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Strom von der Hauswand

© Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

| Kira Crome |

Eine Photovoltaikanlage auf dem Hausdach, um klimafreundlich Strom zu erzeugen, ist ein etabliertes Konzept. Mit Solarmodulen an der Hauswand könnte die Stromversorgung noch grüner werden, sagen Wissenschaftler. Gebäudefassaden bieten laut einer Potenzialstudie theoretisch doppelt so viel Fläche für die Solarenergienutzung wie Dächer. Dass das Konzept vor allem für Nichtwohngebäude interessant ist, zeigt ein Demonstrationsprojekt in Stuttgart: Fast 40 Prozent des Gesamtbedarfs des Verwaltungsgebäudes werden allein aus Solarenergie vom Dach und von der Hauswand gedeckt.

Allein in Nordrhein-Westfalen ist das Dachflächenpotenzial für die Stromerzeugung aus Solarenergie gewaltig: Rund 68 Terawattstunden Strom könnten pro Jahr produziert werden, würden auf den rund elf Millionen Dächern Photovoltaikanlagen errichtet. Viele Kommunen deutschlandweit geben mithilfe von Solarkatastern Auskunft über das Potenzial von Dachflächen in Städten und Gemeinden und animieren Hausbesitzer, in die Solarstromerzeugung auf dem Dach zu investieren. Im letzten Jahr kamen 184.000 neue Photovoltaikanlagen auf Dächern in Deutschland hinzu, meldete der Bundesverband Solarwirtschaft kürzlich. Knapp fünf Gigawatt Leistung sind demnach zugebaut worden, vor allem auf privaten Dächern. Ein Rekord, sagen die Branchenvertreter. Zwar stamme jede zehnte im letzten Jahr erzeugte Kilowattstunde in Deutschland aus der Solarenergie; knapp zwei Millionen Photovoltaikanlagen seien inzwischen bereits installiert. Doch mit Blick auf die Klimaziele sei das immer noch zu wenig.

Bis zum Ende des Jahrzehnts will die Bundesregierung die solare Kraftwerksleistung verdoppeln. Energie- und Klimawissenschaftler halten jedoch eine Verdreifachung für erforderlich. „Für das Ziel der Bundesregierung, im Gebäudebestand bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen, wird es nicht ausreichen, auf allen geeigneten Dächern in Deutschland Solaranlagen zu installieren“, sagt Martin Behnisch vom Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR). Theoretisch ließe sich das Zubaupotenzial für die Photovoltaik an Gebäuden deutlich steigern, würden auch die Fassaden von Gebäuden für die Solarstromerzeugung genutzt. Wie viel mehr Fläche das wäre, hat das IÖR gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) ermittelt. Doppelt so viel wie auf Dächern, lautet das Ergebnis der Wissenschaftler.

12.000 Quadratkilometer Fassadenfläche für Solarstromerzeugung
Auf Basis amtlicher Geodaten hat das Forschungsteam berechnet, wieviel Fassadenfläche der Gebäudebestand in Deutschland für die sogenannte bauwerksintegrierte Photovoltaik (BIPV) bietet. Laut der Modellierung stünden rund 12.000 Quadratkilometer Fassadenfläche und knapp 6.000 Quadratkilometer Dachfläche für die Solarstromerzeugung zur Verfügung, so Behnisch. Gebäudefassaden böten damit rund doppelt so viel potenzielle Fläche für Solarpanele wie Dächer – zumindest theoretisch. Denn die Ergebnisse stützen sich vorerst auf Daten, die die realen Verhältnisse zum Teil stark vereinfachen, räumt Behnisch ein.

In das eigens entwickelte Rechenmodell konnten nicht alle Detailinformationen über die Beschaffenheit der Gebäude wie Giebelwände, Fenster, Türen und Auskragungen wie Balkone einfließen. Auch konnten denkmalgeschützte Flächen nicht berücksichtigt werden. Lediglich Gebäudefassaden, die sich berühren und deshalb für die Installation von Photovoltaikanlagen nicht in Frage kommen, wurden herausgerechnet. Dafür flossen aus drei städtischen Fokusgebieten und einer bundesweiten Stichprobe von 100.000 Gebäuden Detaildaten in die Modellierung ein. Einbezogen wurden nicht nur detailliertere Gebäudemodelle mit ihren individuellen Dachformen, sondern auch Daten zur Umgebung der Gebäude – etwa zu Bäumen und ihrem Schattenwurf oder zur Verschattung durch andere Gebäude – sowie Daten zur Topografie und zur solaren Einstrahlung.

Großes Flächenpotenzial in Ballungsräumen an Rhein und Ruhr
Das Ergebnis ihrer Modellierung zeigen die Wissenschaftler in verschiedenen Visualisierungen zu Flächenpotenzialen und möglichen Solarenergieerträgen in Deutschland. Eine Erkenntnis: Wo viele Menschen wohnen, stehen viele Gebäude. Damit ist dort auch das theoretische Flächenpotenzial der Gebäudefassaden für die bauwerksintegrierte Photovoltaik besonders groß. Zu einem solchen „Flächen-Hotspot“ zählt das Ruhrgebiet. Aber auch das Rhein-Main- und Rhein-Neckar-Gebiet sowie die großstädtischen Ballungszentren stechen in der räumlichen Verteilung der Flächenpotenziale heraus.

Vor allem an Rhein und Ruhr ist das Flächenpotenzial für die gebäudeintegrierte Photovoltaik groß, zeigt die Studie des IÖR. © IÖR

Vor allem an Rhein und Ruhr ist das Flächenpotenzial für die gebäudeintegrierte Photovoltaik groß, zeigt die Studie des IÖR. © IÖR

Vor allem große Gebäude eigenen sich für die Stromerzeugung an der Hauswand
Eine zweite Erkenntnis liefert die kleinräumliche Modellierung der potenziellen Solarenergieerträge von Gebäuden unter Berücksichtigung der Beeinträchtigung durch Bäume und ihren Schatten: Die Installation von Photovoltaikanlagen an Fassaden lohnt sich vor allem bei großen Gebäuden wie Produktionshallen, Bildungseinrichtungen oder öffentlichen Gebäuden, aber auch großen Wohnkomplexen wie Hochhäusern. Denn mit zunehmender Gebäudehöhe steigt die Fläche der Fassade stetig an, während die Dachfläche konstant bleibt.

Die Daten müssten an den konkreten Standorten noch durch genauere Analysen spezifiziert werden, betonen die Wissenschaftler. „Aber sie geben doch einen Eindruck davon, welche großen Potenziale in bauwerksintegrierter Photovoltaik schlummern. Jedes Photovoltaik-Modul, das wir an einer Hausfassade installieren“, so Behnisch, „hilft dabei, Natur und kostbaren Boden zu schonen, denn es macht den Bau flächenintensiver Solarparks überflüssig.“

CO2-Abdruck von Büro- und Verwaltungsgebäuden mindern
Vor allem im Hinblick auf die Klimaziele ist die Gewinnung von erneuerbarer Energie an der Hauswand ein zusätzlicher Hebel. Gerade große Büro- und Verwaltungsgebäude sind in der Regel wenig klimafreundlich. Meist verbrauchen sie viel Strom – für Beleuchtung, Lüftung und Klimatisierung, aber auch für technische Geräte wie Computer, Bildschirme, Drucker und Kopierer. Bis 2050 soll der Gebäudesektor in Deutschland klimaneutral sein, lautet ein deutsches Klimaziel.

Wie viel klimafreundlicher die Stromversorgung eines Nichtwohngebäudes durch Solarstrom von der Hauswand gestaltet werden kann, zeigt ein Demonstrationsprojekt in Stuttgart. Am Beispiel des eigenen Bürogebäudes haben Wissenschaftler des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ermittelt, wie hoch der Anteil von selbst erzeugtem Solarstrom am gesamten Stromverbrauch sein kann. Dafür haben sie die realen Erzeugungs- und Verbrauchsdaten des Institutsgebäudes in einem Rechenmodell auf einen typischen fünfstöckigen Verwaltungsbau hochgerechnet. Ihre Annahme: Ein Viertel der Gesamtfassade und 30 Prozent der Dachfläche sind mit Photovoltaik belegt, was im Beispiel zu einer installierten Leistung von 131 Kilowatt führt. Die Solarmodule erzeugen dann zusammen rund 115.000 Kilowattstunden Strom im Jahr, gegenüber 170.000 Kilowattstunden Strombedarf. Das entspräche den Messdaten für Verwaltungsgebäude des Landes Baden-Württemberg, erklärten die Wissenschaftler.

Hoher Solaranteil von fast 40 Prozent ohne Batteriespeicher möglich
Das Ergebnis der Modellberechnungen: Der Strombedarf eines Standard-Bürogebäudes kann zu einem guten Teil mit selbst erzeugtem Solarstrom gedeckt werden. „Allein die Fassaden lieferten über den Zeitraum von einem Jahr 29 Prozent des verbrauchten Stroms“, erklärt Dieter Geyer, Projektleiter am ZSW. 80 Prozent des erzeugten Solarstroms konnten dafür genutzt werden; der Rest ging ins öffentliche Stromnetz. Lohnend sei vor allem die Kombination von Photovoltaik an der Fassade und auf dem Dach. „Sie steigerte den Eigenversorgungsanteil sogar auf 39 Prozent“, so Geyer. 58 Prozent des Solarstroms konnten dafür eingesetzt und so lokal verbraucht werden. Der Rest verbesserte den Ökostromanteil im Netz.

Der Anteil von fast 40 Prozent Solarstrom am Gesamtbedarf ist zudem ohne den Einsatz von Batteriespeichern machbar. „Das liegt daran, dass Bürogebäude vor allem tagsüber Strom benötigen, der erzeugte Solarstrom daher den ganzen Tag über zu einem guten Teil sofort verbraucht werden kann“, sagt Geyer. „Eine Speicherung des Stroms für einen späteren Verbrauchszeitpunkt ist daher nicht unbedingt nötig.“ Dies wirkt sich positiv auf die Kosten des gesamten Photovoltaiksystems aus.

Hinzu kommt: Die Fassadenflächen können bei geeigneter Ausrichtung eine bessere Balance zwischen Stromerzeugung und -verbrauch über den Tagesverlauf ermöglichen. Die Solarmodule an der Fassade erzeugen vor allem in den Morgen- und Abendstunden Strom, die Dachanlagen dagegen vor allem in den Mittagsstunden. Die Anlagenkombination liefert so klimafreundlich Strom während der stromverbrauchsintensiven Bürostunden zwischen acht und 18 Uhr.

Die Kombination aus Dach- und Fassadenphotovoltaik lohnt sich laut der Modellrechnungen auch saisonal. Während die Dachanlage die größten Leistungswerte in den Sommermonaten verzeichne, würden die Solarmodule an der Fassade die tiefstehende Sonne im Winter aufgrund ihrer vertikalen Ausrichtung energetisch besser ausnutzen als Dachanlagen, so Geyer.

Noch aber ist der Anteil bauwerkintegrierter Photovoltaik in Deutschland klein. Das neue Gebäudeenergiegesetz, das zum November letzten Jahres in Kraft getreten ist, belohnt den Einbau solcher Solarfassaden mit einer besseren energetischen Einstufung des Gebäudes. Der finanzielle Zusatzaufwand kann dann bereits nach zehn Jahren abbezahlt sein, rechnen die ZSW-Wissenschaftler vor, danach mache die Fassadenanlage Gewinn. Ein Erfolgsfaktor für eine gute Wirtschaftlichkeit insbesondere bei neuen Gebäuden sei vor allem eine gute Planung, die die Anwendung von Solarmodulen als integrales Bauelement in der Gebäudehülle von Anfang an berücksichtigt, sagte Björn Rau vom Kompetenz-Zentrum Photovoltaik Berlin (PVcomB) am Helmholtz-Zentrum Berlin auf der Jahrestagung der EnergieAgentur.NRW. Er leitet die neue nationale Beratungsstelle für bauwerkintegrierte Photovoltaik (BAIP), die am Berliner Kompetenzzentrum ihre Arbeit aufgenommen hat. Sie soll künftig vor allem Architekten und Planer schulen, die Technologieform stärker zu nutzen.