Photovoltaik in Büro- und Gewerbebauten integrieren: Die „Solarfabrik der Zukunft“ in Nürnberg forscht an druckbaren Solarzellen.
Architektur und Stadtplanung müssen einen wesentlichen Beitrag leisten, wenn die Energiewende gelingen und der Klimaschutz vorankommen soll. Großes Potenzial steckt dabei in den Fassaden von Gebäuden: Sie könnten genutzt werden, um Solarstrom zu erzeugen. Eine Vielzahl von Bauprojekten aus den vergangenen Jahrzehnten zeigt, dass sich Photovoltaik-Module (PV-Module) in nahezu jede Fassadenkonstruktion einbauen lassen.
Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE) am Energie Campus Nürnberg (EnCN) leistet wichtige Beiträge, um diese Technologien weiterzuentwickeln. In der „Solarfabrik der Zukunft“ forscht das ZAE an neuen organischen Photovoltaik-Modulen (OPV), die sich noch besser in die Gebäudefassade integrieren lassen. Die Wissenschaftler arbeiten auch an Verfahren für die Herstellung dieser Module, die sich gleichsam ausdrucken lassen. Sie haben wichtige Vorteile: Leichtigkeit, hohe Flexibilität und Verfügbarkeit in verschiedenen Farben, Formen und Transparenzgraden.
Diese Vorzüge sind bedeutsam, um die Photovoltaik besser als bisher in Büro- und Gewerbegebäude zu integrieren. Zwar schätzen mehrere Studien das Potenzial an Fassadenflächen in Deutschland, die für die Integration von Photovoltaik geeignet sind, auf immerhin mehrere hundert Quadratkilometer. Aber bislang ist die effiziente Solarnutzung in Städten angesichts der dortigen verdichteten Bauweise durchaus eine Herausforderung. Die Integration der Solartechnik in Fassadenkonstruktionen muss also sehr genau geplant werden, zumal die Erträge bei vertikal angebrachten PV-Modulen – im Vergleich zu Solarzellen auf optimal ausgerichteten Süddächern – um bis zu 40 Prozent niedriger ausfallen können.
Hier kommen die Vorzüge der neuen organischen Photovoltaik-Module ins Spiel: Sie sind biegsam und lassen sich damit weitaus vielfältiger einsetzen als die klassischen starren Solarzellen, bei denen Architekten und Planer die fehlende Flexibilität hinsichtlich Formaten, Oberflächenwirkung und Farben bemängeln. Die neuartigen PV-Module eignen sich auch für die Stromerzeugung an Fassaden mit komplizierteren Geometrien, die auf den ersten Blick nicht dafür in Frage kommen.
Fassaden mit mehreren Funktionen
Flexible Einsatzmöglichkeiten der PV-Module sind auch deshalb gefragt, weil die Fassadenelemente der neuen Generation idealerweise nicht nur Strom produzieren, sondern auch andere Zwecke erfüllen sollen. Die Entwicklung geht deshalb weg von statischen Systemen und hin zu Systemen, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher beweglicher und steuerbarer Bauteile bestehen können – und sich damit je nach Sonnenstand nachführen lassen. Solche Fassadenelemente können weit mehr, als nur das Gebäude zu schützen: Sie erzeugen Energie und dienen als Sonnenschutz, je nach Ausführung sorgen sie darüber hinaus für ein angenehmes Raumklima und für optimale Lichtverhältnisse.
Möglich wurden solche Systeme auch durch neue innovative Leichtbauwerkstoffe. Einige Beispiele sind textile Verbundbaustoffe, nachwachsende Rohstoffe und biobasierte Kunststoffe – und eben Solar-Innovationen wie Dünnschicht- und organische Photovoltaik-Module. Diese Module bestehen im Wesentlichen aus halbleitenden organischen Polymeren und werden üblicherweise im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf Polymerfolie gedruckt. Man kann sie prinzipiell auch direkt auf Glas oder andere Materialien aufdrucken. Der Wirkungsgrad von OPV-Modulen, die auf dem Markt erhältlich sind, liegt derzeit noch bei fünf Prozent. Allerdings erreichten Solarzellen, bei denen neue Materialien eingesetzt wurden, im Labor vor Kurzem schon Wirkungsgrade von über 17 Prozent. Es sind also weitere Fortschritte bei der sogenannten bauwerksintegrierten Photovoltaik (BIPV) zu erwarten.
Flexibler Einsatz
Welches Potenzial haben die OPV-Module, die am ZAE entwickelt werden? Dieser Frage ging ein Master-Seminar der TH Nürnberg im vergangenen Sommersemester nach: Architekturstudenten bekamen die Aufgabe, eine Solarfassade für den Kopfbau des ZAE-Büro- und Forschungsgebäudes in Erlangen zu planen (Südgelände der Universität, Immerwahrstraße 2, Erlangen). Die Fassade solle nicht nur Strom erzeugen, sondern auch als Sonnen- und Blendschutz für die Innenräume dienen, so die Vorgabe. Zudem solle die Fassade so gestaltet werden, dass sie auf den Betrachter als weithin sichtbares Symbol für die ZAE-Aktivitäten in der Energieforschung wirkt. Vorgegeben waren auch diese Anforderungen: einfache Austauschbarkeit schadhafter PV-Module sowie Kapselung der OPV-Module, um sie vor Witterungseinflüssen zu schützen. Es galt also, funktionale und ästhetische Anforderungen zu verbinden.
Die Studenten-Teams schlugen eine ganze Reihe von unterschiedlichen Gestaltungen vor, z. B. ebene und gekrümmte Trägerkonstruktionen, Lösungen mit Stahlprofilen, Seilnetzen oder Membranen, ausgedruckte PV-Module mit band-, flächen- oder punktartigem Design usw. Damit zeigten sie auf, dass die Solarmodule vielfältige Konstruktionen und Designs zulassen. Es gibt also mannigfaltige Möglichkeiten, Photovoltaik und attraktive Architektur zu verbinden. Dies dürfte den erneuerbaren Energien auch in den Städten weiteren Auftrieb geben.
Prof. Dr. Roland Krippner ist Professor an der Fakultät Architektur der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm (roland.krippner@th-nuernberg.de). Dr. Hans-Joachim Egelhaaf ist Experte für Organische Photovoltaik am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE) im Energie-Campus Nürnberg (hans-joachim.egelhaaf@zae-bayern.de).
