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Mehr als nur Fassade: Bauwerkintegrierte Photovoltaik

© Werder.de/Maßstab
Das Weserstadion in Bremen mit seiner BIPV-Anlage ist mit dem Deutschen Solarpreis 2019 ausgezeichnet worden. © Werder.de/Maßstab

| Kira Crome |

Die sogenannte „integrierte“ Photovoltaik setzt ihre Anlagen nicht auf die grüne Wiese, sondern nutzt vorhandene Bebauung wie Schallschutzwände entlang von Autobahnen – oder Gebäudefassaden. Als Bauelemente gewinnen die Solarmodule so eine zusätzliche funktionale Aufgabe als Dämmung, Abschattung oder als gestalterisches Designelement. Gebäude werden so nicht nur Stromerzeuger, sondern tragen auch zum Ausgleich ihrer Klimabilanz bei. Wissenschaftler vom Fraunhofer ISE sehen in der PV-Sparte ein weitgehend unerschlossenes Potenzial, das vor allem im Streit um knappe Flächen beim Ausbau der erneuerbaren Energien punkten kann.

Blau schimmert die Fassade des Stadionrunds im Sonnenlicht. Die gläserne Hülle, die das Weserstadion in Bremen umläuft, wirkt wie ein durchbrochener Vorhang, der den Baukörper dahinter nur schemenhaft erkennen lässt. Was dem Bau eine besondere Ästhetik verleiht, sind aus der Nähe besehen Solarmodule. Auch auf dem Dach, das die Zuschauerränge vor Wind und Wetter schützt, fungieren Photovoltaik-Panele als Bauelemente, die sich harmonisch in die Konstruktion einfügen. Das Kraftwerk, das im Zuge von Umbau und Sanierung des Stadions realisiert wurde, gilt als die größte gebäudeintegrierte Photovoltaikanlage in Deutschland. Jüngst wurde das Konzept, das Architektur mit Energieerzeugung funktional verbindet, mit dem Deutschen Solarpreis 2019 in der Kategorie Solar Architektur und Stadtentwicklung ausgezeichnet.

Mit rund 1,2 Megawatt-Peak Leistung erzeugt die Anlage bis zu 800.000 Kilowattstunden pro Jahr und damit einen Großteil des Stroms, den der Stadionbetrieb verbraucht. In Kombination mit der Heizzentrale, die mit Hilfe einer hochmodernen Mikrogasturbine nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung gleichzeitig Strom und Wärme produziert, spart das Energiesystem jährlich über 400 Tonnen Treibhausgasemissionen gegenüber dem durchschnittlichen Energiemix in Deutschland ein. Das Beispiel illustriert die Potenziale, die Gebäude zur Erlangung der Erneuerbare-Energien-Ausbau- und Klimaziele spielen können.

„Technisches Potenzial“ von 1.400 Gigawatt für energiewandelnde Fassaden
Noch aber ist der Anteil der bauwerkintegrierten Photovoltaik (BIPV) in Deutschland klein. Dabei seien geeignete Flächen an Gebäuden mehr als ausreichend vorhanden, sagen Wissenschaftler des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE. Ihren Berechnungen zufolge birgt diese Variante ein „technisch plausibel verwertbares Potenzial“ von 1.400 Gigawatt. Das wäre fast drei Mal so viel Erzeugungsleistung wie die 500 Gigawatt, die die Wissenschaftler vom Fraunhofer Institut ISE für notwendig erachten, wenn Deutschland seine Klima- und Erneuerbare-Energien-Ausbauziele erreichen soll. Derzeit sind bundesweit nach Fraunhofer-Angaben 48 Gigawatt Photovoltaik installiert. Rund 75 Prozent auf Dächern, der Rest in Freiflächenanlagen. „Die gesamte installierte Leistung muss im Zuge der Energiewende auf das bis zu 10-fache erhöht werden“, sagt Harry Wirth vom Fraunhofer ISE.

Photovoltaik als Bauelement verstehen
Vor allem im urbanen Raum, wo Flächen für den Ausbau erneuerbarer Energien knapp sind, bietet die sogenannte bauwerkintegrierte Photovoltaik eine Lösung mit funktionalem Mehrfachnutzen. Als Bauelemente, die ein Bestandteil der Gebäudekonstruktion sind, wandeln Solarmodule in Fassade oder Dach nicht nur Energie in Strom, sondern haben auch zusätzliche funktionale Aufgaben: In Kaltfassaden übernehmen BIPV-Module als äußere Hülle Wetterschutzfunktionen für den Warmbereich des Baukörpers. Als Verschattungselemente reduzieren sie den Einfall des Tageslichts in die Räume. Gerade in Büros erleichtert das zum Beispiel die Arbeit an Computerbildschirmen. Fügen sich die integrierten PV-Panele in die Farb- und Formgebung des Gebäudes ein, sorgen sie in solaren Warmfassaden als Teil der statischen Konstruktion für Schallschutz, Wärmedämmung und Wetterschutz. Inzwischen kann die BIPV-Technologie jeden Transparenzgrad erreichen. Variable Zell- und Modulformate, teiltransparent und farblich breit gefächert, bieten vielfältige Designoptionen und damit einen ästhetischen Nutzen.

Weniger Flächenverbrauch, mehr Synergien
Anders als große Freiflächenanlagen bergen bauwerkintegrierte Anlagen keine Flächenkonflikte. Weil sie sich ästhetisch in die Gebäudearchitektur einfügen, wirken sie im öffentlichen Raum nicht als Fremdkörper und vermeiden so Diskussionen um die Akzeptanz neuer Anlagen. Rückenwind für die solare Nutzung der Gebäudehülle kommt derzeit vom Gesetzgeber: Die ab 2021 geltende EU-Gebäuderichtlinie fordert für neue Gebäude eine weitgehend ausgeglichene Energiebilanz. Bis 2050 muss der Gebäudebestand nahezu klimaneutral werden. Das heißt, Gebäude müssen künftig nicht nur weniger Energie für ihre Strom-, Wärme- und Kälteversorgung verbrauchen, sondern auch aktiv zur Erzeugung und Speicherung von Energie beitragen. Schätzungen gehen davon aus, dass es deutschlandweit rund 2.000 Quadratkilometer für PV-Anwendungen nutzbare Dach- und Fassadenflächen gibt. „Vor diesem Hintergrund könnte die bauwerkintegrierte Photovoltaik von Architekten und Planern verstärkt eingesetzt werden und damit den großflächigen Einsatz von Photovoltaik bei hoher Nutzerakzeptanz ermöglichen“, sagt Wirth.

Architektur und Energie: Zwei Welten zusammenbringen
Verschiedene Akteure wollen die bauwerkintegrierte Photovoltaik in Deutschland nun voranbringen. „Aus unseren Diskussionen mit Akteuren im Baubereich wissen wir, dass es vielen Architekturbüros schwerfällt, das dazu nötige Spezialwissen vorzuhalten“, sagt Björn Rau vom Kompetenz-Zentrum Photovoltaik Berlin (PVcomB) am Helmholtz-Zentrum Berlin. Um das hohe Potenzial der Technologie-Variante zu erschließen, müsse eine Brücke zwischen Architektur und Planung auf der einen Seite und Photovoltaik-Branche auf der andere geschaffen werden. Dafür sorgt jetzt in Berlin eine nationale Beratungsstelle für bauwerksintegrierte Photovoltaik (BAIP). Zu den Projektpartnern zählen die Bundesarchitektenkammer, die Architektenkammer Berlin, die Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB), das Reiner Lemoine Institut, die Hochschule für Technik und Wirtschaft sowie die Allianz Bauwerkintegrierte Photovoltaik. Die Beratungsstelle soll Architekten, Planer, Bauherren, Investoren und Stadtentwickler dabei unterstützen, die Gebäudehülle für die Energiegewinnung zu aktivieren. Sie arbeitet produktneutral und unabhängig. „Denn bisher werden Beratungsleistungen nur von Herstellern und Vertreibern von Solarmodulen erbracht, die Vollständigkeit und Überblick nicht gewährleisten“, sagt Markus Sauerborn, der den Wissenstransfer der neuen BAIP verantwortet.

Aus der Nische zum Massenmarkt
Bislang sind Solarmodule, die den Anforderungen von Architekten und Planern an die Gebäudegestaltung gerecht werden, noch ein Nischenprodukt. Vor allem kleine bis mittelständische Betriebe bedienen die Nachfrage. „Nach kundenspezifischen Wünschen gefertigte bauwerkintegrierte Module ermöglichen eine nachhaltige Wertschöpfung, da Produkte mit einheitlicher Größe und standardisiertem Design in vielen Fällen von Architekten häufig nicht verwendet werden können“, sagt Tilmann E. Kuhn, Gruppenleiter Solare Gebäudehüllen am Fraunhofer ISE. Die Größe der Produktion von zehn bis 50 Megawattpeak pro Jahr sei aber zu klein, um einen relevanten Beitrag zu einem Massenmarkt zu leisten.

Ein wichtiger Baustein, um die Technologie-Variante nach vorn zu bringen, seien deshalb standardisierte bauwerkintegrierte PV-Module, die industriell hergestellt werden. Dieser Markt entstehe gerade. Zunehmend größere Unternehmen, deren Produkte aufgrund der größeren Produktionskapazitäten deutlich günstiger seien, rollen das Geschäftsfeld auf.

Ein weiterer wichtiger Impuls geht nach Ansicht der Fraunhofer-Wissenschaftler von der Integration integrierbarer PV-Produkte in die digitalen Planungswerkzeuge und Prozesse der Baufachleute aus. „Planer und Architekten müssen solare Gebäudebestandteile in der alltäglichen Arbeit einfach nutzen können, im Zweifel mit wenigen Klicks“, sagt Kuhn. Bislang fehle es an der Übersicht über die unterschiedlichen Gewerke entlang der fragmentierten Wertschöpfungskette im Bausektor hinweg, die nur Teilverantwortung im Gesamtprozess zur Realisierung energieeffizienter Gebäude tragen. Im Projekt SolConPro und dem 2018 gestarteten Projekt SCOPE arbeitet das Fraunhofer ISE mit Partnern aus Bauindustrie und Informationstechnik daran, einem Planer, der eine Fassade sucht, künftig in der bautechnischen Planungssoftware Solarfassaden als Alternative zu herkömmlichen Fassaden oder andere Bauteile zur Auswahl anzubieten.

Anwendungsbeispiele gibt es auch in Nordrhein-Westfalen. Zum Beispiel in Mönchengladbach, wo das NEW-Blauhaus entstanden ist. Ein Nullemissionsgebäude im Passivhausstandard, dessen Fassade aus gegeneinander geneigten, blau schimmernden Glas – und Photovoltaik-Elementen besteht. 77 PV-Module an der Fassade und 230 Module auf dem Dach liefern so viel Strom, dass der gesamte Energiebedarf des Gebäudes gedeckt wird. Jährlich werden so 110 Tonnen schädliches CO2 eingespart. Das Mehrzweckgebäude beherbergt das Kundenzentrum eines Energieanbieters sowie Lehr- und Verwaltungsbereiche einer Hochschule samt Bibliothek und Büros für Existenzgründer.

Die BIPV-Anlage am NEW-Blauhaus macht das Haus zum Nullemissionsgebäude © Martin Leclaire

Die BIPV-Anlage am NEW-Blauhaus macht das Haus zum Nullemissionsgebäude © Martin Leclaire

Im letzten Jahr ist in Düsseldorf das FLOAT-Gebäude am Medienhafen fertiggestellt worden. Auf der Südseite des mehrteiligen Bürokomplexes wurde der Sonnenbehang, der die Glasfassade vor Sonnen- und Wärmeeinstrahlung schützt, durch eine Photovoltaikanlage ersetzt. Für die 2.160 Solarmodule wurde eigens eine Stahlunterkonstruktion entwickelt, auf der die Panele mit einer Neigung von 40 Grad ausgerichtet wurden. Auf diese Weise wird ein maximaler Energieertrag als auch der notwendige Sonnenschutz durch die Anlage sichergestellt. Die gewandelte Energie wird komplett im Gebäude selbst, das mehr als 30.000 Quadratmeter Nutzfläche hat, abgenommen. Um die 336.000 Kilowattstunden Solarstrom im Jahr soll die Anlage liefern. Zusätzlich trägt die Anlage zur Nachhaltigkeitszertifizierung nach LEED-Standard bei.

BIPV-Anlage am FLOAT-Gebäude in Düsseldorf © HGEsch

BIPV-Anlage am FLOAT-Gebäude in Düsseldorf © HGEsch

Im Duisburger Innenhafen kommt an einer Hallenfassade der Duisburger Hafen AG eine andere Technologieform zum Einsatz: Dort wird eine organische Photovoltaik-Folie getestet. Mit rund 185 Quadratmetern ist das Projekt die bislang größte Fassadeninstallation mit organischen Solarzellen.