Solarfassade, Solarbalkon, Solarzaun

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Bauwerkintegrierte Photovoltaik als Alternative und Ergänzung

Wer kein PV-geeignetes Dach hat, muss noch lange nicht auf diese umweltfreundliche Art der Stromerzeugung verzichten. Immer öfter werden auch Fassaden, Balkone und Trennwände mit einer Solaranlage ausgestattet. Moderne Lösungen tragen dazu bei, die vertikal montierten Anlagen beinahe so wirtschaftlich zu betreiben wie ihre auf dem Dach installierten Schwestern. Da beide Anlagearten ihre Vorteile haben, ist es vielleicht die cleverste Idee, sie miteinander zu kombinieren. Wir stellen die erprobten Konzepte und die Neuheiten aus dem Bereich „Bauwerkintegrierte Photovoltaik“ vor.

Haus mit Solarfassade © Dmitro, stock.adobe.com
Haus mit Solarfassade © Dmitro, stock.adobe.com

Was ist „Bauwerkintegrierte Photovoltaik“ BIPV?

Für neue Gebäude fordert eine im Jahr 2010 verabschiedete EU-Gebäuderichtlinie seit 2021 eine weitgehend ausgeglichene Energiebilanz. Die sogenannten Nearly Zero Energy Buildings, abgekürzt nZEB, deutsch Niedrigstenergiegebäude, müssen gut gedämmt sein, um den Energieverlust durch Heizen oder Kühlen weitestgehend auszuschalten. Altbauten sind ebenfalls umzurüsten, wenn ohnehin größere Renovierungsarbeiten anstehen. Ziel ist es, die Energieeffizienz europaweit zu verbessern. In Deutschland darf ein Niedrigstenergiegebäude einen jährlichen Primärenergiebedarf von 40 kWh/m² nicht überschreiten.

Hier kommt das Zauberwort Gebäudeintegrierte Photovoltaik ins Spiel. Die bauwerkintegrierte Photovoltaik erhöht nicht nur die Energiebilanz des Gebäudes durch die Erzeugung von Strom, sondern bildet zudem eine regelrechte Schutzhaut. Der Nutzen reicht von der geforderten Wärmedämmung über Wind-, Wetter- und Sonnenschutz bis zu Schalldämmung, Brand- und Einbruchschutz.

Bauelemente übernehmen Stromerzeugung: Gebäudeintegrierte Photovoltaik
Bauelemente übernehmen Stromerzeugung: Gebäudeintegrierte Photovoltaik

Darüber hinaus übernimmt gebäudeintegrierte PV auch eine gestalterische Funktion: Hier reicht das Spektrum von unterschiedlichen Technologien bis zu vielfältigen Materialien, Farben und Designs.

Bevor die Entscheidung für eine Variante fällt, muss jedoch geprüft werden, ob die Fassade überhaupt PV-tauglich ist.

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Eignungsprüfung und Vorteile der Vertikalmontage

Ausrichtung und Neigung der Photovoltaikanlage haben Einfluss auf den Ertrag
Ausrichtung und Neigung der Photovoltaikanlage haben Einfluss auf den Ertrag

Trifft die Sonnenstrahlung auf vertikal installierte Solarzellen, ist der Einfallswinkel kleiner als bei geneigt montierten Modulen. Dies wirkt sich ungünstig auf den Ertrag aus – mit bis zu 30 Prozent Einbußen gegenüber einer optimal ausgerichteten Dachanlage. Damit eine Fassadenanlage wirtschaftlich betrieben werden kann, ist der Standort umso entscheidender. Das größte Augenmerk sollte auf der Ausrichtung und der Verschattung liegen: Ideal ist ein Azimut von 0 Grad, d.h. eine strikt nach Süden ausgerichtete Fassade. Zumindest sollte die Wandfläche so wenig wie möglich von einer Südausrichtung abweichen. Auf höher gelegene Bauteile wie Dächer fällt generell weniger Schatten als auf darunter befindliche Oberflächen. Dies gilt insbesondere im Winter, wenn die Sonne tiefer steht. Achten Sie auf „Störenfriede“ in der Umgebung! Um Ertragseinbußen vorzubeugen, sollten Sie Verschattungen unbedingt vermeiden.

Hinweis: Eine Faustregel nennt den Faktor 10. Das heißt: Für 1 kW Spitzenleistung ist eine Wandfläche von 10 m² notwendig.

Auf der anderen Seite stehen die Vorteile der vertikalen Montage: Durch den tieferen Sonnenstand liegt der Solarertrag im Winterhalbjahr oftmals höher als bei einer Dachanlage. Senkrechte Flächen sind zudem leichter zu reinigen, da sich bedeutend weniger Schmutz und Schnee darauf ablagern. Nicht zuletzt drückt kein Gewicht von oben auf das Gebäude – was gerade bei Zweifeln an der Tragfähigkeit des Daches ein entscheidender Faktor sein kann.

Die vertikale PV-Anlage im Winter
Die vertikale PV-Anlage im Winter
Tipp: In unserem Beitrag Photovoltaik an der Fassade montieren finden Sie weiteres Hintergrundwissen zum Thema vertikale Installation.

Hat die Prüfung eine Eignung der Fassade ergeben, ist die zweite Frage zu klären:

Kaltfassade oder Warmfassade?

Photovoltaikanlage an einer Hausfassade © Daniel Schön, stock.adobe.com
Photovoltaikanlage an einer Hausfassade © Daniel Schön, stock.adobe.com
  • Die vorgehängte hinterlüftete Fassade („Kaltfassade“) ist luftdurchlässig und schützt das Gebäude vor Witterungseinflüssen (Wind und Nässe). Die Wärmedämmung muss die dahinterliegende Wand übernehmen. Durch den Hohlraum zwischen den Schalen ist die Hinterlüftung für die Fotovoltaik-Module gewährleistet. Ohne sie erzielen poly- und monokristalline Module keine zufriedenstellenden Erträge und können sogar Schaden nehmen. Bei Dünnschichtmodulen hingegen wäre der Verzicht auf eine Dämmschicht energetisch sinnlos und damit unrentabel. Da sie praktisch eine zweite Fassade bilden, dürften Kaltfassaden eigentlich nicht zur BIPV zählen. Sie werden im Allgemeinen jedoch darunter geführt.
  • Die Vorhangfassade („Warmfassade“) ist luftdicht und schirmt das dahinterliegende Gebäude zusätzlich vor Kälte und Hitze ab. Mit einer Dämmschicht aus Mineralwolle, Holzwolle oder Zellulose wird neben der Wärmedämmung auch eine erhebliche Schalldämmung erzielt. Da sie keine Hinterlüftung benötigen, kommen als PV-Module alle Typen mit Dünnschichtzellen in Betracht.
Warm- und Kaltfassade im Aufbau
Warm- und Kaltfassade im Aufbau

Modultypen: Für und Wider

Ausschlaggebend für die Fassadenwahl sind einerseits die baulichen Gegebenheiten, andererseits auch die Vorteile der jeweiligen Modultypen:

Polykristalline Module sind sehr preiswert, haben einen recht guten Wirkungsgrad und eine sehr lange Lebensdauer. Sie sind typisch für die herkömmlichen Photovoltaik-Dachanlagen, können aber auch an der Hauswand montiert werden.

Monokristalline Module sind zwar teurer, haben dafür mit bis zu 22 % aber auch den besten Wirkungsgrad. Im Unterschied zum polykristallinen Typ können monokristalline Siliziumwafer eingefärbt werden.

Dünnschicht-Module gibt es in mehreren Varianten: Allen gemeinsam ist der niedrigere Wirkungsgrad, den sie mit einer Reihe von Pluspunkten wettzumachen versuchen:

  • Schwachlichtverhalten deutlich besser: Das positive Verhalten bei schwachem oder diffusem Licht gleicht die geringere Effizienz von Dünnschichtmodulen aus.
  • Dünnschicht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid: geeignet auch bei diffusem Licht
    Dünnschicht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid: geeignet auch bei diffusem Licht
  • Hinterlüftung nicht notwendig: Dünnschichtmodule erwärmen sich nicht bei Sonneneinstrahlung. Es entsteht kein Hitzestau, der die Leistung der Anlage beeinträchtigt.
  • Dämmung möglich: Da kein Hohlraum für die Hinterlüftung nötig ist, können Dünnschichtmodul-Fassaden energiesparend gedämmt werden.
  • Herstellung kostengünstig: Dünnschichtzellen sind etwa 100-mal dünner als ihre kristallinen Konkurrenten. Das spart Material und Energie bei der Herstellung ein, schont damit Ressourcen und die Umwelt.
  • Dünnschichtzellen haben ein deutlich geringeres Eigengewicht
    Dünnschichtzellen haben ein deutlich geringeres Eigengewicht
  • Trägermaterial formbar: Ob die Wandfläche eben, gerundet oder geschwungen sein soll, spielt keine Rolle. Zumindest flexible Dünnschichtmodule sind biegbar und bieten den Architekten damit ein Optimum an Ges
  • Gestaltungsmöglichkeiten vielfältig: Firmen nutzen die Wandflächen gerne für ihre Werbung. Bei privaten Immobilien bieten sich farbige Kontraste ebenfalls zur Gestaltung der Fassade an. Wenn gewünscht, können sich die Dünnschichtmodule auch nahezu unsichtbar machen – indem sie der Fassade aus Putz oder Naturstein optisch angepasst werden.
  • Installation anstatt: Anders als kristalline Module können Dünnschichtmodule direkt auf die wärmegedämmte Hauswand montiert werden. In diesem Fall ersetzen sie die übliche verputzte oder verkleidete Fassade. Die Mehrkosten halten sich in Grenzen: Sie liegen oft unter 20 Prozent.
Dünnschichtmodule: Flexibel für die Fassade
Dünnschichtmodule: Flexibel für die Fassade
Tipp: Hier nennen wir einige Anbieter von Dünnschicht- und Siliziummodulen.

Das klingt gut, hat allerdings einen Nachteil: Die Wandflächen privater Immobilien reichen meist nicht aus, um mit Dünnschichtmodulen einen lohnenswerten Ertrag zu erzielen. Sie sind eher als Ergänzung zur Solaranlage auf dem Hausdach geeignet. Zudem hat sich der Zellwirkungsgrad kristalliner Module in den letzten Jahren spürbarer verbessert als bei der Dünnschichttechnik. Auch dank zunehmend dünner Siliziumscheiben tun sich mittlerweile etliche Alternativen zur Fassade als Montageort auf:

Solargeländer, Solarzaun und Solarsichtschutz

Auf einem Grundstück finden sich neben der Hausfassade oft noch weitere vertikale Flächen. Passen Standort und Ausrichtung, ist es durchaus sinnvoll, Sichtschutzwände, Zäune und  Brüstungen mit Solarmodulen zu belegen. Wer sich für Glas-Glas-Module oder Glas-Folie-Module entscheidet, spart sowohl Baumaterial als auch die Notwendigkeit einer zusätzlichen Hinterlüftung ein.

Schematischer Aufbau von Glas-Glas und Glas-Folie-Modulen
Schematischer Aufbau von Glas-Glas und Glas-Folie-Modulen

Glas-Glas-Module werden mit integrierten Monokristallin- und Dünnschichtzellen angeboten. Die Transparenz reicht von 0 Prozent (blickdicht) bis 50 Prozent (semitransparent) – je nachdem, wie dicht die einzelnen Zellen angeordnet sind. Für Ecken und Nischen gibt es maßgeschneiderte Solarglas-Module, für freistehende, nach Osten und Westen ausgerichtete Wände und Zäune auch „Duplex“- oder „Tandem“-Ausführungen mit PV zu beiden Seiten.

Tipp: Beliebt sind Solarglas-Lösungen auch für lichtdurchlässige Abdeckungen von Terrassen und Carports. Der Verdunklungsgrad ist individuell bestimmbar.
Terrassendach mit Photovoltaik © zorro, stock.adobe.com
Terrassendach mit Photovoltaik © zorro, stock.adobe.com
Solarstrom produzierendes Balkongeländer
Solarstrom produzierendes Balkongeländer

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Schier unendliche Designvarianten

Photovoltaik-Module können natürlich unterschiedlich eingefärbt werden. Dennoch ist das Deckglas immer starr und nur in ebene Flächen integrierbar. Anders sieht es aus, wenn Folie oder Metall in Dünnschichttechnik bedampft wird. Die flexiblen Materialien erlauben eine Anpassung an nahezu jede Fassadengestaltung: Turmartige Anbauten, halbrunde Erker, Waben, auch Gesimse, Lisenen und Lamellen sind kein Problem. Werden farbige Folien verwendet, schimmert die Tönung durch. Auf größeren Flächen eignet sich PV sogar für eine atemberaubende Werbung.

Dünnschichtmodule bieten den größten Gestaltungsspielraum. Die Doppelglas-Module ziehen jedoch nach: So bringen beispielsweise Modelle mit integrierter LED-Beleuchtung die Fassade des Nachts zum Leuchten. Farbwünschen sind auch hier kaum Grenzen gesetzt.

Organische Photovoltaik (OPV): Bald serienreif?

Laut Fraunhofer Institut für Solare Energie ISE bietet die organische Photovoltaik ein einzigartiges Potenzial für die Erzeugung umweltfreundlicher Energie. Durch den geringen Materialverbrauch, den einfachen Herstellungsprozess und die Vermeidung kritischer Bestandteile wie Blei oder Cadmium sei der ökologische Fußabdruck äußerst klein. Durch die Entwicklung verschiedenster Typen von Solarzellen – bis hin zu spektral selektiven, UV- und infrarotes Licht zur Stromgewinnung nutzenden Solarzellen – könne diese Technologie insbesondere in der integrierten Photovoltaik neuartige Produkte wie schwimmende Photovoltaikfolien, stromerzeugende Markisen, Fensterscheiben und Gewächshäuser ermöglichen.

Ein Pilotprojekt gab es bereits 2017: Im Rahmen einer Sanierung von 1960 errichteten Mehrfamilienhäusern in der Nebeniusstraße in Frankfurt-Riederwald wurde OPV direkt auf das Wärmedämmverbundsystem (WDVS) geklebt – ohne zusätzliche vorgehängte Fassade. Genau wie Dünnschichtzellen kommen organische Solarzellen ohne Silizium aus, sind dünn, leicht und flexibel und punkten durch ihr gutes Schwachlichtverhalten. Im Gegensatz zu den Inhaltsstoffen von Dünnschichtzellen basieren die Materialien jedoch auf einem organischen Element: Kohlenstoff.

Haus mit Photovoltaik Fassade © ABG, Ralf Pelkmann
Haus mit Photovoltaik Fassade aus organischen Solarzellen ohne Silizium © ABG, Ralf Pelkmann

Aus der Entfernung betrachtet, erinnern die gedruckten Module eher an die Barcodes unserer Verpackungen als an Photovoltaikmodule. Dass sich damit auch die Fassaden älterer Häuser zur Stromgewinnung nutzen lassen, könnte OPV irgendwann zum Durchbruch verhelfen. Doch noch ist es nicht so weit. Der aktuelle „Weltrekord“ für den Wirkungsgrad liegt aber immerhin schon bei 15,24 % auf einer Zellfläche von 1 cm² (Laborergebnis. Quelle: Fraunhofer ISE, Stand: Juni 2022).

Fazit

Viele Argumente sprechen für das Modell „Dünnschichtmodul“. Dass sich private Immobilienplaner mehr in Richtung monokristalline Fassadenmodule orientieren, liegt am niedrigen Wirkungsgrad der Dünnen. Er lässt sich nur auf großen Flächen wirklich ausgleichen. An Bürobauten, Kühltürmen und großen, fast fensterlosen Industriehallen mag selbst ein niedriger Wert pro Quadratmeter zu einem guten Ertrag führen – schließlich ist der Input, die Sonnenstrahlung, gratis. Aber je kleiner die zur Verfügung stehende Fläche ist, desto stärker kommt es auf die Effizienz an. Den Herstellern gelingt es mittlerweile, auch Siliziumwafer in hauchdünne Scheiben zu schneiden. Dies erweitert den Gestaltungsspielraum enorm. Bleibt abzuwarten, ob die Forschung irgendwann auch flexible Module mit kristallinem Inneren entwickelt.

Ein Neubau und viel Fläche: Dünnschichtmodule können sinnvoll sein
Ein Neubau und viel Fläche: Dünnschichtmodule können sinnvoll sein

Ein weiterer Grund ist: Die Dünnschicht wird fest mit der darunterliegenden Gebäudehülle verbunden. Weil dies bei einem bestehenden Gebäude zunächst das Abtragen des Außenputzes oder der Wandverkleidung bedeuten würde, rechnet sich die Warmfassade nur bei einem Neubau oder einer grundlegenden Gebäudesanierung. Bei einer Bestandsimmobilie mit intakter Außenhaut ist die vorgehängte hinterlüftete Fassade sicherlich sinnvoller. Bei Neubauten dagegen ist die Verwendung überlegenswert. Nicht zuletzt, weil das Material für die innere Gebäudeschale eingespart werden kann.

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