Nur 2%! Warum wird BIPV immer noch nicht in großem Maßstab angewendet?
In den letzten zehn Jahren hat das schnelle Wachstum der Photovoltaik einen globalen Markt von ungefähr 100 GWp erreicht, der jährlich installiert wird, was bedeutet, dass jährlich ungefähr 35 bis 400 Millionen Solarmodule produziert und verkauft werden. Die Integration in Gebäude ist jedoch nach wie vor ein Nischenmarkt. Laut dem jüngsten Bericht des EU-Forschungsprojekts PVSITES für Horizont 2020 wurden 2016 nur etwa 2% der installierten PV-Kapazität in Gebäude integriert. Diese triviale Zahl ist besonders auffällig, wenn man mehr als 70% des Energieverbrauchs berücksichtigt. Das weltweit produzierte Kohlendioxid wird in Städten verbraucht, und etwa 40% bis 50% aller Treibhausgasemissionen stammen aus städtischen Gebieten.
Um dieser Treibhausgasherausforderung zu begegnen und die Stromerzeugung vor Ort zu fördern, haben das Europäische Parlament und der Rat 2010 die Richtlinie 2010/31 / EU über die Energieeffizienz von Gebäuden eingeführt, deren Konzept lautet "Energiegebäude nahe Null (NZEB)". Die Richtlinie gilt für alle nach 2021 errichteten Neubauten. Für Neubauten zur Unterbringung öffentlicher Einrichtungen trat die Richtlinie Anfang dieses Jahres in Kraft.
Es sind keine spezifischen Maßnahmen festgelegt, um den NZEB-Status zu erreichen. Gebäudeeigentümer können verschiedene Aspekte der Energieeffizienz berücksichtigen, z. B. Isolierung, Wärmerückgewinnung und Energiesparkonzepte. Da jedoch die Gesamtenergiebilanz eines Gebäudes ein regulatorisches Ziel ist, ist zur Erreichung des NZEB-Standards die Erzeugung von Wirkstrom im oder um das Gebäude von wesentlicher Bedeutung.
Potenzial und Herausforderung
Es besteht kein Zweifel, dass die Implementierung von PV eine wichtige Rolle bei der Planung zukünftiger Gebäude oder der Umgestaltung der vorhandenen Gebäudeinfrastruktur spielen wird. Der NZEB-Standard wird eine treibende Kraft sein, um dieses Ziel zu erreichen, aber er ist nicht allein. Mit der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) können vorhandene Bereiche oder Oberflächen zur Stromerzeugung aktiviert werden. Daher ist kein zusätzlicher Platz erforderlich, um mehr zu bringenPVin das Stadtgebiet. Das Potenzial für sauberen Strom, der durch integrierte Photovoltaik-Stromerzeugung erzeugt wird, ist enorm. Wie das Becquerel-Institut im Jahr 2016 feststellte, übersteigt der potenzielle Anteil der deutschen BIPV-Stromerzeugung am gesamten Strombedarf 30% und in südlicheren Ländern (wie Italien) sogar etwa 40%.
Aber warum spielen BIPV-Lösungen im Solargeschäft immer noch eine marginale Rolle? Warum werden sie bisher bei Bauprojekten selten berücksichtigt?
Um diese Fragen zu beantworten, organisierte das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) im vergangenen Jahr ein Seminar und kommunizierte mit Stakeholdern aus allen Bereichen des BIPV, um eine Bedarfsanalyse durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass es nicht an Technologie mangelt.
Auf dem HZB-Seminar setzen viele Menschen aus der Bauindustrie neue Projekte oder Sanierungsprojekte um und erkannten an, dass das Potenzial und die unterstützenden Technologien des BIPV eine Bewusstseinslücke aufweisen. Die meisten Architekten, Planer und Bauherren verfügen einfach nicht über genügend Informationen, um die Photovoltaik-Technologie in ihre Projekte zu integrieren. Infolgedessen gibt es viele Vorbehalte gegen BIPV, wie attraktives Design, hohe Kosten und unerschwingliche Komplexität. Um diese offensichtlichen Missverständnisse zu überwinden, müssen die Bedürfnisse von Architekten und Bauherren an erster Stelle stehen, und das Verständnis, wie diese Stakeholder BIPV sehen, muss im Mittelpunkt stehen.
Funktion und Stil
BIPV zeichnet sich dadurch aus, dass Solarmodule ein wesentlicher Bestandteil der Gebäudehülle sind und somit zu einem multifunktionalen Bauelement werden. Neben der Stromerzeugung muss das Bauteil nun auch andere Funktionen der Außenwand des Gebäudes übernehmen.
Die bekannteste Alternative zu herkömmlichen Dachinstallationen sind Solarmodule, die funktional und ästhetisch direkt auf dem Dach integriert sind. Daher können diese Komponenten nicht nur Strom erzeugen, sondern auch als Dach zum Schutz vor Wind und Regen dienen. Wenn sie sichtbar sind, wirken sich Solarmodule bei einem schrägen Dach auch auf das Erscheinungsbild des Gebäudes aus. Die Vielfalt herkömmlicher Dachelemente erfordert auch PV-aktive Elemente mit einem hohen Maß an Variabilität in Form, Farbe und Aussehen. Es werden großflächige, homogene Glas-Glas-Module sowie kleine Systeme wie Dachziegel benötigt, deren Form und Farbe perfekt zu herkömmlichen Dachziegeln passen.
Ähnliche Normen gelten auch für Solarmodule, die als Außenwandelemente verwendet werden. Hierbei ist jedoch die ästhetische Qualität besonders wichtig. Es gibt verschiedene Arten von PV-Aktivfassaden. Solarmodule, die als belüftete Kaltfassaden installiert werden, können herkömmliche Elemente belüfteter Vorhangfassaden problemlos ersetzen. Die Lösung kann aber auch als warmes Fassadenelement verwendet werden, beispielsweise indem sie direkt an der Fassade haftet. Neben der Wetterbeständigkeit sind Wärmedämmung oder Schalldämmung weitere Eigenschaften, die PV-aktive Fassadenelemente bieten können.
In Bezug auf die ästhetische Funktion der Fassadenelemente gibt es bereits unterschiedliche Konzepte auf dem Markt. Die Farbkomponenten reichen von Anthrazit / Schwarz bis Grau, Blau, Grün, Gelb und sogar"golden". Zum Beispiel können diese Farben durch Verwendung eines speziellen Frontglases erzielt werden, das eine Nanoschichtstruktur enthält. Es ist wichtig, dass die Ausgangsleistung dieses Modultyps nicht übermäßig reduziert wird. Im Vergleich zum herkömmlichen Modul mit transparentem Frontglas kann die anfängliche Ausgangsleistung mehr als 80% erreichen.
Eine Alternative zur Verwendung dieses speziellen Frontglases ist der Keramikdruck. Diese Technologie erzielt einheitliche Farben und ein weiteres Merkmal, das Architekten mögen: das Potenzial, nahezu jede Struktur oder jedes Bild auf das Modul zu drucken. Tatsächlich macht diese Funktion die Solarzellen, aus denen das Modul besteht, für den Betrachter nahezu unsichtbar. Dieser Druck wirkt sich jedoch stärker auf die endgültige Ausgangsleistung aus. Da Solarzellen jedoch nahezu unsichtbar sind, kann diese Technologie auch auf Hochleistungskristallmodule angewendet werden, sodass sie als architektonisches Element mit hohem ästhetischen Wert und hoher Leistung verwendet werden kann.
Die dritte Technik zum Erstellen farbiger BIPV-Elemente besteht in der Verwendung farbiger Folien. Die Kosten dieser Technologie sind niedriger und vor allem erlaubt sie fast jede Farbe. Dank dieser Funktion können Forscher des Schweizerischen Zentrums für Elektronik und Mikrotechnik (CSEM) weiße Solarzellenmodule entwickeln. Grundsätzlich kann diese Art der Entwicklung"aktivieren Sie" eine große Anzahl konventioneller weißer Fassaden auf der Welt.
Die Integration von Solarzellen oder -modulen in Beschattungselemente ist eine attraktive Möglichkeit, Sonnenschutz und Energieerzeugung zu kombinieren. Dies kann zum Beispiel durch die Verwendung von Glas mit einer sehr dünnen, gleichmäßigen Bedeckung mit aktivem Photovoltaikmaterial erreicht werden. Dünnschichttechnologien wie organische Halbleiter (OPV), CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid / Sulfit) oder Dünnschicht-Silizium sind für solche Anwendungen sehr gut geeignet.
Wenn alternativ kristalline Siliziumzellen in einem Muster in einem Glas-Glas-Modul angeordnet sind oder einen großen Spalt zwischen den Zellen aufweisen, kann die Transluzenz auch durch Verwendung kristalliner Siliziumzellen erreicht werden. Dieses Konzept wird in Überkopfinstallationssystemen zusammen mit vertikalen Glasfassaden verwendet. Es kann auch in eine bewegliche Beschattungsvorrichtung eingebaut werden, um das Sonnenlicht zu bestimmten Tageszeiten zu reduzieren.
Alle diese Methoden beweisen, dass BIPV-Solarmodule zusätzliche Funktionen bereitstellen und ästhetische Probleme lösen können, wodurch sie für Architekten attraktiver werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Modulen zur Leistungsoptimierung gehen sie jedoch auch mit einer gewissen Leistungsreduzierung einher. Trotz des Stromausfalls machen sie ihre ästhetischen und funktionalen Vorteile für die Bauindustrie attraktiv, und der Schwerpunkt der Bauindustrie auf die Optimierung der Stromerzeugung wurde stark reduziert. In Anbetracht dessen sollten BIPV-Elemente mit herkömmlichen nichtelektrischen Bauelementen verglichen werden.
Denkweise ändern
BIPV unterscheidet sich in vielen Aspekten von herkömmlichen Solarsystemen auf dem Dach. TraditionellSolarsysteme auf dem Dacherfordern keine Multifunktionen und berücksichtigen auch nicht die Ästhetik. Bei der Entwicklung von Produkten zur Integration in architektonische Elemente müssen die Hersteller dies überdenken. Architekten, Bauherren und Nutzer von Gebäuden sollten zunächst konventionelle Funktionen in der Gebäudehülle implementieren. Aus ihrer Sicht ist die Stromerzeugung eine zusätzliche Eigenschaft. Darüber hinaus müssen Entwickler von multifunktionalen BIPV-Elementen Folgendes berücksichtigen:
Entwicklung kostengünstiger kundenspezifischer Lösungen für solaraktive Bauelemente mit variabler Größe, Form, Farbe und Transparenz;
Setzen von Standards und attraktiven Preisen (idealerweise für etablierte Planungsinstrumente wie Building Information Modeling (BIM);
Integration von Photovoltaik-Elementen in neuartige Fassadenelemente durch die Kombination von Baumaterialien und Energieerzeugungselementen;
Hohe Elastizität gegen vorübergehende (Teil-) Schatten;
Langzeitstabilität und Langzeitstabilität und Verschlechterung der Leistungsabgabe sowie Langzeitstabilität und Verschlechterung des Aussehens (z. B. Farbstabilität);
Entwicklung von Überwachungs- und Wartungskonzepten zur Anpassung an die spezifischen Bedingungen des Standorts (Installationshöhe berücksichtigen, defekte Module oder Fassadenelemente ersetzen);
Und erfüllen die gesetzlichen Anforderungen an Sicherheit (einschließlich Brandschutz), Baurecht, Energierecht und andere gesetzliche Anforderungen.
Das Problem der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften ist eine Herausforderung für alle Beteiligten. Bauvorschriften und Vorschriften in der Energiewirtschaft hängen normalerweise stark von den örtlichen Vorschriften ab. Sie unterscheiden sich nicht nur von Land zu Land, sondern unterscheiden sich in verschiedenen Bundesstaaten, Städten und sogar lokalen Gemeinschaften häufig erheblich voneinander. Es ist jedoch nicht nur notwendig, sich an die Solarbranche anzupassen.
Die Bauindustrie muss sich ihrer Verantwortung gegenüber der Gesellschaft als Ganzes bewusst sein. Sowohl bei Neubau- als auch bei Renovierungsprojekten müssen der Energieverbrauch und die Stromerzeugung vor Ort explizit berücksichtigt werden. Architekten und Baupersonal müssen bereit sein, neue Materialien und Elemente zu verwenden, die zusätzliche Funktionen zur Stromerzeugung bieten. Sie müssen auch die Änderungen in ihrem regulären Planungsprozess akzeptieren, da die elektrischen Aspekte in der Konzeptphase berücksichtigt werden müssen.
Die Lücke verengen
Die Integration der Photovoltaik-Stromerzeugung in Gebäude ist eine Herausforderung für alle Beteiligten. Es gibt nicht nur Kenntnisse über Technologie und Möglichkeiten, sondern auch Lücken zwischen den Kulturen. Um diese Lücken zu schließen, muss eine Brücke zwischen der Bau- und der Energiewelt gebaut werden. Die Herausforderung muss von allen gemeistert werden: Architekten und Planer; Material- und Komponentenhersteller; sowie Forschungs- und Entwicklungsabteilungen. Diese Herausforderungen sind normalerweise neue Herausforderungen für alle Teilnehmer und werden von bestehenden Vorurteilen beeinflusst. Dies sind vielfältige Herausforderungen, die im Wesentlichen erst gemeinsam bewältigt werden können, wenn eine Änderung des Denkens akzeptiert wird.