Institutsgebäude des ZSW, Stuttgart

Bis 2050 strebt Deutschland einen klimaneutralen Gebäudesektor an, von 2020 an müssen sogar alle Nichtwohngebäude in der EU als Niedrigstenergiegebäude gebaut werden. Heizung, Warmwasser, Lüftung und Kühlung dürfen dann so gut wie keine zusätzliche Energie mehr benötigen. Für Architekten und Gebäudeplaner ist das nach wie vor eine große Herausforderung, die im Prinzip nur gestemmt werden kann, wenn intelligente Technologie und hochwertige Architektur sinnvoll verknüpft werden. „Smart“ lautet dabei das Wort der Stunde, womit natürlich die altbekannte Nachhaltigkeit gemeint ist, aber auch neue Technologien, die die Energiegewinnung, -speicherung und -verteilung sinnvoll lösen. Immerhin: Photovoltaik ist mittlerweile Standard im Neubau. Rund drei Viertel der PV-Anlagen befinden sich auf Dächern, ein weiteres Viertel auf Freiflächen. Selten dagegen sieht man die „Building-Integrated Photovoltaics“ (kurz: BIPV), die gebäudeintegrierte Photovoltaik also, deren Anteil am PV-Kuchen lediglich im Promillebereich liegt. Dabei können sich die Vorteile der BIPV durchaus sehen lassen: Neben der elektrischen Energiegewinnung wirkt die BIPV wie eine normale, vorgehängte (Glas-)Fassade. Zudem belohnt die Energieeinsparverordnung EnEV den Einsatz von BIPV mit einer höheren Gebäudeklasse nach DIN 18599.

All das ist für die Forscher des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) indessen keine Neuigkeit mehr. Im Gegenteil: Dort arbeitet man äußerst erfolgreich an der Spitze neuer PV-Technologien, vor allem an Dünnschicht-Modulen auf Basis von Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS), die sich ideal für den Einsatz an der Fassade eignen. Deren Potential für die Zukunft der Gebäudeplanung ist enorm. „Studien zufolge beträgt in Städten die für die BIPV zusätzlich ökonomisch nutzbare Fassadenfläche im Mittel etwa zehn Prozent der wirtschaftlich nutzbaren Dachfläche“, ist beim ZSW zu lesen. „Vor allem bei Gebäuden mit mehr als drei Geschossen ist oft mehr Platz an der Fassade als auf dem Dach.“

Konzept und Planung

Für das neue Institutsgebäude des ZSW im Stuttgart Engineering Park (STEP) – einem Technologiepark, der Firmen und Institute mit ähnlichen Tätigkeitsfeldern zusammenführt und mit der benachbarten Universität verbindet – galt es zunächst, eine Architektur zu finden, die die Fachbereiche wie Regenerative Energieträger und Verfahren (REG), Materialforschung (MAT), Systemanalyse (SYS) und Module Systeme Anwendungen (MSA) mit Werkstätten, Maschinenhallen, Laboren sowie Büros und Seminarräumen unter einem Dach vereint. Der Wunsch des Bauherrn war eine lebendige Kommunikation unter den 110 Mitarbeitern. In einem VOF-Verfahren (2012) gewann das dänische Architekturbüro Henning Larsen Architects mit seinem Lösungsvorschlag in der zweiten Stufe. Ihr Entwurf überzeugt mit einer räumlichen Ausformulierung der Bauaufgabe: Jedem Fachbereich wird ein eigener Baukörper zugeordnet. Dabei sind die Baukörper so ineinander verschachtelt, dass möglichst viele Schnittstellen und somit Orte der Begegnung und des Ideenaustauschs entstehen. „Architektur auf Augenhöhe und Nachhaltigkeit liegen Henning Larsen bei allen Projekten sehr am Herzen“, erläutert Werner Frosch, Managing Director München und Partner bei Henning Larsen Architects. „Deswegen haben wir“, ergänzt Projektleiter Andreas Schulte, „viel Zeit in die Einbindung der Mitarbeiter investiert und mit den Fachbereichen viele verschiedene Bürokonzepte durchdiskutiert, vom Zellenbüro bis zum Open Office. Das ging sogar soweit, dass wir verschiedene Bürogebäude in Stuttgart besichtigt haben, um ein Bild von den jeweiligen Konzepten zu erhalten. So haben wir die Mitarbeiter von Beginn an in den Veränderungsprozess eingebunden.“ Basisdemokratie im Entwurf ist meist zwar kein leichter Weg, im Falle des ZSW hat sie aber immerhin dazu geführt, dass sich einer der Fachbereiche zu offeneren Bürostrukturen entschlossen hat. Die Wände sämtlicher Büros sind nichttragend ausgeführt, womit die Planer ein Hintertürchen zu einem eventuellen zukünftigen Umbau offengelassen haben.

Mehr als nur Fassade

Im 1. Entwurf war zunächst geplant, das Gebäude mit einer hellen, repräsentativen Natursteinfassade zu versehen. Der intensive Dialog zwischen Architekt und Bauherr ergab jedoch, dass auch an der Fassade ablesbar sein darf, woran drinnen geforscht wird. So wurde ein großer Teil der Fassade mit Dünnschicht-Photovoltaikmodulen versehen, die vom ZSW zusammen mit Industriepartnern entwickelt wurden. Deren Zellstruktur ist – anders als bei herkömmlichen Silizium-PV-Modulen – kaum sichtbar, wodurch optisch eine homogene Glas­fläche entsteht, die ähnliche Gestaltungsmöglichkeiten wie Glasfassaden bietet. „Beim ZSW-Gebäude haben die PV-Module in ihrer effizientesten Ausführung – also in Schwarz – am Ende sogar die Gestaltung der gesamten Fassade wesentlich beeinflusst“, verrät Andreas Schulte. Das daraus folgende schwarz-in-schwarz-Farbschema besteht im Sockel aus großformatigen, schwarz durchgefärbten Sichtbeton-Fertigteilen und oben aus einer eloxierten Aluminium­verkleidung, in die eben jene PV-Module integriert sind. Deren Fläche beträgt rund 170 m², bei einer Nennleistung von rund 27 kW. Die Solaranlage auf dem teilweise begrünten Dach mit 230 horizontalen CIGS-Solarmodulen bringt demgegenüber eine Leistung von ca. 20 kW.

Strom aus Fassaden besitzt genau genommen sogar eine höhere Wertigkeit, da dessen Spitzenwert nicht zwingend mittags, sondern je nach Orientierung in den Morgen- oder Abendstunden liegt. Der Mittagspeak lässt sich so elegant umgehen, Batterien für die Abend- und Nachtstunden benötigen dann weniger Speicherkapazität. Mehr noch: Die tief stehende Sonne im Winter kann mit vertikalen Fassadenmodulen besser genutzt werden. Beim ZSW-Gebäude besteht das Energiekonzept zusätzlich aus 32 Geothermie-Sonden mit Wärmepumpe, über die im Sommer überschüssige Prozesswärme abgeführt und im Winter Wärme aus dem Untergrund zur Heizung gezogen wird. So wird rund die Hälfte der für den Betrieb erforderlichen Wärmeenergie regenerativ erzeugt. Die innenliegenden Atrien werden außerdem ausschließlich natürlich be- und entlüftet. Zusätzlich sind Räume für zwei Blockheizkraftwerke bereits vorhanden.

Landmark und Benchmark

Mit dem ZSW-Gebäude ist Henning Larsen Architects ein Bauwerk gelungen, das moderne Technologie und hochwertige Architektur in Einklang bringt, ohne sich dabei gestalterisch in den Vordergrund zu drängen. „Die Fassade eines Gebäudes ist das Gesicht zur Stadt; hier beim ZSW wird die Außenwirkung verstärkt, indem sich die Forschungsarbeit des Bauherrn in der prägnanten Fassade widerspiegelt und so Landmark und Benchmark zugleich ist“, fasst Werner Frosch zusammen. Zudem ermöglicht die Fassade den Forschern des ZSW das Testen ihrer neuesten Entwicklungen, da die Solarmodule einzeln ausgetauscht werden können. Der geschäftsführende ZSW-Vorstand, Frithjof Staiß, ist sichtlich zufrieden: „Aus der Idee ist nun Wirklichkeit geworden. Jetzt arbeiten wir in einer Infrastruktur, die unsere Kreativität und Effizienz fördert. Sie erleichtert es uns, Schlüsseltechnologien für die Energiewende zu entwickeln und mit der Wirtschaft umzusetzen.“

Thomas Geuder, Der Raumjournalist, Stuttgart