Die Winterruhe ist vorbei: Bei strahlendem Sonnenschein trafen sich Mitte März mehr als 80 Architekten, Ingenieure und Vertreter der Solarindustrie, um sich im Kloster Banz über neue Trends in der Solararchitektur auszutauschen. Offenbar wächst das Interesse an diesem Thema, denn das Seminar war trotz des schwierigen Photovoltaikmarktes sehr gut besucht. „Wir orientieren uns zunehmend auf praktische Lösungen“, sagte Chairman Heinz Hullmann, Architekt und Professor aus Hamburg. „Die gebäudeintegrierte Photovoltaik ist komplexer, als Solarmodule auf eine Wiese zu stellen. Aber der Strom aus einer Solarfassade ist ein Mehrwert für das Gebäude und seine Nutzer.“ Hullmann gehört zu den Pionieren der gebäudeintegrierten Photovoltaik (GIPV). Er kritisiert, „dass es in der Baubranche bislang nicht üblich ist, den Solarertrag in die Gesamtkosten einer solchen Fassade einzurechnen“.
Eigenverbrauch treibt den Markt
Nach seiner Auffassung geht es vor allem darum, photovoltaische Fassaden oder integrierte Dachsysteme in den kommunalen Wohnungsbau, in Gewerbegebäude und Bauten der Industrie einzubauen. Nur wenn große Flächen mit solaren Bauprodukten veredelt und genutzt werden, ist ein Massenmarkt möglich. Und nur dann sinken die Preise. Ein Beispiel sind die Glas-Glas-Module, die Solarwatt, Centrosolar und Solarworld auf den Markt gebracht haben. „Sie haben zwei Millimeter dicke, vorgespannte Gläser und sind in der Fertigung fast so preiswert wie standardisierte Glas-Folie-Module“, erläutert Willi Ernst, Vorsitzender der Biohaus-Stiftung in Paderborn.
Tatsächlich bieten die schmucklosen, architektonisch relativ einfachen Fassaden und Dächer von Millionen Nutzbauten der Industrie und in den Gewerbegebieten den besten Markt, um individuelle Gebäudelösungen zu installieren. Solche Zweckbauten machen rund 45 Prozent des Gebäudebestandes in Deutschland aus. Zudem stehen ihre Nutzer unter hohem Druck, die Energiekosten zu senken: für Heizung, Kühlung, Kälte, Beleuchtung und Kraftstrom.
Bis zu 50 Gigawatt möglich
Nach Berechnungen von Claudio Ferrera vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) stehen bundesweit rund 500 bis 1.000 Millionen Quadratmeter Fassadenfläche zur Verfügung. Industriebauten bieten ein günstiges Verhältnis zwischen Nutzfläche und Fassadenfläche. Meist sind die Fassaden sehr groß und geschlossen, weisen nach Süden, Osten oder Westen. Die für Photovoltaik nutzbare Fassadenfläche bezifferte er auf 160 bis 330 Millionen Quadratmeter. „Das entspricht 14 bis 50 Gigawatt Solarstromleistung“, analysiert er. „Damit könnte man die bereits in Deutschland installierte Solarleistung verdoppeln.“ Er sieht die Zukunft in vorgefertigten Fassadenelementen mit Photovoltaik und in „Plug-and-play-Lösungen für die Renovierung“. Vor allem in Verbindung mit besserem Wärmeschutz ergibt sich für Solarfassaden ein neuer Markt, der auf den Eigenverbrauch im Gebäude zielt.
Zulassung im Einzelfall genügt
Allerdings brauchen fassadenintegrierte Anlagen eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (ABZ) oder die Zulassung im Einzelfall. „Vorzugsweise beginnt man mit der Zulassung im Einzelfall“, empfiehlt Architekturprofessor Heinz Hullmann. „Erst wenn größere Volumina nachgefragt werden, lohnt sich für einen Systemhersteller die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung.“
Schletter oder Schüco haben diese Tür bereits aufgestoßen. Sie haben die ABZ für ihre Montagesysteme schon erhalten. Die Zertifizierung kostet fünfstellige Summen. Solarwatt hat das Zertifikat sogar für seine Doppelglasmodule bekommen. Sie dürfen nun ohne weitere Prüfungen überall verbaut werden.
Ein Problem besteht darin, dass viele Testverfahren und Normen der Baubranche nicht ohne weiteres auf die Photovoltaik übertragbar sind. Das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) sieht sich als Gralshüter der Produktsicherheit in der Baubranche. In einem Merkblatt für die Photovoltaikindustrie forderte es im Frühjahr 2012, dass photovoltaische Systeme für die Integration in Dächer und Fassaden prinzipiell die ABZ benötigen.
Bezüglich bestimmter Komponenten in den Solarsystemen stellt sich das DIBt derzeit noch auf die Hinterbeine: So seien Klebeverbindungen oder EVA-Folien nicht zugelassen. Einige Hersteller von Dünnschichtmodulen bieten ihre Paneele mit geklebten Backrails zur Montage an. Auch wird in einigen kristallinen Solarmodulen EVA-Folie zur Laminierung verwendet, statt PCB. Dennoch hat Solarwatt beispielsweise für seine Glas-Glas-Module mit EVA-Folie eine Zulassung bekommen. Und in etlichen anderen Branchen werden seit Langem sogenannte Hochleistungskleber verwendet, die meist aus zwei Komponenten bestehen. Sie sind lange haltbar, vertragen die hohen Temperaturen am Modul oder UV-Belastungen.
So hat beispielsweise Bosch Thermotechnik die Fassade seines Hauptsitzes in Wetzlar mit CIGS-Modulen erneuert. Bosch Thermotechnik hält die Marken Junkers und Buderus, beide sind auch mit Photovoltaiksystemen am Markt. Die alten, in Mörtel eingelassenen Steinplatten der Fassade wurden durch CIGS-Module aus der Bosch-Fabrik in Brandenburg an der Havel ersetzt. Die Dünnschichtproduktion firmiert weiterhin unter Bosch Solar CISTech, wurde also nicht verkauft. Eine Alternative wäre eine neue Aluminiumhaut für das Gebäude gewesen.
Bewegung bei den Normen
Soll heißen: Langsam kommt Bewegung in die strikte Normierung. Der Bundesverband Solarwirtschaft (BSW-Solar) hat im Herbst ein wichtiges Papier zur neuen Bauprodukteverordnung der Europäischen Union veröffentlicht. Die EU-BauPVO gilt seit Juli 2013 und soll die vielen nationalen Vorschriften über Bauprodukte harmonisieren. Die frühere Bauprodukterichtlinie der EU gilt nicht mehr. „Derzeit wird die neue BauPVO in die Neufassung der DIN EN 12975-1 für solarthermische Kollektoren eingearbeitet“, stellt Markus Metz in Aussicht. Gemeinsam mit Ralf Haselhuhn hat er bei der DGS in Berlin für den BSW-Solar am Informationspapier zur EU-BauPVO gearbeitet. „Für GIPV ist die DIN EN 50583 in Vorbereitung.“ Sie kursiert auch als VDE 0126-2010. Allerdings gilt die neue EU-Verordnung nur für Bauprodukte, die in Europa in Verkehr gebracht werden. Die eigentliche Installation ist damit nicht abgedeckt. Also müssen Solarmodule im Dach die Vorschriften der Feuersicherheit oder der harten Bedachungen erfüllen, wie normale Dachziegel oder Stahlbleche auch. Sie müssen regendicht sein, wie das Indachsystem von Solarwatt, das der Modulhersteller gemeinsam mit dem sächsischen Dachdeckerhandwerk entwickelt hat.
Normen und Vorschriften haben nicht nur Nachteile, bedeuten nicht nur Ärger und Aufwand. Ab 2020 dürfen in Europa nur noch Gebäude errichtet werden, die sich als Nullenergiehäuser selbst versorgen. „Diese Richtlinie ist seit Jahren bekannt und verabschiedet“, sagt Thomas Nordmann von der TNC Consulting AG aus der Schweiz, gleichfalls ein erfahrener Solararchitekt. „Ich vermisse die Aufbruchstimmung in der Photovoltaikbranche oder bei den Architekten. Bis dahin sind es nur noch sieben Jahre.“ Dann muss die Normung auf dem aktuellen Stand sein, müssen die Gräben zwischen Photovoltaik und Baubranche verschwinden. Auch mit der Novellierung der Energieeinsparverordnung (EnEV) wurde die Photovoltaik am Gebäude aufgewertet. Sie tritt im Sommer in Kraft.
Clevere Kombination mit Mehrwert
Nach Auffassung von Reto Miloni bietet der Sonnenstrom nicht den einzigen Mehrwert der integrierten Photovoltaik. Miloni ist Frontmann der eidgenössischen Solararchitekten und mehrfacher Träger des Schweizer Solarpreises. „Mit dem Eisenwarenhandel auf dem Dach holt man keinen Architekten hinterm Ofen hervor“, kritisiert er. „Die wirkliche Integration haben wir noch nicht erreicht.“ Er bezeichnet standardisierte Unterkonstruktionen und gerahmte Module als „Mummenschanz“, schlägt also einen ganz anderen Weg ein als Claudio Ferrera vom Fraunhofer ISE. Oder auch nicht, denn schließlich landet auch Miloni beim Eigenverbrauch und dem energieoptimierten Gebäude: „Neben der Solarstromleistung einer Fassade geht es auch um solche Fragen: Wie kann ich die Kühllast des Gebäudes verringern? Auf welche Weise gewinne ich zusätzliche Vorteile?“ Er sieht in der Kombination des Fassadengenerators beispielsweise mit einer modulierenden Wärmepumpe erhebliche Gewinne. „Solche Wärmepumpen können aus einem Quadratmeter Photovoltaik bis zu 800 Kilowattstunden Wärme im Jahr erzeugen“, sagt er. „Der Vorteil der Photovoltaik gegenüber der Solarthermie ist zudem, dass man den Solarstrom besser im Gebäude, im Quartier oder in der Siedlung vernetzen kann.“
Das Gebäude als Energiezentrale
Welche Kombinationen möglich sind, beweisen Ideen wie der PVT-Kollektor der Firma Mefa Energy Systems aus Kupferzell. „Wir kombinieren einen unabgedeckten Solarkollektor mit Photovoltaik und Wärmepumpen“, erläutert Peter Kömmelt von Mefa. „Der thermische Kollektor wird vollflächig durchströmt, mit einem Wasser-Glykol-Gemisch.“ Solche unabgedeckten Kollektoren sind in der Herstellung sehr preiswert. Vor allem bei geringen Systemtemperaturen im Solarkreislauf können sie erhebliche Energiemengen übertragen. Steigen die Temperaturen im Kollektor an, sind isolierte und abgedeckte Flachkollektoren oder gar Röhrenkollektoren besser, weil sie geringere Wärmeverluste haben. Mefa nutzt den unabgedeckten Absorber aber nur in Verbindung mit einer Wärmepumpe, braucht also keine hohen Solartemperaturen. „Im Herbst wird die Solarwärme direkt in die Betonkernaktivierung geschickt, solange der Heizbedarf damit gedeckt werden kann“, sagt Kömmelt. „Im Laufe der Heizperiode schaltet sich dann die Wärmepumpe zu, die den Solarkreis als Vorlauf für ihren Arbeitskreis nutzt.“
Ecolar testet Kühlsysteme mit PVT
Reicht das Strahlungsangebot der Sonne nicht aus, um den Kollektor genügend zu erwärmen, werden zusätzliche Quellen im Erdreich erschlossen, etwa flächige Erdabsorber unter der Frostgrenze. Auch lässt sich der solarthermische Absorber sehr gut einsetzen, um die Erdabsorber im Sommer zu regenerieren. Zudem baut Mefa bei seinen Kunden großflächige Heizsysteme ein, die mit unter 40 Grad Celsius auskommen. „Wir sind gerade sehr stark mit der Umrüstung von kleinen und mittelständischen Unternehmen auf solche Niedertemperatursysteme befasst“, bestätigt Peter Kömmelt. „Damit lässt sich der Wärmeverbrauch gegenüber einer neuen Ölheizung um die Hälfte verringern.“
Noch einen Schritt weiter gehen Forscher der Hochschule für Technik in Stuttgart. Sie haben diesen Kollektor mit Glas-Glas-Modulen kombiniert, zu einem Tandem aus Photovoltaik und Solarthermie. Die Versuche liefen unter der Projektbezeichnung Ecolar. Verglichen wurden Industriegebäude in Stuttgart, Madrid und in Schanghai. Dabei ging es vor allem um die Abdeckung von Kühllasten. Denn das Dreigespann aus Photovoltaikfassade, großflächigen Absorbern unter den Solarmodulen und Wärmepumpe erlaubt neben der Heizung und Warmwasserbereitung auch die passive und aktive Kühlung. Diese Systemkonfiguration kommt ohne Rückkühler aus, wie er bei thermischen Kühlsystemen aus der Solarthermie oder mit Blockheizkraftwerken (BHKW) notwendig ist.
Denn der großflächige Absorber von Mefa erlaubte es, das tagsüber durch die Sonne aufgeheizte Gebäude in der Nacht herunterzukühlen, durch die Abstrahlung von Überschusswärme über die Fläche. „Dafür brauchen wir nur den Strom, um die Pumpen im Solarkreis während der Nacht laufen zu lassen“, bestätigt Ursula Eicker vom Zentrum für angewandte Energietechnik in Stuttgart. „Auf diese Weise erreichen wir eine traumhafte Effizienz.“ Ein großer Wasserspeicher wird thermisch entladen, damit er am nächsten Tag wieder als Kühlzentrale fungieren kann.
Vorteile bei Industriegebäuden
Zusätzlich wird die Kühlung durch die Wärmepumpe unterstützt: „Sie kann im reversiblen Betrieb als Kältemaschine arbeiten“, meint Eicker. „Der erzeugte Solarstrom reicht aus, um das Gebäude bilanziell übers Jahr mit Heizung, Kühlung, Warmwasser und dem Pumpenstrom zu versorgen.“ Allerdings gelten die Versuchsergebnisse nur für Industriegebäude, die in der Regel über eine große Hüllfläche gegenüber dem umbauten Volumen verfügen. „Im Mehrgeschosswohnungsbau ist die Sache sicher schwieriger“, urteilt sie. Allerdings haben die Mietskasernen in den deutschen Städten keinen so hohen Bedarf an Kälte oder Kühlung wie Industrie, Gewerbe oder Bürogebäude. Da reicht etwas Strom, um Stauhitze mit Ventilatoren zu vertreiben.
Frankensolar/Braas
Sortiment für Dachintegration erweitert
Um das Angebotsspektrum für seine Kunden zu erweitern, kooperiert der Solargroßhändler Frankensolar mit Braas, einem wichtigen Anbieter von kompletten Dachsystemen. So ist das Indachsystem Braas PV Indax universell für alle Dachpfannen geeignet und fügt sich gut ins Dach ein. Das Komplettsystem inklusive schwarzem Eindeckrahmen mit Eckausbildung erlaubt es auch, Fenster der Marke Velux einzubinden. Im Gegenzug bietet Frankensolar ein Speicherset, bestehend aus dem SMA-Wechselrichter 6.0H und Lithium-Ionen-Zellen von Sony. Die Fachpartner von Braas und von Frankensolar können nun auf die Systeme beider Anbieter zugreifen.
Tipp zur Auslegung
Am Wechselrichter sparen
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben Fassadengeneratoren aus amorphem und mikromorphem Silizium analysiert. Die Forschungen liefen vier Jahre lang, im Projekt Solarvalley-BIPV. Dabei kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass man die Modulstrings an der Ostseite und an der Westseite parallel schalten kann. Auf diese Weise wird nur ein MPP-Tracker notwendig, auch kann der Wechselrichter nach der Größe eines Fassadenteils ausgelegt werden. „Speziell bei diesem Modultyp hängt die Spannung wenig von der Einstrahlung ab“, urteilt Helen Rose Wilson vom Fraunhofer ISE. Die Simulationen und Berechnungen wurden anhand eines Versuchsaufbaus auf dem Dach der Dünnschichtfabrik von Masdar PV in Ichtershausen durchgeführt. Beide Teilfassaden waren mit jeweils zwei Kilowatt gleich groß. Eventuelle Verluste durch Mismatch blieben unter einem Prozent. Wenn beide Fassadenteile jeweils zwei Kilowatt Nennleistung haben, reicht demnach ein Wechselrichter mit zwei Kilowatt Nennleistung aus, zudem braucht man nur einen MPP-Tracker.
Das funktioniert nur, wenn die U-I-Kennlinie der Module entsprechende Anordnungen erlaubt, wie im Falle der Siliziumdünnschicht. Allerdings ist auch bei polykristallinen Modulen zu prüfen, ob dieses Prinzip anwendbar ist. Vermutlich entstehen höhere Ertragsverluste durch das Mismatch der parallel geschalteten Strings, weil die Spannung während des Sonnenlaufs nicht annähernd konstant ist wie bei Siliziumdünnschicht. Wandert die Sonne aus der Fassade, sinken Strom und Spannung deutlich ab. Dennoch könnten die Ertragsverluste aufgewogen werden, wenn man den Wechselrichter nur nach einem Teilgenerator (String) auslegt, also den Aufwand für die Leistungselektronik und das MPP-Tracking senkt. Denn solange die Ostfassade von der Sonne beschienen wird, bleibt die Westfassade im Schatten. Wandert die Sonne weiter, wird die Westfassade beschienen. Dann liegt der östliche String im Schatten.
Solarwatt
Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für Glas-Glas-Module
Der Dresdner Systemanbieter Solarwatt hat die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für seine ungerahmten Glas-Glas-Solarmodule erhalten. Die Zulassung wurde durch die Zulassungsstelle des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) erteilt und bezieht sich auf den Modulverbund, der analog dem klassischen Verbundsicherheitsglas (VSG) hergestellt wird. Die Zulassung ist vorerst für fünf Jahre und für alle Bundesländer gültig. Die geprüften Komponenten gelten nach der Genehmigung durch das Berliner Institut als geregelte Bauprodukte im Sinne der Landesbauordnungen – eine separate Zulassung für den privaten oder öffentlichen Bereich ist nicht mehr nötig. Einzelgenehmigungen müssen nicht mehr eingeholt werden. Das spart Geld und Zeit, da langwierige Verfahren der Zulassung entfallen.
Außerdem eröffnet Solarwatt damit Planern und Architekten die Tür zur Photovoltaik: Bauwerksintegrierte Solargeneratoren können mit den Glas-Glas-Modulen als geregelte und zugelassene Bauprodukte nunmehr geplant und umgesetzt werden. Das Solarmodul wird zum gewöhnlichen Bauprodukt. Treffend ist die Benennung des Produktes in der ABZ mit der Zulassungsnummer Z-70.3-199: Das DIBt spricht von „photovoltaischem Verbundsicherheitsglas, PV-VSG“. Solarwatt gibt für diese Module eine Produkt- und lineare Leistungsgarantie von 30 Jahren. Die ungerahmten Module finden Einsatz in den Systemen „Carport“, „Veranda“ und „Fassade“. Darüber hinaus können sie nun überall am Gebäude Glas ersetzen, sie sind in der Anwendung nicht beschränkt.
Transparente Glasflächen und Photovoltaik ergänzen sich durchaus und erlauben abwechslungsreiche Architektur. Immer mehr Architekten erkennen die Chancen, die sich durch die Solartechnik bieten. Ab 2020 müssen Neubauten in der Europäischen Union ihren Energiebedarf autark decken, vom Dach oder der Fassade. Dann wird sich zeigen, welche Architekturbüros mit der Zeit gehen. Nicht nur die Installateure stehen am Scheideweg: Auch die Architekten müssen sich entscheiden, ob sie die wachsenden Ansprüche ihrer Bauherren erfüllen wollen.
Solarmodule an einem Bürogebäude: Es muss nicht immer diegesamte Fassade sein. Kleinere Generatoren an geeigneten Flächen öffnen neue gestalterische Spielräume.
Gipfelrestaurant am Kleinmatterhorn: Die Fassade versorgt das Gebäude autark, inklusive den Küchen und Lüftungssystemen. Die Module sind für alpine Witterung ausgelegt.
Kassettenfassade mit CIGS-Dünnschichtmodulenim Berliner Stadtteil Adlershof.
