Gebäudeintegrierte Photovoltaik

Trends und Perspektiven

von Prof. Dr. Heinz Hullmann, Dr. Ingrid Lützkendorf

Gebäude bieten ein enorm großes, umweltfreundliches Potenzial zur Nutzung der Solarenergie. Bauteile und Systeme, die in der Gebäudehülle konventionelle Funktionen erfüllen und gleichzeitig Sonnenstrahlung in elektrischen Strom wandeln, sind für geneigte Dächer, Flachdächer und Fassaden verfügbar – multifunktionale gebäudeintegrierte Photovoltaik. Prof. Dr. Heinz Hullmann und Dr. Ingrid Lützkendorf gehen davon aus, dass sie sich mehr und mehr durchsetzen werden, zumal sie auch ihre Kosten im Laufe ihres Nutzungszeitraumes erwirtschaften. Es ist eine Herausforderung an die Architekten, die neuen Anforderungen an die Gebäudehüllflächen durch anspruchsvolle Gestaltung umzusetzen.

Deutschland bietet ein riesiges Marktpotenzial für gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV, Building Integrated Photovoltaics), denn für ihre Anwendung stehen rund 3.000 km² Gebäudeflächen zur Verfügung. Dies entspricht einer installierbaren Leistung von gut 300 GW und repräsentiert ein Umsatzpotenzial von ca. 900 Milliarden Euro, wovon etwa 1/3 auf die klassische Bauindustrie entfallen würde, so Berechnungen der Fachgruppe Photovoltaik in Gebäuden im Bundesverband Bausysteme [1]. Fassaden und Dächer müssen eine Vielzahl von Funktionen erfüllen, unabhängig davon, ob Elemente zur solaren Energiegewinnung integriert sind oder nicht. Wetterschutz, Wärmeschutz, Schallschutz, Brandschutz, Abschattung, Sichtschutz und Repräsentation im Sinne eines „Corporate
Identity“ sind nur einige von ihnen [2]. Transparente und nicht transparente Photovoltaikbauteile werden zunehmend in die Gebäudehülle integriert. Die transparenten Teile – vom einfachen Fenster bis zur Glasfassade – basieren in der Regel auf dem Werkstoff Glas, materialtechnisch, gestalterisch, konstruktiv, herstellungstechnisch und wirtschaftlich. Seit dem Londoner Glaspalast 1851 wurden faszinierende Konstruktionen für großflächige Anwendungen von Glas in Gebäuden entwickelt. Sie haben weite Verbreitung gefunden, besonders bei repräsentativen Gebäuden mit öffentlichen Funktionen oder für Firmensitze. Andererseits sind nichttransparente Teile der Gebäudehülle – besonders angesichts der heute hohen Anforderungen an die thermische Qualität der Gebäudehülle – technisch einfacher und daher auch zu vergleichsweise geringeren Kosten herzustellen, als das für transparente Bauteile der Fall ist.

Thermische bzw. photovoltaische Solarsysteme

Diese Solarsysteme erfüllen in Abhängigkeit von klimatischen Bedingungen die Funktionen Heizung, Kühlung, Warmwasserbereitung und Gewinnung von Elektrizität. Dazu sind Energieumwandlung, Energietransport, Steuerung, Speicherung und Abgabe der thermischen oder elektrischen Energie erforderlich – mit jeweils angepassten Elementen. Die sichtbaren Komponenten – Kollektoren, Energieabsorber, photovoltaische Module – dienen der Energieumwandlung [3]. In einfachster Form und zu Beginn der Entwicklung wurden Photovoltaikanlagen „auf dem Dach“ oder „an der Fassade“ montiert. Die weiteren Komponenten für Energietransport, Energiespeicherung und Energieabgabe sind innerhalb des Gebäudes angeordnet. Wirtschaftliche Potenziale ergeben sich bei dieser additiven Technik aus der Serienproduktion der Komponenten - in wenigen Ausführungsvarianten und unabhängig vom Einzelprojekt. Im Gegensatz zu solchen photovoltaischen Modulen, die ausschließlich zur Stromgenerierung verwendet und außerhalb der Wetterschutzschicht angeordnet werden, übernehmen integrierte photovoltaische Bauelemente zusätzliche Funktionen, die denen konventioneller, nicht photovoltaischer entsprechen wie z.B. Wasserableitung, Wasser- und Luftdichtigkeit.

Vorteile der Integration

Die Integration photovoltaischer Bauelemente hat sowohl bei Neubauten als auch bei Sanierungen wesentliche Vorteile gegenüber der Anordnung von Standardmodulen unabhängig vom Gebäude, auf Freiflächen oder auf Flachdächern [4, 5]. Bei der Verwendung multifunktionaler photovoltaischer Bauelemente in Gebäudehüllen können hinsichtlich gestalterischer, technischer und kostenspezifischer Aspekte positive Wechselwirkungen zwischen deren multifunktionalen Eigenschaften sowie gewünschten Funktionen der Gebäudehülle erzielt werden. Hierzu gehören u. a.: Lichtdurchlässigkeit, Abschattung, elektromagnetische Energiewandlung, elektromagnetische Schirmdämpfung, anspruchsvolle Gestaltung, Witterungs-, Wärme- und Schallschutz.
Die Bautechnik wird die konstruktiven und gestalterischen Konzepte bestimmen, die Photovoltaik die energetischen. Die solaren Bauelemente sind in gleichem Maße Bauelemente im bautechnischen Sinne als auch in ihrer photovoltaischen Funktion. Das betrifft beispielsweise die konstruktiven und die materialtechnischen Anschlüsse, die Herstellung, die Montage vor Ort, die Verträglichkeit („Affinität“) mit den benachbarten Bauteilen und mit dem Gebäude als Ganzem. Und es betrifft nicht zuletzt deren Wartung, Finanzierung und Abschreibung. Wichtig für eine erfolgreiche Entwicklung der Komponenten sind Elementierung (für den Hersteller) und Anpassbarkeit an unterschiedliche konstruktive und gestalterische Einbaubedingungen (für den Anwender). Photovoltaische Bauelemente sind in einer Vielzahl von Varianten erhältlich und können grundsätzlich differenziert werden in biegesteife und flexible Elemente. Photovoltaische Bauelemente mit hoher Steifigkeit sind in der Regel mit Glas abgedeckt. Daher eignen sie sich besonders gut für die Gestaltung aller Formen von „Glasarchitektur“ – auch als semitransparente Module (Abb. 1) – sowie für die Integration in feste Gebäudehüllflächen wie hart gedeckte Dächer (Abb. 2) und die meisten Fassaden (Abb. 3). Darüber hinaus können Module mit hoher Steifigkeit auch in Seilnetzkonstruktionen verwendet werden. Photovoltaische Bauelemente mit geringer Steifigkeit bestehen aus biegsamen Dünnschichtmodulen, die auf einem steifen oder flexiblen Trägermaterial aufgebracht sind. Bislang sind im Handel PV-Laminate auf Metallen oder Kunststoffen wie z.B. Dachabdichtungsbahnen (Abb. 4) erhältlich. Flexible Dünnschichtmodule sind auch für die Anwendung in leichten Flächentragwerken geeignet. Sie werden daher in Zukunft für diese Anwendungen vermehrt zur Verfügung stehen.

Den Markt befriedigen

Photovoltaik hat sich im heutigen Energiemix einen festen Platz erobert. Die Erzeugung von Solarstrom ist zunehmend auch ein Geschäftsfeld für Investoren geworden. Auch die Industrie erkennt nicht nur die Chancen, ihre Kompetenzen in diesen rasant wachsenden Wirtschaftszweig einzubringen, sondern entdeckt außerdem ihre Liegenschaften als hervorragenden Einsatzbereich für solartechnische Anlagen.
Die Aufgabenstellung ist hierbei allerdings eine besondere. Es geht nicht nur um die Ausschöpfung immer höherer Wirkungsgrade der Photovoltaikgeneratoren, sondern auch um konstruktive Lösungen für den multifunktionalen Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen des Industrieund Gewerbebaus. Um den Markt und die damit verbundenen Kundenanforderungen zu befriedigen, reicht es nicht mehr aus, simple „Auf- Dach-Lösungen“ anzubieten. Auch das in der Öffentlichkeit wahrgenommene Gestaltungsdefizit vieler solarer Anlagen auf Steildächern erfordert ein Umdenken und neue Lösungen. Funktion und Ästhetik sind bestimmende Funktionen für gute Architektur.

Es gilt, den immer höher werdenden konstruktiven und gestalterischen Vorgaben gerecht zu werden. Der Ruf nach optisch ansprechenden und integrierten Photovoltaiklösungen wird stetig lauter, sei es für Dächer- oder Fassaden, im Bereich der Freiflächenanlagen, bei Stadtmöblierungen oder in der Bereitstellung von PVDesignelementen. Dachaufständerungen ermöglichen die gute Anpassbarkeit der PV-Anlage und eine einfache Demontage im Wartungsfall, stellen stellen jedoch hohe Ansprüche an Planung, Statik und Montage. Mittlerweile sind ausgeklügelte Gestellkonstruktionen mit entsprechenden Tragfähigkeitsnachweisen auf dem Markt erhältlich. Demgegenüber stehen integrierte PV-Anlagen, die eine konstruktive Einheit mit dem Dachaufbau bilden und die keine Dachdurchdringungen erfordern. Dies wiederum reduziert Wärmebrücken, stellt geringere Ansprüche an die Statik und sorgt optisch für ein homogenes Erscheinungsbild des Daches (Abb. 5). Für die Fassadenintegration gibt es eine Vielzahl architektonisch ansprechender Lösungen für multifunktionale Photovoltaikbauteile in Fassaden (Abb. 6), Brüstungen, Vordächern, als Sonnenschutz, Schiebeläden oder semitransparente PV-Warmfassaden.

Literatur

[1] Bundesverband Bausysteme e.V.: Positionspapier Gebäudeintegrierte Photovoltaik-Systeme http://www.bv-bausysteme. de/tl_files/bv-bausysteme/downloads/Positionspapier_ BIPV_e.pdf
[2] hwp und ISET: Multifunktionale Photovoltaik – Photovoltaik in der Gebäudehülle, Hamburg und Kassel: hwp und ISET, 2006
[3] Hullmann, Heinz (Hrsg.): Photovoltaik in Gebäuden, Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2000
[4] Bendel, Christian; Hullmann, Heinz: Gebäudeintegrierte Photovoltaik bei Sanierung und Modernisierung, Wiesbaden: Studiengemeinschaft für Fertigbau, PV + Bau 05, 2005
[5] Hullmann, Heinz; Willkomm, Wolfgang: Gebäudeintegrierte Photovoltaik im historischen Gebäudebestand, Wiesbaden: Studiengemeinschaft für Fertigbau, PV + Bau 06, 2005

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