Bauwerkintegrierte Photovoltaik

Wie sieht es aus und wohin geht es?

von Prof. Dr. Thorsten Schütze

Die Bauwerkintegration von photovoltaischen Bauteilen ist zukunftsweisend und wird sich kurzfristig als Stand der Technik etablieren. Entsprechend werden Systemanbieter mit steigender Nachfrage konfrontiert werden, während Architekten und Fachplaner gefordert sind, sich mit der Integration von photovoltaischen Bauelementen in eine Vielzahl von Bauwerken mit verschiedenen Nutzungen auseinanderzusetzen und diese in hoher technischer und gestalterischer Qualität zu realisieren. Prof. Dr. Thorsten Schütze zeigt den Stand der Technik und zukünftige Entwicklungen auf.

Bauwerkintegrierte Photovoltaik beinhaltet die Integration von photovoltaischen Bauelementen in Gebäude und andere bauliche Strukturen, die vielen verschiedenen Nutzungen dienen können. Hierzu zählen z.B. Lärmschutzwände, Haltestellen für den öffentlichen Personennahverkehr sowie Überdachungen von Parkplätzen und anderen Freiflächen, um nur einige zu nennen. Damit bietet die Integration von Photovoltaik in Bauwerke ein immenses Potenzial für die umweltfreundliche Bereitstellung elektrischer Energie weit über das der gebäudeintegrierten Photovoltaik hinaus. Das große zur Verfügung stehende Markpotenzial für die Bauwerkintegration wird allein für Gebäudeflächen in Deutschland auf 3.000 km2 oder eine installierbare Leistung von 300 GW geschätzt [1]. Damit könnten ca. 50 % des Strombedarfs in Deutschland gedeckt werden [2]. Zum Vergleich: Im Jahr 2010 betrug die gesamtinstallierte Photovoltaikleistung in der Europäischen Union mit 29,3 GW knapp 10 % dieses allein in Deutschland zur Verfügung stehenden Potenzials in Gebäudeflächen. Die Erschließung dieser und zusätzlicher für die Integration von photovoltaischen Bauelementen potenziell zur Verfügung stehenden Flächen in Bauwerken gehört zu den wesentlichen Herausforderungen für Architekten und Fachplaner. Darüber hinaus erfordert die einwandfreie elektrotechnische, bautechnische und gestalterische Integration eine konstruktive und interdisziplinäre Zusammenarbeit in den frühen Entwurfs- und Planungsphasen.

Forderung nach Bauwerkintegration auf europäischer Ebene

Die Perspektive, dass Flächen in Bauwerken in Zukunft mehrere Funktionen haben und weit mehr zur Erzeugung Erneuerbarer Energien genutzt werden, als dies bislang der Fall ist, wird unter anderem maßgeblich durch die Europäische Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden [3] gestützt. Diese fordert ab 2021 (bei öffentlichen Gebäuden schon ab 2019) von allen Mitgliedsstaaten, Neubauten nur noch als so genannte Niedrigstenergiegebäude zu errichten. Gemäß der EU-Richtlinie sind dies Gebäude, die eine sehr hohe Gesamtenergieeffizienz aufweisen. Darüber hinaus ist gefordert, dass der fast bei null liegende oder sehr geringe Energiebedarf zu einem ganz wesentlichen Teil durch Energie aus Erneuerbaren Quellen gedeckt werden sollte. Dies schließt explizit Energie aus erneuerbaren Quellen ein, die am Standort oder in dessen Nähe zur Verfügung gestellt werden. Auch ist die Bereitstellung von mehr Erneuerbarer Energie als in einem Gebäude selbst verbraucht wird, ausdrücklich erwünscht. Um der Forderung der EU nach der Bereitstellung eines Überschusses an Erneuerbaren Energien in der gebauten Umgebung gerecht zu werden, ist die Integration von Bauelementen zur photovoltaischen und/oder solarthermischen Nutzung der Sonnenenergie in die Hülle von Bauwerken unabdingbar. Mit zukünftig steigendem Flächenbedarf für diese Nutzungen wachsen auch die Anforderungen an eine einwandfreie Integration hinsichtlich technischer, gestalterischer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte. In der Vergangenheit war die Installation von Photovoltaikanlagen überwiegend wirtschaftlich und umweltpolitisch motiviert. Neben großflächigen Anlagen auf Freiflächen wurden auch Installationen auf Gebäudedächern größtenteils als einfache, architektonisch nicht integrierte Auf-Dach-Lösungen realisiert. Die Motivation hierfür waren kostengünstige, seriengefertigte Unterkonstruktionen und Standardmodule sowie attraktive Einspeisevergütungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Während z.B. in Frankreich, Italien und der Schweiz gebäudeintegrierte PV-Anlagen besonders gefördert werden, sind 2009 nach Wegfall des ohnehin mageren Bonus für gebäudeintegrierte PV in Deutschland nur 2 % der installierten PVKapazität in Gebäude integriert worden [1].
Demgegenüber ist zu erwarten, dass mit sinkenden Systemkosten und der Forderung nach flächendeckenden Installationen in der gebauten Umgebung auch die Forderung und Nachfrage nach gestalterisch einwandfreien und zurückhaltenden Lösungen für die Gebäudeintegration von PV-Anlagen stark steigen wird. In Zukunft werden Architektur und Bautechnik zunehmend die gestalterischen und konstruktiven Konzepte von photovoltaischen Bauteilen bestimmen, die photovoltaische Nutzung hingegen die energetischen Konzepte. Neben einer einfachen Montage nach bau- und elektrotechnischen Gesichtspunkten sollten diese eine vielseitige gestalterische und konstruktive Integration in Kombination mit verschiedenen, auch konventionellen Komponenten und Materialien ermöglichen, um breite Anwendungsfelder erschließen zu können [4].

Bauwerkintegrierte Photovoltaik in Freiflächenüberdachungen

Insbesondere die Bauwerkintegration von Photovoltaikmodulen in Freiflächenüberdachungen eröffnet neben der Gebäudeintegration ein großes zusätzliches Potenzial der multifunktionalen Nutzung dieser Komponenten. Die zwei generellen Funktionen von Freiflächenüberdachungen sind Witterungsschutz in Verbindung mit einer gestalterischen Aufwertung der Umgebung. Verschiedene PV-Technologien (Kristallin und Dünnschicht) mit spezifischen Erscheinungsbildern in biegesteifen oder flexiblen Modultypen auf Glas und/oder Kunststoffbasis ermöglichen die Realisierung einer Vielzahl architektonischer Konzepte. Mögliche Anwendungen sind Überdachungen von Park- und Verkehrsflächen. Dabei kann nach elektrotechnischen Gesichtspunkten in zwei unterschiedliche Bauwerkstypen unterschieden werden: Bauwerke, die leicht mit einem Netzanschluss ausgestattet werden können (geeignet für netzgekoppelte PV-Systeme) und Bauwerke, bei denen dies nicht der Fall ist und bei denen der erzeugte Strom an Ort und Stelle genutzt wird (geeignet für photovoltaische Insel- oder Stand-Alone-Systeme). Zunehmend werden Freiflächenüberdachungen als Koppelungspunkte für Elektromobilität verwendet. Integrierte PV-Anlagen ermöglichen hier die Realisierung von so genannten Solartankstellen. Netzgekoppelte PV-Systeme sind sowohl für das Aufladen der Fahrzeugbatterien (g2v, grid to vehicle) als auch für die Rückspeisung der in Batterien gespeicherten elektrischen Energie in das Stromnetz geeignet (v2g, vehicle to grid). PV-Inselsysteme ermöglichen demgegenüber keine Einspeisung in das Stromnetz, aber das Laden von Elektrofahrzeugen mit photovoltaisch erzeugter Elektrizität auch in Gebieten, in denen kein Stromnetzanschluss verfügbar ist. Zu Freiflächenüberdachungen, die leicht an das elektrische Netz angeschlossen werden können, zählen überdachte Parkplätze, die Gebäuden zugeordnet sind oder Überdachungen von Anlagen des elektrifizierten öffentlichen Personennahverkehrs wie z.B. Bahnsteigüberdachungen oder Straßenbahnhaltestellen. Die Integration von PV-Modulen in Dachflächen kann neben der Stromerzeugung auch die Funktion als gestaltendes Dachelement übernehmen. Soll die darunter liegende Fläche natürlich belichtet werden, so ist ein gewisses Maß an Transparenz gefordert, das bei flächendeckender Installation von PV-Modulen mit semi-transparenten Modulen erreicht werden kann. Hierfür können für die Überkopfverglasung zugelassene Module verwendet werden – z.B. als Glas-Glas-Verbund, aus unzerbrechlichen Kunststoffen oder alternativ als kostengünstigerer Glas-Folien-Verbund –, die mit einer transparenten Rückfolie laminiert sind. Aus Sicherheitsgründen muss eine solche Lösung allerdings mit einem Netz unterspannt werden, das dazu dient, Personen im Schadensfall vor herunterfallenden Bruchstücken zu schützen [5]. Besonders geeignet für bauwerkintegrierte PV-Inselsysteme sind Infrastruktureinrichtungen, die nicht an das elektrische Netz angeschlossen sind. Hierzu zählen z.B. Überdachungen im öffentlichen Raum wie Parkplätze, Infoterminals, Bushaltestellen und Fahrradunterstände, die nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand mit einem Netzanschluss ausgestattet werden könnten. Bauwerkintegrierte PV-Stand-Alone-Systeme bieten hier die Möglichkeit der autarken Energieversorgung von Beleuchtungsmitteln, Informationstechnologien wie Anzeigetafeln und Wireless-LAN- sowie Ladestationen für Elektromobilität. In Abhängigkeit von den Kosten für die bereitgestellten Betriebsmittel (Kabel und Zähler) und den Betriebskosten für netzgekoppelte Systeme sowie den System-, Wartungs- und laufenden Kosten für PV-Inselsysteme sind die Gesamtkosten für PV-Inselsysteme günstiger als die für netzgekoppelte Systeme. Für Stand-Alone-Systeme in Freiflächenüberdachungen können z.B. Amortisationszeiten von ca. 6 Jahren angenommen werden [5].

Ökonomische Aspekte der Bauwerkintegration

Für die Integration von Photovoltaik eignen sich insbesondere Bauwerke, in denen konventionelle Bauteile durch photovoltaisch aktive Komponenten ersetzt werden können. Ein wesentlicher Unterschied zwischen konventionellen und photovoltaischen Bauteilen liegt darin, dass Photovoltaikbauteile Strom erzeugen und dadurch über ihre gesamte Lebensdauer Gewinne erwirtschaften, während konventionelle Bauteile ebenso lange nur Kosten für Wartung, Finanzierung und Abschreibung verursachen. Beispielrechnungen zeigen, dass die Photovoltaikbauteile, bezogen auf ihre Fläche, über den Gewinn aus der Stromerzeugung in der Lage sind, die Gesamtkosten des Bauteils ganz oder zu einem beachtlichen Teil zu erwirtschaften. Grundsätzlich ist eine bauwerkintegrierte Photovoltaikanlage daher wirtschaftlicher als eine vergleichbare Anlage auf einer Freifläche. Bei der Kostenbilanz können Kompensationskosten für Zusatzfunktionen von photovoltaischen Bauteilen berücksichtigt werden.

Diese Einsparungen können auf Grundlage der Kosten für die nicht benötigten konventionellen Bauteile ermittelt werden, die ausschließlich die entsprechende Funktion erfüllen. Die minimal anzusetzenden Kompensationskosten für Zusatzfunktionen, die durch photovoltaische Bauelemente mit übernommen werden können und für die auf ein entsprechendes konventionelles Bauteil verzichtet werden kann, sind schwer zu ermitteln, werden aber auf ca. 15,00 bis 35,00 Euro/m² geschätzt. Da ein photovoltaisches Bauteil aber in der Praxis häufig mehrere dieser Zusatzfunktionen abdeckt, können sich die bei einer Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigten Kompensationskosten durchaus bis zu einem Mehrfachen dieses Betrages addieren [6]. Die detaillierte Berechnung der Wirtschaftlichkeit von bauwerkintegrierten Photovoltaikanlagen ist vom spezifischen Einzelfall und den jeweiligen Rahmenbedingungen abhängig. Neben dem Vergleich von Baukonstruktionen mit und ohne Anwendung photovoltaischer Bauelemente beinhaltet dies unter anderem die Investitionskosten, die Finanzierungskosten, die Lebensdauer der Bauteile, die Wartungskosten, den Ertrag der Photovoltaikanlage sowie die Vergütung für den photovoltaisch erzeugten Strom. Neben den photovoltaischen Eigenschaften verschiedener Technologien, welche diese für spezifische Anforderungen qualifizieren können, variieren die Flächenkosten signifikant in Abhängigkeit von der spezifischen Modultechnologie. Grundsätzlich haben Modultypen mit höherem Wirkungsgrad auch höhereFlächenkosten, da die Kosten für die rein photovoltaische Nutzung entsprechend der elektrischen Leistung definiert werden. Darüber hinaus sind die Preise pro Leistungseinheit für Module, die mit Zellen mit höherem Wirkungsgrad bestückt sind, tendenziell höher als für Module, die Zellen mit niedrigerem Wirkungsgrad enthalten. Die Preistrends für Großhandelspreise von PV-Modulen (ohne MwSt., Zubehör und zusätzliche Leistungen wie z.B. Montage) lagen z.B. im Juli 2011 für kristalline Module zwischen 1,04 – 1,39 Euro/Wp während sie für Dünnschichtmodule zwischen 0,85 und 0,99 Euro/Wp betrugen [7]. Die benötigte Fläche für 1 kWp Leistung ist mit 6 – 8 m2/kWp bei monokristallinen Modulen am geringsten, gefolgt von 9 –11 m2/kWp für polykristalline Module und 16 –20 m2/kWp für amorphe Module [8]. Bei den Flächenkosten zeigt sich ein umgekehrtes Bild. Basierend auf benötigten Flächen und den oben aufgeführten Preistrends können diese für kristalline Moduleca. zwischen 95 und 232 Euro/m2 und für amorphe Module zwischen 43 und 62 Euro/m2 betragen (ohne MwSt., Zubehör und zusätzliche Leistungen). Entsprechend diesen Annahmen betragen die Flächenkosten für amorphe Module im günstigsten Fall nur ca. 18 % und im ungünstigsten Fall ca. 65 % der Flächenkosten für kristalline Module.

Literatur
[1] Bundesverband Bausysteme e.V. (2010). Gebäudeintegrierte Photovoltaik-Systeme. Positionspapier der Fachgruppe Photovoltaik in Gebäude im Bundesverband Bausysteme e.V., Koblenz, Deutschland. http://bv-bausysteme. de/tl_files/bv-bausysteme/downloads/FG%20Photovoltaik% 20in%20Gebaeuden/Positionspapier_BIPV_e.pdf (Zugriff: 2011.09.18).
[2] AG Energiebilanzen e.V. (2011). Bruttostromerzeugung in Deutschland von 1990 bis 2010 nach Energieträgern. http://www.ag-energiebilanzen.de (Zugriff: 2011.09.18).
[3] Das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen Union (2010). Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden, Brüssel, Belgien.
[4] hwp & ISET (2006). Multifunktionale Photovoltaik – Photovoltaik in der Gebäudehülle. Hamburg und Kassel, Deutschland.
[5] Ernst, W., Benz, V., Tetzlaff, S. (2011). Anforderungen an Freiflächenüberdachungen mit Photovoltaik. PV + Bau 03 – Technisches Merkblatt der Fachgruppe „Bauwerksintegrierte Photovoltaik“ im Bundesverband Bausysteme e.V., Koblenz, Deutschland.
[6] Schütze, T., Hullmann, H. (2011). Wirtschaftliche Aspekte beim Einsatz multifunktionaler photovoltaischer Bauteile. In: Tagungsband 26. Symposium Photovoltaische Solarenergie, 02. – 04.03.2011, Kloster Banz, Bad Staffelstein, Deutschland, S. 546-551, ISBN: 978-3-934681-51-9, Ostbayerisches Technologie-Transfer Institut e.V. (OTTI), Regensburg, Deutschland.
[7] PVXchange (2011). Spotmarkt Preisindex Solarmodule, Preistrends August 2011. Photovoltaik Preise: PVX Spotmarkt Preisindex auf dem Solarserver. http://www.solarserver. de/service-tools/photovoltaik-preisindex.html (Zugriff: 2011.09.19)
[8] Konrad, F. (2008). Planung von Photovoltaik-Anlagen. Grundlagen und Projektierung. 2. Auflage, Vieweg + Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, Deutschland. [9] BRS Building Systems & Wind, H. (2011). PV-cellen verwerkt in buigbaar glas. In Bouwwereld # 4, 04.2008, Seiten 10 – 12, Doetinchem, Niederlande.