Mehrfachnutzen durch Gebäudeintegration - Vielfältige Einsatzbereiche auf Dächern, Fassaden und Bauelementen

Der Ausbau der Solarstromnutzung im Gebäudebereich erfolgte bislang fast ausschließlich in Form von Aufdachmontagen. Dass man die Gebäudehülle komplett ersetzt, ist noch immer die Ausnahme – auch weil deren Umsetzung anspruchsvoller ist. Und doch findet die Bauwerkintegrierte Photovoltaik, kurz BIPV, bei Architekten und Bauherren mehr und mehr Anklang. Beispielsweise wurden bei den Bahnhofsneubauten in Utrecht, Turin und Rotterdam Solarzellen in die Dachhaut integriert. Auch viele andere öffentliche Bauten wie Fußballstadien erhielten integrierte Solaranlagen, ebenso Projekte aus Industrie, Gewerbe sowie dem Privatbereich.

Drittel des Strombedarfs als Potenzial
Das Potenzial für die BIPV ist indes erst im Ansatz erschlossen: Laut dena gibt es rund 18 Mio. Wohngebäude, dazu kommen schätzungsweise noch einmal die Hälfte an Nicht-Wohngebäuden – zusammen also rund 27 Mio. Objekte. Diese bieten nach einer Studie der TU Hamburg-Harburg ein technisch nutzbares Flächenpotenzial von 742 Mio. m² auf Dach- sowie 348 Mio. m² auf Fassadenflächen, zusammen also rund 1100 km2 – das ist eine Fläche, die ein Fünftel größer als Berlin ist.
Daraus ergibt sich bei einem langfris­tig konservativ veranschlagten Wirkungsgrad von 18% nach Berechnungen der HTW Berlin eine installierbare Leis­tung von 196,2 GWp, mit der sich jährlich 176,6 TWh Strom gewinnen ließe. Bezogen auf den deutschen Jahresstrombedarf von 584 TWh könnten allein die Gebäudehüllen rund ein Drittel des Strombedarfs liefern – sofern für Solarwärmegewinnung andere Flächen genutzt werden.

Akteure aus verschiedenen Branchen
Anders als bei nachträglich aufs Dach gesetzten PV-Anlagen benötigen bauwerkintegrierte PV-Anlagen mehr Planungsaufwand, und es sind mehr Akteure einzubinden. Dies fängt schon bei der Herstellung an: Die Module kommen entweder von klassischen PV-Produzenten, die BIPV-Module mit anbieten oder aber von spezialisierten Glasherstellern, die sich auf BIPV spezialisiert haben. Manche kleinere Manufakturen bieten hochindividuelle Projektlösungen.
Auch die Anbieter der Montagesys­teme unterscheiden sich von jenen der klassischen PV-Branche: Oft sind es Produzenten von Stahl- oder Aluminiumprofilen, die traditionell Pfosten-Riegel-Systeme anbieten. Fassadenbauern ist dabei die elektrische Installation bisweilen noch Neuland. Sogar Schreinerei-Betriebe wagen sich langsam an BIPV-Pfosten-Riegel-Konstruktionen aus Holzwerkstoffen.
Unter den Architekten herrschten lange Zeit Vorbehalte gegenüber dem Einsatz von BIPV hinsichtlich Planungsrisiken oder einer möglichen Einschränkung der eigenen gestalterischen Freiheit. Das Gegenteil könnte sich langfristig als richtig erweisen: BIPV kann in vielen Fällen die Gestaltung eines Gebäudes bereichern und somit die Investition für den Bauherrn noch werthaltiger machen.

Vielfältige Anwendungsbereiche
In der Gebäudehülle bietet sich ein breites Spektrum an Anwendungsfeldern für die BIPV: Für Indachsysteme halten die Anbieter das wohl umfangreichste Spektrum an Produkten bereit. Besonders einfach zu montieren sind etwa PV-beschichtete Metalldächer oder in Folien integrierte Dünnschichtzellen. Solche PV-Folien können auch Bestandteil textiler Membrandächer sein, die sich wie Luftkissen über Gebäude wölben. Auf nahezu allen Dachformen lassen sich transparente Solarzellen integrieren, die wertvolles Tageslicht ins Gebäudeinnere leiten.

Solardachziegel und Indachsysteme
Für denkmalpflegerisch sensiblere Bereiche sind PV-Dachziegel in verschiedensten Formen und Farbgebungen erhältlich. Längst vorbei sind die Zeiten, als in Tonziegel eingelassene Solarzellen als Integrationslösung angepriesen wurden. Heute sind Photovoltaik-Dachziegel meist ausgereifte stromerzeugende Schindeln, die im Verbund ein einheitlich strukturiertes Dachbild ergeben. Optisch besonders überzeugend kommen die Indachsys­teme klassischer Fenster- und Fassadenhersteller daher, die in ein und demselben Rastermaß PV-Module, thermische Kollektoren sowie Dachfenster zu kombinieren verstehen.

Solarfassaden und BIPV-Fassadenelemente
Im Fassadenbereich sind ähnlich durchdachte Lösungen auf dem Markt: Man hat hier die Wahl zwischen opaken Solarfassaden, die meist als Kaltfassade ausgeführt werden, 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 positiv beeinflussen.
Eine Sonderform der Kaltfassaden sind vorgehängte hinterlüftete PV-Fassaden, die lamellenförmig oder im Zickzack vor eine Glasfassade montiert werden. Auch der Einsatz von Solarzellen in Oberlichtern, Klapp- oder Schiebeläden, Sonnenschutzlamellen an Brüstungen und in Vordächern erweitert den Gestaltungsspielraum. Besonders kreative Lösungen bieten Seilkonstruktionen, die bis zum Bau von großen Zeltformen nahezu alle Designs ermöglichen.

Mehrfachfunktionen nutzen
BIPV-Lösungen bieten neben ihrer Ästhetik etliche Mehrfachfunktionen: Transparente Module etwa liefern Tageslicht und dienen dazu, die Räume dahinter zu verschatten. Klimaanlagen können so kleiner ausgelegt werden oder gar ganz entfallen – ein wesentlicher Kostenfaktor. Neben klassischen Schutzfunktionen vor Witterung, Wärmeverlust und Schall können die PV-Elemente aber auch eine Abschirmung gegenüber elektromechanischer Strahlung bieten, was im Gewerbe bisweilen eine wertvolle Zusatzfunktion ist.
Dass die Architekturhülle der Zukunft weit mehr kann, als Strom zu erzeugen, spricht sich immer mehr herum. Und so entstehen Visionen von einer ganz neuen Leistungsfähigkeit von Gebäuden im urbanen Raum: „Adaptive Gebäudehüllen“ sollen etwa ermöglichen, dass sich die Fassade dem Wandel ihrer Umgebung, bedingt durch Wetter, Tages- oder Jahreszeit, permanent anpassen kann und somit das Gebäude wieder mehr als Teil der Natur erlebbar wird.

Kombination mit anderen Innovationen
Etliche Indachsysteme kombinieren Photovoltaik, solarthermische Anlagen sowie Dachfenster in einem Rastermaß. Es besteht auch die Möglichkeit, hinterlüftete PV-Elemente zur Wärmegewinnung zu nutzen oder den Solargenerator im Winter zeitweise zu beheizen, um Schneelas­ten zu entfernen.
In Glas-Glas-Modulen integrierte LEDs können die Gebäudehülle farbig beleuchten und sie so zur „Medienfassade“ machen. Beim Einbau optischer Streuelemente ist sogar eine abendliche Beleuchtung des Innenraums denkbar. Zum Sonnenschutz kommen auch schaltbare Gläser bzw. zur Wärmegewinnung in die Glasscheiben integrierte Phasenwechsel-Speicherelemente infrage.
Doch damit nicht genug: Das damalige ISET in Kassel hat eine in die BIPV-Fassade integrierte Antennenanlage entwickelt, die hochfrequente Kommunikationssignale empfangen und senden kann. Eine weitere intelligente Zusatzfunktion für BIPV-Anlagen ist die integrierte Alarmanlage, die Alarm schlägt, sobald eine in den Spannungskreis der BIPV-Anlage eingekoppelte modulierte Hochfrequenz unterbrochen wird.

Vielfalt an Zellen und Modulen
Die bauwerkintegrierte Photovoltaik gilt zu Recht als wahres Multitalent: Sowohl Module als auch Montagesysteme sind dazu in reicher Auswahl auf dem Markt. Oft werden die Zellen von bekannten Herstellern bezogen und dabei sowohl monokristalline- als auch polykristalline Zellen und Dünnschichtmodule zu speziellen BIPV-Modulen verarbeitet. Dabei gibt es zahllose Kombinationsmöglichkeiten, beispielsweise hinsichtlich Zelltyp, Abmessungen, Glasart sowie bei der Montageart, etwa ob starr oder nachgeführt.
Unabhängig davon, ob ein Modul rechteckig oder quadratisch, dreieckig, trapezförmig oder rund gestaltet wird, ist es Aufgabe des Herstellers, darauf zu achten, dass innerhalb der Verschaltungseinheiten, den Strings, immer gleich viele Zellen verbaut werden, damit gleiche Spannungen und Ströme resultieren. Blindmodule, sogenannten Dummies, werden für den randlichen Abschluss benötigt bzw. für Bereiche mit Verschattung.

Dünnschichttechnik spielt ihre Stärken aus
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.
Im Gebäudebereich spielt auch Transparenz eine immer wichtigere Rolle. Architekten finden daher bei der Kombination von Wärmeschutzverglasung und transparenten Solarmodulen interessante Einsatzgebiete und können durch einfallendes Tageslicht attraktive Innenraumstimmungen erzeugen. Diese Transparenz wird bei kristallinen Modulen wahlweise durch den Abstand der Zellen beziehungsweise eine Perforierung des Materials erreicht. Bei Dünnschichtzellen werden dazu mittels Laser die Stromführungsbahnen durchbrochen und somit Transparenz erzeugt.

Farbige Sollarzellen
Weiteren architektonischen Gestaltungsraum bietet auch die Farbgebung der Solarmodule: Sie lässt sich einerseits dadurch erreichen, dass man die natürliche Farbigkeit unterschiedlicher Zelltechnologien nutzt: polykristalline Zellen schimmern blau, monokristalline Zellen schwarz und amorphe Zellen violett.
Bei den polykristallinen kann man aber auch die Stärke der Antireflexschicht variieren und somit Farbtöne wie Smaragd, Bronze, Gold oder Silber erzeugen – wodurch aber auch der Wirkungsgrad von heute mehr als 17% auf bis zu 13% reduziert wird. Intensivere optische Effekte bieten zusätzliche farbige Glasscheiben, Folien oder Siebdrucke, die aber üblicherweise zugunsten eines ungehinderten Sonneneinfalls hinter den Zellen angebracht werden.

Modulaufbau je nach Einsatzzweck
Je nach Bedarf stehen für bauwerkintegrierte PV-Lösungen unterschiedliche Glaskombinationen zur Verfügung: Geringes Gewicht mit günstigem Preis vereinen Glas-Folien-Module mit Einscheiben-Sicherheitsglas (EFL). Diese dürfen aber nur bis zu einer bestimmten Einbauhöhe und mit passenden 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. Bei ihnen verhindern zwischen den Gläsern aufgetragene Folien ein Zersplittern und garantieren eine Resttragfähigkeit.

Sicherheit und Wärmeschutz
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/(m²K), bei 3 Scheiben ein U-Wert von 0,5 W/(m²K) zu erreichen.
BIPV-Module müssen als Bauprodukt besondere Sicherheitsauflagen erfüllen, da sie zum Beispiel auch als Geländer zur Absturzsicherung eingesetzt werden können. „Wenn Steine, Hagel oder anderes auf das Modul stürzen, muss sichergestellt sein, dass das Modul nicht durchbricht und Personen darunter Schaden nehmen“, erklärt Dieter Moor, Geschäftsführer der Ertex Solartechnik GmbH aus dem österreichischen Amstetten. Auch Windlast und Schneelast sei durch unterschiedliche Glasdicken entgegenzuwirken.

Montagesysteme für Fassaden
Bei BIPV-Fassaden kommen oftmals Pfosten-Riegel-Konstruktionen zum Einsatz. Solche Montagesysteme aus Aluminium, Stahl oder Holz nehmen in ihren Profilen die Kabel der Solarmodule auf und führen sie zum Anschlussort. Den Abstand zwischen Glasscheiben und Rahmen dichten Gummileisten ab.
Will man auf außen liegende Pressleisten verzichten, kann das sogenannte „Structural-Glazing“ zum Einsatz kommen, was man auch als „übergangslose Glasfassade“ übersetzen könnte: Hier wird die Last der Glasfassade über eine verdeckte Halterung abgefangen, und die Glasscheiben bzw. Module sind lediglich mittels Kleber zueinander abgedichtet.

Kosten & Wirtschaftlichkeit
Bauwerkintegrierte Photovoltaik erscheint auf den ersten Blick teurer als herkömmliche PV-Anlagen. Um die Wirtschaftlichkeit eines BIPV-Projektes aber zu beurteilen, sind die Investition und die laufenden Kosten allen erdenklichen Einnahmen gegenüberzustellen. Am schwierigsten dabei ist es, Annahmen darüber zu treffen, wie der Wert der Mehrfachnutzen, etwa durch vermiedene Klimatisierung oder Tageslichtgewinne, zu beziffern ist.

Modul- und Systemkosten
Solarmodule zur Gebäudeintegration sind in aller Regel teurer als herkömmliche Module: „Die Kosten liegen – je nachdem welcher Zelltyp verwendet wird – in der Regel zwischen 2600 und 7000 Euro/kWp, bei Isolierglas oder Sonderformaten kann es auch schon mal 20000 Euro/kWp werden“, so Dieter Moor von der Ertex Solartechnik GmbH.
Dies bedeutet also etwa mindestens das Dreifache von Standardmodulen, die teilweise für unter 1000 Euro/kWp zu bekommen sind. Die sich dann ergebenden Systemkosten sind von Fall zu Fall noch einmal cirka das Doppelte bis zum Dreifachen oder auch noch mehr.

Kostensenkungspotenzial und weitere Faktoren
Die relativ hohen Kosten der BIPV sind unter anderem ihrer geringen Stückzahl geschuldet. Dies gilt umso mehr für Sonderanfertigungen. Daher sind auch Standardmodule ein erster Weg, um Kosteneinsparungen zu nutzen. Neben den Modul- bzw. Systemkosten sind bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung aber auch Wartung und Reparatur, eventuelle Mindererträge infolge Degradation bzw. Betriebsausfällen sowie erforderliche Versicherungen, Einkommensteuer und Kreditzinsen zu berücksichtigen.

Rendite nicht im Fokus
Bauwerkintegrierte Photovoltaik liefert aber gerade durch ihre Möglichkeit, Mehrfachnutzen zu realisieren, auch finanziell interessante Anreize. Dennoch sollte die Wirtschaftlichkeit nicht das primäre Ziel solcher Projekte sein. Maria Roos vom Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel warnt daher davor, die BIPV auf den Renditegedanken zu reduzieren: „Wir vernachlässigen dann ganz wichtige Funktionen, wie moderne Gestaltung, positives Image, bessere Vermietbarkeit des Gebäudes, die zum Einsatz dieser Technologie motivieren“.

Energetische Funktionen immer wichtiger
Nicht zuletzt bieten die energiegewinnenden Dächer und Fassaden eine Antwort auf künftige Energiepreissteigerungen sowie wachsende energetische Anforderungen an die Gebäudehülle. Dies wird sicherlich noch durch die EU-Richtlinie gefördert, wonach ab dem Jahr 2020 Neubauten nahezu Nullenergiegebäude zu sein haben. Die energetischen Gewinne durch den Einsatz der BIPV lassen sich eindeutig auf der  Habenseiten verbuchen. Manch einer dürfte dann froh sein, bereits über ausreichend BIPV-Referenzen zu verfügen.

Autor: Martin Frey

Bilder: Martin Frey

Veranstaltung
Am 7. März 2017 findet das „9. Forum Bauwerkintegrierte Photovoltaik“ in Kloster Banz, Bad  Staffelstein, statt. Infos beim Ostbayerischen Technologie-TransferInstitut e.V. (OTTI): www.otti.de

Bücher zum Thema:

• Hagemann, Dr.-Ing. Ingo B. (2002) Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Integration der Photovoltaik in die Gebäudehülle. Gebunden. 433 S. mit 1000 größtenteils farbigen Fotografien. Verlagsgesellschaft Rudolf Müller, Köln. ISBN 978-3-481-01776-7, 17,00 Euro.
• Roberts, Simon, Nicolò Guariento (2009): Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Ein Handbuch. Verlag Birkhäuser, Basel. 184 S. ISBN: 978-3-7643-9949-8, 42,95 Euro.