Solarfassaden
© Eibe Sönnecken, opus Architekten BDA
Beim Stichwort Photovoltaik werden die meisten spontan an blau schimmernde Platten auf Einfamilienhäusern oder Freiflächen neben der Bundesstraße denken. Und tatsächlich befinden sich rund drei Viertel der in Deutschland verbauten Solarmodule auf Dächern und ein Viertel auf dem Boden. Wo noch viel ungenutzter Platz für Unmengen an sauber erzeugtem Strom ist? In der Senkrechten.
Erneuerbare Energien nach vorn
Photovoltaik auf Dächern von Häusern und Freiflächen funktioniert, wo es genug davon gibt. In der Innenstadt mit ihren mehrstöckigen Büro- und Wohngebäuden bis hin zu Hochhäusern jedoch reichen die Dachflächen nicht zur Stromversorgung, geschweige denn zur Stromproduktion. Kein Wunder, dass die Fassade in den Blick rückt.
„Die Nutzung von Gebäudeoberflächen eröffnet ein riesiges Potenzial, die bebaute Umwelt zur dezentrale Erzeugung erneuerbarer Energie zu nutzen, um so Land und Landschaften zu schonen, zugleich die Gebäude in der EU im Rahmen der Sanierung auf einen besseren Stand zu bringen und eben dem europäischen Green Deal gerecht zu werden, der die Vor-Ort-Erzeugung von Strom als eine Hauptstrategie zur Verabschiedung des Kohlenstoffzeitalters vorgibt.“, erklärt Pierluigi Bonomo vom Institut für angewandte Nachhaltigkeit in der bebauten Umwelt der Südschweizerischen Hochschulen für Angewandte Wissenschaft und Kunst (SUPSI).
Zwar ist die Effizienz von Solarpanelen an einer Fassade je nach Sonneneinstrahlung 20 bis 30 Prozent geringer als auf dem Dach. Doch dieser Nachteil relativiert sich durch die wesentlich größere Fassadenfläche bei mehrstöckigen Häusern. Und, je tiefer die Sonne im Jahr steht, desto größer ist der Anteil der besonnten Fläche auf südlichen Fassaden gegenüber der Dachfläche.
„Bei Solarfassaden spielt die Leistungsoptimierung eine besonders wichtige Rolle, weil Teile der Anlage zeitweise im Schatten liegen werden. Statt herkömmlicher Moduloptimierer, also elektronischen Reglern für jedes einzelne Modul bietet SMA Wechselrichter mit integrierter Ertragsoptimierung. Dabei sucht der Wechselrichter den Punkt mit der aktuell höchsten Leistung auf der gesamten Fläche. So lässt sich das Energieangebot der PV-Module unter allen Bedingungen nahezu vollständig nutzen.“, erklärt Hannes Knopf, Senior Expert Standards & Committee Work bei SMA.
Solares Spektrum
Das typische Solardach mit seinen pragmatischen Platten ist vielleicht Wunderwerk der Technik, aber ästhetisch lässt es schon ein paar Wünsche offen. Insofern ist es verblüffend, was für Glanzstücke ambitionierte Designer und Architekten in aller Welt geschaffen haben, seit die Solarstromerzeugung an Häuserwänden in den Bereich des Möglichen, ja, sogar Notwendigen gerückt ist.
Pierluigi Bonomo sieht im Transfer der Photovoltaik auf Gebäude, einschließlich Dächer, Fassaden und Zubehörsysteme, „einen greifbaren Anlass für Innovationen in der zeitgenössischen Architektur und Photovoltaik. Es ist viel mehr als eine energetische oder technische Möglichkeit: Es ist eine neue Grundlage in der Gebäudeästhetik, -ethik und -technologie.“
Dabei sind drei grundsätzliche Herangehensweisen zu entdecken. An manchen Gebäuden sind die Solarmodule als solche zu erkennen, wirken aber einfach wie ein neutrales Gestaltungselement. Andere Gebäude lassen nicht im Mindesten erahnen, dass ihre Fassade Strom erzeugt – hier sind die Solarmodule so geschickt integriert, dass sie ein beliebiges Fassadenmaterial, etwa Glas, sein könnten. Gelegentlich machen sich die eingesetzten Solarmodule mehrfach nützlich, beispielsweise als Sonnenschutz. Und schließlich gibt es stolze Fassaden, deren Module bewusst in Szene gesetzt sind, sie schreien buchstäblich „Solar ist cool!“.
© Kingsgate House, London (Photo: P. Bonomo)
Kristallklare Vorzüge
Kristalline Solarzellen in einer Kunststoff- oder Gießharzschicht, Aluminiumrahmen, Glasabdeckung – so ist das klassische Solarmodul aufgebaut. Für Flächen mit direkter Sonneneinstrahlung, ganz typisch auf Steildächern, sind sie die erste Wahl. Aber auch ihre Anbringung an einer nach Süden ausgerichteten Gebäudewand kann sich schnell amortisieren. Der geringere Ertrag durch die kürzere Sonneneinstrahlung relativiert sich mit zunehmender Größe der nutzbaren Fläche.
Je nach Art der Herstellung schimmert die Oberfläche kristalliner Solarzellen bläulich oder wirkt dunkelblau bis mattschwarz. Dazu kommt die starre Bauweise der Module – beides lässt bei der Gestaltung der Fassade scheinbar keinen großen Spielraum. Für kreative Köpfe sind diese Einschränkungen aber offenbar nicht zwingend ein Hindernis.
Flexibler Chic
Bei Dünnschicht-Solarzellen ist die solaraktive Schicht im Vergleich zur kristallinen Zelle noch viel dünner. Deshalb können diese Zellen zwischen flexible Materialien, meist Kunststoff-Folien, laminiert und gebogen werden. Eine Weile lagen auf dieser Technologie große Hoffnungen. Sie schien prädestiniert für den Einsatz an Fassaden, denn Architekten könnten sie ganz nach ihren Vorstellungen auch an gekrümmten Flächen einsetzen und wären zudem wesentlich freier in der farblichen Gestaltung.
Doch haben sich flexible Dünnschichtmodule entgegen allen Erwartungen als Baustoff nicht durchgesetzt. Das bestätigt Dr. Friedrich Kessler, der am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) an flexiblen Solarzellen und -modulen forscht. „Es gibt schon Anwendungsfälle, aber das sind tendenziell eher ausgefallene Projekte.“ Er sieht ihre Zukunft vielmehr in mobilen oder temporären Anwendungen, die im Moment noch Nischenmärkte darstellen: „Beispielsweise um sie im Sommer auf Gewächshäusern auszurollen, wo sie zugleich emissionsfreien Strom liefern, den Boden beschatten und vor Austrocknung schützen. Diese Agri-Photovoltaik ist gerade sehr im Kommen. Oder im Freizeit- und Automobilbereich – überall, wo Beweglichkeit und/oder geringes Gewicht gefragt ist.“
Interessanterweise hat sich mit dem wachsenden Klimabewusstsein anscheinend die Haltung von Architekten und Planern zur kristallinen Solarzelle stark verändert: Was vorher pragmatisch vormontiert oder verborgen wurde, darf nun zeigen, was es kann: Schaut nur her, ich produziere erneuerbare Energie! Kristalline Solarmodule, die blau schimmernde, starre Platte liegt als sichtbare Solararchitektur im Trend.
Schnörkellose Produktivität
Bei der Nachrüstung bestehender Gebäude werden die klassischen Solarmodule meist auf Schienen vor die Gebäudewand gehängt, mit einigen Zentimetern Abstand für den erforderlichen Luftaustausch. Das schlagende Argument für die nachträgliche Ausstattung ist die lokale Versorgung des Gebäudes mit erneuerbarer Energie. Aber selbst für diese pragmatische Lösung gibt es ästhetische Beispiele.
Mit der großflächigen Photovoltaik-Anlage erzeugt der Rhein-Kai-Speicher 7 in Mannheim mehr Energie, als sein Betrieb verbraucht und darf sich somit Plus-Energiegebäude nennen.
Unsichtbares Kraftwerk
2018 entstand am Ufer des Zürichsees das Wohnhaus Solaris. Beim Bau des Wohnhauses Solaris am Ufer des Zürichsees war das Ziel der Architekten Adrian Berger, Erika Fries und Lukas Huggenberger, die Photovoltaik unsichtbar werden zu lassen. Was einfacher klingt, als es war. Denn das bedruckte und strukturierte Gussglas der Fassade sollte ja möglichst viel Sonnenlicht zu den darin eingebundenen Solarzellen durchlassen, damit sich die Photovoltaik lohnt.
Innerhalb nur weniger Jahre hat es bei der Entwicklung solcher Verbundglas-Module sprunghafte Fortschritte gegeben. Wer seine Solarzellen in der Fassade inkognito Strom produzieren lassen will, hat inzwischen reichlich Gestaltungsoptionen.
Die Fassaden dieses Wohnhauses in Zürich sind komplett mit Photovoltaik-Modulen verkleidet, die mehr Strom produzieren, als das Haus und seine Bewohner verbrauchen. Um einen „technoiden“ Ausdruck zu vermeiden, sind die Module der Fassadenverkleidung mit Karomustern keramikbedruckt.
Bei einem Projekt in Watford, London, hat die ÜserHuus AG, ein Spinoff der Hochschule Luzern, die Fassade mit einem horizontalen Band von PV-Modulen in den Farben der dahinterliegenden Materialien – Holz, Metall und Faserzement – versehen. Möglich ist dies dank eines speziellen digitalen Farbdrucks auf Glas in Kombination mit der besonders effizienten monokristallinen PV-Technologie.
Der rechte Winkel
Für eine maximale Energieausbeute kristalliner Solarzellen müssen die Module möglichst genau zur Sonne ausgerichtet sein. Ein gelungenes Beispiel der Superlative ist das Neue Rathaus Freiburg: Entlang seiner geschwungenen Fassade sind auf 13.000 Quadratmeter 880 je 100 Kilogramm schwere Solarmodule auf Metallelementen verbaut. In der Kombination von Solardach und -fassade ist es möglich, das Gebäude und seine Nutzer zu 100 Prozent mit eigenem Strom versorgen.
Doppelt nützlich
Solarmodule, die nicht nur nachträglich oder zusätzlich installiert werden, sondern in der Gebäudekonstruktion eine Funktion erfüllen, fällt unter den Begriff „gebäudeintegrierte Photovoltaik“ oder die international geläufige Abkürzung BIPV. Hier dient die Solartechnik als Baustoff, der Fassade und Bewohner vor Wind und Wetter schützt, ein Gebäude schattiert oder schallisoliert und dabei auch noch ästhetisch aussieht.
„Weil die gebäudeintegrierte Photovoltaik die Funktion von Energieerzeugern und zugleich von Baumaterialien übernimmt, ist sie im Kontext der Dekarbonisierung von Energiesystemen von besonderem Interesse. Das gilt insbesondere für dicht bebaute Umgebungen, wo traditionelle bodenmontierte Photovoltaik-Systeme schwer einsetzbar sind.“
– Emmanuel Rey
Bei immer mehr Neubauten wird die Solarfassade von Anfang an als konstruktives und gestalterisches Element mitgedacht. Diese integrierten Solarfassaden übernehmen die Funktionen einer herkömmlichen Fassade oder Fassadenverkleidung und produzieren Strom – was mitunter sogar die Baukosten senken kann.
„Schon heute hat die gebäudeintegrierte Photovoltaik einen hohen technischen Reifegrad erreicht.“, erklärt Pierluigi Bonomo, der neben der wissenschaftlichen Leitung des BIPV-Teams am Institut für angewandte Nachhaltigkeit in der bebauten Umwelt (SUPSI) für die Internationale Energieagentur an den Rahmenbedingungen für die Entwicklung von BIPV arbeitet. Mittlerweile fänden Architekten, Gebäudeeigentümer, Fassadenbauer und Immobilienentwickler „eine breite Palette an BIPV-Produkten, die wie jede konventionelle Gebäudehüllenlösung hergestellt und angepasst werden können.“
Jedenfalls ist deutlich zu beobachten, dass mit zunehmendem Interesse und Bedarf an klimafreundlich erzeugtem Strom überall neue Technologien und gestalterische Konzepte für integrierte Solarfassaden auf den Plan treten.
Ganz besonders der bewusste Einsatz der klassischen Photovoltaikmodule als Schattenspender liegt nahe, da sie mit ihrer dunklen Färbung nur einen Teil des Sonnenlichts durchlassen.
Kühne Kontur
Bei einigen Solarfassaden bildet die Solartechnik selbst das Profil des Gebäudes. „Die ressourcenschonende Energiegewinnung wird über eine skulpturale Fassade aus Photovoltaik-Elementen nach außen transportiert und so zum gebauten Identifikationsmerkmal.“. So beschreibt schreibt kadawittfeldarchitektur ihren Entwurf für das Energieeffizienz-Zentrum auf dem Campusgelände der Hochschule Niederrhein in Mönchengladbach.
Ebenfalls wie gefaltet wirkt die Solarfassade der Solar-Kita Marburg von opus Architekten aus Darmstadt. Hier wurden übrigens monokristalline Siliziumzellen in schwarzem Verbundsicherheitsglas verbaut.
© Eibe Sönnecken, opus Architekten BDA
© Eibe Sönnecken, opus Architekten BDAWie es weitergeht …
Pierluigi Bonomo sieht in der Entwicklung und Etablierung der gebäudeintegrierten Photovoltaik eine bedeutende Wettbewerbschance für Europa. Nachdem schon viele Hürden gefallen seien und während der letzten Jahre etliche Probleme gelöst werden konnten, besteht für den BIPV-Forscher aktuell die größte Herausforderung darin, „BIPV auf breiter Basis in realen Gebäuden zu demonstrieren, mit einer schlüsselfertigen Lösung und einem effizienten Prozess, der Leistung, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Replizierbarkeit kostengünstig sicherstellen kann.“
Genau daran arbeitet auch Prof. Emmanuel Rey, Leiter des Labors für Architektur und nachhaltige Technologien (LAST) an der Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Partner des Architekturbüros Bauart in Bern, Neuchâtel & Zürich, Schweiz. Er hat die Hürden erforscht, die einer massenhaften Umsetzung von BIPV im Wege stehen. Neben den hohen Anfangskosten und der Komplexität im Vergleich mit konventionellen Baumaterialien mangelt es ihm zufolge am öffentlichen Bewusstsein für BIPV und an der Bereitschaft der meisten Architekten, BIPV in ihre Entwürfe einzubeziehen. Dazu komme das Fehlen von Bauvorschriften und Normen oder deren Uneinheitlichkeit von Land zu Land, insbesondere für PV-Fassadenelemente – was das Risiko des Einsatzes neuartiger Technologien in der in der Wahrnehmung der traditionell konservativen Baubranche erhöhe.
Foto: Alain Herzog
Deshalb hat sich ein Team rund um Emmanuel Rey in dem interdisziplinären Forschungsprojekt ACTIVE INTERFACES mit der Integration von BIPV in Stadterneuerungsprozesse beschäftigt: „Die Fallstudien demonstrierten die große Bandbreite an möglichen architektonischen Ausdrucksformen, etwa verschiedene Farben und Texturen, die Umweltwirksamkeit und die wirtschaftliche Machbarkeit von Renovierungsprojekten mit BIPV.“
Mit Unterstützung des Schweizerischen Nationalfonds (NSF) im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms „Energiewende“ haben sie in Zusammenarbeit eine Advanced Active Façade entwickelt: „Dieses neuartige Konstruktionssystem für kohlenstoffarme Aktivfassaden ist als selbsttragendes, vorgefertigtes Holzskelett konzipiert, auf das innen eine Beschichtung, außen eine thermische Isolierung auf Zellulosebasis und maßgeschneiderte aktive Photovoltaik-Paneele montiert werden.“
Welche Rolle wird die gebäudeintegrierte Photovoltaik in der Zukunft einnehmen? Pierluigi Bonomo wagt einen Ausblick:
„Der Bausektor gilt als die Branche, die am zögerlichsten auf Innovationen reagiert. Allerdings hat es auch im Bausektor schon revolutionäre Wellen gegeben. Die heutige Welle bezieht sich auf den Übergang in die Nachhaltigkeit.“ Zu verdanken hätten wir sie nach Ansicht des BIPV-Experten einer Allianz zwischen öffentlicher Politik, Forschung und Industrie und einem vereinten Willen. „Es gibt viele Visionen und Szenarien zu der Frage, wie Gebäude in den Städten der Zukunft, in Bezug auf die städtische Infrastruktur und Urbanisierung aussehen und funktionieren könnten.“, sagt Pierluigi Bonomo. Er ist überzeugt: „Der Klimawandel, die post-pandemische Welt, die Digitalisierung und die neue Mobilität werden den Rahmen für eine Kombination von Strategien bilden. Die Photovoltaik ist nur eine Variable, aber sie wird die Zukunft der Gebäude prägen.“
Die Vielfalt aktueller Projekte und die aktive Forschung rund um Solarfassaden und BIPV jedenfalls beweisen: Das Thema Photovoltaik ist noch lange nicht ausgereizt.