Solare Architektur – Gebäude der Zukunft - Wie sich Photovoltaik in Gebäude integrieren lässt

Das Marktvolumen lag 2012 laut Angaben des globalen Informationsunternehmen IHS Solar Research bei 90 Mio. US-Dollar. Zum Vergleich: Der PV-Gesamtmarkt hat ein Volumen von 81 Mrd. US-Dollar – damit erreicht die GIPV nicht einmal einen Anteil von einem Prozent.
„Wir sehen ein verstärktes Wachstum im Bereich der GIPV, auch wenn Detailzahlen derzeit noch schwer zu liefern sind“, sagt Stefan de Haan, Principal Analyst bei IHS Solar Research. „Gerade kleinere, spezialisierte Unternehmen können hier durchaus ein Umsatzwachstum in Höhe von 20 bis 30% vorweisen.“
Die GIPV bietet einen vielfältigen gestalterischen Spielraum. Mögliche Einsatzfelder sind neben aufgeständerten Dachanlagen die Dachintegration und die Nutzung als Sonnenschutz, Brüstung oder Fassadenverkleidung. „Seit Jahren wird die schleppende Marktentwicklung auch damit begründet, dass es zu wenig Architekten gibt, die sich mit dem Thema GIPV befassen“, sagt Roland Krippner von der Technischen Hochschule Nürnberg. „Dabei sind es gerade die Architekten, die vorbildliche Gesamtlösungen erzielen.“
Auch wenn ein hohes Maß an fachlicher Kompetenz erforderlich ist, für den Einsatz gebäudeintegrierter Photovoltaik sind grundlegende bautechnische Änderungen in der Regel nicht erforderlich. Dennoch ist die Integration bislang noch teuer. Deshalb sind Fassadenelemente aktuell hauptsächlich an großen Büro- und Geschäftsgebäuden zu finden.
Hier übernehmen die Module zusätzliche Funktionen wie Sicht,- Sonnen- und Schallschutz sowie den Schutz der Außenwand vor Umwelteinflüssen. Zudem lassen sich poly- und monokristalline Solarzellen als vollwertiges Isolierglas einsetzen. Dazu sind die Solarzellen zwischen einer hoch lichtdurchlässigen eisenarmen Außenglasscheibe, einem sogenannten Weißglass, und einer Rückwandscheibe aus Sicherheitsglas eingebettet.

Für jede Fassade die passende Anlage
Um GIPV in Fassaden zu integrieren, gibt es unterschiedliche Ansätze. Neben den vielfältigen Ausführungen der PV-Module variiert auch die Art der Eingliederung in die Fassade. Auswählen können Interessenten unter Versionen für die Kalt-, Warm- und Anlehnfassade.
Für die Kaltfassade werden beispielsweise kristalline Module an einer Außenwand mittels einer Beplankung befestigt. Diese Art der Gebäudehülle ist meist bei Industrie- und Bürogebäuden aber teilweise auch im Wohnungsbau zu finden. Eine Luftschicht, die sich zwischen dem gedämmten Gebäude und der Außenhaut befindet, sorgt für eine ständige Hinterlüftung, schützt vor Feuchtigkeit und kühlt zugleich die PV-Module.
Die Warmfassade besteht in der Regel aus einer semitransparenten Glasfassade. Dünnschichtmodule zeichnen sich hier durch eine geringe Wärmeempfindlichkeit aus. Die direkt angebrachten Solarmodule übernehmen neben der Energieerzeugung auch die Funktion der Wärmedämmung.
Unter den Begriff Anlehnfassade fallen mittels Aufständerung nachträglich an der Fassade installierte Anlagen. Hierfür hat z.B. das Schweizer Unternehmen Solar Retrofit ein spezielles Montagesystem für mono- und polykristalline PV-Module auf den Markt gebracht. Im Gegensatz zu Fassadensystemen, die mit einem Winkel von 90° montiert sind, lässt sich damit laut Herstellerangaben die Energieproduktion dank des Neigungswinkels von etwa 30° um ca. 50% pro Quadratmeter steigern.
Ein bedruckbarer und in diversen Farben lieferbarer Reflektor auf der Unterseite der Aufständerung sorgt für eine zusätzliche Energieeffizienzsteigerung von etwa 10%. Damit verwerten die Module neben der direkten Sonneneinstrahlung auch diffuse Strahlungen und Spiegelungen wie etwa die Reflexionsstrahlung von Wasser, Schnee und umliegenden Gebäuden. Außerdem ermöglicht ein perforierter Seitenabschluss eine natürliche Luftzirkulation und stellt damit eine optimale Betriebstemperatur für die Module sicher.

Nahezu grenzenlose Vielfalt
In puncto Design haben Solarmodule für die GIPV einiges zu bieten. Neben den unterschiedlichen Formen und Typen kann auch die Zellbelegungsdichte variieren. Eine sehr interessante transparente Solarzelle auf Basis von monokristallinem Silicium hat etwa der Modulhersteller Sunways entwickelt. Mithilfe eines Laserverfahrens erzeugte Aussparungen in der Solarzelle ermöglichen einen Sonnenlichteinfall von 10% in das Gebäudeinnere. Inklusive der Abstände zwischen den Zellen wird damit eine Transparenz von 22% erreicht.
20 dieser speziellen Solarmodule mit einer installierten Leistung von 23,2 kWp wurden für das Plusenergiegebäude der Stadtwerke Konstanz, dem sogenannten „Energiewürfel“, angefertigt. Jedes einzelne Modul verfügt hier über bis zu 638 semitransparente Solarzellen.
Einen weiteren interessanten Ansatz verfolgt derzeit das australische Unternehmen Dyesol mit Farbstoffsolarzellen (FSC). Auf Basis einer künstlichen Photosynthese absorbiert eine nach dem Schweizer Erfinder Michael Grätzel benannte „Grätzel-Zelle“ Licht über einen lichtempfindlichen Farbstoff. Die Zelle setzt einen biochemischen Prozess nach dem Prinzip der pflanzlichen Photosynthese in Gang. Dazu werden drei Lagen, bestehend aus Titandioxyd, Farbstoff und Elektrolyt, zwischen zwei Glasscheiben eingebracht.
Die photoelektrochemischen und farblich transparenten Solarzellen eignen sich auch für lichtarme und verschattete Bereiche. Die Farbstoffsolarzellen lassen sich in Glas- und Stahlkonstruktionen integrieren und können konventionelle Baumaterialien im Bereich der Gebäudehülle ersetzen. Allerdings befindet sich diese Technologie derzeit noch in der vorkommerziellen Phase.

Wichtige Einflussgrößen
Der großen Anzahl an Varianten und Einsatzmöglichkeiten der GIPV stehen die unterschiedlichsten Umwelteinflüsse gegenüber. So ist etwa die Betriebstemperatur für die Energiegewinnung ein wichtiger Faktor, weil die elektrische Leistung mit zunehmender Modultemperatur sinkt. Welche Temperaturen beispielsweise an einer Fassade vorherrschen und wie sie sich verteilen, hängt neben der Eingliederungsart auch von Faktoren wie der Einstrahlung, der Umgebungstemperatur und den Windverhältnissen ab. Hinzu kommt die Quantität der Sonneneinstrahlung. Hier sind zusätzlich zur Ausrichtung und Neigung der Module auch mögliche Schattenwürfe durch umliegende Gebäude und Bäume zu beachten.
Aber auch der Verschmutzungsgrad der PV-Module wirkt sich entscheidend auf den Energieertrag aus. Umwelteinflüsse wie etwa Industrieluft und Blütenstaub sowie flächenmäßig begrenzte Einflüsse wie Vogelkot, Moosbildung und Laub können zu Leistungsverlusten führen. Ferner wirken sich eventuelle Verschmutzungen der unteren Zellreihen negativ aus, wenn sich Ablagerungen – auch bei senkrechten Fassaden – vom Rahmen her nach oben ausbreiten.

Der Markt braucht Impulse
Die GIPV eröffnet als sichtbares und gestalterisches Element der Architektur, aber auch der Wirtschaft die Möglichkeit, Signale für die erforderliche Energiewende zu setzen. So werden inzwischen im privaten Bereich Fertighäuser mit integrierter PV angeboten. Eine Antriebsfeder hierfür mag die Zielsetzung „Energieeffizienzhaus Plus“ sein, die das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung herausgegeben hat.
Zudem kann sich in Zukunft die 2010 in Kraft getretene Gebäuderichtlinie positiv auf das Marktwachstum auswirken. Danach müssen alle nach 2020 errichteten Gebäude hohe Energiesparvorgaben bis hin zum Nahe-Null-Standard erfüllen. Dennoch erwarten Analysten aufgrund der derzeitigen Kostenstruktur vorerst keine große Dynamik am Markt für GIPV – obwohl die umfangreiche Produktpallette sehr flexible Gestaltungsmöglichkeiten bereit hält.

Autorin: Carola Tesche