Gebäudeintegrierte Photovoltaik

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Integrierte Photovoltaik: Eine Chance für die Energiewende

Eines ist sicher: Ohne „Integrierte Photovoltaik“ schaffen wir die Energiewende nicht. Um die erforderliche Leistung zu erreichen, muss die derzeit installierte nämlich um das 6- bis 8-fache erhöht werden. Das klingt nach einem großen Schritt. Ist es auch, doch kluge Konzepte weisen den Weg. Integrierte PV ist zum Zauberwort für die Energiewende geworden. Wir erklären, was darunter zu verstehen ist – und zeigen privaten Bauherren eine Reihe von Möglichkeiten auf.

Gebäude mit Solarelementen © hansenn, stock.adobe.com
Gebäude mit Solarelementen © hansenn, stock.adobe.com

Was ist „Integrierte Photovoltaik“?

„Integriert“ ist Photovoltaik, wenn sie sich in eine Hülle oder eine Anlage einfügt. Oft bildet sie dann Synergien oder ist schlichtweg von außen (fast) nicht mehr sichtbar. Herkömmliche Photovoltaik wird einer bestehenden Fläche hinzugefügt. Integrierte Photovoltaik, kurz IPV, dagegen kann auf den Einsatz anderer Materialien verzichten. Dadurch werden Ressourcen und Energie eingespart und der CO2-Ausstoß und die Herstellungskosten verringert. Und: Gerade bei Gebäuden ist die Reduzierung des Gewichts einer PV-Anlage manchmal der alles entscheidende Aspekt.

Das Spektrum erstreckt sich nach dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, kurz ISE, auf sechs Anwendungsfelder. Die dort angegebenen Schätzwerte zu technischen Potenzialen haben wir in Prozentangaben des Gesamtwerts (3.200 Gigawattpeak) umgerechnet (Quelle: Flyer „Integrierte Photovoltaik. Flächen für die Energiewende“, 02/22):

Integrierte Photovoltaik: 6 Anwendungsfelder versprechen Erfolg
Integrierte Photovoltaik: 6 Anwendungsfelder versprechen Erfolg
  • Agri-Photovoltaik (APV): Das auch Agrophotovoltaik genannte Verfahren bietet mit ca. 53 % das größte Potenzial. Statt ertragsärmere Flächen rein für die Aufständerung von PV-Anlagen zu belegen, werden landwirtschaftliche Flächen einfach doppelt genutzt: für die Lebensmittel- UND die Stromproduktion. Was im Ackerbau begann, hält mittlerweile sogar im Obstbau Einzug. Agri-PV hat sich in fast allen Regionen der Welt verbreitet. 2020 war die weltweit installierte Leistung bereits auf 14 GWp angewachsen. Tendenz: weiter steigend.
  • Agrophotovoltaik vereint Ackerbau und Photovoltaik
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  • Bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV): An zweiter Stelle rangiert mit gut 31 % die architektonische Integration von PV- Modulen in Dächer, Fassaden und weitere Gebäudeteile. Sie produzieren nicht einfach nur Strom, sondern übernehmen zusätzliche Funktionen wie Wind- und Wetterschutz sowie Wärmedämmung. Auf dieses Anwendungsfeld gehen wir weiter unten noch näher ein.
  • Bauelemente übernehmen Stromerzeugung: Gebäudeintegrierte Photovoltaik
    Bauelemente übernehmen Stromerzeugung: Gebäudeintegrierte Photovoltaik
  • Verkehrswege-Photovoltaik (RIPV): Platz 3 belegt die PV-Integration in Straßen- und Schienen-Verkehrsflächen sowie Lärmschutzwänden (ca. 10 % Potenzial). Dazu gehören auch Fußwege, Plätze, Radwege und Seitenstreifen. Natürlich sind hier die Anforderungen an die Modulflächen besonders hoch. Sie müssen mechanisch belastbar, rutschfest und lärmschluckend sein. Weiterer Kostenfaktor ist der erhöhte Aufwand für die Reinigung und Wartung.
  • Urbane Photovoltaik (UPV): In der Stadt der Zukunft könnten große PV-Installationen bereits versiegelte Flächen angenehmer gestalten. Parkplätze, Haltestellen, Tankstellen, Ladestationen für E-Autos etc. würden nachts beleuchtet und tagsüber beschattet. Bei ansprechend gestalteten Systemen entstünden attraktive Plätze und Straßenlandschaften. Das Potenzial beläuft sich laut Fraunhofer-ISE auf ca. 2 %.
  • Urbane Photovoltaik: Sinnvolle Nutzung bereits versiegelter Flächen
    Urbane Photovoltaik: Sinnvolle Nutzung bereits versiegelter Flächen
  • Fahrzeugintegrierte Photovoltaik (VIPV): Ein spannendes Thema, das mit ebenfalls ca. 2 % Potenzial bewertet wird, ist die Einbindung von PV-Modulen in E-Fahrzeuge. Sie ersetzen zugleich Bauteile wie das Dach oder die Motorhaube, erhöhen die Reichweite und verbessern die CO2-Bilanz. Einsatzorte sind neben Pkw und Lkw auch Wohnwagen und Wohnmobile, Lastenfahrräder, Straßenbahnen, Busse und Züge sowie Schiffe, Flugzeuge und Drohnen.
  • Schwimmende Photovoltaik (FPV): Bei Floating Photovoltaics werden die Module auf Gewässerflächen an Schwimmkörpern angebracht und am Ufer oder dem Gewässergrund verankert. Positiver Effekt: Das kühlende Wasser sorgt für höhere Erträge als die konventionellen Freiflächenanlagen. In Deutschland kämen geflutete Tagebauflächen sowie manche Kies- und Stauseen in Betracht. Künstliche Seen eröffnen eine Fläche für eine Nennleistung von 44 GWp, also etwa 1,5 % des Gesamtpotenzials.
  • TIPP

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    Warum integrierte Photovoltaik?

    Warum dieser Aufwand, fragt sich vielleicht der oder die eine oder andere. Das kostet doch eine Stange Geld. Richtig. Bei näherer Betrachtung lohnt sich die Investition dennoch. Das Fraunhofer ISE listet vier Chancen auf:

    1. Bei Integration beansprucht die PV-Technologie keine neuen Flächen, sondern spart sogar oft die Kosten für die Bereitstellung der Flächen ein. Damit werden Flächennutzungskonflikte vermieden.
    2. Ein großes Problem für die heimische Modulherstellung ist die konkurrenzlos billige Massenware aus Fernost. Integrierte Fotovoltaik dagegen erfordert individuelle Lösungen, was sich positiv auf die lokale Produktion auswirkt.
    3. Statt auf eine fertige Konstruktion erfolgt die Montage direkt auf die Unterkonstruktion. Dies reduziert den Materialverbrauch von vorneherein. Bei Bauwerken und Fahrzeugen wirken viele Modulabdeckungen wie eine Schutzhülle, bei städtebaulichen Projekten als Schattenspender oder Lärmbarriere.
    4. Ein System, das seine Energie direkt an der Verbrauchsstelle erzeugt, kann zumindest teilweise auf Strom aus dem öffentlichen Netz verzichten. Bei immer noch weiter steigendem Energiehunger durch E-Fahrzeuge, Klimageräte & Co. kann integrierte PV die Gefahr der Netzüberlastung reduzieren .
Gebäudefassade mit Solarmodulen © barbara buderath, stock.adobe.com
Gebäudefassade mit Solarmodulen © barbara buderath, stock.adobe.com

Warum gebäudeintegrierte Photovoltaik?

Zunächst einige Worte zur Begriffsklärung: BIPV und GIPV sind ein und dasselbe. Beide Begriffe stammen vom englischen Buildung Integrated Photovoltaics und werden mal mit „Bauwerkintegrierte Photovoltaik“ (BIPV), mal mit „Gebäudeintegrierte Photovoltaik“ (GIPV) übersetzt. Wir benutzen die beiden Begriffe parallel.

Hinweis: Nach dem geltenden Gebäudeenergiegesetz muss jedes neu errichtete Gebäude als Niedrigstenergiegebäude errichtet werden. D.h. der Gesamtenergiebedarf für Heizung, Warmwasserbereitung, Lüftung und Kühlung darf einen festgelegten Höchstwert nicht überschreiten, die Energieverluste beim Heizen und Kühlen müssen durch baulichen Wärmeschutz vermieden und der Wärme- und Kälteenergiebedarf zumindest anteilig durch die Nutzung erneuerbarer Energien gedeckt werden. (§ 10 GEG 2020)

Kennzeichen gebäudeintegrierter PV sind Bauelemente, die die Stromerzeugung durch weitere Funktionen ergänzen. Darunter fallen der Wind- und Wetterschutz, die Wärmedämmung und architektonische Gestaltung. Durch ihre Multifunktionalität leistet die BIPV einen wichtigen Beitrag zur CO2-Reduktion bei Gebäuden. Bauherren erhalten eine zusätzliche Chance, die strenger werdenden Richtlinien für ein Plusenergie- oder Nullenergiehaus zu erfüllen. Mögliche Montageorte sind neben Dach und Fassade auch Terrassen, Balkone, Zäune sowie Trenn- und Sichtschutzwände.

Fassadenmontage der PV-Anlage
Fassadenmontage der PV-Anlage

Soll die PV-Anlage zusätzlich eine gestalterische Rolle einnehmen, bieten sich vertikale Flächen an. Fassadenintegrierte PV-Module lassen sich transparent und nichttransparent gestalten. Möglich sind einerseits von einer kühlen Glasfassade nicht unterscheidbare Lösungen, andererseits ein- oder mehrfarbige, gemusterte, satinierte, strukturierte Oberflächen, ja sogar bildliche Darstellungen und die Optik von Naturmaterialien. Die genannte Schutzfunktion erfüllt jede Warm- und Kaltfassade, auf die Dämmwirkung muss bei letzterer allerdings verzichtet werden.

Die Vision ist, dass irgendwann ganze Stadtteile mit ästhetisch ansprechenden Kleinkraftwerken ausgestattet sind. Was immer die Stadtoberen beschließen werden, einen Beitrag zur Energiewende leistet die bauwerkintegrierte Photovoltaik allemal.

Hinweis: GIPV ist ein Bereich, in dem ständig geforscht wird. Noch beherrschen Siliziumsolarzellen den Markt. Dünnschichtmodule lassen sich bereits auf gekrümmten Oberflächen anbringen. Die Zukunft könnte jedoch folienbasierten organischen Solarmodulen ohne Silizium und bedenkliche Bestandteile gehören. Sie benötigen einen geringen Materialeinsatz und sind weitaus umweltfreundlicher. Und: Mit den gedruckten OPV-Modulen können sich auch Fassaden älterer Gebäude, die sich bislang kaum für die Integration von PV-Modulen eignen, zur Stromgewinnung nutzen lassen.

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