Bauteil integrierte Photovoltaik

BiPV – ein Leitfaden

Bauteil- oder gebäudeintegrierte Photovoltaik (BiPV) beschreibt das Konzept der Integration von Photovoltaikelementen in die Gebäudehülle als Symbiose aus architektonischer Gestaltung, funktionaler Eigenschaften und wirtschaftlicher regenerativer Energiewandlung. Dabei ersetzen Photovoltaikmodule (PV-Module) klassische Baumaterialien und übernehmen deren Funktion. Diese Idee ist keinesfalls neu, wird aufgrund aufwändiger Planung und architektonischer Herausforderungen jedoch nicht in der Breite angewandt.
Grundsätzlich können alle Bereiche der Gebäudehülle für BiPV-Systeme genutzt werden. Obwohl Dachflächen aufgrund guter Einstrahlungswerte bevorzugt mit PV-Elementen belegt werden, besitzen Fassadenflächen ein enormes Potential. Mit zunehmender Gebäudehöhe nimmt der relative Anteil der Fassadenflächen gegenüber den Dachflächen zu. Da zudem die verfügbare Dachfläche durch Aggregate und Aufbauten verringert wird, bieten sich gerade Ballungszentren für BiPV-Fassaden an.
Die Einbindung erneuerbarer Energien in die Architektur ist ein sehr präsentes Thema. Als Impulsgeber und Berater kommt Architekten und Planern hier die entscheidende Rolle zu, Vorteile und Potentiale der BiPV-Lösungen zu erkennen und zu einer bedarfsgerechten Anwendung zu führen. Dabei sind energetische, gestalterische, konstruktive und ökonomische Ebenen in Einklang zu bringen.

Gestaltungspotentiale
Ein PV-Modul soll eine homogene Erscheinung bieten und sich dem gestalterischen Gesamtkonzept entweder unterordnen oder dieses prägen. Die Erscheinung eines PV-Moduls wird im Wesentlichen durch die verwendete Technologie der PV-Zelle sowie die gestalterischen Möglichkeiten in der Materialwahl bestimmt.

Technologien
Kristallines Silizium
Kristalline Solarzellen bestehen aus meist ca. 15 cm hohen quadratischen Scheiben mit einer metallisch blauen oder schwarzen Oberfläche, die durch silbrige Kontaktgitter zur Stromabnahme unterteilt wird. Durch spezielle Antireflexschichten können auch andere metallische Färbungen erzielt werden. In einem Modul werden mehrere Siliziumzellen zu größeren Strängen verschaltet. Über den Abstand der Zellen zueinander wird dabei die Lichtdurchlässigkeit gesteuert. Da die Größe der Zellen nicht variabel ist, führt eine Veränderung der Modulgröße zu einer veränderten Lichtdurchlässigkeit oder einer suboptimalen Zellbelegung.

Klassische Dünnschicht
Dünnschichtmodule bestehen aus einem wenige µm dünnen Halbleiter, der auf einen Träger aus dünnem, nicht gehärtetem Glas aufgedampft wird. Die entstandenen Beschichtungen werden in dünne linienförmige Einzelzellen unterteilt. Diese sind meist rotbraun bis schwarz und werden durch metallische oder transparente Linien segmentiert.
Die Modulgröße wird durch die Trägerscheibe fest vorgegeben und wird nur selten in kleinere Segmente gebrochen. Sonderformen sind dabei nicht möglich. Durch den selektiven Abtrag einzelner Bereiche können mit dieser Technologie feine und flächige Grade der Durchsicht erreicht werden.

Neuartige Dünnschicht
Ein schmales und praktisch endloses Metallband dient als Trägermaterial und Kontakt für eine µm dünne Solarzelle. Diese Zelle wird in beliebig lange Streifen geschnitten, welche schindelartig mit einem Leitkleber zu einem Strang verschaltet werden. Die Oberfläche ist graphitgrau bis schwarz und benötigt keine sichtbaren Kontaktgitter.
Ein oder mehrere verschieden große Einzelstränge werden miteinander in einem frei definierbaren Modul verschaltet. Dies ermöglicht variable Modulgrößen und Sonderformen. Eine Lichtdurchlässigkeit kann über den Abstand zwischen den Zellsträngen individuell gesteuert werden.

Gestaltung des Modulaufbaus
Solarmodule sind als Laminate aus Glas oder Folien erhältlich. Für Fassadenanlagen und Überkopfverglasungen werden in der Regel jedoch reine Glaslaminate verwendet. Neben der Funktion des Schutzes der Solarzellen, können diese Aufbauten statische, konstruktive und gestalterische Anforderungen umsetzen. Bei der Gestaltung der Module können Parameter wie Modulgrößen und Sonderformen, Glasqualitäten und Stärken, farbige Gestaltungen oder Beschichtungen, diverse Materialkombinationen und mehrschichtige Aufbauten (Isoliergläser), Lichtdurchlässigkeiten oder die Art der Zellbestückung und -Verschaltung berücksichtigt werden.

Planungsleitfaden
Umgebungsvariablen
Die Planung einer BiPV-Anlage muss einen Konsens aus Ertragsoptimierung des Systems und dem architektonischen Umfeld finden. Dabei sind die reinen Leistungsdaten des PV-Moduls, die auf standardisierten Messungen beruhen, nur bedingt hilfreich. Wichtiger ist die Auswahl der für das jeweilige Umfeld optimalen Technologie. Dabei erscheinen gerade bei suboptimalen Umgebungsvariablen die meist weniger effizienten Dünnfilmtechnologien als oftmals bessere Wahl.

Orientierung
Die Einstrahlung auf einer Fläche hängt von der Orientierung und vom Neigungswinkel ab. Je nach Standort empfangen südorientierte Flächen mit einem Winkel von 20° bis 45° die höchste Einstrahlung. In BiPV-Systemen besteht jedoch selten die Möglichkeit einer optimalen Ausrichtung der Module. Dennoch ist es bei suboptimalen Ausrichtungen möglich gute Stromerträge zu realisieren, wenn PV-Module mit sehr gutem Schwach- und Streulichtverhalten verwendet werden. Dünnschicht-Solarmodule weisen diese Eigenschaft auf und bieten höhere relative Erträge als kristalline Systeme. Sie sind in Anwendungen, bei denen der diffuse Lichtanteil erheblich ist, zu empfehlen.

Verschattung
Verschattungen mindern den Ertrag einer PV-Anlage erheblich. Vegetation, Nachbargebäude, Selbstbeschattung durch Bauelemente oder Schmutzablagerungen an überstehenden Teilen des Befestigungssystems sind einige der vielfältigen Ursachen für die Minderung der solaren Erträge. Verschattungen können sich zudem durch Wuchs, Neubauten oder das Nutzerverhalten verändern.
Durch eine sorgfältige Planung können schattenwerfende Elemente minimiert werden, um eine Maximierung der solaren Einstrahlung zu erreichen. Simulierungen der täglichen und jährlichen Wanderung der Schatten helfen dabei, die Position der Solarmodule und die Orientierung und Kubatur des Gebäudes zu optimieren.
Lassen sich Verschattungen nicht vermeiden, können die Auswirkungen über die Modultechnologie, das Moduldesign und die elektrische Verschaltung mehrerer Module reduziert werden.

Temperatur
Eine Erwärmung der PV-Module führt zu einer Reduktion der Leistung. Die Höhe des Leistungsverlustes ist je nach Zelltechnologie unterschiedlich. Bei Siliziumzellen kann dieser mit etwa 0,5 % je Kelvin gegenüber Dünnfilmmodulen teils doppelt so hoch sein. Dieser Effekt muss berücksichtigt werden, da die Leistungsmessung von Solarmodulen bei 25° C erfolgt, bei Fassaden mit fehlender Hinterlüftung aber Temperaturen bis ca. 55° C zu erwarten sind. Aus Ertragsaspekten sind somit größere Hinterlüftungsabmessungen sinnvoll, um die Modultemperatur möglichst gering zu halten.

Multifunktionalität und Modulaufbau
Aufgrund des mechanischen Aufbaus können PV-Module neben der lautlosen und emissionsfreien Energiewandlung auch Funktionen der Gebäudehülle übernehmen und andere Baumaterialien ersetzen. Der Umfang dieser Funktionalität wird durch den Modulaufbau gesteuert, der somit gestalterische, technische und wirtschaftliche Aspekte bestimmt. Zu den Funktionen, die ein Modul übernehmen kann, gehören u.a. Witterungs-, Einbruch- und Sichtschutz, Wärme- und Schalldämmung, Elektromagnetische Schirmdämmung und Lichtlenkung. BiPV-Module können somit für vielfältige Anwendungen verwendet werden. Dabei lassen sich PV-Zellen in nahezu jeden beliebigen Glasaufbau integrieren – also auch in begehbare Verglasungen und Isolierverglasungen.

Montagesystem und Einbausituation
Die Kombination von Solarzellen mit verschiedenen Glasaufbauten ermöglicht den Einsatz von Solarmodulen in vielfältigen Einbausituationen. Anforderungen für Überkopfverglasungen oder absturzsichernde Verglasungen können somit erfüllt werden.

Elektrisches System
In einer PV-Anlage werden in der Regel mehrere PV-Module zu einem Strang verschaltet und bilden den eigentlichen Solargenerator. Dieser erzeugt Gleichstrom, welcher zu einem Wechselrichter geleitet wird. Dort findet die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom statt. Dieser elektrische Strom wird – sofern nicht direkt vor Ort verbraucht – von einem Stromzähler registriert und in das öffentliche Netz eingespeist.
Die Verschaltung eines BiPV-Systems kann durch unterschiedliche Ausrichtung, Verschattung, Temperatur oder gar Leistung einzelner Module komplex sein. Das System sollte daher in mehrere Segmente mit weitgehend gleichen Umwelteinflüssen zerlegt werden. Je kleiner und differenzierter die Segmentierung erfolgt, umso stabiler und effizienter läuft der Generator. Da das System besonders bei suboptimaler Ausrichtung selten unter direkter Sonneneinstrahlung arbeitet, kann die maximal auf den Wechselrichter schaltbare Modulleistung teils deutlich überschritten werden.

Wirtschaftlichkeit
Die Kosten für BiPV-Systeme liegen meist deutlich über Standard-PV-Systemen. Die architekturgerechte Gestaltung von BiPV-Elementen mit anwendungsspezifischen Aufbauten und hohen Ansprüchen an die Erscheinung bewirkt jedoch eine gleichfalls höhere Wertigkeit. Bei der wirtschaftlichen Betrachtung ist daher neben den Erlösen aus der Stromeinspeisung auch der funktionale und architektonische Beitrag zu berücksichtigen. Da BiPV-Systeme andere Bauelemente substituieren, können die Aufwendungen für Anschaffung und Installation der ersetzten Elemente abgezogen werden. Zudem darf der im System erzeugte Strom der Energiebilanz des Gebäudes auf Grundlage der EnEV zugerechnet werden und kann somit Kosten für alternative Maßnahmen der Energieeffizienz vermeiden. Durch ein sichtbar werdendes Umweltbewusstsein kann die Außenwirkung eines Gebäudes imageprägend und werthaltig sein. Die Wirtschaftlichkeit eines BiPV-Systems wird somit nicht selten durch die architektonische Einbindung bestimmt.

Baurechtliche Aspekte
Eine Herausforderung der Integration von PV-Elementen in die Gebäudehülle stellt die Erfüllung relevanter Normen dar. Jedes verwendete Element muss für die vorgesehene Montageart und Einbausituation zulässig sein. PV-Module gelten im allgemeinen nicht als geregelte Bauprodukte. Sofern der Hersteller der entsprechenden Systeme keine zeit- und kostenintensive Bauartzulassung erwirkt hat, ist hier unter Umständen projektbezogen eine Zulassung im Einzelfall durch die zuständige Baubehörde zu beantragen.

Zusammenfassung
Die Architektur stellt hohe Anforderungen an das Design von BiPV-Modulen und die durch die Einbausituation vorherrschenden Umgebungsvariablen begrenzen die zur Verfügung stehenden Technologien.
Können kristalline Technologien dem Wunsch nach grob skalierbaren Größen und zulassungsfähigen Modulaufbauten in aller Regel entsprechen, so ist der BiPV-Einsatzbereich auf Grund der inhomogenen Optik der Einzelzellen sowie der vergleichsweise schlechten Erträge im Falle suboptimaler Ausrichtung, Verschattung und schlechter Hinterlüftung eng begrenzt.
Hier bieten sich Dünnschicht-Module auf Grund höherer Erträge bei unvorteilhaften Einbausituationen besonders für BiPV-Anwendungen an. Die technologiebedingte Festlegung eines Substrates, in der Regel Glas, begrenzt jedoch die notwendige Gestaltungsfreiheit in Größe und Erscheinung massiv und steht einer breiten Anwendung im Wege. Eine breitere Anwendung von BiPV-Systemen benötigt jedoch Modullösungen, die die gestalterischen und bauphysikalischen  Anforderungen der Gebäudehülle erfüllen.