and its residents consume. The façade cladding modules feature check-patterned digital ceramic printing to avoid a “technoid” look.

In a project in Watford, London, ÜserHuus AG, a spinoff of the Lucerne University of Applied Sciences and Arts, added to the façade a horizontal band of PV modules colored like the materials behind them – wood, metal, and fiber cement. The modules were the product of special digital color printing on glass and ultra-efficient monocrystalline PV technology.

The right angle

Modules must be aligned as precisely as possible with the sun to get the maximum energy yield from crystalline solar cells. The new city hall in the German city of Freiburg showcases how far photovoltaics can go: 880 PV modules weighing 100 kilograms each are installed on metal elements along a curved façade, covering over 13,000 square meters. The solar roof and façade combined supply the building and its users with 100 percent of their own electricity.

Doubly useful

PV modules that are not retrofitted or added on but actually perform a function in a building’s structure are known as building-integrated photovoltaics, or BIPV for short. In this case, solar technology serves as a construction material that protects the façade and residents from wind and weather, shades or soundproofs a building while looking beautiful.

„By assuming both the function of energy generators and of construction materials, BIPV are of particular interest in the context of decarbonizing energy systems, especially in densely built European environments where traditional ground-mounted photovoltaic (BAPV) systems cannot be easily used.“

– Emmanuel Rey

Architects increasingly include solar façades as a structural and design element in new construction from the start. Integrated solar façades serve as conventional façades or façade cladding and generate electricity, which may even cut building costs.

„Today, BIPV has achieved a high level of technical maturity.“,  explains Pierluigi Bonomo, who, in addition to having the scientific lead of the BIPV team at the Institute for Applied Sustainability in the Built Environment (SUPSI),  works for the International Energy Agency on the framework conditions for the development of BIPV. Meanwhile architects, building owners, façade constructors and real estate developers find “a diversified range of products, which can be manufactured and customized like any conventional building envelope solution.“

In any case, rising interest and demand for climate-friendly electricity have clearly spawned a host of new technologies and design concepts for integrated solar façades.

One obvious option is to use classic PV modules as a source of shade – their dark coloring blocks much of the sunlight.

Kühne Kontur

The solar system itself defines the contours of the building in some solar façades. “The low-resource energy generation system is displayed on the outside of the sculptural façade made of photovoltaic elements, thus giving the building an unmistakable character.” This is how the architects of kadawittfeldarchitektur describe their energy efficiency center on the campus of Hochschule Niederrhein in Mönchengladbach, Germany.

The solar façade of the Solar daycare center in Marburg designed by opus Architekten in Darmstadt, Germany, also looks folded. On a side note, monocrystalline silicon cells were installed in this project in black laminated safety glass.

eKitaMarburg-Solarfassaden© Eibe Sönnecken, opus Architekten BDA
At the +e Kita in Marburg, Hesse, the solar technology itself forms the profile of the building.
eKitaMarburg-Solarfassaden
© Eibe Sönnecken, opus Architekten BDA

What comes next …

Pierluigi Bonomo sees a significant competitive opportunity for Europe in the development and establishment of building-integrated photovoltaics. Now that many hurdles have been overcome and a number of problems have been solved over the past few years, the BIPV researcher believes that the greatest challenge at present is to “widely demonstrate BIPV in real buildings with a turnkey solution and an efficient process able to ensure performance, reliability, durability and replicability in a cost competitive way.“

This is also what Prof. Emmanuel Rey is working on. Prof. Rey is the head of the Laboratory of Architecture and Sustainable Technologies (LAST) of the Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) and maintains a partnership with the architectural design firm Bauart in Bern, Neuchâtel and Zurich, Switzerland. He has researched the hurdles that stand in the way of mass adoption of BIPV. Aside from high initial costs and high complexity compared to conventional construction materials, he says that there is a low awareness of BIPV among the general public and the reluctance of a majority of architects to implement BIPV in their designs.

This is compounded by institutional barriers, such as the lack of building codes and standards or their non-uniformity from country to country, in particular for PV façade elements, which increases the perceived risk of using novel technologies in the traditionally conservative construction sector.

Photo: Alain Herzog
Prof. Emmanuel Rey, head of the Laboratory of Architecture and Sustainable Technologies (LAST) of the Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) and partner of the architectural design firm Bauart in Bern, Neuchâtel and Zurich, Switzerland.

A team led by Emmanuel Rey has been working on integrating BIPV into urban renewal processes in an interdisciplinary research project called ACTIVE INTERFACES: “The case studies demonstrated that renovation projects using BIPV were economically feasible, environmentally effective and allowed a wide range of possible architectural expressions, including different colors and textures.”

The team developed an Advanced Active Façade with support from the Swiss National Science Foundation (NSF) as part of the “Energy Transition” National Research Program: This novel construction system for low-carbon active façades is designed as a self-supporting, prefabricated wood skeleton on which a coating is mounted on the inside and cellulose-based thermal insulation and customized active PV panels on the outside.

What role will building-integrated photovoltaics play in the future? Pierluigi Bonomo dares to look ahead:

„The building sector is typically perceived as the industry with the longest response times to innovations. However, revolutionary waves have existed in construction sector. Today’s wave is linked to a sustainable transition, thanks to an alliance between public policies, research and industrial efforts as well as common will. Many visions and scenarios describe how buildings in our cities could look and function in relation to future cities, urban infrastructures and urbanization.“, says Pierluigi Bonomo. “Climate change, the post-pandemic world, digitization or new mobility will frame a combination of strategies. Photovoltaic power is only one of the variables, but it will shape the future of buildings.“

In any case, the sheer variety of current projects and active research on solar façades and BIPV prove that photovoltaics is just at the start of its evolution.

Rapid evolution

Solaris, a German-language publication on solar architecture, shows how quickly attitudes toward building-mounted photovoltaics have changed. Five issues have been published so far. The first issue in 2018 read, “Nobody has to know this is a solar house,” Solaris #3 dealt with technical and aesthetic innovations of built solar envelopes, and the latest Solaris #5 asks about the design potential of PV modules in the highlands.

Solarchitecture

The sun is a construction material – this is the claim of SUPSI, a Swiss platform for solar energy that aims to communicate the fascinating design possibilities of solar building concepts and presents countless exciting examples of solar façades. The BIPV Status Report, which was compiled and published by SUPSI with Belgium’s Becquerel Institute in November 2020, provides a deep dive into BIPV.

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Net Zero Homes

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Highly promising approaches for building a private home while taking climate protection into consideration.

Subline: Der Klimawandel hat ein Image-Problem Wir kennen vor allem die viel genutzten Motive des Klimawandels: schmelzende Polkappen, ertrinkende Eisbären und qualmende Industrieschornsteine. Dennoch ist der Klimawandel selten Bestandteil unserer Alltagsgespräche. Woran liegt das?  Dass diese Bilder nicht wirken, liegt vor allem an der einseitigen Darstellung dieser facettenreichen Problematik. Climate Outreach verfolgt deshalb das Ziel die Thematik in der Öffentlichkeit neu zu beleben durch die Formulierung eines entsprechenden Narrativs. Außerdem muss die Bildsprache angepasst werden, denn die Klimakrise hat viele Bilder und unterschiedlichste Auswirkungen, die entsprechend dargestellt werden müssen. Es geht um Bilder, die zeigen, wie sich die Klimakrise lokal auswirkt, aber gleichzeitig auch welche Chancen und Innovationen sie hervorbringt. Kurzum es fehlen authentische Bilder, die eine Verbindung zum eigenen Alltag herstellen.   Subline: Wie zeigt man den Klimawandel richtig? Die NPO kreierte sieben Kernprinzipien, wie man mit Bildern über den Klimawandel richtig kommuniziert. Um diese Prinzipien in Taten zu verwandeln, wurde von Climate Outreach das Programm Climate Visuals ins Leben gerufen. Die Erstellung des Programms begann auch hier mit einer simplen Frage. Ein Kunde fragte nach einer visuellen Kommunikationsstrategie für den Klimawandel. Als Climate Outreach dazu recherchierte, bemerkten sie, dass es diese Kommunikationsstrategie noch nicht gab. Den ersten Bericht dazu veröffentlichte die Umweltorganisation im Januar 2016. Hinter der NPO steht ein Team mit unterschiedlichsten Kompetenzen, das genau weiß, wie es die Menschen erreicht. Die Kommunikationsstärke setzt sich aus Kommunikationsexperten, Sozialwissenschaftlern und Klimaforschern zusammen, die gemeinsam den Klimawandel auf diese Weise bekämpfen wollen. Mit der richtigen Kommunikation und der korrekten Abbildung der größten Problematik des 21. Jahrhunderts versucht Climate Outreach eine umfassende Lösung zu bieten. Schließlich ist das Dilemma der Klimakrise vor allem eines ihres Images.  Damit die Klimakrise bildlich neu zum Ausdruck gebracht wird, führte das Programm eine Umfrage durch, die zwei verschiedene Methoden kombinierte. Zunächst wurden vier Diskussionsgruppen gegründet. Davon diskutierten je zwei Gruppen in London und Berlin. Hier besprachen die Teilnehmer verschiedene Klimakrisen-Bilder und diskutierten über deren Wirkung. Daraufhin erfolgte eine internationale Online-Befragung. Diese Umfrage umfasste 3.014 Befragte aus den USA, dem Vereinigten Königreich sowie Deutschland.  Daraus resultierten die Kernprinzipien beziehungsweise die folgenden sieben Regeln: Zeige authentische Personen auf Bildern und keine inszenierten  1.	Erzähle neue Stories 2.	Zeige Klimawandel-Auswirkungen im richtigen Verhältnis 3.	Die Auswirkungen der Klimakrise sind emotional-starke Bilder 4.	Kenne deine Zielgruppe 5.	Zeige lokale, aber ernste Auswirkungen 6.	Sei vorsichtig im Umgang mit Protestbildern  Die Umfrage kam zu dem Schluss, dass die meisten Menschen die klassischen Klimawandel-Bilder und -Geschichten kannten. Deshalb setzten sich nicht mehr aktiv mit diesen auseinander. Mit den 7 Regeln änderte sich das.  Somit entstanden nicht nur gänzlich neue Kernprinzipien in der Klimakrisen-Bildkommunikation, sondern führten auch zur Gründung von Climatevisuals.org. Dabei fungiert das Programm  laut eigenen Angaben als erste beweisgestützte Bild-Bibliothek der Welt. Dabei bleiben alle Rechte weiterhin bei den Fotografen, da Climate Visuals die Bilder nicht gehören. In den verschiedenen Galerien befinden sich thematisch-entsprechende Bilder, die mit einer Bildunterschrift versehen sind. Der Nutzer erfährt in kurzen Sätzen mehr über den Hintergrund des Fotos. Bild und Information verschmelzen zu einer neuen Darstellung des Klimawandels und schärfen den Fokus sowie den Wissenstand des Users. Ziel ist es von einer Protestkultur zurück zu einem öffentlichen Diskurs zu gelangen.      Subline: Wie sieht der Klimawandel nach den sieben Prinzipien aus?  Eine junge Frau steht auf einer hölzernen Leiter. fotografiert von Abbie Trayler-Smith, Panos Pictures. Eine wacklige Angelegenheit hoch in den Wipfeln. Doch die Frau ziert ein breites Lächeln, als sie die Solarpaneele neu justiert. Dieses Bild beschrieben die Teilnehmer als kraftvoll und leichtverständlich, und nahmen es als ein positives Beispiel im Kampf gegen den Klimawandel wahr.  Dieses Foto fällt dabei unter die Prinzipien: Zeig authentische Menschen und erzähle neue Stories. Ein weiteres Bild, eine weitere Story. Dass es in Indien immer wieder zu Überschwemmungen kommt, ist nicht überraschend zur Monsunzeit, jedoch werden diesen Regenfällen immer stärker. Auf diesem Bild erkennt man Menschen, die in einen Bus ein- und aussteigen, während sie mehr als knöcheltief im schlammigen Wasser stehen. Über ihren Köpfen sind Regenschirme gespannt. Bei diesem Bild hatten die Teilnehmer das Bedürfnis mehr über die abgebildeten Menschen zu erfahren. Ein Foto mit starker Wirkung: In entlegenen Gebieten, in denen es noch kein flächendeckendes Stromnetz gibt, ist Solarenergie eine günstige Möglichkeit Lampen erleuchten zu lassen. Dieses Bild fotografiert von Patrick Bentley (CC by 2.0) zeigt einen Jungen, der gerade seine Hausaufgaben macht. Es ist schon dunkel, aber dank der solarbetriebenen Leuchte kann er dennoch lernen. Bilder wie dieses lassen die Betrachter eine Verbindung aufbauen. Sie erkennen direkt einen positiven Nutzen der erneuerbaren Energien für den einzelnen Menschen.  Ein weiterer Faktor der erfolgreichen Bildkommunikation ist das Motiv an sich. Die Umfrage bewies, dass ein Bild länger betrachtet wird, wenn Menschen oder Tiere darauf abgebildet sind.  Neben der emotionalen Wirkung setzt Climate Visuals auf weitere Methoden. Eine davon ist die bildhafte Kontrapunktierung: Eine Waldabholzung auf der einen Seite und ein Mensch, der einen Setzling in einer ausgedörrten Landschaft pflanzt, auf der anderen Seite.  Durch die überwiegend visuelle Gestaltung des Internets hat Climate Visuals eine entsprechende Methodik entwickelt: Es werden mehrere Fotos aneinandergereiht oder zusammen abgebildet, um allein durch ihre Wirkung eine Geschichte zu erzählen. Anschließend wird diese Bilderreihe mit informativen Fakten untermauert.  Durch diese Methoden entstehen neue Wirkweisen und gleichzeitig wird eine nahbare sowie vielseitige Darstellung des Klimawandels kreiert.  Subline: Die Frage ist nun, hat dieses Programm tatsächlich etwas verändert?   Die britische Zeitung The Guardian hatte ihre redaktionellen Richtlinien hinsichtlich der bildlichen Darstellung des Klimawandels überdacht und dabei den Rat von Climate Visuals hinzugezogen. 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