Gebäudeintegrierte Photovoltaik - Thomas Stark
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22.03.2021
Gebäudeintegrierte Photovoltaik
Thomas Stark
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Kontakt:
Thomas Stark
Prof. Dr.‐Ing. Architekt
HTWG Konstanz
Fakultät Architektur und Gestaltung
Fachgebiet Energieeffizientes Bauen
T 07531 – 206 191
stark@htwg‐konstanz.de
ee concept GmbH
Spreestraße 3
64295 Darmstadt
T 06151 ‐ 667 860‐0
stark@ee‐concept.com
1
22.03.2021
Struktur
Teil 1: Warum BIPV?
Teil 2: BIPV‐Grundlagen
Teil 3: BIPV‐Architektur
Teil 4: Ausblick
Teil 1
Warum BIPV?
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22.03.2021
Erneuerbare Energie
Windenergie Biomasse Wasserkraft Umweltwärme Solarwärme Solarstrom
© diverse
Heizsysteme der Zukunft: Sektorenkopplung durch Wärmepumpen
© Stiebel‐Eltron
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22.03.2021
Entwicklung der Nutzung Erneuerbarer Energie in der Stromerzeugung in D
© Agora Energiewende
Entwicklung der Nutzung Erneuerbarer Energie in der Stromerzeugung in D
© Agora Energiewende
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22.03.2021
Bruttostromerzeugung in Deutschland
Photovoltaik
aktueller Beitrag (2019): ca. 47 TWh
angestrebter Beitrag: * ca. 201 TWh
erforderliche Fläche: ** ca. 1.200.000.000 m²
Vergleich:
‐ entspricht 15 m² pro Person
‐ entspricht 30 m² pro WE
‐ jährlich installierte Dachziegel in D: 40.000.000 m²
* Fraunhofer ISE 100% Szenario 2017 ** bei ca. 125 kWh/m²
© T. Stark
© BayWa / Fraunhofer ISE
5
22.03.2021
Argumente für die Gebäudeintegration von Photovoltaik:
Durch die zusätzliche Nutzung ohnehin erforderlicher bzw. vorhandener Fläche entsteht
ein hohes Maß an Synergie (Steigerung der Flächeneffizienz).
Das Solarelement kann Funktionen von Dach‐ und Fassadenbauteilen übernehmen und
ermöglicht somit eine Einsparung von Ressourcen für die Herstellung konventioneller
Baumaterialien (Steigerung der Material‐ und Energieeffizienz).
Ebenso wird in diesem Fall eine Einsparung von Investitions‐ und Unterhaltskosten
konventioneller Baukomponenten ermöglicht (Steigerung der Kosteneffizienz).
Durch die unmittelbare Energieerzeugung am Gebäude ist ein hohes Maß an
Eigenverbrauch möglich (Steigerung der Netzdienlichkeit).
Dies kann durch die Einbindung in Gebäudeenergiekonzepte mit strombasierter
Wärmeversorgung und Elektromobilität zusätzlich optimiert werden (Steigerung der
Sektorenkopplung)
Argumente für die Gebäudeintegration von Photovoltaik:
Photovoltaik beeinflusst als sichtbare Technologie zunehmend unsere gebaute Umwelt.
Sie wandelt sich vom reinen Baustein der Energieerzeugung sukzessive zu einem
Element der Baukultur, die es gemeinsam für das solare Zeitalter zu gestalten gilt.
Die eingangs genannten Ausbauziele beschreiben in ökonomischer Hinsicht ein kommendes
Marktvolumen von bis zu 150 Mrd. Euro.
Die Gebäudeintegration von Photovoltaik unterstützt hierbei durch das erforderliche
Engineering und individualisierte Produkte eine lokale Wertschöpfung ganz wesentlich.
6
22.03.2021
„Die Photovoltaik hat nur
eine Zukunft, wenn sie sich
harmonisch in die Architektur
integrieren läßt“
© C. Fritts
„Die Photovoltaik hat nur
eine Zukunft, wenn sie sich
harmonisch in die Architektur
integrieren läßt“
Charles Fritts, 1880
© C. Fritts
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22.03.2021
Teil 2
BIPV‐Grundlagen
Solararchitektur 2021…
© diverse
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22.03.2021
Photovoltaikmodule als Bauelement
Typische Angaben:
• Zelltyp (kristallin / Dünnschicht)
• Modulgröße in cm (typisch: 100 cm x 170 cm)
• Nennleistung in kWp (typisch: ca. 310 Wp pro Modul = 180 W/m²
Stromertrag abhängig von Installation, typische Maximalwerte sind
1.000 kWh pro kWp oder 180 kWh pro m²
© sunways /Würth Solar
Aktive Solararchitektur
© Ove Arup, London
9
22.03.2021
Beispiele für geeignete Dachflächen
Schrägdächer Atrien
Sheddächer Verkehrswege
Flachdächer Freiflächen
Freiformen
© T. Stark
Beispiele für geeignete Fassadenflächen
Kaltfassade Sonnenschutz
Brüstungsbereich Lamellen
Verglasungen Glasvorbauten
Absturzsicherung
© T. Stark
1022.03.2021
Solare Einstrahlung nach Ausrichtung
© T. Stark
Einfluss Verschattung
© T. Stark
1122.03.2021
Informationsportale
© T. Stark
www.allianz‐bipv.org
1222.03.2021
www.solarage.eu
www.sev‐bayern.de
1322.03.2021
www.pvaustria.at
www.solarchitecture.ch
1422.03.2021
Teil 4
BIPV‐Architektur
Schwarzwaldhaus Fischbach
© Schaller‐Sternagel Architekten, Allensbach
1522.03.2021
© Braas
© SUNSTYLE, Ostermundingen (CH)
1622.03.2021
Halle Design S, Pulling
© Deppisch Architekten, Freising
Bürogebäude Q‐Cells, Berlin
Q‐Cells, Berlin
• BHSS Architekten
• Fassadenelemente aktiv
• kristalline Technik
Quelle: Colt International
© BHSS Architekten, Leipzig
1722.03.2021
Bürogebäude Sto AG, Stühlingen
© Orange Blu Architekten, Stuttgart
Technisches Rathaus, Freiburg i.Br.
© Ingenhoven Architects, Düsseldorf
1822.03.2021
Technisches Rathaus, Freiburg i.Br.
© Ingenhoven Architects, Düsseldorf
St. Trinitatis, Leipzig
© Schulz + Schulz Architekten, Dresden
1922.03.2021
E+ Kita, Marburg
© Opus Architekten, Darmstadt
E+ Kita, Marburg
© Opus Architekten, Darmstadt
2022.03.2021
Zentrum Tobel (CH)
Schweizer Solarpreis 2019
© Fendt Solare Architektur, Will (CH)
Gemeindezentrum Ludesch (A)
© Hermann Kaufmann + Partner, Schwarzach (A),
2122.03.2021
Parkhaus Dräxlmaier Gruppe, Vilsbiburg
© Solarwatt
© Solarwatt
2222.03.2021
Chemiegebäude TU Wien (A)
BIPV‐Award Österreich 2018
© Architekten Kratochwil‐Waldbauer‐Zeinitzer, Wien
Kastell‐Grundschule, Ellwangen
© Freiheit Consulting
2322.03.2021
©Freiheit Consulting / Stadt Ellwangen
Abwasser‐Reinigungsanlage Chur (CH)
© Bundesamt für Energie BFE (CH)
2422.03.2021
Wirtschaftlichkeit
Bewertung der Wirtschaftlichkeit ist nicht trivial und u.a. abhängig von
den Kosten des Solarelements (Sondermaße, Zelltechnologie, spez. Leistung,
Montageart etc.)
den Kosten des konventionellen Alternativproduktes (Dachziegel,
Natursteinfassade etc.)
dem Energieertrag (Orientierung, Neigung, Verschattung etc.)
dem Wert der erzeugten Energie (Einspeisung, Eigennutzung, ggf.
Direktvermarktung etc.)
© T. Stark
Wirtschaftlichkeit
Vereinfachung: Ein solaraktives Bauelement kostet:
bei Standardmodulen ca. 150 €/m² (Systemkosten)
bei individuellen Modulen nach Maß bis zu 600 €/m²
Wichtig: vergleichbar sind nur effektive Mehrkosten
(Unterkonstruktion, Montage, Alternativprodukt etc.)
© T. Stark
2522.03.2021
Wirtschaftlichkeit
Vereinfachung: Ein solaraktives Bauelement erwirtschaftet
je nach Technologie und Orientierung 50 bis 200 kWh/m²a
bei durchschnittlich 0,15 €/kWh sind dies 7,50 bis 30,‐ €/m²a
nach 20 Jahren: 150,‐ bis 600,‐ €/m²
© T. Stark
Teil 4
Ausblick
2622.03.2021
Solaxess BIPV‐Folien
© Solaxess
Solaxess BIPV‐Folien
© Solaxess
2722.03.2021
Aktuell: Initiative für Bauwerkintegrierte PV‐Anlagen
(BIPV) Baden‐Württemberg
Ein Kooperationsprojekt der Partner
• Architektenkammer Baden‐Württemberg (AKBW)
• Hochschule Konstanz (HTWG)
• Zentrum für Sonnenenergie und
Wasserstoff‐Forschung BW (ZSW)
• Fraunhofer‐Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Ziel: Förderung der BIPV als Beitrag für einen klimaneutralen Gebäudesektor
2050, Ausbau erneuerbarer Energien bei baukultureller Verträglichkeit, Nutzung
von Synergieeffekten und Stärkung der regionalen Wirtschaft.
Projektstruktur
Ausblick:
• Fertigstellung Leitfaden: Sommer 2021
• Begleitung der Pilotprojekte: 2020 ‐2023
• Fertigstellung der BIPV‐Richtlinie BW: 2023
2822.03.2021
Zusammenfassung
• Photovoltaik ist neben der Windkraft die zentrale Schlüsseltechnologie der
Energiewende
• Strom ist daher der wichtigste (Primär‐) Energieträger der Zukunft
• Die Elektrifizierung der Wärmeversorgung (und Mobilität) ist auf dem Weg
• Photovoltaik ist dezentral einsetzbar und erfordert ein hohes
Flächenpotenzial
• Die synergetische Nutzung von baulichen Flächen ist in diesem
Zusammenhang eine wichtige Aufgabe
• Mit der Einbindung in das Energiekonzept von Gebäuden und Quartieren
können CO2‐positive Lösungen realisiert werden
• Photovoltaikmodule sind als Bauelemente geeignet und weisen bereits
aktuell eine hohe gestalterische Bandbreite auf
• Baurechtliche und planerische Aspekte sind aktuell noch Hürden im
Bauprozess
• Bei günstigen Randbedingungen sind BIPV‐Lösungen wirtschaftlich
realisierbar
© Solaxess
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