Photovoltaik

Pho­to­vol­ta­ik

BAU­WERK­IN­TE­GRIER­TE PHO­TO­VOL­TA­IK

So­lar­strom­an­la­gen als teil der Gebäudehülle

von Mar­tin Frey

In ei­ner Se­rie be­rich­te­te die SON­NEN­EN­ER­GIE (6/​2012–3/​2013) ausführ­lich über Grund­la­gen, ak­tu­el­le Trends und lang­fris­ti­ge Ent­wick­lun­gen der bau­werk­in­te­grier­ten Pho­to­vol­ta­ik (BIPV). Hier ha­ben wir für Sie das We­sent­li­che zu­sam­men­ge­fasst.

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Bild 1: Für das „Eco­bau­haus“ im schwei­ze­ri­schen Laax hat der öster­rei­chi­sche BIPV­Lie­fe­rant MGT-esys eine kom­plett ge­schlos­se­ne Fas­sa­de aus opa­ken PV-Ele­men­ten ge­schaf­fen. © Foto: MGT-esys GmbH

In ei­ner Se­rie be­rich­te­te die SON­NEN­EN­ER­GIE (6/​2012–3/​2013) ausführ­lich über Grund­la­gen, ak­tu­el­le Trends und lang­fris­ti­ge Ent­wick­lun­gen der bau­werk­in­te­grier­ten Pho­to­vol­ta­ik (BIPV). Hier ha­ben wir für Sie das We­sent­li­che zu­sam­men­ge­fasst.

PO­TEN­ZI­AL, BAU­TEI­LE UND MÖGLICH­KEI­TEN DER MEHR­FACH­NUT­ZUNG

Der Aus­bau der So­lar­strom­nut­zung in­ner­halb des Gebäude­be­reichs er­folg­te bis­lang fast aus­sch­ließlich in Form von Auf­dachmon­ta­gen. Dass man da­mit die Gebäudehülle kom­plett er­setzt, ist noch im­mer die große Aus­nah­me. Dies liegt un­ter an­de­rem dar­an, dass die Rea­li­sie­rung durch­aus an­spruchs­vol­ler ist. Schon bei der Be­griff­lich­keit be­ginnt es: Die In­te­gra­ti­on von Pho­to­vol­ta­ik wird meist als „Gebäud­e­in­te­grier­te Pho­to­vol­ta­ik“ (GIPV), eng­lisch „Buil­ding-in­te­gra­ted pho­to­vol­taics“, kurz BIPV, be­zeich­net. Heinz Hull­mann, apl. Pro­fes­sor an der Leib­niz Uni­ver­sität Han­no­ver, plädiert dafür, den Be­griff auf „Bau­werk­in­te­grier­te Pho­to­vol­ta­ik“ (BIPV) aus­zu­wei­ten, da auch an­de­re Flächen nutz­bar sind, etwa auf Vordächern oder Lärm­schutzwänden, die zwar Bau­wer­ke, dafür aber kei­ne Gebäude sei­en. Hull­mann ist Lei­ter der Fach­grup­pe „Bau­werk­in­te­grier­te Pho­to­vol­ta­ik“ des in Ko­blenz ansässi­gen Bun­des­ver­ban­des Bau­sys­te­me.

30 % des Strom­be­darfs

Ak­tu­ell be­ginnt die BIPV, bei Ar­chi­tek­ten und Bau­her­ren mehr und mehr An­klang zu fin­den: Bei­spiels­wei­se wur­den bei Bahn­hofs­neu­bau­ten in Ut­recht (2010), Tu­rin und Rot­ter­dam (bei­de 2012) So­lar­zel­len in die Dach­haut in­te­griert. Ähn­li­ches gilt für et­li­che Fußball­sta­di­en, In­dus­trie- und Ge­wer­be­bau­ten so­wie pri­va­te Pro­jek­te. Das Po­ten­zi­al für BIPV in Deutsch­land ist tatsächlich erst im An­satz er­schlos­sen: Laut Dena-Gebäude­re­port 2009 gibt es hier­zu­lan­de rund 18 Mio. Wohn­gebäude. Hin­zu kom­men wohl um die 1,5 Mio. Nicht-Wohn­gebäude. Zu­sam­men exis­tie­ren also rund 20 Mio. Gebäude. Das In­sti­tut für Um­welt­tech­nik und En­er­gie­wirt­schaft (IUE) der Tech­ni­schen Uni­ver­sität Ham­burg-Har­burg hat un­ter Lei­tung von Mar­tin Kalt­sch­mitt für die Gebäudedächer ein tech­nisch nutz­ba­res Flächen­po­ten­zi­al von 742 Mio. m2 er­mit­telt. Hin­zu kom­men noch ein­mal 348 Mio. m2 Fas­sa­den­flächen.

Zu­sam­men ste­hen für So­lar­ener­gie­nut­zung rund 1.000 km2 zur Verfügung. Mit rund 900 km2 ent­spricht das ei­ner Fläche, die 20 % größer ist, als die des Bun­des­lan­des Ber­lin 1). Vol­ker Qua­sch­ning von der HTW Ber­lin rech­net für die Zeit beim Er­sch­ließen des Po­ten­zi­als mit ei­nem Wir­kungs­grad von 18–20 %. Geht man von nur 18 % aus, er­gibt sich eine in­stal­lier­ba­re Leis­tung von 196,2 GWp, mit der sich jähr­lich 176,6 TWh Strom ge­win­nen ließen. Be­zo­gen auf den deut­schen Jah­res­strom­be­darf von 584 TWh be­deu­tet dies ei­nen An­teil der mögli­chen Strom­ge­win­nung al­lein aus der Gebäudehülle von rund 30 %. Da­von ab­zu­zie­hen sind frei­lich noch Flächen für So­lar­ther­mie, so­fern kei­ne Hy­bridkol­lek­to­ren zum Ein­satz kom­men, die bei­de Nut­zun­gen auf der­sel­ben Fläche mit­ein­an­der kom­bi­nie­ren.

Ver­schie­de­ne Bran­chen

An­ders als bei Auf­dach-PV-An­la­gen sind bei bau­werk­in­te­grier­ten An­la­gen eine Viel­zahl an Ak­teu­ren möglich. Das fängt schon bei der Her­stel­lung an: Die Mo­du­le kom­men ent­we­der von klas­si­schen PV-Pro­du­zen­ten, die Mo­du­le zur Gebäud­e­in­te­gra­ti­on ne­ben­her im Pro­gramm ha­ben oder von Glas­her­stel­lern, die zu­meist ein­zig und al­lein BIPV-Pro­duk­te an­bie­ten. Die An­bie­ter von Mon­ta­ge­sys­te­men sind meist Pro­du­zen­ten von Stahl- oder Alu­mi­ni­um­pro­fi­len, die bis­lang schon Pfos­ten-Rie­gel-Kon­struk­ti­onen für den Fas­sa­den­be­reich an­bie­ten.

Vielfälti­ge An­wen­dungs­be­rei­che

In der Gebäudehülle bie­tet sich ein brei­tes Spek­trum an An­wen­dungs­fel­dern für So­lar­tech­nik: Die Dach­fläche kann kom­plett durch So­lar­mo­du­le er­setzt wer­den. PV-be­schich­te­te Me­talldächer oder in Fo­li­en in­te­grier­te Dünn­schicht­zel­len bie­ten die Möglich­keit ei­ner be­son­ders ein­fa­chen Mon­ta­ge. Künf­tig wer­den auch PV-Fo­li­en Be­stand­teil tex­ti­ler Mem­brandächer wer­den. Trans­pa­ren­te Dach­struk­tu­ren las­sen schon heu­te an vie­len Pro­jek­ten Ta­ges­licht ins Gebäud­ein­ne­re. Für denk­mal­pfle­ge­risch sen­si­ble Be­rei­che sind PV-Dach­zie­gel in ver­schie­dens­ten For­men und Farb­ge­bun­gen auf dem Markt erhält­lich.

Auch im Fas­sa­den­be­reich sind die So­larlösun­gen ähn­lich vielfältig: Der Bau­herr hat die Wahl zwi­schen opa­ken So­lar­fas­sa­den, die meist als Kalt­fas­sa­de aus­geführt wer­den (Bild 1) so­wie trans­pa­ren­ten Va­ri­an­ten für Warm­fas­sa­den, die ent­spre­chend ih­rer Licht­trans­mis­si­on für mehr oder we­ni­ger Ta­ges­licht sor­gen und so, auch in Kom­bi­na­ti­on mit ein­fa­chem Wärme­ver­bund­glas, den Kli­ma­ti­sie­rungs­be­darf des Gebäudes be­ein­flus­sen. Auch der Ein­satz von PV in Ober­lich­tern, Klapp- oder Schie­beläden, Son­nen­schutz­la­mel­len an Brüstun­gen und in Vordächern er­wei­tert den Spiel­raum für den Ge­stal­ter.

Mehr­fach­funk­tio­nen nut­zen

BIPV-Lösun­gen bie­ten ge­genüber auf­ge­setz­ten PV-An­la­gen auch eine größere Viel­falt an Mehr­fach­funk­tio­nen: Ne­ben der Ästhe­tik und der Ba­sis­funk­ti­on der Strom­er­zeu­gung können sie gan­ze Gebäude­tei­le er­set­zen, trans­pa­ren­te Mo­du­le ge­ben die Möglich­keit der Ta­ges­licht­nut­zung. De­ren Teil­ver­schat­tung eröff­net im Ein­zel­fall die Möglich­keit, auf eine Kli­ma­an­la­ge zu ver­zich­ten bzw. sie spar­sa­mer zu di­men­sio­nie­ren. Ne­ben den klas­si­schen Schutz­funk­tio­nen vor Wit­te­rung, Wärme­ver­lust und Schall können die PV-Ele­men­te aber auch die Ab­schir­mung ge­genüber elek­tro­me­cha­ni­scher Strah­lung bie­ten. Dies kann in Ge­wer­be­bau­ten eine wert­vol­le Zu­satz­leis­tung sein.

Kom­bi­na­ti­on mit In­no­va­tio­nen

Et­li­che Ind­ach­sys­te­me kom­bi­nie­ren zu­dem Pho­to­vol­ta­ik, So­lar­ther­mi­sche An­la­gen so­wie Dach­fens­ter in ei­nem Ras­ter­maß. Es be­steht auch die Möglich­keit, hin­terlüfte­te PV-Ele­men­te zur Wärme­ge­win­nung zu nut­zen oder PV-Ele­men­te im Win­ter zeit­wei­se zu Be­hei­zen um Schnee­las­ten zu ent­fer­nen. Darüber hin­aus können in Glas-Glas-Mo­du­len lich­te­mit­tie­ren­de Di­oden (LEDs) die Gebäudehülle far­big be­leuch­ten und so zur „Me­di­en­fas­sa­de“ ma­chen. Auch eine Be­leuch­tung des In­nen­raums ist darüber denk­bar, durch ent­spre­chen­de op­ti­sche Streu­ele­men­te ist für eine gleichmäßige Licht­ver­tei­lung zu sor­gen. Zum Son­nen­schutz können auch schalt­ba­re Gläser bzw. zur Wärme­ge­win­nung in die Glas­schei­ben in­te­grier­te Pha­sen­wech­sel-Spei­cher­ele­men­te ein­gefügt wer­den. Strom­er­zeu­gung so­wie zu­gleich das Sen­den bzw. Emp­fan­gen von hoch­fre­quen­ten Kom­mu­ni­ka­ti­ons­si­gna­len ermöglicht eine be­reits beim ISET in Kas­sel ent­wi­ckel­te An­ten­nen­an­la­ge. Die­se glie­dert sich op­tisch kom­plett in die Fas­sa­de ein, sie re­du­ziert Funk­schat­ten, hat aber auch eine re­du­zier­te Sen­de­feldstärke, was der Elek­tro­s­mog­be­las­tung in Wohn­sied­lun­gen ent­ge­gen­wirkt. Eine wei­te­re in­tel­li­gen­te Zu­satz­funk­ti­on kann die ei­ner Alarm­an­la­ge sein, wenn in den Span­nungs­kreis ei­ner PV-An­la­ge eine mo­du­lier­te Hoch­fre­quenz ein­ge­kop­pelt wird, wel­che Alarm schlägt, so­bald sie un­ter­bro­chen wird.

Be­reits vor zwan­zig Jah­ren setz­te sich Chris­ti­an Ben­del für BIPV ein: „Schon auf der Hand­werks­mes­se 1992 in Frank­furt am Main habe ich das Pos­tu­lat des Mehr­fach­nut­zens for­mu­liert“, erzählt der Sach­verständi­ger für pho­to­vol­tai­sche An­la­gen­tech­nik aus dem hes­si­schen Schau­en­burg. In der da­ma­li­gen Zeit hat­te auch Ar­chi­tekt Tho­mas Her­zog in München ein Pri­vat­haus mit der ers­ten gebäud­e­in­te­grier­ten So­lar­fas­sa­de aus­gerüstet. Ben­del gründe­te da­mals am ISET-In­sti­tut in Kas­sel ein ei­ge­nes Ar­beits­ge­biet zur BIPV und brach­te die Ent­wick­lung von so­ge­nann­ten „Mul­ti­ele­men­ten“, die meh­re­re Funk­tio­nen in ei­nem Bau­teil über­neh­men, vor­an. Ben­del ver­starb am 25. No­vem­ber 2012. Mit ihm ver­lor die Pho­to­vol­ta­ik-Ge­mein­de ei­nen be­deu­ten­den Pio­nier.

KOM­PO­NEN­TEN & AN­BIE­TER

Die bau­werk­in­te­grier­te Pho­to­vol­ta­ik gilt zu Recht als Al­leskönner: So­wohl Mo­du­le als auch Mon­ta­ge­sys­te­me sind in rei­cher Aus­wahl auf dem Markt. Trans­pa­ren­te, far­bi­ge oder auch fle­xi­ble Mo­du­le auf Kunst­stoff­fo­li­en so­wie in­no­va­ti­ve und leich­te Trag­kon­struk­tio­nen fördern die krea­ti­ven Möglich­kei­ten.

In­di­vi­du­el­le Mo­du­le

Es gibt zahl­rei­che Spe­zi­al­fir­men, die aus Stan­dard­zel­len hoch­in­di­vi­du­el­le Mo­dullösun­gen fer­ti­gen. Es wer­den so­wohl mo­no­kris­tal­li­ne- als auch po­ly­kris­tal­li­ne Zel­len und Dünn­schicht­mo­du­le ver­ar­bei­tet. Die Kun­den ha­ben die Aus­wahl un­ter zahl­lo­sen Kom­bi­na­ti­onsmöglich­kei­ten, bei­spiels­wei­se hin­sicht­lich Zell­typ, Ab­mes­sun­gen, Glas­art so­wie starr oder nach­geführt. Un­abhängig da­von, ob ein Mo­dul recht­eckig oder qua­dra­tisch, drei­eckig, tra­pezförmig oder rund ge­stal­tet wird, stellt sich die Her­aus­for­de­rung, stets gleich vie­le Zel­len mit­ein­an­der zu ver­bin­den, da­mit in­ner­halb ei­ner Ver­schal­tungs­ein­heit, den Strings, glei­che Span­nun­gen und Ströme auf­tre­ten. Blind­mo­du­le, sog. Dum­mies, die­nen dem rand­li­chen Ab­schluss bzw. wer­den in Be­rei­chen mit Ver­schat­tung ein­ge­setzt.

Dünn­schicht­tech­nik

Während bei klas­si­schen Auf­dach­an­la­gen meist kris­tal­li­ne Mo­du­le zum Ein­satz kom­men, spielt im Indach-, be­vor­zugt je­doch im Fas­sa­den­be­reich, die Dünn­schicht­tech­nik eine im­mer wich­ti­ge­re Rol­le. Dies liegt ei­ner­seits an ih­ren ver­gleichs­wei­se höhe­ren Wir­kungs­gra­den im Schwach­licht­be­reich, lie­fern sie doch auch bei ungüns­tig aus­ge­rich­te­ten Fas­sa­den noch aus­rei­chend En­er­gie. Außer­dem bie­ten sie op­tisch ein ein­heit­li­che­res Er­schei­nungs­bild.

Trans­pa­ren­te Mo­du­le

Ge­ra­de im Gebäude­be­reich spielt Trans­pa­renz von So­larflächen eine im­mer größere Rol­le. Ar­chi­tek­ten können dank der Kom­bi­na­ti­on von Wärme­schutz­ver­gla­sung und trans­pa­ren­ten So­lar­mo­du­len den Ein­satz­be­reich der Pho­to­vol­ta­ik deut­lich er­wei­tern und at­trak­ti­ve In­nen­raum­stim­mun­gen durch das ein­fal­len­de Ta­ges­licht er­zeu­gen. Die Trans­pa­renz wird bei kris­tal­li­nen Mo­du­len wahl­wei­se durch den Ab­stand der Zel­len be­zie­hungs­wei­se durch eine Per­fo­rie­rung er­reicht. So kann ein mo­no­kris­tal­li­nes Mo­dul mit 3 mm Zell­ab­stand 16 % Trans­pa­renz und eine Leis­tung von 165,8 W/​m2 er­rei­chen, wo­hin­ge­gen ei­nes mit 5 cm Zell­ab­stand zwar 46 % Trans­pa­renz er­zielt, was al­ler­dings le­dig­lich 66,4 W/​m2 Leis­tung mit sich bringt. Bei Dünn­schicht­zel­len, die 10 % und 20 % Trans­pa­renz ha­ben, ent­steht die Licht­durchlässig­keit während der Fer­ti­gung durch Struk­tu­rie­rung der Stromführungs­bah­nen mit­tels La­ser.

Ab­wechs­lung durch far­bi­ge PV

Ne­ben Chan­cen ei­ner trans­pa­ren­ten Ge­stal­tung lie­fert auch eine un­ter­schied­li­che Farb­ge­bung vielfälti­ge ar­chi­tek­to­ni­sche Lösun­gen. So­lar­zel­len können da­bei grundsätz­lich auf drei Ar­ten ein­gefärbt wer­den. Die ein­fachs­te ist die, mit­tels der Wahl der Zell­tech­no­lo­gie ihre je­weils ge­ge­be­ne Far­big­keit zu nut­zen. Mo­no­kris­tal­li­ne Zel­len sind etwa von Na­tur aus schwarz, wo­hin­ge­gen amor­phe Zel­len teils vio­lett schim­mern.

Die wei­te­re Möglich­keit der Farb­be­ein­flus­sung be­steht dar­in, die Stärke der An­ti­re­flex­schicht zu verändern. Auf die­se Wei­se las­sen sich bei kris­tal­li­nen Zel­len an­de­re Farbtöne als Blau er­zie­len, wel­ches aus der Sicht des Wir­kungs­gra­des je­doch op­ti­mal ist (> 17 %). Wer mul­ti­kris­tal­li­ne Zel­len lie­ber in Sma­ragd be­vor­zugt, muss mit noch 15,8 % rech­nen. Ei­nen noch ge­rin­ge­ren Wir­kungs­grad er­zie­len Oberflächen in Bron­ze (15,1 %), Gold, (14,1 %) oder Sil­ber (13,0 %). Farb­lich weit in­ten­si­ve­re Ef­fek­te las­sen sich durch far­bi­ge Glas­schei­ben, Fo­li­en oder Sieb­dru­cke er­zie­len, die auf der Gebäud­ein­nen­sei­te auf­ge­bracht wer­den, um nicht den Son­nen­ein­fall auf die Zel­le zu min­dern.

Dass die Ar­chi­tek­turhülle der Zu­kunft weit mehr können muss, als Strom zu er­zeu­gen, spricht sich im­mer mehr her­um: Auch Wärme­ge­win­nung und an­de­re Funk­tio­nen wer­den in­te­grier­bar. „Ad­ap­ti­ve Gebäudehüllen“ sol­len es hier ermögli­chen, dass sich die Fas­sa­de dem Wan­del ih­rer Um­ge­bung, be­dingt durch Ta­ges­zeit, Wet­ter oder Sai­son, an­pas­sen kann.

Mo­du­lauf­bau je nach Be­darf

Je nach Be­darf ste­hen für bau­werk­in­te­grier­te PV-Lösun­gen un­ter­schied­li­che Glas­kom­bi­na­tio­nen zur Verfügung: Ist ge­rin­ges Ge­wicht und güns­ti­ger Preis ge­fragt, können Glas-Fo­li­en-Mo­du­le mit Ein­schei­ben-Si­cher­heits­glas (EFL) ih­ren Zweck erfüllen. Nach gel­ten­den Bau­nor­men darf dies aber nur bis zu ei­ner be­stimm­ten Ein­bauhöhe und mit ent­spre­chen­den Mon­ta­ge­sys­te­men aus­geführt wer­den. Bei Ind­achmon­ta­gen bie­ten sich Ver­bund­si­cher­heits-Dünn­glas-Mo­du­le (VSG-EVO) an. Sol­len Mo­du­le in Kalt­fas­sa­den oder über Kopf zum Ein­satz kom­men, sind Ver­bund­si­cher­heits­glas-Mo­du­le (VSG) das Mit­tel der Wahl. Für Warm­fas­sa­den bzw. im über­kopf­be­reich be­heiz­ter Räume gibt es Ver­bund­si­cher­heits-Iso­lier­glas-Mo­du­le (VSG-ISO). Gute Wärmedämm­ei­gen­schaf­ten spie­len da­bei eine im­mer größere Rol­le: Bei 2-Schei­ben-Glas mit Edel­gasfüllung ist ein U-Wert von 1,1 W/(​m2.K), bei 3 Schei­ben ein U-Wert von 0,5 W/(​m2.K) zu er­rei­chen.

BIPV-Mo­du­le müssen in ih­rer Funk­ti­on als Bau­pro­dukt be­son­de­re Si­cher­heits­auf­la­gen erfüllen, da sie zum Bei­spiel auch als Geländer zur Ab­sturz­si­che­rung ein­ge­setzt wer­den können. Bei Ver­bund­si­cher­heits­glas (VSG) ver­hin­dern zwi­schen den Gläsern auf­ge­tra­ge­ne Fo­li­en das Zer­split­tern der Glas­schei­be und ga­ran­tie­ren de­ren Rest­tragfähig­keit.

Mon­ta­ge­sys­te­me

Für den per­fek­ten Sitz bau­werk­in­te­grier­ter An­la­gen ist die Wahl der rich­ti­gen Be­fes­ti­gung von größter Be­deu­tung. Meist wird man dazu eine li­nea­re La­ge­rung ent­lang von Leis­ten oder Pfos­ten-Rie­gel-Kon­struk­tio­nen (Bild 2) ver­wen­den. Eben­so sind nach­geführte An­la­gen, meist li­ne­ar ge­la­gert. Wenn auf ein­heit­li­che Glas­flächen ohne Leis­ten zwi­schen den Mo­du­len Wert ge­legt wird, kom­men Punkt­hal­te­run­gen zum Ein­satz.

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Bild 2: Die Pfos­ten-Rie­gel-Kon­struk­ti­on nimmt die Ka­bel der So­lar­mo­du­le auf und lei­tet sie ver­deckt zum Wech­sel­rich­ter­an­schluss. Mo­du­le und die Glas­schei­ben sind mit Gum­mi­dich­tun­gen zum Me­tall­rah­men hin ver­se­hen. © Foto: Mar­tin Frey

Für Ind­ach­sys­te­me hal­ten die An­bie­ter das wohl um­fang­reichs­te Spek­trum an Mon­ta­ge­sys­te­men be­reit. Längst vor­bei sind die Zei­ten, als in Ton­zie­gel ein­ge­las­se­ne So­lar­zel­len als In­te­gra­ti­onslösung an­ge­prie­sen wur­den. Heu­te sind Pho­to­vol­ta­ik-Dach­zie­gel meist aus­ge­reif­te strom­er­zeu­gen­de Schin­deln, wel­che ein ein­heit­li­ches Dach­bild er­ge­ben.

Aber auch Mo­du­le in Stan­dard­for­ma­ten und Dünn­schicht-Fo­li­en­bah­nen können idea­le Lösun­gen für Ge­neigt- bzw. Flachdächer sein. Be­son­ders leich­te Glas-Glas-Mo­dul als Indach-Sys­tem, Ind­ach­sys­te­me oder PV-Mo­du­le in dem­sel­ben Ras­ter­maß wie ther­mi­sche Kol­lek­to­ren oder Dach­fens­ter. Für große Flachdächer wer­den auch So­lar-La­mi­na­te in Dünn­schicht­tech­no­lo­gie an­ge­bo­ten.

Mon­ta­ge­sys­te­me für Fas­sa­den

Bei Fas­sa­den kom­men oft­mals Pfos­ten-Rie­gel-Kon­struk­tio­nen zum Ein­satz. Sol­che Mon­ta­ge­sys­te­me wer­den be­vor­zugt in Alu­mi­ni­um ge­fer­tigt, wahl­wei­se auch in Stahl. Kon­struk­tio­nen aus Holz sind noch eher sel­ten zu fin­den – im Rah­men die­ser Re­cher­che konn­ten dazu kei­ne Sys­tem­an­bie­ter aus­fin­dig ge­macht wer­den. Meist han­delt es sich bei Pro­jek­ten um In­di­vi­duallösun­gen ein­zel­ner Schrei­ne­rei­en.

Der Auf­bau der Pfos­ten-Rie­gel-Kon­struk­ti­on bie­tet Vor­tei­le für die Ka­b­elführung: Die Pro­fi­le neh­men die Ka­bel der So­lar­mo­du­le auf und lei­ten sie ver­deckt Rich­tung An­schluss. Der Ab­stand zwi­schen Mo­dul bzw. Glas­schei­be und Me­tall­rah­men wird mit­tels Gum­mi­leis­ten ab­ge­dich­tet. Soll auf außen lie­gen­de Press­leis­ten, die die Stöße über­brücken, ver­zich­tet wer­den, so kann Struc­tu­ral-Gla­zing zum Ein­satz kom­men: Hier wird die Last der Glas­fas­sa­de über eine ver­deck­te Hal­te­rung ab­ge­fan­gen, und die Glas­schei­ben bzw. Mo­du­le sind le­dig­lich mit­ein­an­der ver­klebt. Eine Son­der­form der Kalt­fas­sa­den ist die vor­gehängte hin­terlüfte­te PV-Fas­sa­de (Bild 3). Ma­xi­ma­le Ge­stal­tungs­frei­heit bie­tet der Ein­satz von Seil­kon­struk­tio­nen, da­bei hängen die Mo­du­le frei in ei­ner Seil­ver­span­nung, die Mo­du­le sind z.B. nur mit Klam­mern mit den Stahl­sei­len ver­bun­den.

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Bild 3: Das neue voll­au­to­ma­ti­sche Hoch­re­gal­la­ger des Tex­til­un­ter­neh­mens Ern­sting´s fa­mi­ly in Coes­feld-Let­te be­sitzt eine vor­gehängte ge­fal­te­te So­lar­mem­bran, die ne­ben der Strom­pro­duk­ti­on je nach Jah­res­zeit Wärme­ge­win­ne bzw. Ver­schat­tung ermöglicht. © Foto: Ern­sting´s fa­mi­ly GmbH & Co. KG

KOS­TEN & WIRT­SCHAFT­LICH­KEIT

Aus­ge­rech­net bei der BIPV, die un­ter dem Ge­ne­ral­ver­dacht steht, ex­trem teu­er zu sein, ge­stal­tet sich die Be­weisführung für den fi­nan­zi­el­len Nut­zen als ein be­son­ders schwie­ri­ges Un­ter­fan­gen.

Kri­te­ri­en zur Be­ur­tei­lung

Um die Wirt­schaft­lich­keit ei­nes BIPV-Pro­jek­tes zu be­ur­tei­len, sind die In­ves­ti­ti­on so­wie und die lau­fen­den Kos­ten der Sum­me der Ein­nah­men über die Zeit der Le­bens­dau­er ge­genüber­zu­stel­len. Am schwie­rigs­ten da­bei ist, An­nah­men darüber zu tref­fen, wie der Wert der Mehr­fach­nut­zen, etwa durch ver­mie­de­ne Kli­ma­ti­sie­rung oder Ta­ges­licht­ge­win­ne, zu be­zif­fern ist. Hin­zu kommt, dass die Prei­se für die So­lar­mo­du­le zwar ste­tig fal­len, dies bei der BIPV aber ent­we­der ab­ge­schwächt oder erst später zum Tra­gen kommt. Die En­er­gie­prei­se hin­ge­gen dürf­ten auch in den kom­men­den Jahr­zehn­ten wei­ter an­zie­hen – was zu­min­dest den Ein­satz der BIPV im­mer at­trak­ti­ver macht.

Er­war­tun­gen der Kun­den

Eine Un­ter­su­chung des Markt­for­schungs­in­sti­tu­tes EuPD Re­se­arch aus dem Jahr 2009 zeig­te, dass für den Kun­den bei BIPV-Pro­duk­ten ne­ben den Ga­ran­tie­be­din­gun­gen vor al­lem wich­tig ist, dass sie eine hohe Ef­fi­zi­enz, aber auch ei­nen güns­ti­gen Preis auf­wei­sen. Die Be­frag­ten gin­gen mehr­heit­lich da­von aus, dass Mo­du­le, Mon­ta­ge­sys­te­me und Mon­ta­ge­kos­ten von BIPV-Sys­te­men teu­rer sei­en als nicht-in­te­grier­te Sys­te­me. Im­mer­hin äußer­ten aber auch be­reits acht bzw. 18 % die Er­war­tung, dass Mon­ta­ge­sys­te­me und Mon­ta­ge­kos­ten nied­ri­ger aus­fal­len könn­ten.

Mo­dul- und Sys­tem­kos­ten

So­lar­mo­du­le zur Gebäud­e­in­te­gra­ti­on sind in al­ler Re­gel teu­rer als herkömm­li­che Mo­du­le: Fach­leu­te sind sich dar­in ei­nig, dass die ho­hen Kos­ten der BIPV oft auch an de­ren ge­rin­gen Stück­zah­len liegt. Ne­ben den Mo­dul- bzw. Sys­tem­kos­ten ent­ste­hen wei­te­re Kos­ten: Pla­nungs- und Mon­ta­ge­kos­ten, außer­dem Mehr­wert­steu­er, War­tung und Re­pa­ra­tur, even­tu­el­le Min­der­erträge in­fol­ge De­gra­da­ti­on bzw. Be­triebs­ausfällen so­wie Ver­si­che­run­gen, Ein­kom­men­steu­er und Kre­dit­zin­sen.

Ther­mi­sche Sys­te­me

Dass nicht nur im Dach son­dern auch an der Fas­sa­de eine Kom­bi­na­ti­on von Strom­er­zeu­gung und Wärme­ge­win­nung sinn­voll er­scheint, be­weist die re­la­tiv hohe Wirt­schaft­lich­keit ak­ti­ver ther­mi­scher Sys­te­me, wie Luft- und Warm­was­ser­kol­lek­to­ren. De­ren Flächen­kos­ten lie­gen schon länge­re Zeit zwi­schen de­nen pas­si­ver ther­mi­scher Sys­te­me – wie Win­tergärten oder Trans­pa­ren­ter Wärmedämmung – so­wie hy­bri­der Sys­te­me wie der Bau­teil­ak­ti­vie­rung. Dies er­gab eine Aus­wer­tung ver­schie­de­ner so­la­rer Fas­sa­den­sys­te­me in ei­nem For­schungs­pro­gramm des Bun­des­wirt­schafts­mi­nis­te­ri­ums aus dem Jahr 2005. Ge­ra­de sol­che Sys­te­me ermöglich­ten die höchs­ten bau­teil­flächen­spe­zi­fi­schen En­er­gie­ge­win­ne 2).

Stromer­trag und Bau­tei­le

Als Erträge, die den Kos­ten ei­ner BIPV-An­la­ge ge­genüber­ge­stellt wer­den können, zählen ei­ner­seits die En­er­gie­erträge aus der Ein­spei­se­vergütung über 20 Jah­re bzw. der ver­mie­de­ne Strom­be­zug bei Ei­gen­ver­brauch. Der Stromer­trag hängt da­bei teils vom Stand­ort ab, aber auch den Mo­du­len und ih­rer Nei­gung. Bei Südfas­sa­den ist mit ei­nem Min­der­ertrag ge­genüber der op­ti­mal ge­neig­ten Dach­an­la­ge von etwa 30 % zu rech­nen. In­dem die BIPV-Mo­du­le an­de­re Gebäude­tei­le er­set­zen, kann der Wert die­ser nicht benötig­ten Gebäudehüllen-Ma­te­ria­li­en von den Kos­ten ab­ge­zo­gen wer­den. Das gilt auch für jene Pla­nungs- und Mon­ta­ge­kos­ten, die bei ei­ner Re­fe­renz­fas­sa­de an­ge­fal­len wären. Wel­che Er­spar­nis­se dar­aus re­sul­tie­ren, hängt stark vom er­setz­ten Ma­te­ri­al ab: Ein Qua­drat­me­ter Dach­zie­gel mit Un­ter­bau hat oft nur ei­nen Wert von 40 EUR.

Fas­sa­den­in­te­grier­te Pho­to­vol­ta­ik­an­la­gen können durch ihre Ver­schat­tungs­leis­tung den Kli­ma­ti­sie­rungs­be­darf im Gebäude sen­ken. Bei der al­lei­ni­gen Be­trach­tung der In­vest­kos­ten ist die Iso­lier­glas­fas­sa­de oft­mals am güns­tigs­ten und die PV-Fas­sa­de am teu­ers­ten. Aber so­bald die So­lar­strom­ge­win­ne vor al­lem die ver­mie­de­nen Kos­ten der Kli­ma­ti­sie­rung auf­grund der Ver­schat­tung mit ein­be­zo­gen wer­den, sieht es an­ders aus.

Ta­ges­licht und Zu­satz­nut­zen

Wei­te­re Erträge sind durch Ta­ges­licht­ge­win­ne zu er­wirt­schaf­ten. In ih­rem Bei­trag zum OTTI-PV-Sym­po­si­um im Jah­re 2011 er­mit­tel­ten Hull­mann und Schütze, dass Funk­tio­nen wie Wet­ter­schutz, Schall­schutz, An­ten­nen­funk­ti­on oder ge­stal­te­ri­sche Auf­ga­ben mit ih­rem je­wei­li­gen Wert von den Ge­samt­kos­ten ab­ge­zo­gen wer­den können.

In ei­ner Stu­die un­ter­such­te nun das Fraun­ho­fer ISE aus Frei­burg in Zu­sam­men­ar­beit mit dem In­sti­tut für In­dus­trie­be­triebs­leh­re und In­dus­tri­el­le Pro­duk­ti­on (IIP) des Karls­ru­her In­sti­tuts für Tech­no­lo­gie (KIT) den Ein­fluss se­mi­t­rans­pa­ren­ter BIPV auf die Le­bens­zy­klus­kos­ten ei­nes Gebäudes. Als Si­mu­la­ti­ons­ob­jekt wur­de dazu ein vir­tu­el­ler Büro­raum mit ei­ner BIPV-Fas­sa­de gewählt. Zum Ein­satz kom­men wahl­wei­se je vier Va­ri­an­ten an Zell­tech­no­lo­gi­en so­wie Trans­pa­renz­gra­den. Ne­ben dem Stromer­trag so­wie den ein­ge­spar­ten Kos­ten ge­genüber ei­ner kon­ven­tio­nel­len Fas­sa­de wur­den die Aus­wir­kun­gen auf die Ge­samt­ener­gie­bi­lanz un­ter­sucht – be­ein­flusst doch der Licht­durch­lass di­rekt den Heiz-, Kühl- so­wie Kunst­licht­be­darf im Raum.

Die Be­rech­nun­gen zeig­ten deut­li­che Un­ter­schie­de auf: So er­zeug­ten mono- und mul­ti­kris­tal­li­ne Si­li­zium­mo­du­le un­ter den ge­ge­be­nen Preis­an­nah­men ge­rin­ge­re Mehr­kos­ten ge­genüber ei­ner Re­fe­renz­fas­sa­de als amor­phe Si­li­zium­mo­du­le und CIGS-Mo­du­le, da sie auf der glei­chen be­leg­ten Fläche mehr Strom­er­trag ermögli­chen. Je höher in­des der Trans­pa­renz­grad ist, des­to ge­rin­ger fällt in der Re­gel auf­grund ge­rin­ge­rer ak­ti­ver So­larfläche der Stromer­trag aus. Für alle Va­ri­an­ten galt, dass die BIPV ihre Mehr­kos­ten über 20 Jah­re nicht re­fi­nan­zie­ren kann.

Ren­di­te nicht im Fo­kus

Bau­werk­in­te­grier­te Pho­to­vol­ta­ik lie­fert ge­ra­de durch ihre Möglich­keit, Mehr­fach­nut­zen zu rea­li­sie­ren, auch fi­nan­zi­ell in­ter­es­san­te Ar­gu­men­te für Pla­ner und Ar­chi­tek­ten. Den­noch soll­te die Wirt­schaft­lich­keit nicht das primäre Ziel sol­cher Pro­jek­te sein. Ma­ria Roos vom Fraun­ho­fer-In­sti­tut für Wind­ener­gie und En­er­gie­sys­tem­tech­nik IWES in Kas­sel, die be­reits beim Mul­ti­ele­ment-Pro­jekt mit­ge­ar­bei­tet hat, warnt da­her da­vor, die BIPV auf den Ren­di­te­ge­dan­ken zu re­du­zie­ren: „Wir ver­nachlässi­gen dann ganz wich­ti­ge Funk­tio­nen wie mo­der­ne Ge­stal­tung, po­si­ti­ves Image, bes­se­re Ver­miet­bar­keit, die zum Ein­satz die­ser Tech­no­lo­gie mo­ti­vie­ren“.

En­er­ge­ti­sche Funk­tio­nen

Nicht zu­letzt bie­ten die en­er­gie­ge­win­nen­den Dächer und Fas­sa­den eine Ant­wort auf künf­ti­ge En­er­gie­preis­stei­ge­run­gen so­wie wach­sen­de en­er­ge­ti­sche An­for­de­run­gen an die Gebäudehülle. Dies wird si­cher­lich durch die EU-Richt­li­nie befördert, wo­nach ab dem Jahr 2020 nur noch Neu­bau­ten zu er­rich­ten sind, die na­he­zu Null­ener­gie­gebäude sind. Die en­er­ge­ti­schen Ge­win­ne durch den Ein­satz der BIPV las­sen sich dann aufs treff­lichs­te ver­rech­nen. Vor al­lem aber soll­te man sich stets vor Au­gen führen, dass BIPV-Fas­sa­den die ein­zi­gen Fas­sa­den sind, die über­haupt Ein­nah­men pro­du­zie­ren. So­bald zu­dem klas­si­sche Bau­tei­le mit BIPV ver­se­hen wer­den können er­ge­ben sich wei­te­re in­ter­es­san­te Geschäfts­mo­del­le für die Gebäud­e­in­te­gra­ti­on. Manch ein Ar­chi­tekt dürfte da­her froh sein, wenn er sich bis da­hin ei­nen Na­men mit BIPV-Pro­jek­ten ma­chen konn­te.

Li­te­ra­tur

Fath, K; S. Men­de; H. R. Wil­son;

J. Sten­gel; T.E. Kuhn; F. Schult­mann (2012): Im­pact of semi-trans­pa­rent buil­ding-in­te­gra­ted pho­to­vol­taics on buil­ding life-cy­cle cost. Life-Cy­cle and Sustaina­bi­li­ty of Ci­vil In­fra­struc­tu­re Sys­tems – Strauss, Fran­go­pol & Berg­meis­ter (Eds), 2013 Tay­lor & Fran­cis Group, Lon­don.

1) Kalt­sch­mitt, M.; Strei­cher, W.; Wie­se, A. (Hrsg.) (2012): Er­neu­er­ba­re En­er­gi­en – Sys­tem­tech­nik, Wirt­schaft­lich­keit, Um­welt­as­pek­te; Sprin­ger, Ber­lin, Hei­del­berg, 5. Auf­la­ge. ISBN 978-3-642-03248-6, € 59,95, vor­aus­sicht­li­cher Pu­bli­ka­ti­ons­ter­min 31.10.2012

2) Reiß/​Wen­ning/​Er­horn/​Rou­vel 2005, Fraun­ho­fer IRB-Ver­lag, S. 127, 131

Dipl.-Geo­gr. Mar­tin Frey
Fach­jour­na­list
mf@agenturfrey.de

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