BIPV: Gebäudeintegrierte Photovoltaik, die Zukunft der PV

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) ist genau das, was der Name andeutet: Solarstromerzeugungsmodule, die anstelle herkömmlicher Baumaterialien direkt in ein Gebäude integriert werden. BIPV unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von den PV-Anlagen, mit denen die meisten von uns vertraut sind: den auf Dächern oder Racks montierten PV-Anlagen, die nachträglich in Häuser eingebaut werden und Strom für den Eigenbedarf oder zur Einspeisung in das Stromnetz erzeugen. Diese sperrigen, rechteckigen Strukturen, die normalerweise aus mono- oder polykristallinen Zellen bestehen, stellen sich die meisten von uns vor, wenn wir an Solarenergie denken, da es sich dabei um die bei weitem bewährtesten und daher am weitesten verbreiteten und vertrauenswürdigsten Formen der Solarstromerzeugung handelt . In diesem Artikel wird ausführlicher erläutert, was BIPV ist, und die zukünftige Entwicklung der Photovoltaikindustrie hin zu einer zunehmenden Verbreitung von BIPV erörtert.

Konventionelle Solar-PV-Module: Ein bisschen Hintergrund

Wie Mike Tomassi, International Business Development Director von System Photonics, in einem Vortrag auf der Solar in Building Design and Construction (SBDC)-Konferenz am 24. September 2010 in London erklärte, waren die Solarmodule, die wir als „konventionell“ betrachten, nie beabsichtigt als Bauteile verwendet werden. Stattdessen wurden sie auf Effizienz bei der Stromumwandlung und preisliche Wettbewerbsfähigkeit ausgelegt. Glücklicherweise können diese Module aufgrund ihrer Robustheit und Modularität sowie der Geschichte und Erfahrung der Branche bei der Arbeit mit ihnen relativ einfach in älteren Häusern nachgerüstet werden und es besteht große Gewissheit, dass sie ordnungsgemäß funktionieren. Dennoch dürfte es aufgrund ihrer Ästhetik schwierig sein, Befürworter dieser Paneele zu finden. Einer der Hauptkritikpunkte, der normalerweise (zumindest von Architekten) an Solarmodulen geübt wird, ist ihr unansehnliches Aussehen. Zusätzlich zu ihrer optisch unansehnlichen Beschaffenheit sind sie aufgrund mehrerer funktionaler Probleme weniger ideal: Sie lassen sich nur schwer wasserdicht machen, sie sind nicht für eine Selbstreinigung konzipiert und die meisten von ihnen wurden nicht im Hinblick auf zukünftiges Recycling hergestellt . Zukünftige Fortschritte in der Solarenergiebranche werden sich mit diesen Problemen befassen und sicherstellen, dass Module reibungslos in Design und Konstruktion integriert werden können: BIPV.

Was sind dann die Kriterien dafür, dass PV-Zellen anstelle herkömmlicher Solarmodule als BIPV gelten? Mike Tommasi nennt Frankreich als Beispiel für ein Land mit einfachen, intuitiven und dennoch strengen Anforderungen: Um dort auf den großzügigsten Einspeisetarif zugreifen zu können, müssen BIPV-Module die Standards für den Gebäudeteil, als den sie dienen, erfüllen und dessen Funktion perfekt erfüllen soll ersetzen. Wenn ein Modul beispielsweise als Dachziegel konzipiert ist, sollte das Dach bei der Demontage bei Regen undicht sein. Der Zweck eines Dachziegels besteht schließlich darin, den Regen abzuhalten. Es sollte auch alle anderen Anforderungen und Standards erfüllen, denen Dachziegel normalerweise unterliegen: Sie müssen langlebig und windbeständig sein, sie sollten die Ansammlung von Schmutz verhindern und sie sollten „begehbar“ sein, damit die normale Dachwartung durchgeführt werden kann raus, wenn es nötig ist. Wenn alle diese Kriterien nicht erfüllt sind, ist das Modul kein gutes BIPV für das Dach.

Angesichts dieser Anforderungen an funktionale Flexibilität und der Tatsache, dass BIPV in vielen Fällen für Teile eines Gebäudes verwendet wird, die möglicherweise nicht ideal für eine vollständige Sonneneinstrahlung geeignet sind, ist es nicht verwunderlich, dass amorphe/Dünnschicht-PV hier mehr benötigt formbar und weniger anfällig für Ineffizienzen durch Verschattung und Erwärmung, kommt voll zur Geltung. Viele der hier diskutierten Technologien nutzen aus diesem Grund amorphe PV. (Weitere Informationen zu BIPV-Anwendungen amorpher Solarmodule finden Sie in der Master-Dissertation von Miwa Tominaga im Abschnitt „Referenzen“ am Ende dieses Artikels.)

BIPV: Energieeffizienz geht mit Energieerzeugung einher

Erneuerbare Energie macht nur dann Sinn, wenn sie mit Energieeffizienz gepaart ist. Der Überfluss an fossilen Brennstoffen in den letzten rund 200 Jahren hat dazu geführt, dass die Stromerzeugung kostengünstig und in großen Mengen möglich ist, was erhebliches Raum für Verbesserungen in Bezug auf die Art und Weise, wie wir unsere Energie nutzen, lässt. Es wird oft gesagt, dass Energieeffizienz die „niedrig hängende Frucht“ von Taktiken zur Verringerung der weltweiten Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen sei. Es gibt viele Möglichkeiten, die verfügbaren Energieressourcen besser zu nutzen. Eines der großartigsten, aber derzeit wenig genutzten Werkzeugkästen, die Designern und Architekten zur Verfügung stehen, ist das passive Design – Design, das sich auf die Schaffung standort- und klimagerechter Gebäude konzentriert, die die auf der Baustelle leicht verfügbaren Energieressourcen nutzen, wie z. B. den unterschiedlichen Sonneneinstrahlungswinkel und vorherrschenden Winden, wodurch der Bedarf an künstlichem Heiz-/Kühlbedarf und Energie gemindert wird. Passive Designtechniken sind im Allgemeinen relativ einfache Mittel, um diese Ziele zu erreichen. Ein gängiges Beispiel wären Markisen, die präzise geneigt sind, um im Winter Sonnenlicht in ein Gebäude zu lassen, um es zu heizen, es aber auszublenden, wenn es in den heißeren Monaten zu unerwünschter Erwärmung führen würde. Der Bau einer solchen Markise aus PV-Zellen würde zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen! Aus diesem Grund sind passives Solardesign und BIPV bereits Kriterien in den Bewertungssystemen LEED (Leadership Energy and Environmental Design) und BREEAM Green Building.

Elemente des passiven Solardesigns. (Quelle: Energysavers.gov)

Dieses über den Tellerrand hinausgehende, aber überaus vernünftige Denken über Solarenergie wird der Photovoltaik auf ihrem Weg zur Netzparität helfen. Wie die meisten Redner der SBDC-Konferenz betonten, werden Solarstrommodule, die mehrere Funktionen erfüllen oder andere Materialien in einer Struktur ersetzen, Baukosten einsparen, selbst wenn die Kosten für die Verwendung von PV-fähigen Ersatzmodulen höher sind als die konventionelle Materialien. Der Solarseeds-Blog bezieht sich auf einen Kommentar von Dr. Douglas Dudis, einem Forscher des US Air Force Research Laboratory, Materials and Manufacturing Directorate, der auf der Solarkonferenz 2007 der ASES (American Solar Energy Society) feststellte, dass dies zusammen mit Problemen bei der Materialverfügbarkeit und einem hohen Arbeitsaufwand der Fall sei Angesichts der hohen Anforderungen an die Herstellung von PV-Technologie war die mangelnde Gebäudeintegration ein wesentlicher Faktor dafür, dass PV im Vergleich zu herkömmlichen Energiequellen relativ unbezahlbar ist. Die nächste Frage lautet also: Auf welche Weise kann Integration erfolgen?

Formen von BIPV

Dachziegel und Schindeln

Herkömmliche Solarmodule werden häufig mit zusätzlichem Aufwand auf Dächern von Häusern und anderen Gebäuden nachgerüstet: Sie erfordern spezielle Montagehalterungen und Fachwissen. Einer der einfachsten Ausgangspunkte für eine umfassende Implementierung von BIPV sind Keramik- oder Tondachziegel, die starr sind, und Asphaltschindeln, die flexibel sind. 3-S Photovoltaics, ein deutsches Unternehmen, dessen Geschäftsführer Christian Renken auf der SBDC-Konferenz einen Vortrag hielt, hat eine Reihe ziegelartiger Module entwickelt, die rahmenlos und normalgroß sind, von jedem Dachdecker installiert werden können und mit denen man sie durchsetzen kann Ziegel gleicher Größe, aber unterschiedlicher Funktionalität, wie z. B. thermische Kollektoren und Oberlichter, sowie Standarddachziegel. In ähnlicher Weise hat Uni-Solar einen Power Shingle(TM) hergestellt, der nahtlos in Schindeldächer integriert werden kann und auf die gleiche Weise befestigt wird wie herkömmliche Schindeln – mit Nägeln.

3-S Photovoltaik-Dachschieferrahmen

3S Photovoltaik-Dachschiefer auf einem Haus

Uni-Solar PowerShingles(TM)

Dies sind nur zwei Beispiele dafür, was derzeit auf dem europäischen und amerikanischen Markt für dachintegrierte Solarstromerzeugung verfügbar ist. Ähnliche Module anderer Hersteller sind ebenfalls in Produktion gegangen. Eine kurze Google-Suche nach „BIPV-Solarfliesen“ oder „BIPV-Solarschindeln“ gibt Ihnen einen Eindruck davon, was verfügbar ist. Ein ähnliches Produkt wie PV-Schindeln und -Fliesen auf dem Markt sind PV-Laminate – Dünnschicht-PV, die auf der Oberfläche von Gebäudeteilen, einschließlich Dächern, angebracht werden können. Aufgrund seiner oberflächlichen Natur kann es jedoch von der im vorherigen Abschnitt dargelegten Definition von BIPV ausgeschlossen sein – es wird normalerweise nachträglich hinzugefügt. Laminate sind jedoch äußerst vielseitig und daher ideal für die Nachrüstung geeignet.

Solarfassaden, Vorhänge, Markisen und Fenster

Eine andere Möglichkeit, Photovoltaik in ein Gebäude zu integrieren, besteht in den Wänden des Gebäudes selbst oder manchmal noch effektiver in einer Mehrzweck-„Haut“ oder einem Vorhang, der den „Kern“ des Gebäudes im Inneren umgibt. Wie bei allen BIPVs erfüllen die Solarzellen auch hier einen doppelten Zweck. Wie Ray Noble in seiner Präsentation für die SBDC-Konferenz betonte: Wenn die PV-Module im Vergleich zu herkömmlichen Baumaterialien preislich konkurrenzfähig sind und intelligent in das Gebäudedesign integriert sind, müssen die Zellen keine optimale Ausrichtung haben – keine Richtung außer der In polwärts gerichteter Richtung (Norden oder Süden, abhängig von Ihrer Hemisphäre) wird Strom mit bis zu 90 % des Nennwirkungsgrads erzeugt. Mit anderen Worten: Module müssen nicht auf dem Dach platziert werden.

Es gibt mehrere Optionen, um zu bestimmen, was mit Ihrer PV in anderen Gebäudeteilen als dem Dach geschehen soll. Diese werden im Folgenden grob erläutert. Wie ihre Installation umgesetzt wird, hängt von der Sensibilität des Designers ab.

-In die Wände integrieren. Perfekt senkrechte Wände erhalten natürlich nicht die gleiche Sonnenstrahlung wie geneigte oder horizontale Dächer, aber sie empfangen etwas, insbesondere wenn das Gebäude in höheren Breiten liegt, wo die Wintersonne in niedrigen Winkeln einfällt. Es sind „perforierte“ Module erhältlich, die einen Teil des Lichts für die Stromerzeugung in den Zellen einfangen und gleichzeitig einen Teil des Lichts in das Gebäude eindringen lassen.

-Integrieren Sie die Module in die umgebende „Haut“ eines Gebäudes. Einige Gebäude verfügen sowohl aus ästhetischen Gründen als auch aus Gründen der Klimatisierung über eine solche Außenhaut. Wenn sich die Paneele, ähnlich wie Fenster, öffnen und schließen ließen, könnten sie eine direkte Rolle bei der Klimatisierung des Gebäudes spielen und gleichzeitig genügend Platz zum Kühlen bieten und somit effizient funktionieren

Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie: PV-Verglasung an der Fassade

-Solarmarkisen haben, wie bereits erwähnt, den Vorteil, dass sie die unerwünschten direkten Sonnenstrahlen von Ihren Augen fernhalten und sie gleichzeitig absorbieren, um Strom zu erzeugen. Je nach Jahreszeit könnte der Winkel der Markisen möglicherweise angepasst werden, um die Sonnenstrahlen optimal einzufangen bzw. zu blockieren.

3S Photovoltaik-Sonnenschutz: ein Beispiel für PV für Strom und passive Solarenergie

PV-Markisen könnten über Fenstern angebracht werden, um für Beschattung und Strom zu sorgen

-Solarfenster (PV-Verglasung) und Oberlichter dienen demselben Zweck wie ihre gewöhnlichen Gegenstücke: Sie lassen Licht herein, reduzieren die Blendung (wenn sie getönt sind) und dienen als Isolierung oder Mittel zur Belüftung eines Gebäudes.

PV-Verglasung am Dachfenster eines deutschen Gebäudes

Einige der faszinierendsten und innovativsten Techniken für passive Solarenergie werden derzeit für die oben genannten Gebäudeteile ohne Dach entwickelt. Simone Giostra, Gründungspartnerin von Simone Giostra & Partners und eine der anderen Rednerinnen auf der SBDC-Konferenz, bezeichnete einige der derzeit in der Entwicklung befindlichen Technologien als Science-Fiction: Präzision von beispiellosem Niveau, um PV-Zellen in die Fassaden von Gebäuden zu integrieren , indem man die Zelldichte dort erhöht, wo das Sonnenlicht voraussichtlich am intensivsten einfällt, und sie dort verringert, wo das Sonnenlicht voraussichtlich spärlicher ist. Dies würde die optimale Nutzung der Sonnenenergie sowohl für die Stromerzeugung als auch für Beleuchtungs-/Klimazwecke ermöglichen. Ob es praktisch oder kosteneffektiv ist, etwas so Kompliziertes zu tun, ist derzeit fraglich, aber dass die Technologie entwickelt wird, ist lobenswert.

BIPV vs. konventionelle PV auf den Punkt gebracht

Vorausgesetzt, dass die Kosten für die neueren BIPV-Technologien weiter sinken und das in Betracht gezogene Gebäude noch nicht gebaut wurde oder einer größeren Renovierung unterzogen werden muss, wird BIPV höchstwahrscheinlich die erste und naheliegendste Wahl für den Planer/Architekten sein. Herkömmliche PV-Module setzen sich durch, wenn das Gebäude älter ist und die Installation eine Nachrüstung ist und der Preis eine Rolle spielt. Allerdings ist die BIPV-Technologie, die sich auf dem Nachrüstmarkt am ehesten durchsetzen wird, die BIPV-Dächer – insbesondere bei Häusern, die ohnehin einen Dachaustausch benötigen.

Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von BIPV und konventioneller Solar-PV.

Konventionelle „Panel“-PV:

+Relativ verbreitet auf der ganzen Welt, auch in Australien, und daher reichlich Infrastruktur

+Langlebig und bewährt – funktioniert bei mehr oder weniger Nennkapazität bis zu 25 oder 30 Jahre lang

+Industriestandards wurden entwickelt und sind erfahrenen Installateuren wohlbekannt

+Die Effizienz der Module ist stetig gestiegen, während der Preis gesunken ist

+Kann problemlos auf dem Dach eines Gebäudes installiert werden, das keiner baulichen Sanierung bedarf

-Groß, rechteckig, optisch unattraktiv (für manche Leute! Ich nehme an, das ist Geschmackssache…)

-Bringt neben der Stromproduktion keinen Mehrwert für die Funktionalität eines Hauses hervor

-Die Platzierungsmöglichkeiten sind begrenzt – im Allgemeinen entweder auf einem Dach oder möglicherweise auf dem Boden montiert

BIPV:

+Wert hinzugefügt! Ein gut konzipiertes BIPV erzeugt Strom und verbessert gleichzeitig die Klimaleistung Ihres Hauses/Gebäudes

+Kann fast alle externen Baumaterialien ersetzen und dadurch die langfristigen Gesamtkosten eines Gebäudes durch Betriebskosteneinsparungen und reduzierte graue Energie senken

+Ästhetisch ansprechend – lässt sich nahtlos in die Gebäudehülle integrieren und verleiht einem Gebäude ein elegantes, modernes Aussehen (z. B. einige der Bilder, die diesem Blogeintrag beiliegen!)

-Kleinerer Markt, viele Technologien befinden sich noch in der Entwicklung und sind im Einzelhandel preislich nicht wettbewerbsfähig mit herkömmlichen Panels

-Infrastruktur, Standards nicht vorhanden, Fachwissen muss aufgebaut werden (unter anderem in Australien außerhalb der EU)

-Wenn einige Formen amorpher PV in Gebäuden verwendet werden, kann die Produktivität der PV bereits nach 10 Jahren sinken – amorphe PV hat im Allgemeinen eine kürzere Lebensdauer als kristalline PV

Der Standard für Solarenergie in der EU, die Zukunft der Solarenergie für die Welt?

Wie in diesem Artikel erläutert, wird die Bedeutung von BIPV in der Architektur in Zukunft weiter zunehmen. Laut zwei Artikeln von Solarserver.com und Renewableenergyworld.com ist die Zukunft des BIPV-Marktes rosig. Die Beratungsgruppe Frost und Sullivan prognostiziert, dass sie bis 2016 um 108 % wachsen und einen Wert von 2,7 Milliarden Dollar erreichen wird. Das Wachstum ist zu einem großen Teil auf die großzügigen und strategischen finanziellen Anreizmechanismen zurückzuführen, die in der EU für erneuerbare Energien gelten, einschließlich Einspeisetarifen und Steueranreizen. Wie bei konventioneller Photovoltaik besteht das ultimative Ziel dieser Anreize darin, das Wachstum der Branche zu beschleunigen und letztendlich die Preise für durch Photovoltaik erzeugten Strom denen anzunähern, die aus traditionellen Quellen wie Kohle erzeugt werden, jedoch ohne die negativen Nebenwirkungen. Sobald der heilige Gral der Netzparität erreicht ist, wird BIPV wahrscheinlich als Standardpraxis bei Neubauten und größeren Renovierungen gelten.

Nachtrag: In einem anderen Branchenanalysebericht, der in einem Artikel auf Enhanced Online News besprochen wird, hat das Marktforschungsberatungsunternehmen Pike Research prognostiziert, dass der weltweite BIPV-Markt bis 2016 auf 4 Milliarden US-Dollar anwachsen wird, wobei der Preis pro Watt auf nur 2,50 US-Dollar sinken wird.

Geschrieben von James Martin

Solar Choice-Analyst

Quellen und Links:

3-S Photovoltaik-Homepage

ASES-Homepage

Australische Regierung: Your Home Technical Manual (BIPV)

Energysavers.gov: „Fünf Elemente des passiven Solarhausdesigns“

PV Resources.com: BIPV

Fotos von PV-Verglasungen (Solarfenstern) von ECW.org

Solar in der Gebäudeplanung und -konstruktion (Basierend auf Notizen der Konferenz „Solar in der Gebäudeplanung und -konstruktion“ vom 24. September 2010)

Solarseeds.blogspot.com: Gebäudeintegrierte Photovoltaik

Solarserver.com: „Frost und Sullivan gehen davon aus, dass der europäische BIPV-Markt im Jahr 2016 2,70 Milliarden Euro erreichen wird“

Renewableenergyworld.com: BIPV-Markt in Europa zeigt Wachstum

Todaysfacilitiesmanager.com: „Der Stand der Solarphotovoltaik“. (Oberes Bild auch von dieser Seite)

Miwa Tominaga: „Möglichkeiten für Dünnschicht-Photovoltaik in gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV) mit Schwerpunkt auf Australien“ (pdf), Dissertation für den Master of Science in Renewable Energy School of Energy and Engineering, Murdoch University, 2009.

Treehugger.com, „Neues Solar-Photovoltaik-Fenstersystem von RSi Solar angekündigt“

Uni-Solar-Homepage (Power Shingle(TM)-Fotos von dieser Website)

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