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Technik gebäudeintegrierter Photovoltaik im Expertencheck

Was ist gebäudeintegrierte Photovoltaik? Welche technischen Möglichkeiten zur Gebäudeintegration von Photovoltaik gibt es? Was ist zu beachten, wenn man auf gebäudeintegrierte PV setzt?

Photovoltaik-Anlagen sind kleine Kraftwerke, die aus regenerativem Sonnenlicht Elektrizität erzeugen. Im Sinne der anstehenden Energiewende bieten Gebäude mit ihren Dächern und Fassaden die nötigen gen Sonne exponierten Flächen, um Ernteanlagen für Solarenergie zu installieren, wobei nicht nur Dach und Mauerwerk nutzbar sind, sondern auch Fensterflächen, Sonnenschutzkomponenten und andere Bauteile mehr. Dieser Artikel stellt Ihnen das Konzept gebäudeintegrierter Photovoltaik vor. Sie erfahren dabei die Grundlagen zu den technischen Möglichkeiten, Photovoltaik in die Gebäudehülle zu integrieren, und zu den verwendeten Solarzell-Typen. Wir stellen Ihnen außerdem typische Einsatzzwecke vor.

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Begriffserklärung: Was sind in das Gebäude integrierte Photovoltaikanlagen?

Die Photovoltaik ist die Technologie, bei der mit Hilfe von Solarmodulen Sonnenenergie (Licht) in elektrische Energie (Strom) umgewandelt wird. Mit gebäudeintegrierte Photovoltaik, kurz: GiPV oder nach der englischen Bezeichnung Building integrated Photovoltaic auch BiPV, ist die Integration von Solarmodulen in die Gebäudehülle gemeint.

Hier sehen Sie ein Bild einer in die Fassade der SMA Solar Academy in Kassel integrierten Photovoltaik-Anlage
Die fassadenintegrierte Solar-Anlage (31,7 kWp Fassade) ist das zentrale Gestaltungselement im Innen- und Außenbereich der SMA Solar Academy in Kassel. Die vollständig verglaste Südfassade des Gebäudes besteht aus hochwertigem Sonnenschutzglas mit integrierten Solar-Modulen. Die in das Glas integrierten Module sorgen zudem für einen angenehmen Halbschatten im Gebäudeinneren. (Foto: energie-experten.org)

Wobei das Konzept GiPV sich nicht nur auf die Umwandlung von Licht zu Strom beschränkt: Vielmehr versteht die Fachgruppe „Photovoltaik in Gebäuden“ des Bundesverbandes für Bausysteme e.V. unter gebäudeintegrierter Photovoltaik eine Einbindung von Solarstromanlagen in die Hülle des Gebäudes, die wegen der vielfältigen Funktionalität der PV-Module sowohl architektonisch, als auch bauphysikalisch und konstruktiv ausgelegt werden kann.

Beispiele für einen solchen multifunktionalen Einsatz wären Kombinationen von Solarstrom-Gewinnung und 

  • Witterungsschutz,
  • Wärmedämmung,
  • Sonnenschutz,
  • Sichtschutz,
  • Schalldämmung,
  • elektromagnetische Schirmdämpfung,
  • Einbruchsschutz,
  • Belichtung (Lichtlenkung und -leitung),
  • Klimatisierung und
  • Design / Ästhetik.

Bezieht man die Zahl der funktional begründeten Kombinationsmöglichkeiten der gebäudeintegrierten Photovoltaik auf die einzelnen Bestandteile der Gebäudehülle ergeben sich eine ganze Reihe Integrationsmöglichkeiten für GiPV, zum Beispiel:

  • im Dach,
  • an der Fassade
  • sowie im Bereich der Fenster und zugehöriger Beschattungskonstruktionen.
Die Musterfassade vom Architekturbüro „UNStudio“ und Ed. Züblin AG demonstriert verschiedene Arten gebäudeintegrierter Photovoltaikmodule wie etwa klassisch linienförmig gelagerte Module in einer Pfosten-Riegel-Fassade, eine vorgehängt hinterlüftete Konstruktion sowie Glasfassaden mit auskragenden Verschattungselementen für die Gebäudegestaltung. (Foto: Ed. Züblin AG)
Die Musterfassade vom Architekturbüro „UNStudio“ und Ed. Züblin AG demonstriert verschiedene Arten gebäudeintegrierter Photovoltaikmodule wie etwa klassisch linienförmig gelagerte Module in einer Pfosten-Riegel-Fassade, eine vorgehängt hinterlüftete Konstruktion sowie Glasfassaden mit auskragenden Verschattungselementen für die Gebäudegestaltung. (Foto: Ed. Züblin AG)

Wichtig für eine erfolgreiche Integration der Photovoltaikmodule in die Gebäudehülle ist es, dass diese sich trotz Unterschiede der einzelnen Bauprojekte in Größe, Form, Material, Transparenz und Design in das Gesamtbild einfügen. Die zu integrierenden PV-Module müssen demnach recht anpassungsfähig sein, immerhin hat die Einbindung auch eine mechanische und elektrische Ebene, die bedacht werden muss. Des Weiteren müssen bei der Integration von Photovoltaik-Elementen als Substitut für Bauteile deren Statik beachtet werden.

Solarzelltypen für die gebäudeintegrierte Photovoltaik

Zwei Solarmodultypen lassen sich für die gebäudeintegrierte Photovoltaik einsetzen:

Kristalline Solarmodule

Zum Einsatz kommen beispielsweise kristalline Module, die aus sogenannten Silizium-Wafern aufgebaut sind. Sie werden Großteils seriell miteinander verschaltet. Das von Modul zu Modul auch mal unterschiedliche Raster der Wafer ergibt sich aus deren Größe und den Freiräumen von 15 bis 25 Zentimetern, die wegen der Verschaltung und der Isolation zwischen ihnen notwendigerweise bestehen müssen.

Als Solarzellen kommen Modelle mit monokristallinem oder polykristallinem Silizium zum Einsatz, wobei der Wirkungsgrad der monokristallinen mit 15 bis 20 Prozent bei optimaler Ausrichtung nicht nur höher ist als der polykristalliner, sondern auch das heutzutage Machbare darstellt. Allerdings ist an dieser Stelle anzumerken, dass gerade bei gebäudeintegrierter Photovoltaik eine optimale Ausrichtung der Solarmodule nicht immer machbar ist.

Als vorteilhaft gilt bei kristallinen Solarmodulen, dass sie in vielfältigster Weise „verpackt“ werden können. Sowohl gläserne als auch Verpackungen aus Kunststoff sind möglich, diverse Materialstärken lassen problemlos realisieren. Auch eine teilweise Transparenz der Zellen ist möglich.

Den Vorteilen stehen eine ganze Reihe Nachteile gegenüber: Dazu gehören eine in der Natur kristalliner Solarzellen begründete Anfälligkeit gegenüber Verschattungen ebenso wie insbesondere bei hohen Temperaturen, wie sie bei einer Gebäudeintegration nicht selten sind, deutliche Leistungseinbußen. Zudem kristalline Solarzellen bruchanfällig und besitzen eine geringere Steifigkeit.

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Dünnschichtsolarmodule

Sogenannte Dünnschicht-Solarmodule trägt man auf ein Substrat wie Glas auf. In der gläsernen Variante, die aktuell noch die meistgenutzte ist, lassen die Dünnschichtmodule kaum Größenvarianz zu. Das Substrat Glas erlaubt zudem kaum strukturelle Veränderungen, zum Beispiel Einschlüsse von verstärkenden Materialien, um daraus Sicherheitsglas zu machen. Der Grund dafür liegt in der hohen Temperatur, die bei der Produktion der Solarzellen genutzt wird und die die eingeschlossenen Materialien, zum Beispiel Spezialfolien, nicht funktionstüchtig überstehen würden.

Nimmt man dagegen Dünnschicht-Solarmodule, die auf Kunststoff oder metallischen Bändern aus Stahl oder Kupfer basieren, sind diese sowohl in der Größe als auch in der Verpackung variabel. Im Ergebnis erzielt man sehr flexible und leichtgewichtige Solarmodule, deren Effizienz je nach Technologie mit 6 bis 14 Prozent beziffert wird. Diesbezüglich ist für eine Gebäudeintegration von Bedeutung, dass Dünnschicht-Solarzellen einen höheren Ertrag bei nicht optimaler Ausrichtung. Das resultiert in ihrer Fähigkeit, mit Streulicht und Schwachlicht umzugehen. Außerdem sind die dünnschichtigen Zellen weniger anfällig gegenüber hohen Temperaturen.

Integrationsstufen von Photovoltaik in ein Gebäude

Die Integration der Photovoltaik in die Gebäudehülle wird in drei Stufen unterschieden, die nebeneinander existieren:

Integrationsstufe I: Applikation (visuelle Integration) – additive Einbindung

Anwendungen, wo Photovoltaik-Module zusätzlich vor oder über der Gebäudehülle aufgebracht werden, was sich insbesondere im Nachrüstfall von PV-Anlagen auf Bestandsgebäuden anbietet. Dabei geht die PV-Anlage keine großartige bautechnische Verbindung mit dem Gebäude ein – es gibt lediglich punktuelle Verankerungen. Das heißt, am Gebäude und der Funktionalität der Gebäudehülle muss für diese äußerliche gebäudeintegrierte Photovoltaik keine Veränderung vorgenommen werden. Integrationsstufe I ist demnach auf jeder Fassadenart möglich.

Integrationsstufe II: Konstruktive Addition – Substitution

In dieser Integrationsstufe versteht man die Solarmodule als integrativen Bestandteil der Gebäudehülle, da sie konstruktiv integriert werden. Als beispielsweise Kombi aus Kraftwerk und Witterung ist das PV-Modul dann die äußerste Schicht der energetisch konzipierten Gebäudehülle – und erfüllt auch die Aufgabe derselben in Sachen Gebäudeschutz. Dafür legt man die Photovoltaik-Anlage als Elemente einer sogenannten Kaltfassade aus.

Integrationsstufe III: Konstruktive Integration – Vollintegration

Die höchste Stufe gebäudeintegrierter Photovoltaik beschreibt Anlagen, die Dach- und / oder Fassadenelemente ersetzen, sprich: substituieren. In diesem Falle sind die PV-Module integrativer Bestandteil einer sogenannten Warmfassade und / oder Dacheindeckung. Sie übernehmen dann alle die Funktionen der Gebäudehülle, die diese in ihrer speziellen Auslegung erfüllt.

Anwendungsbeispiele unterschiedlicher Gebäudeintegrationen

Photovoltaik-Integration in Schräg- und Flachdächer

Die allermeisten Klein-PV-Anlagen werden hierzulande auf Schrägdächern auf einer Unterkonstruktion auf der Dacheindeckung errichtet. Neben der Wahl der ertragsreicheren Dachseite werden die Module teilweise auch aufgeständert, um den Einstrahlungswinkel zu verbessern.

Neben einer solchen Aufdachanlage gibt es - jedoch seltener - auch Indachanlagen, bei der die Photovoltaik-Anlage in das Gebäudedach integriert wird. Dies hat insbesondere optische Vorteile und ersetzt einen Teil der Dacheindeckung (z.B. Dachziegel, Dachsteine, Faserzementplatten, Metalldächer und Bitumenschindeln).

Ist eine Luftschicht in den Dachaufbau integriert, spricht man von einer Kaltdachkonstruktion, die sich aufgrund des möglichen Wärmeabtransports von der Zellhinterseite und der damit verbundenen Wirkungsgradsteigerung besser für die Dachintegration von Photovoltaik eignet als Warmdachkonstruktionen.

Die SolteQ PV-Dachschindel-Quad40 ist ein spezielles PV-Indachsystem zur Gebäudeintegration, das Dachziegel überflüssig macht und auch Solarwärme nutzbar machen kann. (Fotos: SolteQ)
Die SolteQ PV-Dachschindel-Quad40 ist ein spezielles PV-Indachsystem zur Gebäudeintegration, das Dachziegel überflüssig macht und auch Solarwärme nutzbar machen kann. (Fotos: SolteQ)

Flachdächer bilden im Vergleich zu geneigten Dächern eine ideale Möglichkeit, Photovoltaik optimal in das Gebäudekonzept zu integrieren, da Ausrichtung und Winkel der Module frei wählbar sind. Von gebäudeintegrierter Photovoltaik spricht man in diesem Anwendungsbereich hingegen erst, wenn Module Teile der Flachdachkonstruktion ersetzen.

Hierzu kommen häufig transparente oder semitransparente Module zum Einsatz, die ein lichtdurchlässiges Glasdach bilden. Bei dieser Art der Gebäudeintegration müssen insbesondere die Anforderungen an eine Überkopf-Verglasung erfüllt werden. Daher kommen hier häufig Solar-Verbundglaselemente (z. B. Glas-Glas-Module) zum Einsatz, die eine Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ) besitzen und der DIN 18008 und u.a. den Technischen Regeln TLRV, TRPV und TRAV entsprechen müssen. Weitere innovative Lösungen zur Integration in ein Flachdach sind u.a. solarstromerzeugende Dachbahnen.

EVALON Solar cSi von alwitra ist die weltweit erste stromerzeugende Solar-Dachbahn mit semiflexiblen PV-Modulen aus kristallinen Silizium-Solarzellen, die Kunstoff-Dach- und Dichtungsbahn mit leistungsstarken PV-Modulen kombiniert. (Fotos: alwitra GmbH)
EVALON Solar cSi von alwitra ist die weltweit erste stromerzeugende Solar-Dachbahn mit semiflexiblen PV-Modulen aus kristallinen Silizium-Solarzellen, die Kunstoff-Dach- und Dichtungsbahn mit leistungsstarken PV-Modulen kombiniert. (Fotos: alwitra GmbH)

Photovoltaik-Integration in Außenwände und Fassaden

Für eine gebäudeintegrierte Photovoltaik bieten sich insbesondere Außenwände an, da sie einerseits die größten von außen sichtbaren Flächen eines Gebäudes bilden und andererseits meist für keine andere Nutzung bestimmt sind. Die zumeist senkrechte Anordnung der Wandflächen bietet jedoch keine günstigen Einstrahlungsbedingungen für eine PV-Stromproduktion, da häufig nur ein Ertrag von rund 70% des normalerweise auf Dächern erreichbaren Ertrages erzielt wird.

Demgegenüber steht jedoch eine besonders einfache und kostensparende Gebäudeintegration auf großen Flächen ohne andere Verwendung oder aber auch eine Werbewirkung bzw. Imagefunktion. Gerade bei einer substitutiven Gebäudeintegration ergeben sich weitere Kostenvorteile durch den Ersatz von konventionellen Wandmaterialien. Besonders eignen sich modular aufgebaut Wände, die eine Hinterlüftung der Module erlauben und keine mechanischen Kräfte auf die Module weiterleiten.

Eine gebäudeintegrierte Photovoltaik wird daher hauptsächlich bei mehrschaligen Wandkonstruktionen mit einer hinterlüfteten Vorhangfassade aus vorgehängten modularen und austauschbaren Elementen vorgenommen. Die Photovoltaik-Elemente müssen dabei die Schutzfunktionen der Außenschicht übernehmen. Materialien für Außenwände, die sich für die Integration mit PV-Zellen eignen, sind Ziegel, Faserzement, Natursteine, Metalle, Glas oder Kunststoffe, wenn diese hinterlüftet und mittels einer Metallunterkonstruktion und Halterungsklammern verankert sind.

Ein besonders interessantes Anwendungsfeld gebäudeintegrierter Photovoltaik bieten Glasfassaden, da sie eine den von Solarmodulen ähnlich homogene Oberfläche und einen modularen Aufbau besitzen. PV-Glasmodule können hier vergleichbare bauliche Aufgaben wie z. B. Brand-, Wärme-, Schallschutz oder Schutz vor Überhitzen übernehmen und werten das Gebäude durch ihre innovative Technologie und ökologisches Energiebewusstsein ohne erhebliche Zusatzkosten auf.

Opaker HeliaFilm von Heliatek auf Stahlapplikationen von Kandil Steel ist das erste gebäudeintegrierte organische Photovoltaik (BIOPV) Projekt in Afrika. (Foto: Heliatek GmbH)
Opaker HeliaFilm von Heliatek auf Stahlapplikationen von Kandil Steel ist das erste gebäudeintegrierte organische Photovoltaik (BIOPV) Projekt in Afrika. (Foto: Heliatek GmbH)

Photovoltaik-Integration als Oberlichter

Die Gebäudeintegration von semitransparenten Photovoltaikmodulen in Form von Lichtbändern, Glaspyramiden, Lichtkuppeln und größeren Einzelöffnungen hat den Vorteil, eine Überhitzung bzw. Blendung darunter liegender Räume zu verringern und, dass sie teilweise auch zu einer asymmetrischen Leuchtdichteverteilung beitragen.

  • Lichtbänder mit horizontaler Lichtöffnung nutzen alle einfallenden Strahlungswinkel. Eine Integration von PV-Modulen wird dabei vor allem semitransparent im Bereich der Südausrichtung ausgeführt.
  • Glaspyramiden bzw. Dachlaternen bestehen aus zwei sich gegenüberstehenden transparenten Glasflächen, die durch ein opakes Dach miteinander verbunden werden. Hier bietet sich die Nutzung der asymmetrisch ausgebildeten lichtundurchlässigen Seite der Dachlaterne für eine Photovoltaikintegration an, sodass es zu keiner Beeinflussung der Tageslichtfunktion kommt.
  • Nach Süden ausgerichtete Einzelöffnungen bieten vorteilhafte Möglichkeiten für einen gebäudeintegrierten Einsatz von Photovoltaik. Semitransparente Zellen oder bewegliche externe PV-Sonnenschutzlamellen können hier zusätzlich zur Stromnutzung andere gewünschte Schutzfunktionen übernehmen.
Das transparente, monokristalline Glas-Glas-Photovoltaik-Modul Elegante von aleo solar lässt sich in architektonisch anspruchsvolle Glasdächern, als Fenster oder in Gebäude als Solarfassade integrieren. (Foto: aleo solar GmbH)
Das transparente, monokristalline Glas-Glas-Photovoltaik-Modul Elegante von aleo solar lässt sich in architektonisch anspruchsvolle Glasdächern, als Fenster oder in Gebäude als Solarfassade integrieren. (Foto: aleo solar GmbH)

Photovoltaik-Integration als Sonnen- und Sichtschutzelemente

Gebäudeintegrierte Photovoltaikmodule übernehmen immer öfter auch Sonnenschutzfunktionen in Glasvorhangfassaden, Atriumdächern oder anderen Glaskonstruktionen.

Dabei kommen einerseits feststehende PV-Sonnenschutzsysteme zum Einsatz, die wenig Wartungsaufwand verursachen, jedoch in ihrer Leistung wesentlich vom Einstrahlungswinkel der Sonne abhängig sind. Zudem ist bei einer tief stehenden Wintersonne häufig ein weiterer Blendschutz notwendig.

Andererseits lässt sich Photovoltaik auch in bewegliche Sonnenschutzsysteme integrieren und so über einen längeren Tageszeitraum einen sowohl effektiven Sonnenschutz als auch einen höheren Photovoltaik-Ertrag realisieren. Derlei Systeme sind jedoch höheren Windbelastungen ausgesetzt und müssen daher in regelmäßigen Abständen gewartet werden, sodass im Betrieb mit höheren Kosten zu rechnen ist.

Daneben gibt es auch Kombinationen aus feststehenden und beweglichen Sonnenschutzsysteme, die jedoch aufgrund einer möglichen Eigenverschattung und höherer Investitionskosten bislang weniger seltener in der Praxis eingesetzt werden.

Die Photovoltaik-Lamellen von Kaustik-Solar wirken als photovoltaisches Konzentratorsystem, das direkt in den Isolationszwischenraum einer Glasfassade oder eines Fensters integriert werden kann. (Foto: Kaustik-Solar GmbH)
Die Photovoltaik-Lamellen von Kaustik-Solar wirken als photovoltaisches Konzentratorsystem, das direkt in den Isolationszwischenraum einer Glasfassade oder eines Fensters integriert werden kann. (Foto: Kaustik-Solar GmbH)

Neben dem typischen Ersatz von Sonnenschutzsystemen werden Solarmodule häufiger auch in Brüstungen integriert. In diesem Fall übernehmen die Module den Sicht- und Wetterschutz und nutzen zusätzlich die Sonne zur Stromproduktion. Mit Hilfe moderner Mikrobeschichtungen kann eine einseitige Transparenz der Module erzielt werden, sodass man als Nutzer zwar nach draußen sehen kann, während sie selbst vor Blicken von außen geschützt sind.

Solarbalkone bieten eine partielle Einschränkung des Sichtbereichs und lassen dennoch Tageslicht auch von der Seite in die Räume. (Foto: www.solarcarporte.de / Zentrale Solarterrassen & Carportwerk GmbH)
Solarbalkone bieten eine partielle Einschränkung des Sichtbereichs und lassen dennoch Tageslicht auch von der Seite in die Räume. (Foto: www.solarcarporte.de / Zentrale Solarterrassen & Carportwerk GmbH)

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"Gebäudeintegrierte Photovoltaik im Expertencheck" wurde am 19.07.2019 das letzte Mal aktualisiert.