Neue Möglichkeiten für die Gebäudeintegration
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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 Ob Business-Geschenk oder Verkaufshilfe. Mit diesem Modell machen Sie das Thema Photovoltaik bei Ihren Kunden begreifbar. Bestellung bis Ende Oktober - Lieferung rechtzeitig vor Weihnachten Solar Funktionsmodelle Inklusive USB Leuchte, USB Ventilator Inklusive Adapterkabelsatz zum Laden der gängigen Mobiltelefone Inklusive Logodruck auf Box und Modell Geschenkbox mit Anleitungskarte LTP Litschka GmbH & Co. KG | Am Bruch 5 | D-42857 Remscheid Tel.: +49 2191 71033 | E-Mail: [email protected] ep Photovoltaik – 9/10-2010 61 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 Gemeinsam gewinnen Mit AS Solar setzen Sie immer auf die richtige Karte. Denn zuverlässige Markenqualität und erstklassiger Service sind ein Gewinn für Sie und Ihre Kunden. Wir stehen Ihnen mit Know-how zur Seite: Ob fachkundige Planung, technischer Support, Finanzierung oder Qualifizierung – wir lassen Sie nicht allein! AS Solar GmbH, Fachgroßhandel für Solartechnik Am Tönniesberg 4A D-30453 Hannover www.as-solar.com Tel.: +49 511 475578-0 Fax: +49 511 475578-11 [email protected] 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 "VGEBDI Indach Flachdach Freiland .PVOUJOH4ZTUFNT(NC)t5FM tJOGP!NPVOUJOHTZTUFNTEFtwww.mounting-systems.de ;FSUJm[JFSUOBDI%*/*40 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
