Potenziale Bauwerkintegrierter Photovoltaik

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1 Potenziale Bauwerkintegrierter Photovoltaik Dr. Ingrid Lützkendorf IAB Weimar ggmbh Jena: Jahrestagung Energieberatung 2014 Klimaschutzstiftung Jena Thüringen 1

2 Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gemeinnützige GmbH Baustoffe Technische Systeme Nachhaltiges Bauen Beton und Mörtel Keramische Rohund Werkstoffe Zementfreie Werkstoffe 2 Fertigteiltechnik Infrastruktur Mess /Automatisierungstechnik Simulation Bionik Fertigbau Energie Umwelt

3 Fachgruppe Bauwerkintegrierte Photovoltaik Bau und Photovoltaik Branche gemeinsam für die Energiewende: Multifunktionale bauwerkintegrierte Photovoltaik. bausysteme.de/index.php/photovoltaik 3

4 Agenda Photovoltaik Branche (D) 2013/14 Gebäude der Zukunft PV Markt im Wandel BIPV multifunktionales Bauelement BIPV Ausgangssituation / Stand / Marktangebot BIPV Hemmnisse / Potenziale / Aufgaben Fazit 4

5 Wir lieben Kernfusion! Die Kernfusion auf der Sonne liefert stündlich die Energie, welche die Menschheit jährlich verbraucht! [nach Golle, Extrawatt] 5

6 Ausgangssituation PV Module PV Anlagen als Renditeobjekt Umweltbeitrag zur unabhängigen Selbstversorgung als Versicherung gegen steigende Strompreise SOLON AG 6

7 PV Branche in Deutschland 2013 Entwicklung der PV Installation [BSW Solar] Jährlich neu installierte Leistung in MWp seit

8 Alternative BIPV PV Anlagen bauwerkintegriert für energieaktive Gebäudehüllen Sonnenhaus Institut e. V. SCHOTT AG 8

9 Gebäude der Zukunft Gebäude der Zukunft sollen höchste Energieeffizienz aufweisen EU Gebäuderichtlinie: Niedrigstenergiehäuser ab 2021 vor Ort vorhandene Energie nutzen aktive Rolle im Stromnetz übernehmen (Netzeinspeisung) SCHOTT Solar AG 9

10 Gebäude der Zukunft Bauwerke vom Energieverbraucher Energieerzeuger Solarfläche demonstriert den Energiebedarf von Gebäuden SCHOTT Solar AG 10 Potenziale bauwerkintegrierter Photovoltaik, Dr. I. Lützkendorf IAB Weimar ggmbh,

11 PV Markt im Wandel Zentrale Rolle der Solarenergie am Bau ohne BIPV keine Energie Plus Gebäude Höhere Gebäude (mit geringer Dachfläche) können die neuen Kriterien nur erfüllen, wenn sie Photovoltaik und Solarthermie in die Fassade integrieren Herausforderung Bauwerkintegration: energiesparende + energieerzeugende Bauteile Fassade/Dach SCHOTT Solar AG 11

12 PV BIPV Zukunftsmarkt BIPV Neue Marktpotenziale für Bau + PV Industrie dafür erforderlich: konventionelles Modul multifunktionales PV Bauteil erzeugt PV Strom erfüllt alle Funktionen als Bauteil und erzeugt PV Strom Beitrag zu Betriebskostensenkung und Refinanzierung 12

13 Multifunktionales PV Bauteil PV Modul ersetzt herkömmliches Bauteil der Gebäudehülle Dachdeckung Ziegel PV Bauteil Würth Solar 13

14 Marktangebot BIPV Neubau BIPV beim Bauen im Bestand Vorgehängte hinterlüftete Fassaden Dacherneuerung Aufstockung Balkonbrüstungen Fensterläden Vordächer 14

15 PV Markt im Wandel BIPV Potenzial: [BVBS/FG BIPV] ca km² Gebäudehüllflächen Fassaden und Dächer ca. 300 GW PV Leistung ca. 900 Milliarden Umsatzpotenzial davon 1/3 im Bauwesen SCHOTT Solar AG 15

16 BIPV BIPV auch bei nicht optimaler Ausrichtung zur Sonne geringerer Gesamtertrag, höhere spezifische Kosten, aber gleichmäßigere Einspeisung (bessere Netzintegration) West u. Ost Fassaden liefern Spitzen morgens + abends SCHOTT Solar 16

17 Architektur / Stadtbild BIPV verbergen, unauffällig einordnen oder betonen/motiv Grenzen für BIPV beim Bauen im Bestand Gestaltungssatzg./Denkmalpflege Traglastreserven Verschattung Haustechnik, wenn keine Totalsanierung dennoch Erreichen der Ausbauziele erfordert auch Nutzung des Gebäudebestands 17 SCHOTT Solar AG

18 BIPV Hemmnisse (1) Informationsdefizite, Vorurteile, Falschinformationen, fehlende baurechtliche Nachweise Verunsicherung v. Herstellern/Investoren/Planern/Behörden fehlende bautechnische Kenndaten und Datenblattangaben fehlende Standard Prüfverfahren für PV Bauelemente Kommunikationsdefizite (Zusammenarbeit / Kompromissbereitschaft) überschätzte (Mehr )kosten, hohe Investitionskosten, hoher Planungsaufwand ungenaue Vorstellungen über Kosten / Kompensationskosten / wirtschaftliche Einsparpotenziale 18

19 BIPV Hemmnisse (2) PV Systeme von PV Branche vordergründig unter Aspekten elektrische Sicherheit und Leistung betrachtet Baurechtliche Anforderungen damit nicht abgedeckt Fehlende Zulassungen von PV Bauteilen neu: 4 deutsche PV Fassadenelemente mit abz (allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung, PV VSG; 2 x für Österreich) Bauzulassungen Anforderungen komplex, hoher Zeit und Kostenaufwand Alternative ZIE (Zustimmung im Einzelfall) Kostendeckel in der Wohnbauförderung keine verlässlichen Rahmenbedingungen (Politik, EEG ) Immobilienbetreiber brauchen Planbarkeit BIPV braucht exaktes Timing 19

20 PV Bauwerkintegration Marktangebot Merkmal Dach Integration Fassaden Integration Standardisierungsgrad hoch gering Energieertrag 80 % 100% 70 % Planungsaufwand moderat hoch PV Module Standardmodule Sondermodule Gestalterischer Anspruch hoch sehr hoch Baurecht (in Deutschland) geregelt: Anlagen bis 2 m² [BRL B, Teil 2] abz (ZiE) erforderlich [BRL B, Teil 2] Gegenüberstellung dach und fassadenintegrierter PV Anlagen [unter Verwendung von H. Hartwig/Ernst Schweizer AG] Sonnenhaus Institut e. V. 20

21 Abbau Hemmnisse FuE Aktivitäten Verbundprojekt MULTIELEMENT (Fraunhofer IWES) Multifunktionale PV Bauelemente in der Gebäudehülle 15 Partner aus Industrie + Wirtschaft + FuE Ermittlung Modul Eigenschaften brandtechnische. E. mechanische + thermische E. elektrische E. schalltechnische E. Baurechtliche Einordnung Berücksichtigung BIPV am Gebäude Gesamtenergiebedarf Kompensationskosten www. pv multielement.de 21

22 Architektur Ziel: strom erzeugende Bauelemente für Gebäudehülle Schön bauen oder billig Strom erzeugen? [Ernst + Stark, Banz, 03/2013] BIPV braucht Massenprodukte als Bauteile für Gebäudehüllen Fertighausproduzenten (Japan): Kostenvorteil aufgrund Massenproduktion serienmäßige Ausstattung der Häuser mit PV Systemen, Wärmepumpe, Belüftungsanlage und wärmebrückenfreier Dämmung BIPV braucht Harmonie / ansprechende Architektur SOLARWATT 22

23 Architektur Die Photovoltaik hat nur eine Zukunft, wenn sie sich harmonisch in die Architektur integrieren lässt. AIG Gotha GmbH 23

24 Architektur Die Photovoltaik hat nur eine Zukunft, wenn sie sich harmonisch in die Architektur integrieren lässt. Charles Fritts Physiker 1880 AIG Gotha GmbH 24

25 Gestalterische Integration architektonische Integration der BIPV problemlos möglich solaraktive Bauelemente als Einheit von Technik und Ästhetik erzeugen neue architektonische Ausdrucksformen neuen Nutzerkomfort und Nachhaltigkeit BIPV = Herausforderung für kreative Architekten 25

26 PV Technologien / Materialien Kristall. Silizium Dünnschichtmodule Glas Folie Module asi/μcsi/cdte/cis/cigs Glas Glas Module auf Glas, Metall, Kunststoffen Organische PV Polymere niedermolekular ( Farbstoffzellen) Biohaus Würth Solar BELECTRIC Modul Wirkungsgrade (Serie) 16 20,4 % Modul Wirkungsgr. (Kleinserie) 5 8 % CENTROSOLAR Modul Wirkungsgrade (Serie) 7 14,5 % [DGS, Daten aus diversen Quellen, 09/2012+] 26

27 Gestalterische Freiräume nutzen! Vielzahl von Modulen und innovativen und leichten Montagesystemen am Markt Viele Formate, Formen, transparente, farbige, auch flexible Module Dummies für Randabschlüsse und verschattete Bereiche Modulaufbau je nach Bedarf Glas Folie Module, VSG Dünnglas Module, VSG Isolierglas Module 27 ISET

28 Photovoltaik Bauelemente / Konstruktion Glass Glass Module Development potential, e.g. application of thin glass ( 2,6 mm) ertex solar Glass Folie Module SCHOTT AG Flexible M.auf unterschiedl. Trägermat. 28 biohaus flexcell

29 Konstruktionssysteme, z. B. alwitra SOLARWATT Solarwatt Modulrahmen = Montagesystem 29 Solarwatt

30 Vorgehängte hinterlüftete (PV ) Fassade KONVORTEC 30

31 Kassettenmodul Soltecture sulfurcell 31

32 Kompositpaneel StoVerotec Photovoltaic StoVerotec PV Panel mit Würth Solar CIS Modul (Ventec/Manz) TU Dresden 32

33 BIPV in der Bestands Modernisierung StoVerotec PV Panel mit Würth Solar CIS Modul (heute: STO Ventec/Manz) AIG Gotha GmbH Architekten + Ingenieure gotha.de 33

34 BIPV in der Bestands Modernisierung AIG Gotha GmbH Architekten + Ingenieure gotha.de 34

35 Perspektive: Organische Photovoltaik OPV bereits im Produktionsprozess leicht in herkömmliche Bauelemente integrierbar kostengünstig durch Druckverfahren flexibel, transparent, leicht, recycelbar bessere Lichtausnutzung als kristalline PV Designfreiheit: SOLARTE. OPV in Glasbauelementen 35 Europaweit 1. OPV Projekt: Werbeturm BELECTRIC / mainova AG + Partner SOLARTZENSION Frankfurt /Main 2013, Belectric SOLARTE. BELECTRIC +BGT 2014, Belectric

36 Fertigteile Riffel, HeidelbergCement Ertex Solar 36 TiComTec GmbH Ertex Solar

37 Lärmschutzwände, Carports, Stadien Wallisellen TNC Feldmeilen, hwp Conergy alwitra CENTROSOLAR 37

38 Vielzahl baurechtliche Anforderungen Bauproduktenrichtlinie Bauordnungsrecht Bauregellisten (BLR) Landesbauordnungen (LBO) Bebauungsplänen Gestaltungssatzungen Denkmalschutzrecht Energiewirtschaftsgesetz Deutsches Dachdeckerhandwerk Regelwerk Normen... SunTechnics 38

39 BIPV Potenzial Nutzen BIPV erschließt sich über ihre Multifunktionalität BIPV erfüllt alle Funktionen als Bauteil der Gebäudehülle und erzeugt zusätzlich Strom Energieaktive Bauwerkhüllen leisten Beitrag zu ihrer Refinanzierung zur Betriebskostensenkung des Bauwerks Als Teil der Anlagentechnik positiven Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz eines Gebäudes (Senkung des Primärenergiebedarfs); ermöglichen das Plus zum Plus Energie Haus Beitrag (für Investoren) zur unabhängigen Selbstversorgung mit Strom und zur Versicherung gegen steigende Strompreise Imagegewinn / sichtbares Zeichen zum Umweltschutz 39

40 BIPV Potenzial Chance und Herausforderung: Bauwesen + PV Branche + FuE gemeinsam für die Energiewende multifunktionale bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV) Gebäudeintegration als ganzheitliche Architekturaufgabe: Funktion + Konstruktion + Gestaltung Innovation durch Kooperation von Bauindustrie +Solarindustrie (Halbzeugherstellern) gemeinsame Produktentwicklung BIPV 40

41 IAB Forschung & Entwicklung zu BIPV Multifunktionale Leichtbauelemente Solaraktive Hybridelemente für die Gebäudehülle Alu Sandwich mit Wabenkern und Trägermedien Solarstrom und Abwärmenutzung im Gebäude Photovoltaik auf Aluminium Wärmetauscher Modul 1 x 3 m, werkseitig vorgefertigt bis 1 x 9 m Elektrische Leistung: ca. 155 W/m² Thermische Leistung: W/m² Partner: GSS Gebäude Solarsysteme GmbH IWE GmbH & Co. KG (Innovativer Werkstoff Einsatz) SLT Schanze Lufttechnik GmbH Förderung: BMWi/AiF, ZIM KF 41

42 Aufgaben BIPV Wissen + Akzeptanz zu BIPV Bauelementen schaffen bei Kunden Abbau Technologieängste Planern Multiplikatoren Architekten und Solar Ingenieure brauchen mehr Wissen/Kommunikation zu Effektivität und Kostenfolgen ihrer Entwurfs Entscheidungen Ausnutzung und Kommunikation der Multifunktionalität der BIPV überzeugende Gestaltung frühzeitige interdisziplinäre, Gewerke übergreifenden Zusammenarbeit gemeinsame Sprache, regelmäßige Kommunikation Klärung Schnittstellen 42

43 BIPV Fassade, BMBF Neubau, Berlin 2014 BIPV selbstverständlich als ein Fassadenmaterial! Anlagenplanung: MR SunStrom GmbH Module: GSS Gebäude Solarsysteme 43

44 BIPV Aufgaben von zeit /kostenintensiven Sonderlösungen zu Standard BIPV Baukomponenten System Integration statt Komponenten Addition Nutzung vorhandener Einbautechniken + Vertriebswege Angebot Komplettsysteme BIPV+ Rundum sorglos Pakete für Installateure Garantie und Servicepaket SOLARWATT 44

45 BIPV Aufgaben BIPV als Bauprodukt erforderlich: klare Leitlinien, baurechtlich relevante Prüfvorgaben für die technische Entwicklung Entwicklung von Prüftests Bereitstellung der Kenndaten der BIPV Dokumentation im Produktdatenblatt Bauordnungsrechtliche Sicherheit Entwurf EN für PV im Bauwesen verweist auf 58 weitere EU Normen Regelung der dezentralen Nutzung im Energie und Immobilienrecht BIPV wird wirtschaftlich bei hoher direkter Nutzung/Eigenverbrauch 45

46 BIPV Tasks verlässliche politische Rahmenbedingungen, Planungssicherheit gute Referenzobjekte Schott Solar ARNOLD GLAS 46

47 BIPV Fazit Energiewende?! Klimaziele und Versorgungssicherheit durch energetische Optimierung von Gebäuden BIPV multifunktionale, energieaktive Bauwerkhüllen Zukunftsfähige Solararchitektur + energetische Nutzung der Gebäudehülle + konstruktive Lösung + überzeugende Gestaltung Funktion BIPV Gestaltung Konstruktion Bauwesen + PV Branche + FuE Gemeinsam für die Energiewende! 47

48 BIPV Potenzial iroof alwitra SOLTECTURE Centrosolar Masdar PV Sun Technics SOLARWATT SCHOTT SOLARWATT 48

49 Danke für die Aufmerksamkeit! Dr. Ingrid Lützkendorf 0049 / 3643 / i.luetzkendorf@iab weimar.de IAB Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gemeinnützige GmbH Über der Nonnenwiese Weimar weimar.de 49 AIG Gotha GmbH

50 Kosten für BIPV Fassaden (1) Bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV) Als konstruktive Komponente des Gebäudes übernehmen multifunktionale bauwerkintegrierte PV Bauelemente die notwendigen Funktionen der Gebäudehülle, z. B. Wetter, Wärme, Brand, Schall sowie Strahlenschutz und generieren außerdem elektrische Energie. Darüber hinaus können sie Funktionen wie elektro magnetische Kommunikation (Planarantennen in Fassaden) oder Tageslichtmanagement (Abschattung, Lichtlenkung) mit übernehmen, für die üblicherweise zusätzliche Bauteile eingesetzt werden müssten. Wird das integrierte PV Modul demontiert, müsste es durch eine geeignete Gebäudekomponente ersetzt werden. Integrierte PV Bauelemente sind Gestaltungselemente von Fassaden und Dächern. Als Teil der Anlagentechnik haben sie einen positiven Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz eines Gebäudes, senken dessen Primärenergiebedarf und ermöglichen das Plus auf dem Weg zum Plus Energie Haus. Der Nutzen bauwerkintegrierter Photovoltaik erschließt sich über ihre Multifunktionalität. Die BIPV erfüllt alle Funktionen als Bauteil der Gebäudehülle und auch darüber hinaus und erzeugt zusätzlich Strom. Über die Energiegewinnung lässt sich ein Teil der Investitionskosten refinanzieren. Zur realen Kostenabrechnung müssen die Lebenszykluskosten herangezogen werden. Das gilt auch im Kostenvergleich zu herkömmlichen Fassaden bzw. Bauteilen. Energieaktive Bauwerkhüllen leistet einen Beitrag zur Betriebskostensenkung des Bauwerks und zur Refinanzierung der Gebäudehülle. Für Investoren dient die BIPV ebenso zur unabhängigen Selbstversorgung mit Elektrizität bzw. zur Versicherung gegen steigende Strompreise wie auch als sichtbares Zeichen zum Umweltbeitrag. Grundsätzlich muss jedes Projekt individuell betrachtet werden, da die verschiedenen Parameter (Lage, Ausrichtung, Verschattung, Wandaufbau, etc.) deutlich voneinander abweichen. Preise sehr abhängig von den Stückzahlen Kompensationskosten und Stromertrag/Refinanzierung beachten! Südfassade in Deutschland Ertrag von ca. 90 kwh/m². bei 300 m² Energiefassade Energieertrag von kwh Abhängig von den Stromkosten des Betreibers Ertrag pro Jahr + pro m² berechenbar. Amortisation der höheren Anfangskosten für die Fassade nach 8 15 Jahren, je nachdem mit welchem Strompreisanstieg und welchen Stromkosten kalkuliert wird. Kompensationskosten vielschichtig (z.b. Sonnenschutz oder Zuschüsse aufgrund von besseren Gebäudezertifizierungen insbesondere im Ausland ein Thema, u.a.) 50

51 Kosten für BIPV Fassaden (2) Stand 07/2014, Angaben der BIPV Partner (anonymisiert) Firma A Standardfassadensystem BIPV mit Glas Glas Modulen als Vorhang Fassadensystem Angebot an Installateure für ca. 550, /m² (Module mit Unterkonstruktion, zuzgl. Betonanker bzw. Fassadenanker, je nach Material der Wand) Komplett installiert für Endkunde: ca. 700, bis 750, /m² (also ca. 5,30 /Wp) Das liegt immer noch im Rahmen einer klassischen Glasfassade, ohne dass diese Strom erzeugen würde. Firma B Energiefassade: vergleichbare Glasfassade hochwertige Aluminiumfassade: Steinfassade (z.b. aus Mamor): Preise jeweils ohne Anschlüsse 450, bis 550, /m² ist vergleichbar oder günstiger als ca. 260 EUR/m² (+/ 50 EUR/m² ca. 335 EUR/m² (+/ 50 EUR/m²) und sehr viel höher; Firma C Fassaden Kosten Kaltfassade: große Bandbreite: /m². Die großen Unterschiede ergeben sich bei der mechanischen Anforderung spez. Windlasten und Halterungen und bei der Stückzahl gleicher Module. bei Einzelstücken auch /m². bei Warmfassaden noch teurer aber auch z.t. sehr edel Firma D BIPV Fassadenmodul mit Siebdruck u. Doppelglas: Firma E Bsp. Bürogebäude: PV Fassade (VHF): aus Literatur: 300, bis 400, (450, ) /m² netto 520, /m² ca. 600, /m² für vorgehängte PV Fassade 51