Kompakt informieren
- Ein Forschungsvorhaben soll der bisher auf Dächern und Freiflächen kommerziell erfolgreichen CIGS-Dünnschichtphotovoltaik nun auch den Weg in den Markt für Fassadenanwendungen ebnen.
- Die gebäudeintegrierte Photovoltaik gilt als wichtiger Baustein für künftige Gebäudestandards mit einer (weitgehend) klimaneutralen Energieversorgung.
- Solarfassaden können zudem mit vergleichbarer Qualität die Funktionen klassischer Fassaden übernehmen. Bei der Nutzung von CIGS-Dünnschichtmodulen ergeben sich ästhetische Vorteile.
- In dem Forschungsprojekt soll u. a. das Moduldesign hinsichtlich Energieertrag, Schattentoleranz, Montagefreundlichkeit und Flexibilität der Modulgröße optimiert und an die übrigen Systemkomponenten angepasst werden.
Vor allem bei größeren Gebäuden wird die gebäudeintegrierte Photovoltaik („Building-Integrated Photovoltaics“, kurz BIPV) künftig einen Aufschwung erleben: Ab 2019 bzw. 2021 müssen alle neuen Nichtwohngebäude in der EU als Niedrigstenergiegebäude (siehe Info-Kasten) gebaut werden, dürfen also fast keine Energie mehr für Heizung, Warmwasser, Lüftung und Kühlung benötigen.
Deutschland strebt zudem bis 2050 einen klimaneutralen Gebäudesektor an. Ohne einen deutlichen Anteil von Solarenergie auch in der Fassade sind diese Ziele nur schwer zu erreichen. Architekten und Gebäudeplaner werden deshalb die Technologie verstärkt einsetzen, prognostizieren Fachleute und Wissenschaftler. Für die deutschen Hersteller von Dünnschichtmodulen und Produktionsanlagen ist das eine Chance, einen Massenmarkt zu erschließen.
Der gebäudeintegrierten Photovoltaik zum Durchbruch verhelfen
„Im Forschungsprojekt ‚Fassadenintegrierte Photovoltaik-Systeme in CIGS-Technologie‘ betrachten wir das gesamte System einer Dünnschichtphotovoltaik-Fassade“, erklärt Dieter Geyer, Projektleiter am ZSW. „Wir optimieren das Moduldesign hinsichtlich Energieertrag, Schattentoleranz, Montagefreundlichkeit und Flexibilität der Modulgröße und passen es an die übrigen Systemkomponenten an.“
An den elektronischen Komponenten untersuchen die Forscher die Aspekte Sicherheit, Funktionalität und Zuverlässigkeit. Außerdem prüfen sie das energiewirtschaftliche Potenzial von CIGS-Fassaden im Hinblick darauf, wie der elektrische und thermische Energiebedarf auf Gebäudeebene gedeckt werden kann.
Das ZSW übernimmt die Auslegungsrechnungen, Labor- und Felduntersuchungen sowie die Erhebung von Betriebsdaten. Im Rahmen von Felduntersuchungen an der CIGS-Fassade am neuen Institutsgebäude in Stuttgart Abb. 1 und auf dem Testfeld Widderstall führen die Forscher eine vergleichende Bewertung der verschiedenen Systemvarianten hinsichtlich Funktion und Ertrag durch.
Die Betriebsdaten fließen ein in die Simulation möglicher Beiträge von CIGS-Fassadensystemen zur Deckung des elektrischen Energiebedarfs in verschiedenen Gebäudetypen. Auch hinterlüftete Photovoltaik-Doppelfassaden und Wärmepumpen werden in das Projekt einbezogen. Die optimierten Fassadenmodule und Systemkomponenten werden am Ende von den Projektpartnern (siehe unten) hergestellt.
Solarfassaden können mehr als nur Energie gewinnen
Bislang befinden sich in Deutschland rund drei Viertel aller Photovoltaik-Anlagen auf Dächern, ein weiteres Viertel auf Freiflächen. Der Anteil der gebäudeintegrierten Anlagen bewegt sich im Promillebereich. Dabei sind die Vorteile enorm: Neben der elektrischen Energiegewinnung bietet die BIPV mit vergleichbarer Qualität die Funktionen klassischer Fassaden, wie Schutz vor Wind und Wetter, Abschattung und Tageslichtnutzung, Schallschutz sowie Wärmedämmung. Die Energieeinsparverordnung EnEV belohnt die Anwendung zudem mit einer höheren Gebäudeklasse nach DIN V 18 599.
Bei der Nutzung von CIGS-Dünnschichtmodulen in der Fassade kommen ästhetische Vorteile hinzu: Die Module bieten die gleichen Gestaltungsmöglichkeiten wie Glasfassaden, da ihre Zellstruktur anders als bei der Silizium-Photovoltaik kaum sichtbar ist, was homogene Glasflächen in dezenten Farben ermöglicht. Variable Modulgrößen, Sonderformen und flexible Bauteile stehen ebenfalls zur Verfügung.
Studien zufolge beträgt in Städten die für die BIPV zusätzlich ökonomisch nutzbare Fassadenfläche im Mittel etwa 10 % der wirtschaftlich nutzbaren Dachfläche. Vor allem bei Gebäuden mit mehr als drei Geschossen ist oft mehr Platz an der Fassade als auf dem Dach nutzbar.
Die Kosten der integrierten Photovoltaik sind zwar höher als die der Aufdachmodule, doch wenn die Gebäudehülle sowieso neu erstellt wird, reicht eine Kostenbetrachtung aus, die die Mehrkosten gegenüber einer konventionellen Fassade einbezieht. Solarfassaden mit einer Amortisationszeit von zehn Jahren sind so möglich.
Ein weiterer interessanter Aspekt ist die höhere Wertigkeit des Stroms aus Fassaden, da dessen Spitzenwert nicht unbedingt mittags, sondern je nach Orientierung in den Morgen- und Abendstunden liegen kann. Auf diese Weise lässt sich der Mittagspeak elegant vermeiden und eine gegebenenfalls vorgesehene Batterie für die Nachtstunden benötigt weniger Speicherkapazität.
Hinzu kommt: Fassadenanlagen nutzen die tief stehende Sonne im Winter aufgrund ihrer vertikalen Ausrichtung gut. Zudem sind sie bei Schneewetterlagen gegenüber Dachanlagen im Vorteil, denn dann liefern sie gleich bleibenden Ertrag und erhöhen den solaren Eigenverbrauch. Eine große Chance also für die bislang nur verhalten genutzte Technologie.
Das Forschungsvorhaben „Fassadenintegrierte Photovoltaik-Systeme in CIGS-Technologie“ (Projektname: CIGS-Fassade) wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert.
Partner des ZSW bei CIGS-Fassade sind das Zentrum für angewandte Forschung nachhaltige Energietechnik der Hochschule für Technik Stuttgart und die Firma Manz CIGS Technology. Zu den assoziierten Partnern gehören Avanics, Gartner Instruments, Kaco new energy, SMA Solar Technology und SolarEdge Technologies.
Niedrigstenergiegebäude
Die EU-Gebäuderichtlinie1) definiert Niedrigstenergiegebäude als ein Gebäude, „das eine sehr hohe, nach Anhang I [der Richtlinie] bestimmte Gesamtenergieeffizienz aufweist. Der fast bei Null liegende oder sehr geringe Energiebedarf sollte zu einem ganz wesentlichen Teil durch Energie aus erneuerbaren Quellen — einschließlich Energie aus erneuerbaren Quellen, die am Standort oder in der Nähe erzeugt wird — gedeckt werden;“ wobei die Gesamtenergieeffizienz eines Gebäudes die berechnete oder gemessene Energiemenge ist, die benötigt wird, um den Energiebedarf im Rahmen der üblichen Nutzung des Gebäudes (u. a. Heizung, Kühlung, Lüftung, Warmwasser und Beleuchtung) zu decken. Energie aus erneuerbaren Quellen ist als „Energie aus erneuerbaren, nichtfossilen Energiequellen, das heißt Wind, Sonne, aerothermische, geothermische, hydrothermische Energie, Meeresenergie, Wasserkraft, Biomasse, Deponiegas, Klärgas und Biogas“ definiert.
Über Artikel 9 der EU-Gebäuderichtlinie müssen die Mitgliedstaaten gewährleisten, dass bis 31. Dezember 2020 alle neuen Gebäude Niedrigstenergiegebäude sind und nach dem 31. Dezember 2018 neue Gebäude, die von Behörden als Eigentümer genutzt werden, Niedrigstenergiegebäude sind. In Deutschland ist die vorgeschriebene Umsetzung über Rechts- und Verwaltungsvorschriften bisher nicht erfolgt. Für die Behördengebäude schreibt das Energieeinsparungsgesetz der Bundesregierung vor, die Rechtsvorschriften vor dem 1. Januar 2017 zu erlassen, für alle anderen Gebäude vor dem 1. Januar 2019. Durch das Streichen des Gebäudeenergiegesetzes von der Umsetzungsliste der GroKo am 29. März 2017 gibt es bisher keine Umsetzung.
1) Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden(Neufassung); gebräuchliche Kurzformen: EPBD und EU-Gebäuderichtlinie. Download aus dem Amtsblatt der EU über Webcode 296893
Kontakt zum Anbieter
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
70563 Stuttgart
Telefon (07 11) 7 87 00
www. zsw-bw.de
2 Das neue ZSW-Institutsgebäude am Standort Stuttgart wurde im Juli 2017 offiziell eingeweiht, die Mitarbeiter waren bereits einige Wochen vorher in das Gebäude eingezogen. Die Wissenschaftler verfügen nun über mehr Platz und eine verbesserte Infrastruktur zur Entwicklung von Technologien für die Energiewende. Im neuen Gebäude in Stuttgart-Vaihingen befinden sich unter anderem neue Analytikgeräte und Beschichtungsanlagen für die Photovoltaik und Apparate zur Entwicklung der Stromspeichertechnologie Power-to-Gas. Der Energiebedarf des Gebäudes wird zu einem großen Teil aus über 32 Erdwärmesonden und 357 Solarmodule in der vom ZSW entwickelten CIGS-Dünnschichttechnologie gedeckt.
