Gebäudeintegration PV und Solarthermie

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1 Forum Holz Bau Energie Köln 09 Gebäudeintegration PV und Solarthermie Tilmann Kuhn 1 Gebäudeintegration PV und Solarthermie Tilmann Kuhn Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme ISE Freiburg, Deutschland

2 2 Gebäudeintegration PV und Solarthermie Tilmann Kuhn Forum Holz Bau Energie Köln 09

3 Forum Holz Bau Energie Köln 09 Gebäudeintegration PV und Solarthermie Tilmann Kuhn 3 Gebäudeintegration PV und Solarthermie 1. Einleitung 40% des Endenergiebedarfs in Europa wird von Gebäuden verursacht [JRC-IES, Ispra, Italy]. 80% dieses Energiebedarfs fallen beim Betrieb der Gebäude an, nur 20% werden für die Errichtung und die Entsorgung der Gebäude benötigt [FP7-call NMP Resource efficient and clean buildings]. Das Potential zur Verbesserung der Energieeffizienz und der Nutzung von regenerativen Energiequellen ist enorm. Hohe regenerative Deckungsraten lassen sich nur erzielen, wenn ein großer Teil der gesamten Gebäudehülle zur Energiegewinnung genutzt wird. Dies gilt sowohl für die photovoltaische, als auch für die thermische Solarenergienutzung. Insbesondere bei Verwaltungsgebäuden besteht ein großer Nachholbedarf, der sich häufig aufgrund der Gebäudetopologie (kleines Dach, große Fassade) nur über fassadenintegrierte Komponenten abdecken lässt. 2. Aktuelle Lage 2.1. Aktuelle Lage in der PV-Brance Die PV-Branche befindet sich seit einigen Jahren in einer Boom-Phase wobei die PV- Hersteller typische jährliche Wachstumsraten 30%-40% vorweisen können. Die Solarindustrie als ganzes ist 2008 um 67% gewachsen [Sarasin]. Es werden momentan auf allen Ebenen der solaren Wertschöpfungskette große Anstrengungen unternommen, um die Kosten zu senken. Das Ziel ist es, möglichst schnell Netzparität, also Preisgleichheit zwischen solaren Stromgestehungskosten und Strombezugskosten zu erreichen. Beispielsweise eröffnen sich bei der Herstellung von kristallinen Si-Zellen ganz neue Perspektiven durch weniger hochreines, aber deutlich billigeres umg-silizium [Eicke Weber, 23. Symposium Otti-PV, 2008]. Auch bei den nur wenige Mikrometer dicken Dünnschicht- Zellen (a-si, CdTe, CIS, CIGS, ) werden größte Anstrengungen unternommen, um die Lebensdauer zu erhöhen und den Preis der Solarzellen zu senken. Mit alternativen Solarzellenkonzepten wie Farbstoffsolarzellen oder organischen Solarzellen können die Herstellungskosten in fernerer Zukunft potentiell noch weiter gesenkt werden. Bei der übrigen Systemtechnik, die momentan rund 1/3 der Kosten ausmacht, schlägt vor allem der Wechselrichter zu buche, aber auch die verschiedenen Aufständerungs- und Befestigungssysteme. Hier konnten die Kosten seit 2002 um mehr als 50% gesenkt werden [Tim Meyer, 22. Symposium Otti-PV, 2007]. Weitere Kostensenkungen durch länger haltbare, billigere und effizientere Wechselrichter werden für die nächsten Jahre erwartet. Bei sinkenden Kosten für Solarzellen und Wechselrichter steigt die Bedeutung der Kosten für die übrigen Komponenten der PV-Module (wie z.b. die Glasabdeckung) und es wird zunehmend wichtiger, dass PV-Module die Funktion der Gebäudehülle übernehmen, wodurch klassische Bauteile entfallen können. Deshalb, und weil die ästhetischen Anforderungen immer mehr steigen, wird die funktionale und ästhetische Gebäudeintegration in Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Hinzu kommt ein starker politischer Druck, dass die Energiebilanz und die CO2-Bilanz von Häusern möglichst ausgeglichen ist (Nullenergiegebäude etc. ), was auch dazu führt, dass die Gebäude- und Fassadenintegration zunehmend wichtiger wird, weil auf vielen größeren Gebäuden nicht genug Dachfläche vorhanden ist, um den Energiebedarf zu decken. Den speziellen Anforderungen bei Fassaden- und Dachintegration (Diffuslicht, Verschattung, hohe Temperaturen, hohe Anforderungen an Ästhetik, niedrige Kosten pro m 2 Solarzelle) wird besonders die Dünnschichttechnologie gerecht. In Bezug auf die Langzeitstabilität sind kristalline Solarzellen im Vorteil.

4 4 Gebäudeintegration PV und Solarthermie Tilmann Kuhn Forum Holz Bau Energie Köln Aktuelle Lage Solarthermie Beim Markt für Solarthermie ergab sich im Jahr 2007 europaweit ein sehr uneinheitliches Bild. Während in den Niederlanden und in Italien mehr als 30% Marktwachstum zu verzeichnen war, der Markt in Slovenien um 74% wuchs und sich der Markt in Irland verdreifachte, ist der Solarthermie-Markt in Deutschland mit -37% regelrecht eingebrochen. [ESTIF, Solar thermal markets in Europe, June 2008]. Der Markt für Solarthermie folgte damit dem Baumarkt, bei dem die Zubauraten von Einfamilienhäusern ähnlich dramatische Rückgänge zu verzeichnen haben. Die Ursachen liegen vor allem in der ausgelaufenen Eigenheimzulage und der Erhöhung der Mehrwertsteuer. Erste, vorläufige Zahlen für 2008 zeigen, dass sich der Markt für solarthermische Anlagen in Deutschland wieder erholt hat und dass eine sehr starke Steigerung gegenüber dem Jahr 2007 erfolgt ist. Aus technischer Sicht sind im Hinblick auf die Gebäudeintegration einige interessante Entwicklungen am Markt aufgetaucht. Insbesondere wenn im Sommer keine Kühllasten anfallen und ein hoher solarer Deckungsgrad bei der Heizungsunterstützung erreicht werden soll, sind Fassadenanlagen sinnvoll. Durch die vertikale Einbaulage vereinfacht sich das Handling des sommerlichen Stagnationsverhaltens (wenn von den Kollektoren mehr Solarenergie zur Verfügung gestellt wird, als benötigt wird) und die winterlichen solaren Gewinne werden erhöht. Vor allem bei der Solarthermie wird der Trend in Richtung Komplettlösungen gehen (siehe Beispiel 3). 3. Beispiele Drei Beispiele sollen die aktuelle Lage verdeutlichen: 3.1. Beispiel: Glas/Glas PV-Module als Sonnen- und Witterungsschutz Abbildung 1 zeigt das Vordach vor einem Lebensmittelmarkt in Gelsenkirchen, bei dem die Belegung der Solarzellen im zentralen Bereich reduziert wurde, um so eine gleichmäßigere Ausleuchtung unter dem Vordach zu erreichen. Um die Kosten niedrig zu halten wurden aber nur zwei verschiedene Solarzellen-Belegungen verwendet anstelle eines kontinuierlichen Verlaufs der Belegungsdichte (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: Solarmodule an einem Lebensmittelmarkt in Gelsenkirchen; Quelle Scheuten Solar

5 Forum Holz Bau Energie Köln 09 Gebäudeintegration PV und Solarthermie Tilmann Kuhn Beispiel: Transparenter solarthermischer Fassadenkollektor Abbildung 2 zeigt eine patentierte Idee des Fraunhofer ISE, bei der ein semitransparenter solarthermischer Absorber in eine Verglasung integriert werden soll. Durch die winkelselektiven Transmissionseigenschaften der Löcher wird die hochstehende Sommersonne komplett absorbiert, wodurch sich neben einer höheren Absorbertemperatur eine sehr gute Sonnenschutzwirkung (g-wert < 0.10 angestrebt) und eine sehr gute Blendschutzwirkung ergeben soll (siehe Abbildung 2). Abbildung 2: Transparenter solarthermischer Fassadenkollektor in virtueller Realität. Patent Fraunhofer ISE, Bild: Copyright Michael Hermann, Fraunhofer ISE 3.3. Beispiel: Komplettlösung bestehend aus Fassadenkollektor, Wärmepumpe, Eisspeicher und Pufferspeicher Abbildung 3 zeigt einen thermischen Fassadenkollektor, mit dem sowohl die Solarstrahlung, als auch die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt werden kann. Wenn die Sonne scheint funktioniert der Kollektor wie ein normaler Solarkollektor. Wenn keine Sonne scheint kann mit einem Ventilator Umgebungsluft an einem Luftwärmetauscher an der Rückseite des Solarabsorbers vorbeigeblasen werden. Das System wird als Komplettlösung in Kombination mit einer Wärmepumpe, einem 300 Liter Eisspeicher und einem Warmwasser-Pufferspeicher angeboten. Durch intelligente Nutzung der verschiedenen Temperaturniveaus in den Speichern und am Kollektor werden solare Deckungsraten von über 80% angestrebt. Es wird erwartet, dass die Jahresarbeitszahl für die Wärmepumpe bei 5-7 liegt. Erste Ergebnisse des im Herbst 2007 begonnenen Feldtests sind vielversprechend. [Ulrich Leibfried, 18. Symposium Otti-Thermie, 2008]

6 6 Gebäudeintegration PV und Solarthermie Tilmann Kuhn Forum Holz Bau Energie Köln 09 Abbildung 3: Thermischer Solar-/Luft Hybridkollektor, Bild: Consolar, Lörrach. 4. Fazit Es besteht Bedarf für die multifunktionale Nutzung der physikalischen Eigenschaften bereits existierender Komponenten und für neue Komponenten mit zusätzlichen Nutzungsaspekten. Beispiel: Komplettlösung bestehend aus Fassadenkollektor, und Pufferspeicher Wärmepumpe, Eisspeicher