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Solar-Technologien für die Gebäudehülle: Internationales Energieforum präsentiert neueste Entwicklungen

von Julia Winter

Adaptive Gebäudehüllen, semi-transparente Photovoltaik, die solare Sanierung von Fassaden und holistische Konzepte für Solarhäuser waren Schwerpunkte des siebten Energieforums am 06./07.2012 in Brixen (Südtirol, Italien).

Die Konferenz, die vom Economic Forum (München / Bozen) veranstaltet wurde, zog wie im letzten Jahr über 250 Fachleute aus 31 Ländern in die „Solar-Stadt“ im Eisacktal. 23 Vorträge internationaler Referenten und zahlreiche Poster-Sessions zeigten neueste Solar-Technologien für die Gebäudehülle. Der Solar-Report stellt die wichtigsten Entwicklungen vor.

Photovoltaikfassade eines Industriegebäudes. Quelle: Burchard Decker
Photovoltaikfassade eines Industriegebäudes. Quelle: Burchard Decker

Fassadenintegrierte Photovoltaik für Industriegebäude

Ein gelungenes Beispiel für die Integration von Photovoltaik in die Fassade von Industriegebäuden präsentierte Burchard Decker von der Solar Engineering Decker & Mack GmbH (Hannover). Das Unternehmen unterstützte letztes Jahr die Kühling Stahl- und Metallbau GmbH (Friesoythe) beim Bau eines neuen Bürokomplexes mit integrierter Photovoltaik-Fassade.

Ziel war es, eine wetterfeste Solar-Fassade zu bauen, bei der sich Streifen aus Photovoltaik-Modulen mit Fensterreihen abwechseln. Die rahmenlosen schwarzen Glas-Glas-Module aus kristallinem Silizium der Solarwatt AG (Dresden) wurden als Vorhangwand vor der Betonwand angebracht und sind hinterlüftet. Auf diese Weise konnte die gesamte Fassade genutzt werden. Um ein einheitliches Erscheinungsbild zu erreichen, wurden nur Module mit der exakt gleichen Farbe ausgewählt und die Glasrückseite zusätzlich schwarz lackiert.

 

Frühe Einplanung der Solar-Elemente hält Kosten niedrig

Die Module werden von derselben Konstruktion gehalten wie die Isolierglas-Elemente. Um die Investitionskosten niedrig zu halten, wurde Decker & Mack früh in die Planung einbezogen, so dass fast ausschließlich Standard-Module vom Typ Solarwatt M139-36 GEG LK Opaque zum Einsatz kamen. Die Fassade besteht aus 284 Photovoltaik-Modulen mit einer Nennleistung von insgesamt rund 37 kW, die eine Nettofläche von 342 Quadratmetern bedecken.

Zusätzlich installierte das Unternehmen eine Photovoltaik-Anlage auf dem Flachdach der Produktionshalle. Sie besteht aus 756 Standard-Modulen von Aleo Solar (Prenzlau/Oldenburg) und hat eine Nennleistung von rund 181 kW. Der Solarstrom aus beiden PV-Anlagen decke rechnerisch 55 % des Strombedarfs des Metallbau-Unternehmens, der nicht direkt verwendet, sondern in das Netz eingespeist wird.

Detailaufnahmen der PV-Fassade. Quelle: Burchard Decker
Detailaufnahmen der PV-Fassade. Quelle: Burchard Decker


Photovoltaik-Fassade ist schwieriger zu installieren als PV-Aufdachanlage

Die Herausforderung bei der Installation einer Photovoltaik-Fassade sei größer als bei einer Aufdachanlage, so Decker. Nicht nur der Elektroanschluss ist komplizierter – in diesem Fall wurden verschiedene String-Wechselrichter eingesetzt -, es sind auch mehrere Tests und Zertifizierungen notwendig, wenn die Konstruktion, beispielsweise die Verkabelung, vom Standard abweicht. Außerdem müssen alle Fassadenelemente die Vorgaben des Deutschen Instituts für Bautechnik erfüllen und sollten gleichzeitig gut aussehen und mehrere Funktionen erfüllen.

Decker betont jedoch, dass Photovoltaik-Fassadenelemente nicht teurer seien als andere hochwertige Bauelemente. Er kritisiert die in Deutschland vorherrschende Tendenz, Photovoltaik-Fassadensysteme mit anderen PV-Anlagen nur in wirtschaftlicher Hinsicht zu vergleichen. Dadurch seien erstere noch immer schlechter angesehen, da sie etwas teurer in der Anschaffung sind, weniger Strom erzeugen und dadurch eine geringere EEG-Vergütung bekommen. Die Multifunktionalität eines Photovoltaik-Fassadensystems, das andere Bauelemente ersetzt und zusätzlich Strom erzeugt, dürfe nicht außer Acht gelassen werden.

 

Architekten müssen auf Größe, Form, Optik, Flexibilität, Gewicht und Transparenz der Module achten

Gerade diese Multifunktionalität ist in der Architektur wichtig. Während bei Photovoltaik-Freiflächenanlagen die Ästhetik der Module keine Rolle spielt, müssen Architekten unter anderem auf Größe, Form, Optik, Flexibilität, Gewicht und Transparenz achten. Die Module sind in der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) aktive Bauelemente und können in Form von Dachziegeln oder für Flachdach-Bedachungen verwendet werden oder zur Glasgestaltung beitragen.

Allerdings müssen sie auch Einflüssen wie Schnee, Wind oder Hagel standhalten. Das Photovoltaik-Modultestzentrum der südschweizerischen Universität für angewandte Wissenschaften und Künste (SUPSI) in Canobbio führt entsprechende Tests für die dach-und fassadenintegrierte Photovoltaik durch.

Modultests bei SUPSI in Canobbio. Bildquelle: Francesco Frontini
Modultests bei SUPSI in Canobbio. Bildquelle: Francesco Frontini


Keine einheitlichen Standards für Fassaden

Neben dem G-Wert und dem U-Wert messen die Forscher auch die Temperatur der gebäudeintegrierten Module und prüfen, wie sich verschiedene Belüftungen auswirken. Dünnschichtmodule arbeiten beispielsweise auch dann gut, wenn sie warm sind und vertikal angebracht werden, erklärt Francesco Frontini vom Testzentrum.

Das Problem sei jedoch nach wie vor, dass es keine einheitlichen Standards für Fassaden gebe. Jedes Land hat eigene Gebäudevorgaben. Das schweizerische Institut versucht Abhilfe zu schaffen, indem es diese Informationen sammelt und in Form von Richtlinien für Photovoltaik-Hersteller herausgibt. Die Forscher fordern darüber hinaus, dass Bau-Fachleute ihr Wissen an die Photovoltaik-Branche weitergeben sollten. Nach ersten Initiativen, beide Seiten zusammenzubringen, sei inzwischen eher eine rückläufige Entwicklung festzustellen, und beide würden sich wieder nur auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren, anstatt zusammenzuarbeiten, kritisiert auch Dieter Moor von Arconsol (Linz, Österreich), der durch die Sitzung über gebäudeintegrierte Projekte führte.

 

BIPV im großen Stil: das Bremer Weserstadion

Bremer Weserstadion. Bildquelle: Mage Sunovation
Bremer Weserstadion. Bildquelle: Mage Sunovation

Ein Beispiel für die gebäudeintegrierte Photovoltaik im ganz großen Stil ist das Bremer Weserstadion, eines der größten BIPV-Projekte in Deutschland. Das Stadion wurde von 2008 bis 2011 komplett umgebaut, erhielt eine Glasfassade von Schüco und ein 18.000 Quadratmeter großes Solar-Dach. Dieses besteht aus zwei Ringen. Der äußere hat eine Fläche von 10.470 Quadratmetern und ist mit 1.736 EVALON-Dünnschichtmodulen von alwitra bestückt, die zusammen eine Nennleistung von 511 kW haben.

Der innere Ring, ein 2.950 Quadratmeter großes transparentes Solardach, wurde mit 944 sonderangefertigten Photovoltaik-Modulen „eFORM plastixx“ der Mage Sunovation GmbH (Elsenfeld) ausgestattet, die in vier Segmenten angeordnet und auf einer Metall-Unterkonstruktion befestigt sind. Ihre Nennleistung beträgt 226 kW. Diese Architektur bietet den Besuchern einen besonderen Ausblick: Ein Teil der Module, die das Stadion mit Solarstrom versorgen, ist sichtbar. Das Dach schützt die Sitze vor Regen und lässt zugleich genügend Licht für den Rasen durch.

Solar-Dach im Bremer Weserstadion. Bildquelle: Mage Sunovation
Solar-Dach im Bremer Weserstadion. Bildquelle: Mage Sunovation


Umbau während der Spielsaison

Heribert Ley, Geschäftsführer der Mage Sunovation, hebt als besondere Vorteile bei diesem Projekt das geringe Gewicht der Kunststoffmodule von 10 kg/m² und ihre Transparenz hervor. Denn die Ziele bei diesem außergewöhnlichen Projekt waren ehrgeizig: Das neue Fußballstadion sollte sich optisch gut in die Umgebung einfügen. Schwere Stahl- und Betonkonstruktionen waren zu vermeiden. Die Photovoltaik-Module mussten sich in die Struktur einfügen. Neben den Kosten war zu berücksichtigen, dass der Umbau während der Spielsaison stattfand. Der innere Solar-Ring sollte leicht und transparent sein, alle Sitzplätze überdachen und gleichzeitig eine große Leistungsdichte gewähren.

Mage Sunovation hat beobachtet, dass sich die Polykarbonat-Folie aus „Makrolon“ (Bayer AG) von den eFORM plastixx-Modulen teilweise ablöst. Inzwischen verwendet das Unternehmen ein neuartiges hauchdünnes (2,1 mm) flexibles Solarglas auf der Modulvorderseite, um eine lange Lebensdauer des Solar-Dachs zu erreichen. Einige der Module im Weserstadion sollen 2013 ersetzt werden.

 

700.000 Kilowattstunden Solarstrom pro Jahr; Energetische Amortisation nach mehr als 20 Jahren

Die gesamte Photovoltaik-Anlage im Stadion produziert nun jährlich rund 700.000 Kilowattstunden Solarstrom und vermeidet damit rund 4.000 Tonnen CO2. Mitarbeiter von Mage Sunovation prüfen und warten ihre PV-Segmente einmal pro Jahr. Außerdem werde das Dach jährlich gereinigt. Nach Angaben von Ley beträgt die energetische Amortisationszeit der gesamten BIPV-Anlage mehr als 20 Jahre.

 

Photovoltaik, Wärmedämmung und Kunst: das Enwave-Theater in Toronto

Glas- und Photovoltaik-Elemente am Enwave-Theater in Toronto. Bildquelle: Universität Toronto
Glas- und Photovoltaik-Elemente am Enwave-Theater in Toronto. Bildquelle: Universität Toronto


Trotz der extremen klimatischen Bedingungen lieben die Kanadier Glasfassaden und verwenden daher spezielles Isolierglas. Wie die Energieeffizienz mit gebäudeintegrierter Photovoltaik in Kombination mit dem „Heat-Mirror“-Glas kreativ optimiert werden kann, erläutert Livio Nichilo, Leiter der Fakultät für Maschinenbau und Industrietechnik an der Universität Toronto, anhand des Enwave-Theaters in Toronto.

Eine energetische Sanierung war erforderlich, da die Temperatur im Gebäude an manchen Tagen extrem schwankte und es im Sommer sehr heiß wurde. Das wirkte sich auch negativ auf die Raumfeuchtigkeit und die Ausstattung des Theaters aus. Das Gebäude musste allerdings so erhalten bleiben, wie es war.

links: Blick durch die Solarzellen nach außen, rechts: Nordfassade mit Glasmalerei. Bildquelle: Universität Toronto
links: Blick durch die Solarzellen nach außen, rechts: Nordfassade mit Glasmalerei. Bildquelle: Universität Toronto


Durch Isolierglas schwankt Innentemperatur kaum noch

Gelöst wurde das Problem mit einer Glashülle, die Photovoltaik, Isolierung und Kunst vereint. Sie verbessert die Aufenthaltsqualität im Theater wesentlich, produziert saubere Energie und passt sich optisch gut in die „Waterfront“ vor Toronto ein. Messungen nach einem Jahr ergaben, dass die Innentemperatur im Sommer jetzt nur noch um maximal 6 Grad schwankt. Mit den 1.450 erzeugten kWh Solarstrom jährlich spare das Gebäude nun zusätzlich Energie und damit Geld, betont Nichilo.

Die neue „Heat-Mirror“-Verglasung wurde in die bestehenden Rahmen eingepasst. Heat Mirror ist ein Zweifach-Isolierglas mit den technischen Vorteilen eines Dreifach-Isolierglases, weil im Scheibenzwischenraum eine beschichtete Isolierfolie fest eingespannt ist, die den Zwischenraum in zwei unabhängige Räume trennt.

Sie soll im Sommer die Erwärmung und im Winter das Auskühlen des Gebäudes verhindern, um Kosten für Klimatisierung und Heizung einzusparen. Vor dem Einbau verschiedener Isolier-Gläser führten die Entwickler Simulationen durch, um die optimale Kombination zu ermitteln.

 

Zehn Photovoltaik-Module in die Glashülle integriert

Zur Solarstromerzeugung sind zehn Photovoltaik-Module mit insgesamt 1,56 kW in die Glashülle integriert, von denen jedes aus 42 monokristallinen Solarzellen besteht. Die Verkabelung verschwindet völlig im bestehenden Rahmen. Die kleine BIPV-Anlage ist nicht an das Netz angeschlossen, der Strom wird direkt im Theater verbraucht.

Um der Installation zusätzlich eine künstlerische Note zu geben, verzierte die Glasmalerei Peters GmbH (Paderborn) nach dem Entwurf der kanadischen Künstlerin Sarah Hall die Glaselemente mit einer großen Welle, die sich rund um das Gebäude zieht. Somit wurde das gesamte Gebäude zu einem Kunstwerk.

 

Ganzheitliche Konzepte für Solarhäuser

Sheddach mit integrierten Photovoltaik-Modulen. Computersimulation, universität Patras
Sheddach mit integrierten Photovoltaik-Modulen. Computersimulation, universität Patras

Mit seinen holistischen Konzepten für Solarhäuser wirft Yiannis Tripanagnostopoulos, Physik-Professor an der Universität von Patras (Griechenland), einen Blick in die Zukunft. Er will möglichst viele erneuerbare Energien integrieren und betrachtet vor allem die Geometrie der solaren Gebäudehülle. So könnten beispielsweise bei Sheddächern auf der einen Seite Photovoltaik-Module und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite Spiegel angebracht werden, um die Solarstrom-Ausbeute zu erhöhen.

Holistisches Konzept für Solarhäuser. Computersimulation, universität Patras
Holistisches Konzept für Solarhäuser. Computersimulation, universität Patras

Das Prinzip funktioniert auch bei Flachdächern mit einer entsprechenden Aufständerung der Photovoltaik-Module oder thermischen Sonnenkollektoren, beziehungsweise zwischen mehreren benachbarten Häusern: Parabolspiegel auf der Vorderseite des einen Hauses würden das Sonnenlicht auf die Rückseite des nächsten Hauses lenken. Zusätzlich könnten auf den Hausdächern kleine Windturbinen zur Stromproduktion stehen.

 

Konferenzdokumentation und Ausblick

Die Konferenzdokumentation kann auf der Internetseite des Energy Forum bestellt werden: http://www.energy-forum.com/conference-proceedings.html

Das nächste Energieforum in Brixen findet vom 05.-06.11.2013 statt, dann zum ersten Mal in parallelen Sessions. Das Themenspektrum werde dadurch breiter, und die Teilnehmer hätten größere Auswahlmöglichkeiten, sagt der Veranstalter Andreas Karweger.