Neue Möglichkeiten für die Gebäudeintegration

Gebäudeintegrierte Photovoltaik
Neue Möglichkeiten
für die Gebäudeintegration
S. Schwarzer, Frankfurt an der Oder
Gebäudeintegrierte Photovoltaik (GiPV) ermöglicht ästhetische und funktionale SolarAnwendungen in der Gebäudehülle. Aufgrund architektonischer Herausforderungen
und aufwändiger Planung stellen sie derzeit jedoch nur eine Nische des heutigen PVMarktes dar. Innovative Technologien tragen erheblich dazu bei, die Photovoltaik als
festen Bestandteil der Gebäudehülle zu etablieren.
1
1.1
Herkömmliche
Baumaterialien ersetzen
Definition
FÜR DIE PRAXIS
eigentlichen Funktion ersetzen und zusätzlich
Energie erzeugen. Zu den Funktionen, die ein
Modul neben der photovoltaischen Energiewandlung übernehmen kann, gehören unter
anderem [2]:
• Witterungsschutz
• Wärmedämmung
• Abschattung und Sichtschutz
• Schalldämmung
• elektromagnetische Schirmdämmung
• Ästhetik und Design
• Lichtlenkung und -leitung
• Einbruchschutz.
1.3
tung und können durch Verwendung spezieller
Gläser oder Komponenten bedarfsgerecht
erweitert werden. Dadurch können PV-Bauelemente herkömmliche Baumaterialien mit Ihrer
Anwendungsgebiete
und Marktpotential
Der Anteil der im Jahr 2009 in Deutschland
installierten integrierten Systeme beträgt
lediglich 2 % des Gesamtmarktes. Diese
Die Auffassungen über die Definition gebäudeintegrierter Systeme sind nicht einheitlich
und unterscheiden sich sowohl national als
auch aus Sicht der verschiedenen Gewerke
wie Architekten, Statiker oder Elektriker. Die
Fachgruppe „Photovoltaik in Gebäuden“ unter
dem Dach des Bundesverbandes für Bausysteme e.V. beschreibt BIPV (BIPV, Building Integrated Photovoltaics) als eine architektonische, bauphysikalische und konstruktive
Einbindung von PV-Elementen in die Gebäudehülle unter Berücksichtigung der multifunktionalen Eigenschaften des PV-Moduls [1].
1.2
Multifunktionalität
Diese vorab genannten multifunktionalen
Eigenschaften ergeben sich häufig allein
durch die Verwendung von Glas zur Zelleinbet-
Autor
Steffen Schwarzer ist Produktmanager bei
der Odersun AG, Frankfurt an der Oder.
BIPV Anwendungen in der Gebäudehülle
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ep Photovoltaik – 9/10-2010
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Spielend
punkten
finden sich heute hauptsächlich in Dachanwendungen in Form von flexiblen Dachbahnen
und Glasmodulen mit spezifischen Rahmen
oder Montagesystemen. Nach Schätzungen
der Odersun AG repräsentieren diese Systeme heute über drei Viertel aller integrierten
Anlagen in Deutschland. Da PV-Anlagen primär auf privaten Dächern verbaut werden, ist
dieser Anteil nachvollziehbar. Immerhin stellt
das Dach hier die größte nutzbare Fläche dar.
Grundsätzlich lassen sich jedoch mit Innovationskraft nahezu alle Bereiche der Gebäudehülle für die Integration von Photovoltaik nutzen (Bild ). Dabei gilt, dass mit zunehmender Gebäudehöhe nicht nur der relative Anteil
der Fassadenflächen gegenüber den Dachflächen zunimmt, sondern die absolut verfügbare Dachfläche durch Aggregate und Aufbauten
verringert wird. Gerade in Ballungszentren ist
davon auszugehen, dass der Anteil der Fassadenanlagen überproportional wachsen wird.
Allein für den deutschen Markt rechnet Odersun mit einem jährlichen PV-Potential von über
4 GW, das bei einem bevorzugten Nutzen von
Fassadenflächen im Rahmen von Neubau
oder Sanierung erschlossen werden könnte.
Durch regulative Vorgaben für die Energieeffizienz neu zu errichtender oder zu sanierender
Gebäude im Rahmen der Energieeinspar-Verordnung (EnEV) müssen sich Bauherren zunehmend mit dem Einbinden regenerativer
Energiesysteme in das Energiekonzept ihrer
Gebäude befassen. Unter Berücksichtigung
der aktuellen Marktentwicklung und der zu erwartenden strikteren Vorgaben, scheint daher
ein Marktanteil der BIPV in Deutschland von
12–15 % bis zum Jahr 2014 realistisch.
2
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Anforderungen
an BIPV-Module
Architekten berücksichtigen heute regelmäßig
integrierte PV-Anlagen im Rahmen des Entwurfes und der Planung neu zu errichtender oder
zu sanierender Gebäude. Eine Anwendung in
der Ausführung der Gebäudehülle ist jedoch
eher selten. Als Grund wird häufig das Fehlen
adäquater Systeme genannt.
2.1
Freie Größendefinition
Die meisten Vorhaben der PV-Integration
scheitern an bestehenden Limitierungen der
verfügbaren Modulgrößen, die den Architekten
im Design der Gebäudehülle beziehungsweise
in der Gliederung der Fassade stark beschränken. Während sich herkömmliche Bauelemente der architektonischen Gestaltung unterordnen, ist eine ästhetische Einbindung von PVElementen heute meist nur dann möglich,
wenn der Architekt sich den modulseitig vorgegebenen Größenrastern unterwirft.
Auch eine architekturgerechte Standardisierung von PV-Elementen kann eine gelungene
Integration aufgrund der vielfältigen Größenanforderungen nur bedingt ermöglichen. Der
Weg zu einer flächendeckenden Anwendung
von BIPV-Systemen, vornehmlich im Bereich
der Sanierung bestehender und des Neubaus
hochwertiger Objekte, kann nur über frei skalierbare Modulgrößen erfolgen.
2.2
Gestalterische Qualität
Da die Fassade als Gesicht eines Gebäudes
dessen Außenwirkung bestimmt, ist für die
breite architektonische Anwendung der gestalterische Wert von hohem Interesse. Ein
PV-Modul sollte im Sinne der Ästhetik eines
Gebäudes eine homogene Erscheinung bieten
und sich dem gestalterischen Gesamtkonzept
entweder unterordnen oder dieses prägen.
Die Nachfrage nach frei gestaltbaren Modulfarben, teiltransparenten Ausführungen,
freien Formen oder gar geschwungenen Oberflächen wird zunehmend größer. Die damit potentiell einhergehende Reduktion der Modulleistung erscheint dabei als akzeptabel, wenn
die Forderung nach einer beständig einheitlichen Optik erfüllt werden kann.
2.3
Bauzulassung
Eine Herausforderung bei der Integration von
PV-Elementen in die Gebäudehülle stellt die
Erfüllung relevanter Normen dar. Für Glasmodule sind dies vor allem die DIN Normen für
Glas im Bauwesen. Jedes in der Gebäudehülle verwendete Element muss für die vorgesehene Montageart und Einbausituation
zugelassen sein. Dabei sind in Fassaden und
Dächern vor allem die Splitterbildung bei einer
Beschädigung sowie die Resttragfähigkeit bei
Beschädigung und der Schutz vor Durchsturz
relevant.
Baukomponenten, und damit BIPV-Elemente,
lassen sich baurechtlich in geregelte und
ungeregelte Bauprodukte unterteilen. Als
geregelt gelten Produkte, die aufgrund ihrer
Bauart, Materialkombination oder Herstellungs-Methode ohne zusätzlichen Prüfaufwand verwendet werden dürfen. Diese sind in
der Bauregelliste A des Deutschen Instituts
für Bautechnik (DIBt) zusammengefasst.
PV-Module gelten aufgrund ihres Aufbaus mit
zwischen den Glasscheiben eingefassten
Solarzellen im Allgemeinen nicht als geregeltes Bauprodukt. Sofern der Hersteller der entsprechenden Systeme keine zeit- und kostenintensive Bauartzulassung erwirkt hat, ist hier
unter Umständen projektbezogen eine Zulassung im Einzelfall durch die zuständige Baubehörde zu beantragen.
Ferner sind baurechtliche Anforderungen an
den Brandschutz sowie die elektrische Sicherheit zu beachten.
3
„Herausforderung“
in der Planung
Die Planung eines BIPV-Systems in der Fassade stellt besondere Anforderungen an den
Elektroplaner. So müssen bei der Auslegung
nicht nur die Eigenheiten des Bauwerkes und
dessen Umgebung betrachtet werden, son-
ep Photovoltaik – 9/10-2010
Gebäudeintegrierte Photovoltaik
dern der Planer muss den Architekten bei der
konkreten Planung unterstützen, um eine
hochwertige Fassade mit optimierten Stromerträgen zu erhalten. In der Praxis ist zu beobachten, dass hier eine fehlende Schnittstelle
zwischen technischen Planern und Architekten zum Scheitern vieler BIPV-Projekte führt.
3.1
Komplexe Verschattungen
Da sich BIPV-Systeme neben den reinen
Ertragswerten auch an gestalterischen Aspekten orientieren, werden sie oft von komplexen
Schattenverläufen beeinflusst. Diese können
bauseitig durch eine sich selbst verschattende Fassadenkonstruktion oder hervorstehende Gebäudeteile sowie durch benachbarte Gebäude, Bepflanzung oder Verkehr entstehen.
Dabei ist zu beachten, dass sich die Verschattungssituation durch Wuchs oder Neubau
über die System-Lebensdauer verändern kann
(Bild ). Eine 3D-Analyse des Schattenverlaufes ist ratsam, um Architekten bei der Optimierung des Systems zu beraten und unnötige
Verschattungen weitestgehend zu vermeiden.
Sofern auf dem Modul mit Verschattungen zu
rechnen ist, muss dies bei der Moduldefinition
und der elektrischen Verbindung (Strangplanung) berücksichtigt werden. Während kristalline Module sehr unterschiedlich auf Teilverschattungen reagieren, bieten die meisten
Dünnschicht-Module zumindest bei Verschattungen von Zellseiten ein stabiles Spannungsniveau.
3.2
Schlechte Hinterlüftung
Den Modultemperaturen ist bei integrierten
Systemen besondere Aufmerksamkeit zu
widmen. Bei freistehenden und somit gut
hinterlüfteten polykristallinen Anlagen kann
gegenüber der Umgebungstemperatur ein
Temperaturunterschied ΔT von 22 K angenommen werden. Integrierte Dachsysteme
können bei entsprechend schlechter oder
nicht vorhandener Hinterlüftung bereits eine
Temperaturdifferenz von bis zu 42 K aufweisen. Bei vertikalen Fassaden kann das Delta
bei fehlender Hinterlüftung sogar auf 55 K
steigen, während bei gut hinterlüfteten Systemen noch immer 35 K zu erwarten sind [3].
Gegenüber freistehenden Anlagen kann somit
von einem temperaturbedingtem Leistungsverlust von bis zu 10 % der Modulleistung ausgegangen werden. Die Auswahl von Dünnschicht-Modulen mit im Vergleich zu kristallinen Modulen niedrigerer Temperaturanfälligkeit ist daher ratsam.
3.3
Mögliche Verschattungssituationen an einer Fassade
Strangkonzept und Wechselrichter
Die Verschaltung eines BIPV-Generators kann
durch unterschiedliche Ausrichtung, Verschattung, Temperatur oder gar Leistung einzelner
Module komplex sein. Gleichfalls entscheidet
sie jedoch maßgeblich über den reibungs-
losen Betrieb der Anlage. Ein BIPV-Generator
sollte daher in mehrere Segmente mit weitgehend gleichen Umwelteinflüssen, also Verschattung, Ausrichtung, Temperatur und Leistung zerlegt werden. Je kleiner und differenzierter diese Segmentierung erfolgt, umso
stabiler und effizienter lässt sich der Generator betreiben.
Günstige serielle Verschaltungen bieten sich
gerade bei der Verwendung von verschattungstoleranten Dünnschichtmodulen an, da
hier ein Missmatch oft ausgeschlossen
werden kann. Abhängig von der konkreten
Verschattungssituation, besonders bei ungleichen Verschattungen im Einzelstrang,
kann eine zusätzliche Strang-Sicherung ratsam sein.
Da die BIPV-Anlage also möglichst klein segmentiert werden muss, sind zentrale Wechselrichterkonzepte selten anwendbar. Vielmehr
muss sich die Wechselrichter-Auswahl zunächst an den Segmentgrößen orientieren,
um jedem Teil der Anlage einen eigenen MPPTracker zur Verfügung zu stellen. Der Wechselrichter sollte also so klein wie nötig sein, da-
Sigma mit Pi-Schiene
Montagesysteme
für Solaranlagen
Quelle: Odersun
Suboptimale Ausrichtung
Mit Ausnahme von Verschattungssystemen,
deren Anstell- oder Neigungswinkel variabel
sind, gibt es selten Fassaden-Elemente, die
eine ertragsoptimierte Ausrichtung der PVModule ermöglichen. Häufig wird die Position
der Module durch das Bauwerk vorgegeben.
Eine suboptimale Ausrichtung kann die auf
dem Modul eintreffende Sonneneinstrahlung
massiv reduzieren. Bei nach Süden ausgerichteten vertikalen Fassaden sinkt der direkte
Strahlungseintrag gegenüber optimalen Systemen bereits um 30 %, bei einer Ausrichtung
nach Ost oder West sogar um rund 45 %.
Für diese Systeme hat sich der Einsatz von
Dünnschicht-Technologien mittlerweile weitgehend durchgesetzt. Durch eine bessere
Effizienz bei Schwach- und Streulicht weisen
Dünnschicht-Module höhere relative Erträge
auf als kristalline Module.
3.4
FÜR DIE PRAXIS
Omega Freiland
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Indach
Flachdach
Freiland
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FÜR DIE PRAXIS
bei aber einen möglichst breiten Wirkbereich
aufweisen.
Bei der Dimensionierung des Modulstranges
ist darauf zu achten, dass das System besonders bei suboptimaler Ausrichtung selten
unter direkter Sonneneinstrahlung arbeitet.
Die maximal auf den Wechselrichter schaltbare Modulleistung kann also gegebenenfalls
deutlich überschritten werden.
4
Technologische
Limitierungen
Sowohl das Design von BIPV-Modulen als
auch die durch die Einbausituation vorherrschenden Umgebungsvariablen stellen besondere Anforderungen an die zu verwendenden Module.
Können waferbasierte Technologien dem
Wunsch nach grob skalierbaren Größen und
zulassungsfähigen Modulaufbauten in aller
Regel entsprechen, so ist der BIPV-Einsatzbereich aufgrund der inhomogenen Optik der Einzelzellen sowie der vergleichsweise schlechten Erträge im Falle suboptimaler Ausrichtung,
Verschattung und schlechter Hinterlüftung
eng begrenzt.
Wie bereits dargestellt, bieten sich Dünnschicht-Module auf Grund höherer Erträge bei
unvorteilhaften Einbausituationen besonders
für BIPV-Anwendungen an. Die technologiebedingte Festlegung eines Substrates, in der
Regel Glas, begrenzt jedoch die notwendige
Gestaltungsfreiheit in Größe und Erscheinung
massiv und steht einer breiten Anwendung
entgegen.
5
Gestaltbare
Dünnschicht-Module
Die Odersun AG hat eine Technologiealternative zur Marktreife geführt, die Architekten und
Planern maximale Gestaltungsfreiheiten und
unproblematische Systemauslegungen ermöglicht.
Bei Odersun Solarzellen wird Kupferband in
einem Rolle-zu-Rolle-Fertigungsprozess mit
dem Halbleiter Kupfer-Indium-Disulfid durch
Abscheiden versehen (CISCuT) und mit einer
Puffer- und TCO-Schicht ausgestattet (Bild
). Die so nur 10 mm breiten und 0,1 mm
produzierten Solarzellen werden in Streifen
mit variabler Länge geschnitten, leicht überlappt und mit leitfähigem Kleber zu so genannten Superzellen verschaltet (Bild ). Dabei
bestimmt die Länge der Bänder den Strom
und die Anzahl der miteinander verschalteten
Zellstreifen die Spannung.
Eine oder mehrere miteinander verbundene
Superzellen können mit flexiblen Folien laminiert oder starr in einen Glas-Folien- bzw. GlasGlas-Verbund eingebettet werden. Größe,
Leistung und Form der Module werden so ganz
nach Kundenwunsch millimetergenau angepasst (Bild ). Dabei können auch verschie-
64
Gebäudeintegrierte Photovoltaik
Kupfer-Indium-Disulfid auf Kupferband (CISCuT)
Solarzellen von Odersun werden kilometerlang im Rolle-zu-Rolle-Verfahren produziert.
Größe, Leistung und
Form der Module lassen
sich nach Kundenwunsch
anpassen
Die nur 10 mm breiten und 0,1 mm dünnen
Solarzellen werden zu so genannten Superzellen verklebt.
Fotos: W. Mausolf, Odersun
a) Sowohl die bauseitigen Anforderungen können umfassend umgesetzt werden...
dene Modulgrößen in ihren Spannungs- oder
Stromwerten aufeinander abgestimmt werden, was das Verschalten erheblich vereinfacht.
Da kein Glassubstrat die Auswahl an zu verwendenen Glasarten oder -typen einschränkt,
können diesbezüglich bauseitige Anforderungen umfassend umgesetzt werden und zudem
dem Wunsch nach farblich gestalteten (Bilder
a) und b)) oder strukturierten Oberflächen
entsprochen werden.
Die vorgenannten Vorteile von DünnschichtTechnologien hinsichtlich suboptimaler Einbaussituationen gelten auch für die Module
der Odersun AG. Gleichzeitig konnte das Verschattungsverhalten durch die interne Modulverschaltung weiter optimiert werden. Durch
die Aufteilung der Modulfläche in einzelne
parallel verschaltete Stränge, kann eine
Resistenz gegen Verschattung sowohl über
die Längs- als auch die Querseite des Moduls
erreicht werden. Somit wird der Leistungsverlust auf den verschatteten Bereich begrenzt.
6
So genannte Superzelle
Fazit
Die geringe Verbreitung von BIPV-Systemen
beruht nicht auf mangelndem Interesse der
Architekten und Bauherren. Bei der Gestal-
b) ...als auch Wünsche
nach farblich gestalteten
Oberflächen
Fotos: A. Hatzius, Odersun
tung einer BIPV-Anlage besteht eher ein
Zielkonflikt zwischen architektonischen und
ertragsrelevanten Anforderungen. Eine funktionale Schnittstelle zwischen Architekt und
Elektroplaner ist für eine erfolgreiche Einbindung von PV-Elementen in die Gebäudehülle
maßgeblich.
Bestehende technologische Limitierungen
verschärfen diesen Konflikt, indem sie das
Angebot an verwendbaren PV-Lösungen begrenzen. Für einen breiteren Einsatz von BIPV
werden Modullösungen benötigt, die die gestalterischen und bauphysikalischen Anforderungen der Gebäudehülle erfüllen.
Werden diese Herausforderung durch intensive Zusammenarbeit von Architekten, Elektroplanern und PV-Herstellern gelöst, ist eine
schnelle Erschließung des enormen Potentials gebäudeintegrierter PV-Anwendungen
möglich.
Literatur
[1] Positionspapier der Fachgruppe „Photovoltaik in
Gebäuden“ im Bundesverband Bausysteme
e. V., Koblenz, 2010.
[2] Bendel, C.: Multifunktionale PV-Baukomponenten. ep Photovoltaik, Berlin, 9/10-2009, S. 33–
38.
[3] Roberts, S.; Guariento, N.: Gebäudeintegrierte
Photovoltaik – Ein Handbuch, Birkhäuser Verlag,
Basel 2009.
ep Photovoltaik – 9/10-2010