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Nachhaltiges BauenSolarstrom von der Klinikfassade dank bauwerkintegrierter Photovoltaik

Photovoltaikanlagen sind ein wichtiger Baustein nachhaltigen Bauens. Sie können z.B. in die Gebäudehülle integriert werden, damit Krankenhäuser ihren hohen Strombedarf klimafreundlicher abdecken. Auf dem Markt hat sich inzwischen viel getan. Ein Überblick über die bauwerkintegrierte Photovoltaik.

Visualisierung BIPV-Anlage Fraunhofer ISE
Brechensbauer Weinhart + Partner Architekten

Am Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen des Fraunhofer ISE geplante Installation einer BIPV-Anlage (grüne Fassadenelemente).

Bauwerkintegrierte Photovoltaik
Fraunhofer ISE

Fraunhofer ISE-Seminarraum mit bauwerkintegrierter Photovoltaik – teiltransparente Photovoltaikmodule mit winkelselektiver Transmission (PV-Shade).

In Krankenhäusern herrscht ein besonders hoher Energiebedarf. Die Gebäude müssen beleuchtet, beheizt und klimatisiert werden. Hinzu kommen unzählige elektrische Geräte und Apparate. Photovoltaikanlagen helfen, diesen Energiehunger klimaschonend mit Solarstrom zu decken. Die Solaranlagen können jedoch nicht nur als klassische Aufdachanlagen grünen Strom liefern, sondern auch in die Gebäudehülle integriert werden. Solarmodule an der Fassade des Gebäudes oder in der Dachhaut erweitern die möglichen Flächen der Solarstromnutzung enorm. Dies ist wichtig: Künftig wird der ohnehin schon hohe Strombedarf in Krankenhäusern weiter steigen.

Für Krankenhauseigentümer bringt die bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV) viele Vorteile: Module in Fassade oder Dach integriert, bieten nicht nur solare Stromerzeugung, sondern können auch klassische Funktionen wie Schallschutz, Wärmedämmung sowie Wind- und Wetterschutz erfüllen. Hinzu kommt die Abschattung bei Anlagen im transparenten Teil der Gebäudehülle. Rückenwind für die solare Nutzung der Gebäudehülle liefert auch der Gesetzgeber: Die Anforderungen an die Minderung der CO2-Emissionen aus dem Gebäudesektor werden kontinuierlich verschärft und die Verpflichtung zur Installation von Photovoltaikanlagen bei gewerblichen Neubauten soll auch auf Bundesebene wirksam werden. Zu guter Letzt sieht die BIPV bei guter Planung auch optisch gut aus. Vor diesem Hintergrund wird die BIPV von Architekten und Planern künftig verstärkt eingesetzt werden.

Solare Gebäudehüllen lohnen sich

Vertikal eingebaute Module nutzen die im Winter tiefstehende Sonne besonders gut aus. Je nach Ausrichtung liefern sie Spitzenwerte nicht im Sommer – wie die meisten Aufdachanlagen, sondern im Winter. Damit verringern sich Einspeisespitzen im Sommer. Insbesondere in Kombination mit Dachanlagen ist dadurch ein hoher Eigenverbrauchsanteil vor allem bei Nichtwohngebäuden möglich, was die Wirtschaftlichkeit und die Netzdienlichkeit steigert. Auch Schneefall ist für vertikale BIPV keine Ertragsgefahr. Nicht zuletzt ästhetische Gründe sprechen für die bauwerkintegrierte Photovoltaik: Die Module ermöglichen teiltransparente Glasflächen, lichtundurchlässige Flächen in verschiedenen Farben oder zeigen die Struktur der Solarzellen. Von einigen Herstellern werden für kristalline Silizium-Module schon Leistungsgarantien für 30 Jahre ausgestellt.

Die BIPV hat sich inzwischen in vielen Gebäuden in der Praxis bewährt. Erste Industrieprodukte, die die ästhetischen Anforderungen von Architekten erfüllen, sind bereits auf dem Markt, erste gestaltete Module mit besonders hohem Wirkungsgrad stehen kurz vor der Markteinführung. Die BIPV ist zwar teurer als andere Gebäudehüllen; wird jedoch die Gebäudehülle ohnehin saniert oder neu erstellt, reduzieren sich die Mehrkosten deutlich. Eine Amortisation der Mehrkosten innerhalb von rund zehn Jahren ist mittlerweile möglich. Kurzum: Die BIPV spart Material, Energie und Kosten und nutzt Flächen doppelt.

Vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten

Photovoltaikanlagen bestehen aus mehreren Solarmodulen. Diese sind aus einzelnen Solarzellen zusammengesetzt. Die Solarzellen wandeln das Licht der Sonne in elektrische Energie um. Es gibt verschiedene marktverfügbare Zelltechnologien: Monokristalline Siliziumsolarzellen (c-Si) dominieren. Als Glas-Folie- oder Glas-Glas-Module bieten sie gut handhabbare langlebige Elemente. Neben der c-Si-BIPV gibt es noch Dünnschichttechnologien, zum Beispiel mit CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid), oder organischer Photovoltaik. Kristalline Siliziumsolarzellen bieten Vorteile für BIPV-Anwendungen, insbesondere aufgrund ihrer langen Lebensdauer, und weil sie von einem Massenmarkt mit Preisdruck, Verfügbarkeit und schnellen technologischen Fortschritten profitieren.

Es gibt drei grundlegende Gestaltungsoptionen von kristallinen Solarzellen auf Modulebene: Die bewusste Nutzung der Zellen als Grundelemente von Mustern, die Verwendung von farbigen Modulen, um architektonische Akzente zu setzen und die Option, BIPV-Module mit dem Gebäude unsichtbar zu verschmelzen. Alle Optionen stehen für Architekten zur Verfügung, um entweder den Einsatz erneuerbarer Technologien hervorzu- heben oder die Technologie mit dem Gesamtgebäude und der Umgebung zu verschmelzen.

Die Auswahl an BIPV-Elementen ist groß: Ob mit sichtbaren oder unsichtbaren Solarzellen, teiltransparent oder opak, mit Muster oder homogenem (farbigem) Erscheinungsbild. Auf den farbigen Modulen liegt aktuell auch ein Forschungsfokus am Fraunhofer ISE. Die Forschenden haben bereits einsatzfähige BIPV-Prototypen mit variablen Zell- und Modulformaten sowie vielfältigen Designoptionen gebaut.

Individuelle Lösung nötig

Beachtet werden sollte auch: Konventionelle Photovoltaiksysteme – auf Dächern oder Freiflächen montiert – sind in der Regel für eine maximale elektrische Leistung bei minimalen Kosten ausgelegt. Im Gegensatz dazu müssen sich BIPV-Systeme in die Geometrie, das Design und die Struktur eines bestehenden oder speziell entworfenen Gebäudes einfügen. Bei vielen BIPV-Modulen können daher unterschiedliche Modulgrößen für das gegebene architektonische Design erforderlich sein. Auch sind die Module immer wieder Verschattung durch benachbarte Gebäude oder andere Gebäudeteile ausgesetzt, was die elektrische Verschaltung anspruchsvoller macht und den Ertrag mindert.

Aus diesen Gründen gibt es kein universell einsetzbares BIPV-Modul, das alle technischen und ästhetischen Anforderungen erfüllt. Es existieren unterschiedliche Module und verschiedene elektrische Designs der BIPV-Systeme. Hier sollten Krankenhauseigentümer mit Fachleuten aus Architektur und Gebäudeenergieberatung eine individuell auf ihre Immobilie zugeschnittene Lösung finden.

  • Durch die unmittelbare Energieerzeugung am Gebäude ist ein hohes Maß an Eigenverbrauch möglich; das steigert die Wirtschaftlichkeit der solaren Gebäudehülle.
  • Der Eigenverbrauch kann durch eine strombasierte Wärmeversorgung und Elektromobilität weiter erhöht werden. o Bei Neubau und Sanierung: Einsparung von Investitionsund Unterhaltskosten konventioneller Baukomponenten, dadurch potenziell Steigerung der Kosteneffizienz.
  • Steigerung der Flächeneffizienz: Zur Solarstromerzeugung werden keine zusätzlichen Flächen beansprucht.
  • Das Solarelement kann Funktionen von Dach- und Fassadenbauteilen übernehmen und ermöglicht somit eine Einsparung von Ressourcen für die Herstellung konventioneller Baumaterialien: Steigerung der Material- und Energieeffizienz.
  • Die Energierücklaufzeit bei Solaranlagen ist kurz: Solaranlagen erwirtschaften den Energieaufwand, der zu ihrer Herstellung benötigt wird, in wenigen Jahren.

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