La tecnología fotovoltaica integrada (BIPV) en la edificación: retos en su caracterización y cumplimiento de requisitos

A continuación se publica una de las ponencias presentadas en el I Congreso Internacional de la Ventana, la Fachada y la Protección Solar, organizado por la Asociación Española de Fabricantes de Fachadas Ligeras y Ventanas (Asefave), y celebrado en Madrid el mes de noviembre de 2023. En este artículo, ante la cada vez más frecuente incorporación de la tecnología al fotovoltaica al mundo de la edificación, se analiza cuál es el estado de la normativa al respecto y el sentido en que deben evolucionar las normativas para compatibilizar ambos mundos.

Cada vez más se escuchan las siglas BIPV dentro de los elementos de un edificio o una infraestructura, pero lo primero es definir BIPV.

Un módulo BIPV, en inglés Building-integrated photovoltaics, es un sistema o material constructivo que además genera electricidad. Por lo tanto, su funcionalidad es constructiva, y como tal, debe cumplir todos los requisitos equivalentes a los del sistema tradicional que reemplaza.

De forma secundaria, un módulo BIPV tiene la capacidad de generar electricidad in-situ, ganando cada vez mayor relevancia en el contexto de obtener edificios energéticamente casi nulos (nZEB).

Por lo tanto, un módulo BIPV es un sistema multifuncional que reemplaza al sistema constructivo original y debe distinguirse de un módulo BAPV, en inglés Building Applied Photovoltaics. Un módulo BAPV es un sistema fotovoltaico que se añade sobre el edificio, no sustituye a ningún elemento constructivo. Dentro de esta definición se encuentran todos los módulos fotovoltaicos que se colocan sobre la solución de cubierta de un edificio y que no sustituyen a ningún elemento de la misma.

Un sistema BIPV puede ser cualquier elemento del edificio que esté expuesto a radiación solar para así poder convertirla en electricidad.

Existen diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos integrados en la edificación. Las soluciones más directas son una cubierta opaca, por ejemplo, un sistema de tejas con fotovoltaica integrada y una cubierta transparente formada por un lucernario con fotovoltaica integrada en un vidrio laminado. Pero también un sistema fotovoltaico puede formar parte de elementos verticales como un muro cortina, una barandilla, una fachada ventilada o una fachada opaca convencional, elementos horizontales como un suelo o elementos externos al propio edificio, como puede ser un dispositivo de control solar. No existen limitaciones a la hora de integrar una solución fotovoltaica, los límites son impuestos por las prestaciones que deben tener los diferentes sistemas integrados por ser parte de un edificio.

En este contexto, la tecnología BIPV tiene retos tecnológicos, de evaluación, de mercado y de transferencia de conocimiento.

El reto tecnológico principal de los sistemas BIPV es desarrollar soluciones que den respuesta a las necesidades y demandas del mercado de forma global. Es decir, debe optimizarse el binomio rendimiento-estética, debe existir variedad de formatos que den respuesta a las necesidades del mercado y, por último, el coste debe estar alineado con lo que el mercado está dispuesto a pagar.

El siguiente reto que afronta la tecnología BIPV es disponer de un marco normativo específico simplificando y armonizando el proceso de marcado CE y certificación tanto desde el punto de vista de solución constructiva como de elemento eléctrico activo.

El mercado tiene un gran reto asociado a la tecnología BIPV, debe ser capaz de integrar el sector de la construcción y el sector de la fotovoltaica para que exista un desarrollo común de ambos.

Por último, es de vital importancia transferir el conocimiento de la tecnología BIPV al sector de la construcción y capacitarlo para que sea capaz de absorber esta tecnología de forma natural y con garantías.

De estos retos a los que se enfrenta la tecnología BIPV, el desarrollo de un marco normativo específico tiene especial relevancia ya que es el menos accesible. Deben seguirse procesos complejos que no dependen de la tecnología ni de los sectores implicados sino de legalidad aplicable al marco normativo. Por ejemplo, en el caso de marco normativo europeo es el CEN European Committee for Standardization el que fija cómo desarrollar una nueva norma o modificar una ya existente.

A continuación, se describe la evolución de la normalización de la tecnología BIPV a lo largo de los años.

En el año 2014 se comenzó a trabajar en el proyecto de norma prIEC 62980 Photovoltaic modules for building curtain wall applications. Esta norma estaba pensada únicamente para soluciones de muro cortina con fotovoltaica integrada pero no llegó a aprobarse.

En el año 2016 se aprobaron las normas UNE-EN 50583-1 ‘Sistemas fotovoltaicos en edificios. Parte 1: Módulos BIPV (módulos fotovoltaicos integrados en edificios)’ y UNE-EN 50583-2 ‘Sistemas foto¬voltaicos en edificios. Parte 2: Sistemas BIPV (sistemas fotovoltaicos integrados en edificios)’. Estas normas suponen el primer paso para fijar el marco regulatorio aplicable a módulos/sistemas BIPV y definen las normas aplicables en el ámbito eléctrico y en el ámbito constructivo en función del tipo de integración (cubierta, fachada, etc.) y los materiales utilizados. Estas normas siguen en vigor y actualmente son la guía para evaluar la tecnología BIPV, pero tienen una gran carencia, contemplan requisitos eléctricos y requisitos relativos a edificios como dos ámbitos independientes y sin relación aparente cuando esto no es así y no se incluyen metodologías de ensayo específicas para soluciones BIPV. Como aspectos positivos cabe destacar que en estas normas se detallan aspectos relativos al etiquetado y a la documentación y declaración del rendimiento.

En el año 2017 el proyecto de norma prIEC 62980 se cancela y se lanzan los proyectos de norma prIEC 63092-1 Photovoltaics in buildings - Part 1: Requirements for building-integrated photovoltaic modules y prIEC 63092-2 Photovoltaics in buildings - Part 2: Requirements for building-integrated photovoltaic systems basados en las normas UNE-EN 50583-1 y UNE-EN 50583-2.

En el año 2018 se aprobó la norma ‘ISO 18178 Glass in building — Laminated solar photovoltaic glass for use in buildings’. En esta norma se especifican los requisitos de apariencia, durabilidad y seguridad, los métodos de ensayo y la descripción de los vidrios laminados fotovoltaicos para su uso en edificación. Esta norma aplica tanto a vidrios fotovoltaicos BIPV como BAPV y únicamente trata el producto como material de construcción, sin incluir aspectos eléctricos. Para cubrir estos aspectos las propias normas indican que se deben tener en cuenta normas IEC 61215, IEC 61646 e IEC 61730.

A favor de esta norma debe destacarse que describe métodos de ensayo para evaluar la durabilidad de vidrio laminado fotovoltaico, pero como gran deficiencia está el hecho de que solo aplica a vidrio laminado fotovoltaico, no a la solución donde se incluye ese vidrio laminado que puede ser desde un muro cortina, un lucernario o una barandilla.

En el año 2020 se aprobaron las normas IEC 63092-1 e IEC 63092-2. Estas normas, al igual que las normas UNE-EN 50583-1 y UNE-EN 50583-2 en las que están basadas, hacen referencia a normas de fotovoltaica y normas del sector de la construcción de forma independiente y no incluyen metodologías de ensayo específicas para soluciones BIPV.

Llegado este punto se detecta una gran carencia en las normas aprobadas y en el año 2021 comienza la revisión de las normas EN 50583-1 y EN 50583-2. Actualmente, la parte 1 de la norma, aplicable a módulos BIPV, está bastante avanzada y se ha definido como evaluar diferentes prestaciones (resistencia mecánica, estanqueidad al agua, resistencia al viento, reacción al fuego, …). En cambio, se ha visto que el caso de sistema BIPV no es tan sencillo de armonizar.

Ese mismo año se lanza el grupo de trabajo conjunto ‘JWG 11 Building-Integrated Photovoltaics (BIPV)’ formado por el comité técnico ‘TC82 Solar photovoltaic energy systems’ de IEC y el comité técnico ‘TC160/SC1 Glass in building/Product considerations’ de ISO. Este grupo de trabajo conjunto asume la responsabilidad de la norma ISO 18178 y de la serie de norma IEC 63092. En ese ámbito se comienza a trabajar en el proyecto de norma ‘IEC 63092-3 IEC/AWI 63092-3 Photovoltaics in buildings — Part 3: Evaluation methodology of SHGC for Building integrated photovoltaic modules with various designs’.

De forma paralela, el grupo ‘WG 9 Light and energy transmission, thermal insulation’ del comité técnico del CEN TC 129 Glass in Building trabaja en la revisión de la norma ‘EN 410 Determination of luminous and solar characteristics of glazing’. Se ha incluido un anexo específico para BIPV Modifications to the formulae to permit calculation and declaration of the luminous and solar properties of BIPV glazing.

Por lo tanto, las pocas normas específicas de tecnología BIPV están en revisión tanto a nivel internacional como a nivel europeo.

Es destacable que la evolución normativa no va a la par de la evolución de la propia tecnología BIPV. Esto es algo habitual en otros ámbitos, pero en este caso es especialmente acusado ya que la propia sociedad y las políticas hacen que la tecnología BIPV evolucione de forma más rápida que otras tecnologías más maduras. Este salto entre tecnología y normativa implica un vacío a la hora de poner en el mercado un producto con tecnología BIPV.

Por lo tanto, la situación actual es que existe una normativa enfocada a productos BIPV pero que no resuelve el problema de fondo.

Hay una fragmentación de los requisitos para el sector fotovoltaico y el marco regulatorio de los productos para la construcción. Por una parte, se debe cumplir la directiva 2014/35/UE sobre la armonización en materia de comercialización de material eléctrico destinado a utilizarse con determinados límites de tensión y, por otra, se debe cumplir el reglamento No 305/2011 por el que se establecen condiciones armonizadas para la comercialización de productos de construcción.

En este marco regulatorio existen numerosas lagunas ya que en la directiva 2014/35/UE únicamente se tratan aspectos eléctricos y en el reglamento 305/2011 únicamente se cubren aspectos relacionados con los productos de construcción convencionales.

Esta polarización implica una falta de claridad a la hora de realizar el marcado CE de un sistema BIPV como producto de construcción.

Por último, en estos momentos no existen metodologías de ensayo específicas para la tecnología BIPV. En las normas aprobadas lo que se contemplan son menciones a normas de ensayo eléctricas o del ámbito de la construcción sin realizar ninguna adaptación de los métodos de ensayos por ser un producto BIPV.

Todo esto realza la necesidad de trabajar a favor de un marco normativo propio para la tecnología BIPV.

Por lo tanto, las razones por las que es necesario un marco BIPV propio se pueden resumir en los siguientes cuatro puntos:

• Los requisitos eléctricos (LVD-IEC) y constructivos (CPR) necesitan evaluarse de forma con¬junta y no de forma independiente.
• Las condiciones de operación de los sistemas BIPV frente a sus homólogos pasivos son diferentes, por ejemplo, las temperaturas de un muro cortina activo o pasivo pueden ser muy diferentes.
• Es necesario considerar la presencia de partes activas, por ejemplo células fotovoltaicas, cajas de conexión, … y evaluar su impacto en el cumplimiento de requisitos eléctricos y constructivos.
• Se debe simplificar y mejorar el proceso de marcado CE actual, garantizando la fiabilidad y seguridad de la tecnología y facilitar así el acceso al mercado de estos productos.

A la vista de la situación actual los canales actuación para solventarla tienen dos pilares, ambos abordados desde Tecnalia.

Por una parte, Tecnalia interacciona con diferentes grupos normativos, CENELEC e ISO para el desarrollo de normativa para sistemas BIPV.

Tecnalia participa de forma activa en la Tarea 15 de ‘IEA Photovoltaic Power Systems Programme’, cuya misión es crear un marco adecuado en el mercado mundial para los productos BIPV y BAPV teniendo en cuenta, en otros, los aspectos regulatorios.

Por otra parte, Tecnalia trabaja en proyectos de investigación con empresas y centros de inves¬tigación europeos en los cuales se ha realizado un análisis de las normas de referencia, se han identificado las lagunas de la normativa actual y se trabaja en el desarrollo de procedimientos de ensayo específicos para sistemas BIPV. Los proyectos en los que se engloban estos trabajos son BIPV boost, Mezeroe y Seamless-PV.

El punto de partida para el desarrollo de nuevas metodologías ha sido el estudio de las normas aplicables del sector de la fotovoltaica y las normas en vigor del sector de la construcción. Se ha realizado un análisis de los requisitos técnicos de ambos sectores y en base a este análisis se han identificado lagunas, requisitos incompletos o redundantes para los sistemas BIPV. Por ejemplo, la normativa eléctrica fija ensayos de durabilidad para verificar la constancia de las prestaciones eléctricas durante la vida útil del producto y de igual forma las normas de elementos constructivos contemplan también ensayos de durabilidad. Esta duplicidad debe eliminarse, ya que el objetivo final es que se mantengan en el tiempo tanto las prestaciones eléctricas como las prestaciones aplicables de acuerdo con el reglamento de productos de la construcción.

Se ha definido el enfoque desde el cual trabajar para incluir y mejorar metodologías de ensayo que permitan evaluar los requisitos exigibles a sistemas BIPV. En este trabajo es primordial disponer de información aportada por los propios fabricantes de sistemas BIPV y realizar campañas de ensayo de validación de diferentes sistemas BIPV para saber si se está trabajando en la dirección correcta.

Los requisitos básicos de las obras de construcción que se deben tener en cuenta al desarrollar nuevas metodologías de evaluación de sistemas BIPV se pueden resumir en los siguientes:

• Resistencia mecánica y estabilidad.
• Seguridad en caso de incendio.
• Ahorro de energía y aislamiento térmico.
• Seguridad eléctrica en condiciones de operación no convencionales.

Es destacable que este último requisito no está contemplado como requisito básico en el reglamento de productos de la construcción, siendo un punto clave ya que los elementos pasivos de construcción no tienen riesgo eléctrico y en este caso es algo que no debe olvidarse ya que el sistema BIPV es un elemento de construcción por el cual circula corriente eléctrica con los peligros que esto lleva asociado.

A continuación, se detallan distintos casos prácticos en los que se ha trabajado para evaluar las prestaciones de sistemas BIPV.

• Caso práctico 1 - Suelo elevado registrable de vidrio laminado BIPV

Se ha verificado el cumplimiento de los requisitos mecánicos de carga concentrada y carga repartida fijados en el Código Técnico de la Edificación para una solución de suelo. Con respecto a soluciones convencionales, la mayor diferencia detectada se debe a la influencia en los resultados de la caja de conexiones.

• Caso práctico 2 – Parasol de vidrio laminado BIPV

En este caso se ha evaluado la prestación de resistencia a la carga de viento y la prestación de reacción al fuego a escala intermedia. Ambas caracterizaciones han cumplido las expectativas, teniendo en cuenta el buen comportamiento mecánico del vidrio y el hecho de que la solución de vidrio laminado BIPV tiene una carga orgánica considerable para poder embeber las células de forma adecuada.

• Caso práctico 3 – Veture kit con capa exterior de vidrio BIPV

Las prestaciones evaluadas han sido resistencia a la carga de viento y la prestación de resistencia a impactos. En la prestación de resistencia a la carga de viento los resultados se han visto más influidos con el diseño general del Veture kit que por el hecho de ser BIPV y la prestación de resistencia al impacto, el producto se ha comportado como se esperaba teniendo en cuenta que la superficie exterior es vidrio.

Tras analizar los resultados obtenidos en estos casos prácticos, se generan las siguientes preguntas a las que se debe dar respuesta:

• ¿Qué ocurre con las células fotovoltaicas tras los ensayos mecánicos?
• ¿Sigue funcionado el módulo correctamente?
• ¿Hay riesgos añadidos que valorar?
• ¿Qué influencia puede tener ensayar el sistema BIPV conectado? Por ejemplo, ¿qué ocurriría si se realiza un ensayo de reacción al fuego con el sistema BIPV conectado?
• ¿Se conservan las prestaciones determinadas mediante ensayo en módulos BIPV sin conectar cuando estos se conectan?

Para dar respuesta a estas preguntas se han definido, dentro de los proyectos BIPVboost, MEZEROE y SEAMLESS-PV, nuevos procedimientos de evaluación de prestaciones para sistemas BIPV.

De forma genérica las prestaciones estudiadas o en proceso de estudio en los proyectos anteriores son la evaluación de la reacción al fuego con el sistema no conectado y conectado eléctricamente, caracterización de la resistencia al impacto de zonas críticas de las soluciones BIPV y caracteriza¬ción óptica de soluciones BIPV.

A continuación, se describen dos de estos procedimientos.

• Procedimiento 1- Resistencia a impacto para sistemas BIPV:

El objetivo es armonizar la evaluación de la prestación de resistencia al impacto combinando los ensayos de impacto definidos en la normativa aplicable en las normas IEC y en el reglamento de productos de la construcción.

El análisis realizado se ha focalizado en el comportamiento del sistema y en la definición de los estados límite tanto desde el punto de vista eléctrico como constructivo.

El procedimiento se ha desarrollado para evaluar de forma conjunta los requisitos como elemento de la construcción como de elemento eléctricamente activo. Para ello, se han considerado condiciones de operación a alta temperatura y a baja temperatura y se han realizado impactos de cuerpo duro (bola de acero de 0.5 o 1 kg), cuerpo blando de pequeñas dimensiones (3 kg) y cuerpo blando de grandes dimensiones (saco de 50 kg) a diferentes temperaturas tal y como se describe en el ‘EAD 040914-00-0404 Veture kits – Prefabricated units for external wall insulation and their fixings devices’.

Finalmente se ha valorado la electroluminescencia, el aislamiento eléctrico en seco (MQT 16) y aislamiento húmedo (MQT 15) para verificar el estado límite eléctrico.

Por lo tanto, con esta información queda definido el estado límite de funcionamiento del módulo BIPV.

• Procedimiento 2- Reacción al fuego para sistemas BIPV

Como en el caso anterior, el objetivo es armonizar la evaluación de la prestación de reacción al fuego teniendo en cuenta la combinación de efectos fuego-electricidad.

Para ellos se han realizado ensayos de reacción al fuego con el sistema BIPV conectado y sin conectar. Estos ensayos permiten realizar un análisis del comportamiento frente al fuego y propagación de este, cuando el sistema está conectado.

La metodología utilizada está basada en la norma de referencia para reacción al fuego en cu¬biertas CEN/TS 1187, método t1.

Para completar el estudio se ha propuesto realizar un ensayo outdoor con los módulos en condiciones de operación.

Es necesario realizar una buena aproximación al comportamiento de los sistemas BIPV en condiciones de operación, es decir, con el sistema conectado y sometido a las diferentes acciones presentes en la edificación.

En base a los resultados obtenidos del estudio de las prestaciones del sistema BIPV en condiciones finales de uso, se deberán incorporar las diferentes metodologías desarrolladas y validadas a las normas en revisión, ya que actualmente, las exigencias de estas normas no unifican los criterios eléctricos y constructivos aplicables a sistemas BIPV.

Referencias

• BIPBboost - Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención nº 817991. www.bipvboost.eu
• MEZEROE - Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención nº 953157. www.mezeroe.eu
• SEAMLESS-PV – Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizon Europe de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención nº 101096126. www.seamlesspv.eu