Module zwischen Ästhetik und Funktion
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Gebäudeintegrierte PV Module zwischen Ästhetik und Funktion S. Rexroth, Berlin Photovoltaikmodule sind seit nunmehr rund 30 Jahren auf dem Markt erhältlich und prägen immer öfter das Gesicht eines Hauses. Welche Entwicklung sie – was ihre gestalterischen Ausdrucksmöglichkeiten anbelangt – durchgemacht haben, das klärt nachfolgender Beitrag. 1 Erste Schritte 1977 wurde in den USA ein Solarmodul mit dem Ziel entwickelt, eine potentiell kostengünstige Technologie für photovoltaische Energiewandlung auf der Erde vorzuführen, die nicht mehr nur auf Sonderanfertigungen basierte. Doch es dauerte noch rund weitere 15 Jahre, bis die Stromgestehungskosten einer Photovoltaikanlage einigermaßen konkurrenzfähig mit den Energiepreisen der örtlichen Versorger wurden – in erster Linie durch Fördergelder. Förderprogramme wie das 1000-Dächer-Programm der Bundesrepublik Deutschland dienten dem Marktanreiz. Bund und Länder starteten das Programm im September 1990 zunächst für die alten Bundesländer und dehnten dann im Juli 1991 den Geltungsbereich auf die neuen Bundesländer aus. Mit dem 1000Dächer-Programm wurden ausschließlich netz- Autorin Dr.-Ing. Susanne Rexroth ist Achitektin und lehrt an der HTW Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin im Fachbereich I Umwelttechnik/Regenerative Energien, Berlin. ep Photovoltaik – 7/8-2009 gebundene, auf Dächern von Ein- und Zweifamilienhäusern montierte Photovoltaikanlagen von 1 bis 5 kW Spitzenleistung gefördert. Ab 1991 wurden auch alle Energieversorger mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) dazu verpflichtet, den Strom der kleinen Photovoltaik-Kraftwerke abzunehmen. Dies erklärt, dass zu dieser Zeit die meisten Photovoltaikanlagen noch von privaten Eigenheimbesitzern als so genannte Auf-Dach-Anlagen errichtet FÜR DIE PRAXIS wurden – oftmals nach funktional-technischen Kriterien und ungeachtet jeglicher gestalterischer Ansprüche. Auch heute noch wirken gerade Photovoltaikanlagen auf privaten Eigenheimen mitunter wie Briefmarken, die auf die Dachfläche geklebt wurden (Bild ). Immerhin: Dass eine Photovoltaikfläche auch visuell sowie konstruktiv in das Dach integriert werden kann, bewiesen bereits 1988 die Stadtwerke von Saarbrücken, die auf einem Privathaus in Ensheim eine Photovoltaikanlage betreiben (Bild ). 2 Planungsfaktor Energieausbeute Ein wichtiger Einflussfaktor auf die Einbindung einer Photovoltaikanlage in die Gebäudehülle ist der angestrebte Deckungsanteil der Solarenergienutzung und die daraus resultierenden Konsequenzen für die Dimensionierung der Anlage. Das Verhältnis von benötigter Generatorfläche und zur Verfügung stehender Weithin sichtbarer Fremdkörper im Dorfensemble PV-Anlage auf einem Naturkostladen in Ettlingenweier aus dem Jahre 2001 Foto: Rexroth 53 FÜR DIE PRAXIS Gebäudeintegrierte PV Die erste dach- integrierte Solaranlage in Deutschland stammt aus dem Jahre 1988 und wurde in Ensheim installiert Foto: Versorgungs- und Verkehrsgesellschaft Saarbrücken Integrationsstufen Integrationsstufe I: Applikation (visuelle Integration); Integrationsstufe II: Addition; Integrationsstufe III: Integration Dachfläche verstärkt die Schwierigkeit der gestalterischen Einbindung relativ kleiner Komponenten in eine große Fläche. Die jährlich zu erwartende Energieausbeute einer durchschnittlichen Einfamilienhaus-Anlage mit 1400 Wp installierter Nennleistung (rund 16 m2) beträgt in unseren Breiten unter optimalen Bedingungen maximal etwa 1100 kWh. Das entspricht ungefähr einem Drittel des jährlichen Stromverbrauchs eines Vier-Personen-Haushaltes (ohne Energie für Heizung oder Warmwasser). Diese Anlagengröße ergibt sich aus einem für den privaten Bauherrn günstigen Kosten-Nutzen-Verhältnis. Die Flächengröße zeigt aber auch, dass damit nur eine Teilbelegung der Dachfläche erfolgt. Photovoltaikmodule hatten es deshalb lange Zeit schwer, Akzeptanz bei Genehmigungsbehörden – vor allem in der Denkmalpflege – und bei Architekten zu finden. Ziel einer Planung mit Photovoltaikmodulen sowohl im Dach- als auch im Fassadenbereich sollte eine möglichst weitreichende konstruktive und gestalterische Einbindung in das Gebäude sein. Die Hierarchie der baulichen Integration in den Fassaden- und Dachbereich folgt drei Stufen (Bild ): I Applikation (visuelle Integration); II Addition; III Integration. Wenn man Photovoltaikmodule als bauliche Elemente betrachtet, so wurden im Laufe der Zeit die Module immer mehr mit der Gebäudehülle „verschmolzen“. Diese Entwicklung zeigt, dass die Photovoltaikmodule inzwischen mehr als nur rein technische Bauteile sind. Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit von Neigungswinkel und Ausrichtung Integration – nach lateinisch integratio: (Wieder-)Herstellung, Vervollständigung eines Ganzen – bedeutet die Herstellung eines Ganzen, Zusammenschluss, Vereinigung. Übertragen auf die Architektur meint die gebäudeintegrierte Photovoltaik als höchste Stufe der Integration (Integrationsstufe III) die Substitution von Fassaden- und Dachelementen. Sie sind Komponenten einer Warmfassade oder der Dacheindeckung. Die Photovoltaikmodule werden somit zu einem Bestandteil der Gebäudehülle und übernehmen all deren Funktionen wie Wetter-, Wärme-, Sonnen- und Schallschutz. Sie können zudem die Tageslichtnutzung unterstützen. Stellt man sich vor, dass die Photovoltaikmodule nicht da wären, so würde nicht nur eine Schicht der Gebäudehülle, sondern das komplette Dach- oder Fassadenteil fehlen. Während bei einem geneigten Dach sehr gute Wirkungsgrade zu erzielen sind, weil die notwendige Neigung der Solaranlage bereits durch die Dachneigung gegeben ist, hat man bei einer Fassade mit Energieeinbußen je nach Ausrichtung zwischen 25 und 50 % zu rechnen (Bild ). Umso wichtiger sind bei einer Fassadenintegration die Qualitäten der Photovoltaikmodule als architektonisch einsetzbare Bauelemente. Beispiele aus den vergangenen Jahren zeigen, dass Photovoltaikflächen am Gebäude diesem Anspruch im Laufe der Zeit gerechter wurden. Selbst frühe Fassadenanlagen übernahmen bereits Zusatzfunktionen wie den Sonnenschutz (Bild ). ep Photovoltaik – 7/8-2009 HT SOLAR 300 Kontroll- & Analysegerät für 1-3 phasige Photovoltaikanlagen 3 Fassadenintegrierte Photovoltaik Zu den ersten vorgehängten, hinterlüfteten Fassaden mit Photovoltaikmodulen zählt der Turm der katholischen Kirche im schweizerischen Steckborn. Der Turm wies Witterungsschäden auf und musste 1993 saniert werden. Die von „Betonkrebs“ befallenen vorgehängten Fassadenelemente wurden gegen neue Faserzementplatten ausgetauscht, dabei erhielt die nach Süden weisende Seite eine vorgehängte Fassade, bei der die Platten mit Photovoltaikmodulen kombiniert wurden. Der gestalterische Akzent des 42 m hohen Turmes liegt hierbei in der Betonung der Vertikalen: Zwischen den beiden Reihen der rahmenlosen Photovoltaikelemente befinden sich farblich abgestimmte Faserzementplatten, die sich nach oben verjüngen. Die rahmenlosen Module sind auf der gleichen Unterkonstruktion wie die Faserzementplatten befestigt. Auf die Höhe von 42 m wurden sieben Führungsschienen verteilt. Bei der Montage mussten besonders die Dehnungsfugen beachtet werden, immerhin sind die Führungsschienen 6 m lang. Das sichtbare Befestigungssystem für die rahmenlosen Module besteht aus einem zweiteiligen Klemmmechanismus. Die Klemmwirkung beruht auf Federn, die in die Unterkonstruktion eingehängt sind. Die Laminate werden dreifach mit Federgegendruck schraubenlos ge- lagert, wodurch eine besonders schnelle Montage möglich ist. Die kleinen Paneelhalter sind auf die Farben der unterschiedlichen Platten abgestimmt und bleiben im gesamten Fassadenbild kaum wahrnehmbar. Die horizontalen Abstände der Paneele bilden dunkle Schattenfugen, schwarze Neopren-Fugenbänder dichten die vertikalen Fugen. Der Mehrpreis gegenüber der konventionellen Vorhangfassade betrug vor rund 15 Jahren zwischen 700 und 800 Euro pro m2 Solarfassade – heute liegen die Preise rund 10 % niedriger. Die 158 m2 große Fläche mit den damals weit verbreiteten Laminaten des Typs SM65 von Siemens erbringt eine Nominalleistung von 19,5 kWp. Eine besondere Herausforderung an die Verschaltung der Module stellte die Turmuhr dar: So wurden rund um die Turmuhr vier Felder photovoltaischer Elemente verdrahtet; die Verschattung der Module „rund um die Uhr“ erforderte eine spezifische Einpassung der Bypassdioden (Bilder a)–c)) Die erste Warmfassade mit Solarmodulen wird in Deutschland dem Verwaltungsgebäude der Stadtwerke Aachen (Stawag) zugesprochen (Bild ). Bereits 1991 installierte die Stawag im Treppenhaus eine Glasfassade aus Isolierglaselementen kombiniert mit teiltransparenten Photovoltaikmodulen. Die Solarzellen wurden auf Abstand verlegt, sodass das Treppenhaus auch durch die Photovoltaikflächen mit Tageslicht versorgt wird. Fassadenanlagen mit Zusatzfunktion Die Photovoltaikfassade aus dem Jahre 1994 in Berlin-Zehlendorf produziert nicht nur Strom, sondern verschattet auch die Räume. Foto: Rexroth Und die Sonne lacht in Ihr Portemonnaie s%INDEUTIGE%RTRAGSKONTROLLE3OLL)ST s%RFASSTALLERELEVANTEN$ATEN ZEITGLEICHVORUNDNACHDEM Wechselrichter: 3PANNUNGEN - Ströme 4EMPERATUREN 'LOBALSTRAHLUNG a) b) Kirchturm der katholischen Kirche in Steckborn c) ep Photovoltaik – 7/8-2009 a) Schon 1993 gelungene Integration b) rund um die Turmuhr gibt es vier Modul-Felder c) die Laminate werden dreifach mit Federgegendruck gelagert Foto: Fabrisolar WWWHTINSTRUMENTSDE FÜR DIE PRAXIS Die matte Folie auf der inneren Glasscheibe im Modulaufbau bewirkt zusätzlich, dass das einfallende Licht gestreut wird und keine harten Licht-Schatten-Kontraste erzeugt. Die Modulanschlusskabel werden verdeckt in einem abnehmbaren Kabelkanal auf dem Fassadenriegel geführt. 4 Impuls für eine architektonisch integrierte PV Wer könnte besser ein politisches Zeichen für die gestalterisch anspruchsvolle Nutzung der Solarenergie setzen als die Bundesregierung selbst? Dem Bund fiel nach der Entscheidung des Parlaments zugunsten des Regierungsumzugs nach Berlin diese Gelegenheit in den Schoß, und er nahm sie wahr: Lange bevor 1999 unter der Regierung Schröder das 100000-Dächer-Programm zur Förderung der Solarenergie verabschiedet wurde, fasste der Ältestenrat des Deutschen Bundestages 1992 den Beschluss, die Energieversorgung für die Regierungsbauten der Hauptstadt konsequent an ökologischen Kriterien auszurichten: 15 % der Energie im neuen Regierungsviertel sollten aus regenerativen Quellen bezogen werden (Bild ). Dabei war klar, dass aus Sonne gewonnener Elektrizität neben der durch ein Biodiesel-BHKW erzeugten Elektrizi- Gebäudeintegrierte PV tät und Heizungswärme eine hervorgehobene Stellung zukommen würde. Allerdings erwirtschaften – im Bereich der Parlamentsbauten im Spreebogen – die auf den Dächern installierten Photovoltaikanlagen nur 1,3 % des Jahresstrombedarfs. Es sind also umgerechnet vier Tage pro Jahr, an denen die Arbeitsfähigkeit des Parlaments mit Hilfe von Sonnenstrom gewährleistet wird. Umgerechnet rund 20 Millionen Euro stellte das Bundesbauministerium für das Energiekonzept mit regenerativen Energien zur Verfügung. Ausgegangen wurde von einer Installationsfläche von 6000 m2 für Photovoltaik und etwa 800 m2 für Solarkollektoren. 20 Photovoltaikanlagen kamen insgesamt auf den Neubauten und sanierten Altbauten des neu hergerichteten Regierungsviertels zum Einsatz – auf dem Reichstag ebenso wie auf dem Bundespräsidialamt, sogar die Dächer des vom Wiener Architekten Gustav Peichl konzipierten Bundestagskindergartens bestückte man mit Solarzellen. 5 Vollwertige Bauteile Vor allem Hersteller und Anbieter von Dacheindeckungssystemen entwickelten ab Ende der 1990er-Jahre Photovoltaikelemente, die Südfassade des Verwaltungsgebäudes der Stadtwerke Aachen mit einer Isolierglasfassade aus konventionellem Isolierglasaufbau im Wechsel mit Solarmodulen in Isolierverglasung Foto: Stadtwerke Aachen Sonnenschutzlamellen mit Solarzellen auf dem Paul-Löbe-Haus in Berlin Foto: Bundesbaugesellschaft Berlin mbH Auf der Südfläche des Kirchendaches in Burgwalde wurden Solardachziegel mit Flachdachziegeln kombiniert Foto: Rexroth 56 ep Photovoltaik – 7/8-2009 Gebäudeintegrierte PV FÜR DIE PRAXIS Die amorphen Siliziummodule sind auf die Leichtmetallpaneele auflaminiert Ihre vertikale Struktur korrespondiert mit der Oberflächenstruktur der ortstypischen Reetdacheindeckung. Foto: Rexroth Evangelische Friedenskirche im denkmalgeschützten Altstadtkern von Tübingen Die Solardachfläche aus dem Jahr 2003 nimmt sich optisch zurück gegenüber Farbigkeit und Oberfläche des Gebäudes. Foto: Würth Solar ihre Produktpalette erweiterten. Ab 2000 waren beispielsweise Flachdachziegel kombiniert mit Kleinst-Photovoltaikmodulen auf dem Markt. Bei der Integration der Solarfläche aus Kleinst-Photovoltaikmodulen in das Dach der St. Georg Kirche in Burgwalde ergab sich das Motiv aus der Kleinteiligkeit der Dachfläche (Bild ). Turmhelm und Giebel sind mit Schieferschindeln gedeckt, deren Anordnung in Rechteck-Schablonen-Deckung die Flächen kleinteilig gliedert. Diesem Bild entspricht der für das Kirchendach gewählte Dachziegeltypus, der als moderner, eben geformter Flachdachziegel dieses Bild übernimmt und zeitgemäß interpretiert. Von der rund 400 m2 großen Dachfläche belegten die Dachdecker ungefähr 300 m2 mit grau engobierten Flachdachziegeln und 83 m2 auf der Südseite mit ebenfalls grau engobierten speziell ausgeformten Solardachziegeln. Die allein in Verbindung mit einem Baudenkmal steril wirkenden engobierten Ziegel harmonieren mit den ähnlich wirkenden Kleinstmodulen, wodurch sich insgesamt ein modernes, authentisches Bauprodukt ergibt, das zwischen der alten und neuen Dachflächentextur vermitteln kann. Zu- ep Photovoltaik – 7/8-2009 sammen ergibt sich jedoch eine homogene Fläche, die sich in ihrer Struktur der historischen Rechteck-Schablonen-Deckung anpasst. Leider erwiesen sich die Dacheindeckungssysteme mit kleinen Solarflächen gegenüber einer Anlage aus Standard-Photovoltaikmodulen als unwirtschaftlich, sodass die meisten Produkte inzwischen vom Markt verschwunden sind. Besser durchsetzen konnten sich Flachdach-Eindeckungssysteme aus kaltverklebten Dacheindeckungsbahnen mit aufgeklebten Photovoltaiklaminaten. Auch Metallpaneele, die häufig recht kostengünstig – beispielsweise im Industrie- und Gewerbebau – eingesetzt werden, konnten sich inzwischen auf dem Markt etablieren. Führende Hersteller von Dach- und Fassadenelementen aus Metall bieten sie mit aufgeklebten Photovoltaiklaminaten an. Doch auch beim anspruchsvollen Bauen im Bestand zeigen sich interessante Lösungen. So wird beispielsweise bei einem Einfamilienhaus in Lübeck aus dem Jahre 2002 eine Wechselbeziehung zwischen alten und neuen Materialien und Oberflächen hergestellt. Der Architekt nahm die Gliederungen, Proportio- nen und Kubaturen der vorhandenen Bebauungsstruktur auf, ebenso die Farbigkeit. Der Neubau des Einfamilienhauses unterscheidet sich in der Materialwahl und interpretiert die Oberflächenstrukturen. Die senkrecht angeordneten Metalldachpaneele mit auflaminierten Solarmodulen korrespondieren mit dem Muster der vorhandenen Reetdacheindeckung (Bild ). 6 Angepasste Produkte Das Beispielprojekt der Friedenskirche in Tübingen zeigt die Potentiale der Technologie, wenn die Hersteller anfangen, die Photovoltaikmodule dem Gebäude anzupassen, das heißt das Produkt bildlich unterzuordnen oder zurückzunehmen (Bild ). Die glatte, gleichmäßig dunkle Oberfläche der Dünnschichtlaminate aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) bleibt unauffällig im Vergleich mit dem roten Putzmauerwerk des Gebäudes. Allerdings reflektiert die Solarfläche das Licht, sodass das Dach hell wirkt. Mattierte Deckgläser würden in diesem Falle diesen Effekt vermeiden, 57 FÜR DIE PRAXIS Gebäudeintegrierte PV und die Solardachfläche würde gänzlich in den Hintergrund treten. Doch inzwischen ist längst eine breite Palette an standardisierten Photovoltaikmodulen zur Gebäudeintegration im Angebot, sodass häufiger auf kostenintensive Sonderanfertigungen, wie sie noch bei den Solaranlagen für die Bundesbauten nötig waren, verzichtet werden kann. Allerdings zeigt sich die gebäudeintegrierte Photovoltaik nach wie vor als Nischenmarkt. Es tut sich zwar derzeit Einiges in Sachen Gebäudeintegration, doch die bislang verwirklichten Projekte spiegeln bei Weitem nicht die Bandbreite der Möglichkeiten wieder, die Photovoltaikmodule als Fassadenelement haben können. Dennoch: die Palette an ausdrucksstarken Photovoltaikfassaden wird größer und vielfältiger – auch Dank der Fortschritte in der Gebäudesimulation. Ohne sie wäre beispielsweise die aufwendige Planung und Ausführung der gebäudeintegrierten Photovoltaikmodule in die amorphe Form eines Neubaus für den Pharmakonzern Novartis in Basel undenkbar. Die komplexe Gebäudeform macht die Planung der Verkabelung vom PV-Generator zu den Stringboxen im Doppelboden am 3D-Modell notwendig. Der Hauptsitz von Novartis, das Werkareal St. Johann mit seinen zahlreichen Büros, Forschungs- und Produktionsstätten soll sich in einen Campus des Wissens, der Innovation und Begegnung verwandeln und durch die Gebäude namhafter Architekten aufgewertet werden. Ein neues Bürohaus von Frank Gehry bildet den Mittelpunkt des neuen Campus: In seiner durchscheinenden und mehrfach gefalteten Gestalt erscheint es wie eine Papierfigur, jedoch eine mehr als 30 m hohe. Die kristalline Erscheinung verdankt der Solitär seiner skulpturalen Form sowie der Totalverglasung: Selbst die Unterseiten der überhän- 12 Novartisgebäude von Frank Gehry In die komplex geformte Gebäudehülle wurden teiltransparente Solarzellen integriert. 13 Raum- und Flächenmodell für das Novartisgebäude von Frank Gehry Foto: Sunways genden Gebäudevolumen sind verglast. In die gläserne Gebäudehülle integrierte man mit Hilfe komplexer Rechenmodelle hergestellte teiltransparente Solarzellen, die in einem Laserverfahren perforiert wurden und so die gewünschte Transparenz erhielten. Individuell wurden für diese Gebäudehülle transparente Zellen mit einer runden 2-mm-Lochung entworfen, um dem gewünschten Erscheinungsbild Rechnung zu tragen. Die Zellen weisen bei einer üblichen Transparenz von 10 % noch einen Wirkungsgrad von 13 % auf. Die Transparenz kann auf Wunsch auf bis zu 30 % erhöht werden. Auf diese Art wird der Photovoltaik-Generator zum integralen Bestandteil der Architektur 12 und 13 ). 7 Produktentwicklung Gegenüber den bisher häufig kristallin-siliziumbasierten Modulen bieten neue Entwicklungen eine Reihe spezifischer Vorteile, wie zum Beispiel weitgehend monochrome Oberflächen, flexible Raumstrukturen, Semi- Das Partnersystem für Solarfachhändler: Perfekte Planung – Top Konditionen transparenz oder auch ihre größere Empfindlichkeit für diffuse Strahlung, die sie für Anwendungen in der gebäudeintegrierten Photovoltaik prädestinieren. So ermöglichen neuere Entwicklungen der Dünnschichttechnologie flexible Module: beispielsweise lässt sich das CIS auf Kupferband zu einem Kunststofflaminat unter anderem für Membrankonstruktionen weiterverarbeiten. Auch herkömmliche Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium (a Si), eingeschweißt in zwei EFTE-Folien, eignen sich für transparente Foliendachkonstruktionen. Eine gewisse Farbigkeit lässt sich mit den bisherigen Dünnschichtzellen erzielen, wenn farbige Deckgläser verwendet werden. Farbige Dünnschichtzellen selbst werden – in einem Spektrum von Grün über Gelb zu Rot – mit der Weiterentwicklung der Grätzelzelle möglich. Bei diesen Solarzellen absorbieren Farbstoffe Licht und erzeugen damit Strom (vergleichbar mit Photosynthese). Organische Solarzellen basierend auf lichtabsorbierenden Polymeren leuchten in einem satten Rot. Diese Technologien sind jedoch voraussicht lich erst in einigen Jahren marktreif. www.jms-solar.de Werden Sie Partner! Kommen Sie in unser T eamgeist Davon profitieren jms-Partner: E rfolg A ktiv M iteinander Infos unter: www.jms-solar.de/partner Tel. 08821-730630-25 jms_partner185x87_RZ.indd 1 58 MIT UNS STARTEN SIE DURCH! 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