Das Gebäude als Stromlieferant

Anlagentechnik
Der Mehrfachnutzen gebäudeintegrierter Photovoltaik (GIPV)
Das Gebäude als
Stromlieferant
Ließ sich der Anteil von Solarstrom am
gesamten Stromverbrauch vor zehn
Jahren noch im Promillebereich messen,
so hat er im Jahr 2011 bereits 3 % erreicht. Insbesondere in den ländlichen
Gegenden Deutschlands ist der starke
Zubau an Solarstromanlagen weithin
sichtbar. Sowohl auf Dächern von landwirtschaftlichen Gebäuden als auch auf
den Dächern von Industriehallen und
Einfamilienhäusern lässt sich eine Vielzahl installierter Solarstromanlagen finden.
M
it einer Reduktion der Systemkosten um 50 % soll der Anteil
von Photovoltaik am Bruttostromverbrauch im Jahr 2020 auf 10 % steigen.
In diesem Szenario soll bis zum Jahr
2013 eine Gleichheit der Stromgestehungs- und Haushaltsbezugskosten
und bis zum Jahr 2017 eine Wettbewerbsfähigkeit ohne Förderung erreicht werden.
Bezogen auf die Gebäudehülle findet
die gebäudeintegrierte Photovoltaik
im Sinne einer engen Begriffsdefinition vorrangige Anwendung im Bereich
der Fassaden- und Dachintegration.
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EnEV im Bestand 03/12
Bild: © Soltecture
Damit ist auch der Weg für einen breiten Einsatz der Photovoltaik im Rahmen nachhaltiger Architektur vorgegeben.
Durch
gebäudeintegrierte
Photovoltaik (GIPV) werden Gebäude
den Primärenergieverbrauch durch effiziente Versorgungssysteme und ressourcenschonende Bauweisen reduzieren und zugleich elektrische
Energie gewinnen. In Deutschland stehen heute rund 3.000 Quadratkilometer Gebäudeflächen zur Verfügung.
Dies würde bei aktuellen Wirkungsgraden einer installierbaren Leistung
in Höhe von ca. 400 Gigawatt entsprechen.
(1) Kassettenmodul von Soltecture
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Anwendungen der GIPV
Dachintegrierte Photovoltaik
Im Hinblick auf die energetischen Anforderungen zeitgemäßer Architektur liegt
der Fokus in der Regel auf der Optimierung
der Gebäudehülle mit dem Ziel, die Wärmeverluste zu minimieren.
Dachsanierungen sind in der Regel natürlicher Bestandteil ganzheitlicher energetischer Betrachtungen. Als Ersatz bzw. Ergänzung zu klassischen Ziegel- und
Metalldacheindeckungen bietet sich heute eine Vielzahl von Photovoltaiksystemen
zur Dachintegration an.
Photovoltaikfassaden
Als sogenannte Kaltfassaden werden Solarmodule vor das Wärmedämmverbundsystem montiert (1, 2). Dabei ersetzen oder
ergänzen Sie in der Regel klassische Putz-,
Metall-, Glas-, Holz-, Marmor- oder Granitfassaden.
In ihrer Funktion als äußere Gebäudehülle
leiten Sie Wasser kontrolliert ab. Die dahinterliegenden Schichten werden somit
vor Nässe geschützt.
Durch eine konstruktive Hinterlüftung der
Fassade wird Schwitzwasser vermieden
und zusätzlich eine Kühlung der Solarmodule zur Ertragsoptimierung erreicht.
Als Warmfassaden übernehmen Solarmodule neben der Stromgewinnung zusätzlich folgende Funktionen:
Neben der Stromerzeugung steht dabei
die dauerhafte Dachdichtigkeit in Kombination mit einer guten Hinterlüftung
im Mittelpunkt zeitgemäßer Systemlösungen. Eine schindelartige Verlegung
der Solarmodule gewährleistet Dichtheit
gegen aufstrebendes Wasser. Bei modernen Systemen übernimmt der Rahmen
des Solarmoduls zugleich die Funktion
eines „Indach-Gestellsystems“. Die Montage des Rahmens erfolgt dabei direkt
auf der Dachlattung parallel zur Ziegelebene (4).
Der in der Vergangenheit oftmals geäußerte Kritik an der nicht ausreichenden
Hinterlüftung mit der Folge, dass sich die
Stromerträge reduzieren, wird heute mit
Bild: © Solarwatt
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(2) Fassadenmodul von Solarwatt mit
Haltesystem ALW
„
Wärmeschutz
„
Wetterschutz
„
Sonnenschutz
„
Blendschutz
„
Sichtschutz
Neben der architektonischen Berücksichtigung von Photovoltaik in Fassaden kann diese auch in die Dachhaut integriert werden.
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Bild: © deSonna
Dabei kommt ihnen die Aufgabe zu, für
das Sonnenlicht durchlässig zu sein und
für die kalten Jahreszeiten eine möglichst
gute Wärmeisolation zu bieten. Mit modernen Glasbeschichtungen wird eine
bestmögliche Selektion aus kurzwelliger
Sonnenstrahlung und langwelliger Wärmestrahlung erreicht. Die thermische Isolationswirkung (U-Wert) ist dabei vergleichbar mit der von hochwertigen
konventionellen Isoliergläsern (3).
Bild: © deSonna
„
Schallschutz.
(3) Warmfassade mit Fenster
(4) Dachintegrationssystem Easy-In von
Solarwatt
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konstruktiv integrierten Lösungen begegnet. So gelangt durch Lufteinlässe, die an
der Traufe angebracht sind, einströmende
Umgebungsluft zwischen das Dachintegrationssystem und die Dachunterkonstruktion. Die sich erwärmende Luft steigt
aufgrund der geringen Dichte nach oben
und entweicht über den Lüftungsfirst. Bedingt durch den Druckausgleich am
Warm- / Kaltluftübergang strömt von unten kältere Luft mit höherer Dichte nach
(5).
Diese natürliche Konvektion (= Kamineffekt)
sorgt dafür, dass das System ausreichend gekühlt wird, um auch bei hohen Temperaturen
eine optimale Leistung zu gewährleisten.
Der energetische Nutzen
Je nach Standort, Ausrichtung, Neigung
und maximalen Wirkungsgraden der Solargeneratoren können heute in Deutschland
je Quadratmeter Gebäudefläche ca. 50 bis
250 Kilowattstunden (kWh) Strom im Jahr
erzeugt werden. Fassadenanlagen markieren hierbei den unteren, Dachanlagen mit
Südausrichtung den oberen Wert (6).
Für einen durchschnittlichen Zwei-Personenhaushalt mit einem Jahresstromverbrauch in Höhe von etwa 2.700 kWh sind
demnach Gebäudeflächen von ca. 11 (Süddach) bis 54 m² (Fassade) erforderlich, um
die verbrauchte Strommenge selbst zu er-
Der Mehrfachnutzen von GIPV
Welche zusätzlichen Vorteile kann „multifunktionale Photovoltaik“ noch bieten?
Gemäß § 5 der EnEV 2009 kann der selbst
erzeugte und vorrangig selbst genutzte
Solarstrom als vollständig erneuerbare
Energie auf den Endenergiebedarf des Gebäudes angerechnet werden. Der Strombedarf eines Gebäudes entsteht typischerweise
bei
Heizungsumwälzpumpen,
Wärmepumpen, Klima- und Lüftungsanlagen, Elektroheizungen oder Elektro-Warmwasserbereitern. Der Stromverbrauch der
Bewohner wird nicht mit angerechnet. Mit
einem Primärenergiefaktor von elektrischer Energie in Höhe von 2,6 nach EnEV
2009 kann die Anrechnung von Solarstrom eine wichtige Rolle spielen, wenn es
um das Erreichen ambitionierter Anforderungen im Bereich der Gebäudeenergieeffizienz geht.
Der ökologische Nutzen
Bild: © deSonna
Wie die vorgenannten Anwendungsmöglichkeiten gebäudeintegrierter Photovoltaik bereits aufzeigen, stellt die Gewinnung von Solarstrom den Kernnutzen
dar. Darüber hinaus erfüllt die GIPV auch
Funktionen, wofür üblicherweise zusätzliche Bauteile eingesetzt werden müssen.
zeugen. Da der Verbrauch von Strom in der
Regel zeitlich nicht deckungsgleich mit der
Verfügbarkeit von Solarstrom ist, kann in
diesem Fall nur von einem bilanziellen
Ausgleich gesprochen werden.
Vor dem Hintergrund immer knapper werdender Ressourcen und zunehmender Bedrohung der natürlichen Lebensgrundlagen durch den Klimawandel führt kein
Weg an einem effizienteren Ressourceneinsatz und der Substitution konventioneller durch erneuerbare Energieträger
vorbei.
(6) Ertragsverluste durch Ausrichtung
und Neigung
Der Gebäudebestand ist für mehr als
40 % des weltweiten Energieverbrauchs
verantwortlich.
Bild: © Solarwatt
Wird Photovoltaik in die Gebäudehülle
integriert, kann dies ohne signifikante Umwandlungsverluste gegenüber zentralen
Energieversorgungsstrukturen einen nachhaltigen Beitrag zur umweltgerechten Gebäudeenergieversorgung leisten.
(5) Axonometrie mit Hinterlüftung der PV-Module
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EnEV im Bestand 03/12
Neben der vollständig geruchs-, lärm-,
staub- und ressourcenfreien Stromproduktion ist vor allem das CO2-Minderungspotenzial von Bedeutung. Mit jeder in
Deutschland im Jahr 2010 durch Solarstrom produzierten Kilowattstunde wurden 563 Gramm an klimaschädlichen Kohlendioxid-Emissionen vermieden. Dieser
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so genannte CO2-Emissonsfaktor wird auf
der Grundlage des jährlichen Strommixes
bestehend aus fossilen, nuklearen und erneuerbaren Energieträgern berechnet.
Ausgehend von einem durchschnittlichen
Zwei-Personenhaushalt könnten im Idealfall mit einer 11 m² großen Solarstromanlage pro Jahr etwa 1.520 kg CO2-Ausstoß vermieden werden.
Auf der Grundlage von Alterungssimulationen kann bei qualitativ hochwertigen Solarmodulen eine Lebensdauer von 40 Jahren erwartet werden. Bereits relativ kleine
Flächenanteile können somit bedeutende
Beiträge zur Einhaltung der Klimaschutzziele leisten.
In einer gesamtökologischen Betrachtung muss aber auch der Herstellungsund Verwertungsprozess berücksichtigt
werden. Die energetische Amortisationszeit beschreibt den Zeitpunkt, in welchem der Energieaufwand für die Herstellung des Produktes durch dieses
wieder erwirtschaftet wurde. Diese beträgt nach herrschender Meinung in der
Photovoltaik je nach Standort und verwendeter Technologie zwischen 0,8 und
1,7 Jahren.
Was das Recycling von Solarmodulen
betrifft, sind deren Einzelbestandteile
mit Ausnahme der Cadmium-TelluridTechnologie weitestgehend ungefährlich und wiederverwertbar. Der als „PV
CYCLE“ bezeichnete Zusammenschluss
der Photovoltaikindustrie soll sich um
die kostenlose und nachhaltige Verwertung der Solarmodule kümmern. Neben
dieser freiwilligen Selbstverpflichtung
werden in Zukunft normative Regelungen durch die Aufnahme von Solarmodulen in die EU-Elektronikschrott-Verordnung folgen.
Der ökonomische Nutzen
Der vorrangig rational handelnde Immobilieninvestor wird seine Entscheidung für
oder gegen gebäudeintegrierte Photovoltaik danach treffen, ob sich diese lohnender darstellt als ein alternatives Investment. Die wesentliche Herausforderung
besteht darin, dass die Vergütungen und
Ersparnisse der GIPV nicht nur das additiv
zu betrachtende Bauelement PV, sondern
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zumindest auch integrative Bestandteile
der Multifunktion refinanzieren, die ohne
PV als „Sowieso-Kosten“ entstehen würden. Beispielhaft hierfür sei der Vergleich
einer ursprünglich geplanten Steinfassade
genannt. Diese wird nicht umgesetzt und
durch eine Solarstromfassade ersetzt. In
einer ganzheitlichen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wäre es entsprechend richtig,
die ersparten Investitionsaufwendungen
für die Steinfassade den Investitionsaufwendungen für die Solarfassade positiv
anzurechnen.
Dachintegrierte Solarstromanlagen sind
aufgrund der durch die Dachneigung und
-ausrichtung gegebenen spezifischen Ertragspotenziale und auch hinsichtlich der
Investitionsaufwendungen je Leistungseinheit gegenüber konventionell dachparallel
montierten Anlagen vollständig wettbewerbsfähig; auch unter dem Gesichtspunkt, dass ansonsten erforderliche Ziegelund Metalleindeckungen entfallen.
Beispielrechnung Amortisation
Ausgehend von einer Solarstromanlage
mit einer Flächennutzung von etwa 34 m²
und einer Nennleistung in Höhe von 4,80
kWp, Investitionsaufwendungen in Höhe
von 12.000 Euro netto nach Abzug ersparter Dachziegel (Investitionsaufwand entspricht etwa 350 Euro je Quadratmeter
Dachfläche), einer erzeugten Energie in
Höhe von 4.900 kWh, 100-prozentiger
Volleinspeisung und einer Vergütung in
Höhe von 24,43 Eurocent netto (1 HJ. 2012)
nach dem Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien 2009 (EEG), lassen sich bei
Annahme eines Kapitalzinssatzes in Höhe
von 3 % je nach Finanzierungsform, Amortisationszeiten zwischen 14 und 15 Jahren
darstellen.
Unter Berücksichtigung des vergüteten eigens erzeugten und gleichzeitig selbst verbrauchten Solarstroms in Höhe von ca.
30 %, einer Vergütung hierfür in Höhe von
8,05 Cent netto und einer Ersparnis für vermiedene Strombezugskosten in Höhe von
25,10 Cent, kann ein Mehrertrag in Höhe
von circa 124,50 Euro netto und Jahr gegenüber der Volleinspeisung erzielt werden.
Damit lassen sich die Amortisationszeiten
unter gleichen Annahmen wie oben auf
zehn bis elf Jahre verkürzen.
Bei Photovoltaik-Fassaden ist die
Berechnung der Wirtschaftlichkeit ungleich schwieriger. Konventionelle Systeme sind durch eine höhere Marktnachfrage – verbunden mit stärkerem
Wettbewerbsdruck – technologisch
weiter entwickelt. Durch Skaleneffekte kann das Gesamtsystem (Balance
of System) kostengünstiger angeboten werden. Die Investitionsaufwendungen für die schlüsselfertige Lieferung
einer fassadenintegrierten Solarstromanlage liegen je nach angewandter Technologie zwischen 400 und 900 Euro je
Quadratmeter Gebäudefläche. Bei der
Wahl eines kristallinen Fassadenmoduls kann von Systemkosten in Höhe
von ca. 700 Euro je Quadratmeter
ausgegangen werden. Gegenüber einer Steinfassade liegen die Investitionsaufwendungen bei etwa 7 %,
gegenüber einer Glas- oder Keramikfassade ca. 20 % höher. Verglichen
mit einer Fassade aus poliertem Stein
liegen die Investitionsaufwendungen
allerdings um bis zu 60 % niedriger.
Mit der technischen Weiterentwicklung der integrierten Photovoltaikfassaden und den weiteren Kostendegressionen bei den Solarmodulen
wird sich von Jahr zu Jahr die wirtschaftliche Attraktivität gegenüber
konventionellen
Fassadenlösungen
erhöhen.
In Anlehnung an das vorgenannte Berechnungsbeispiel der Dachintegration,
einem Investitionsmehraufwand gegenüber einer konventionellen Fassade
in Höhe von 50 %, erzeugter Energie in
Höhe von 3.350 kWh und Berücksichtigung eines 30-prozentigen Eigenverbrauchs kann eine Amortisation des Investitionsmehraufwands für die Solarfassade nach einer Nutzungsdauer von
etwa 15 bis 20 Jahren erreicht werden.
Bei einem 20-prozentigen Mehraufwand würde sich die Amortisationszeit
im gewählten Beispiel auf etwa fünf
Jahre verkürzen lassen.
Neben der Reduzierung der Investitionsaufwendungen kann die Wirtschaftlichkeit durch die Optimierung des
Eigenverbrauchs erfolgen. Bei Strombezugskosten in Höhe von 25 Cent je kWh
kann nach aktuellem EEG bis zu einer
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werden. Eigentümer von Gewerbe- oder
Wohnimmobilien können z. B. den
selbst erzeugten Strom an ihre Mieter –
zu günstigeren Konditionen als von
klassischen Stromlieferanten – verkaufen und damit die Attraktivität der Immobilie insgesamt steigern.
Bild: © deSonna
Ebenso kann sich die Speicherung von
einem Überangebot an Solarstrom lohnen, um diesen zu späteren und lohnenswerten Zeitpunkten weiterzuveräußern. In der Konsequenz wird sich die
Rolle des klassischen Stromkonsumenten hin zu einer Mischform aus Konsumenten und Produzenten wandeln:
den „Strom-Prosumenten“.
(7) Dachintegrierte Photovoltaikanlage im bayerischen Alpenraum
Der Nutzen der Unabhängigkeit
Die Photovoltaik bietet als technisches
System zwei Möglichkeiten, den Anlagenbetreiber unabhängiger zu machen:
„
Er
kann durch die optimierte Eigenverbrauchsnutzung eine Entkopplung
von weiteren Preissteigerungen erreichen.
Bild: © Soltecture, „La Maison Zen, Montagnole (Frankreich)“
„
Es
(8) Gebäude mit dachintegrierter Photovoltaikanlage
Anlagenleistung in Höhe von 30 Kilowattpeak die Vergütung je nach Höhe
des Eigenverbrauchsanteils zwischen
8,05 und 12,43 Cent je kWh liegen. Damit liegt der für eine Wirtschaftlichkeitsberechnung anzusetzende Vergütungssatz zwischen 33,05 und 37,43
Cent. Mit jeder weiteren Preissteigerung für die Strombezugskosten kann
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EnEV im Bestand 03/12
sich der Zuschlag für den Eigenverbrauch entsprechend reduzieren, ohne
zu einer Verschlechterung der Wirtschaftlichkeit zu führen.
Damit ergeben sich komplett neue Geschäftsmodelle. Der in unmittelbarer
Nähe zum jeweiligen Verbraucher erzeugte Strom kann an diesen veräußert
besteht die Möglichkeit, sich über
Kombinationslösungen – bestehend
aus Stromspeicher und unterbrechungsfreier Stromversorgung (USV)
– vor Netzstörungen und Netzausfällen temporär zu schützen.
Der ästhetische Nutzen
Die Lösungen zur gebäudeintegrierten
Photovoltaik bedeuten eine Chance, um
zwischen hohen architektonischen und
baukulturellen Ansprüchen einerseits
und energetisch nachhaltigen Anforderungen andererseits zu vermitteln.
Neben der Multifunktionalität verleiht
die Integration der Solarmodule dem
Wohn-, Geschäfts- oder Industriegebäude ein modernes und zeitgemäßes Erscheinungsbild. Maßgeschneiderte PVBauelemente, lieferbar in allen Farben,
Schattierungen und Formen unterschiedlicher Größen, bieten sowohl Architekten als auch Bauherren die Möglichkeit, individuelle und zur jeweiligen
Anforderung passende PV-Gebäudedesigns zu schaffen (8).
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Der Imagenutzen
Beim Image geht es darum, Aufmerksamkeit zu schaffen, also das Hervorstechen aus der Normalität, insbesondere
aber um Glaubwürdigkeit und um das
Sicherstellen von Vertrauen. Das Thema
bewegt bei zunehmender Vergleichbarkeit und damit Austauschbarkeit von
Produkten und Leistungen eine Vielzahl
von Unternehmern und Unternehmen.
Unternehmen, die bezogen auf ihre Produkte oder ihr Handeln öffentlicher Kritik heute oder in Zukunft ausgesetzt
sind, können durch klare Botschaften im
Sinne wahrnehmbar nachhaltiger Handlungen ihren Willen zum Ausdruck bringen, sich bestmöglich neuen gesellschaftlichen Anforderungen zu stellen.
Hier kann Photovoltaik als Aufbruchsignal für anstehende Veränderungen stehen.
Der gesellschaftliche Nutzen
Jeder individuell betrachtete Nutzen soll
auch für die Gesellschaft einen Nutzen
entfalten. Dieser reicht von der Schaffung
neuer Wertschöpfungspotenziale durch
innovative Produkte und Dienstleistungen sowie einer damit verbundenen
Wohlstandssicherung über die Reduzierung von zentralen Abhängigkeiten bis
zur Demokratisierung von Erzeugungsstrukturen.
Bild: © Solarwatt
Bereits strategisch nachhaltig ausgerichtete Unternehmen können mit einer
sichtbar gelungenen Investition in Photovoltaik ihr Image als zukunftsfähig
orientiertes Unternehmen stärken. Dies
kann den regional wirtschaftenden
Landwirt mit angeschlossenem Hofladen genauso angehen wie einen global
engagierten Konzern (9).
(9) Draufsicht der BMW-Welt in München
Im Ergebnis kann die gebäudeintegrierte
Photovoltaik einen signifikanten Beitrag
zu einer wirtschaftlichen, umweltfreundlichen, dezentral-bürgernahen und versorgungssicheren und insgesamt nachhaltigen Energiewende leisten.
Fazit
Die multifunktionale Photovoltaik in Verbindung mit dem aufgezeigten Mehrfachnutzen wird in Zukunft die erste Wahl
beim Einsatz von Photovoltaik an Gebäuden sein. Erwartete Kostendegressionen
in Verbindung mit steigenden Strombezugskosten und die unter Klimagesichtspunkten in Zukunft weiter verschärften
normativen Anforderungen an die Ener-
gieeffizienz von Gebäuden werden die
GIPV zum Standard-Bauelement nachhaltiger Gebäudesanierungen und -neubauten machen.
Tobias Huber,
Dipl.-Kfm.
ist Geschäftsführer von
deSonna. Das Unternehmen hat sich am Markt als
Systemanbieter für solare Architektur positioniert.
Kontakt unter: www.desonna.de