Gebäudeintegrierte Photovoltaik (GIPV/BIPV) Gerd Becker Solarenergieförderverein Bayern e.v. BAU 2007 Halle C3 Stand C3.838 20.01.2007 12:00 h Inhalt 1. Überblick Photovoltaik Klassische PV und GIPV EEG Markt Technologien Globalstrahlung Erträge Erntefaktor 2. Gebäudeintegrierte Photovoltaik GIPV Warum GIPV Ausrichtung und Neigung Ertragseinbußen Einfluss von GIPV auf die Gebäudeenergiebilanz Wettbewerbe Strom aus der Gebäudehülle Wirtschaftlichkeit 3. Zusammenfassung und Ausblick
1-MW-PV-Anlage Neue Messe München - Riem Klassische PV - GIPV Module über Dachziegel Photovoltaik statt Ziegeldach Fassade einer Turnhalle Einspeisevergütung nach EEG Für Strom aus solarer Strahlungsenergie = PV Anlagen Inbetriebnahme 2004 2005 2006 2007 2008 EEG Grundvergütung 45,70 43,42 40,60 37,96 35,49 Gebäudeanlagen 57,40 54,53 51,80 49,21 46,75 bis einschließlich 30 kw Gebäudeanlagen größer 30 kw bis kleiner 100 kw Für Anteil 30-100 kw Gebäudeanlagen größer gleich 100 kw Für Anteil größer 100 kw Zuschlag für Gebäudeintegrierte PV, nicht für Dachanlagen GIPV bis einschließlich 30 kw GIPV größer 30 kw bis kleiner 100 kw Für Anteil 30-100 kw GIPV größer gleich 100 kw Für Anteil größer 100 kw 54,60 51,87 49,28 46,82 44,48 54,00 51,30 48,74 46,30 43,99 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 62,40 59,28 56,32 53,50 50,83 59,60 56,62 53,79 51,10 48,55 59,00 56,05 53,25 50,59 48,06 Gültig 20 Jahre + Inbetriebnahmejahr Reduktion Grundvergütung ab 1.1.2005 um 5 %, ab 1.1.2006 um 6,5 % jährlich. Reduktion der anderen Vergütungen (nicht Zuschlag GIPV) um 5 % jährlich
Netzeinspeisung durch PV in Deutschland Jahr 2002 2003 2005 2006 2007 2030 Absolut GWh (Mio. kwh) 148 294 571 1 238 2 609 11 100 Netzeinspeisung prozentual 0,03 % 0,05 % 0,10 % 0,25 % 0,53 % 2,2 % Quellen 2001 2007: Verband der Netzbetreiber Berlin (2006 und 2007 Prognosen) 2030 Photovoltaics Guidebook for Decision Makers 8000 MW 7000 Entwicklung Weltproduktion Module Produktion weltweit 6000 5000 4000 3000 2000 Real 1818 MW nach 1256 MW Schätzung 1000 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Quellen: bis 2003 Photon International und Photon Prognosewerte: Photovoltaics Guidebook for Decision Makers
Aufbau/Technologie Solargenerator Monokristallines Silizium (Beste Wirkungsgrade ~16 %) (Silizium liegt in Form von Einkristallen vor, zeichnet sich durch völlig regelmäßige Anordnung der Atome aus, die sich über den gesamten Materialblock erstreckt, Dicke der Zelle 0,3 mm Dickschichttechnik) Polykristallines Silizium (Beste Wirkungsgrade ~14 %) (Besteht aus kleinen zusammen hängenden Kristallen der Größe von Millimetern bis Zentimetern) Amorphe Dünnschichttechnik (Beste Wirkungsgr. ~6-7 %) (Bei amorphem Silizium (a-si: H) sind die Atome unregelmäßig angeordnet (amorph: griech. gestaltlos). Wegen des hohen Absorptionsvermögens des a-si: H genügen in der Solarzelle Schichten von 0.5 µm Dicke) Kupfer Indium Diselenid CIS (Beste Wirkungsgr. ~14 %) (Dünnschichttechnik, Halbleiter ähnlich Silizium, Kostensenkungspotential erwartet) Eigenschaften Dünnschichtkristallin Temperaturabhängigkeit Temperaturkoeffizienten Leistung Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Dünnschicht (a-si) -0,2 %/K -0,33 %/K +0,08 %/K Kristallin -0,47 %/K -0,38 %/K +0,10 %/K Werden die Module warm, verlieren Dünnschichtmodule weniger Leistung besser geeignet für GIPV
Technischer Aufbau Das Netz bildet den Speicher! Zahlreiche Konzepte, auch mehrere Wechselrichter. Die genutzte Solarenergie wird nicht durch den Verbraucher bestimmt, das Netz bildet den Speicher Wechselrichter In Deutschland: Netzgekoppelte Anlagen mit Netzwechselrichter Lebensdauer 8-12 Jahre Oft noch mit Trafo Wirkungsgrad etwas schlechter. Bei großen Leistungen heute optimaler Wirkungsgrad 97 %, Nutzungsgrade (im Jahresmittel) >94 % Bei großen netzgekoppelten Systemen Master-Slave- Betrieb mit Verbesserung des Wirkungsgrades bei kleinen Leistungen
Globalstrahlung in Europa 1522 kwh/m² 1047 kwh/m² 1722 kwh/m² 1185 kwh/m² Auf horizontale Ebene; Werte Deutschland 2004, Spanien Mittelwerte Beispielhafte Erträge Fest aufgeständerte Anlagen PLZ Standort Nennleistung kw P 2003 2004 2005 Neigungswinkel Ausrichtung Technologie 87663 Lengenwang 42,31 20 S 5 O 884 1038 1017 95340 Neuenmarkt 583,2 30 S 935 881 Dünnfilm 26121 Oldenburg 36,48 30 S 967 854 889 73079 Süßen 147 12 S 1022 874 819 74523 Schw.-Hall 100,8 15 S-O S-W 1049 883 872 84574 Taufkirchen 100 30 S 1060 1124 Entnommen aus: www.ibc-solar.de Solar monitoring Mallorca: 1400 kwh/kw P
Erntefaktoren Die Herstellung von Solarzellen ist je nach Typ energetisch aufwändig 60 50 40 Erntefaktor 30 20 Standort Deutschland Standort Südeuropa 10 0 Mono- Poly- Amorphes CIS-Techno- Windenergie- kristallines kristallines Silizium logie konverter Silizium Silizium Simulation von PV-Anlagen Ertragsprognose PVSOL von Dr. Valentin Globalstrahlung vieler Standorte Daten zahlreicher Module, Wechselrichter, Betriebsmittel Ergebnis kritisch würdigen
Simulation von PV-Anlagen PVSYST der Uni Genf besonders für wissenschaftliche Ansprüche Warum GIPV? GIPV bietet: Wetterschutz, Wärme- und Schalldämmung gestalterisches Element sehr geringen Wartungsaufwand Imagegewinn für Betreiber und Architekten ästhetischen Zugewinn des Gebäudes besonderen Demonstrationseffekt Nutzung der vorhandenen Einrichtungen Bislang: Photovoltaik war allein Sache der Haustechniker Zukünftig: Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle gemeinsam mit Architekten
Ziel: Niedrigstenergie Solarhaus Niedrige Energieverluste Solar optimierte Gebäudehülle Kompaktes Bauen Verbesserte Dämmung Industrielles Bauen Wärmerückgewinnung Solares Entwerfen Energieoptimierte Fenster Solar-aktive Oberflächen Effiziente Energietechnik Solarthermie Photovoltaik = GIPV Verbesserte Speichersysteme Kühlung Problematik: Ausrichtung und Neigung 83% 85% 95% 96% 100% 60% 62% 68% W 90 SW 45 70% 70% S SO 45 O 90 München 100% = 921 kwh/kwp Geneigte Flächen: 90 bzw. 45 Es sind nicht die hohen Erträge wie bei optimaler Aufstellung (Süd, Winkel ~20-50 ) zu erwarten, Abschläge bis 40 % treten auf!
Einbausituation Dach Grafik von Thomas Stark, Informationszentrum Energie, Baden-Württemberg Einbausituation Fassaden Grafik von Thomas Stark, Informationszentrum Energie, Baden-Württemberg
Ertragseinbuße - Einbau 12% 10% 8% 6% Auf gute Hinterlüftung (HL) achten! Einbuße von bis... 4% 2% 0% Freistehendes Modul Dach, optimale HL Dach, gute HL Dach, mäßige HL Fassade, gute HL Fassade, schlechte HL Dach, keine HL Fassade, keine HL Übertemperatur bei verschiedenen Gebäudeintegrationen 60 50 Übertemperatur / K 40 30 20 Max. Min. 10 0 Freistehendes Modul Dach, optimale HL Dach, gute HL Dach, mäßige HL Fassade, gute HL Fassade, schlechte HL Dach, keine HL Fassade, keine HL
Einfluss GIPV auf Gebäudeenergieverhalten Saniertes Bürogebäude Fassade: polykristalline opake durchlaufende Module 12,1 kw P Dach: polykristalline hinterlüftete Module 19,6 kw P Resultate Bürogebäude 250.000 Primärenergie/ kwh/a 200.000 150.000 100.000 50.000 Strom Heizung + Warmwasser Verbrauch mit GIPV Strom 0 Heizung + Warmwasser Bedarf Primärenergie Primärenergie Vermeidung durch PV Bewertet wird der Primärenergieaufwand, es werden Primärenergiefaktoren herangezogen Strom-Mix: 3, Heizöl und Gas: 1,1
Einfluss GIPV auf Gebäudeenergieverhalten Einfamilienhaus Würzburg Dachintegrierte Anlage Standardmodule 84 m², Neigung 30 Wintergarten mit semi-transparenten Modulen 26,6 m² Resultate Einfamilienhaus 40.000 Primärenergie/ kwh/a 30.000 20.000 10.000 Strom Heizung + Warmwasser Verbrauch mit GIPV Strom 0 Heizung + Warmwasser Bedarf Primärenergie Primärenergie Vermeidung durch PV Bewertet wird der Primärenergieaufwand, es werden Primärenergiefaktoren herangezogen Strom-Mix: 3, Heizöl und Gas: 1,1
Wettbewerbe GIPV 2000, 2002 und 2005 Architektonischer Aspekt Innovationsgrad Energieertrag Kommunikation der Anlage in der Öffentlichkeit Nennleistung > 3 kw P, Ertrag > 400 kwh/kw P Auch dachintegrierte Anlagen 1. Preis Wettbewerb 2000 Nikolaus-Fiebiger-Zentrum für molekulare Medizin der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Zwei Anlagen PV-Anlage Dach Solarmarkise 226 m² Gesamtfläche, 190 m² wirksam 22 kw P 12 Wechselrichter Anordnung: 20, 30 und 35 Neigung 727 kwh/kw P PV-Anlage Fassade-Solarjalousie 115 m² Gesamtfläche, 60 m² wirksam 7,7 kw P Anordnung: einachsige Nachführung 701 kwh/kw P 5 Wechselrichter
1. Preis Wettbewerb 2000 Nikolaus-Fiebiger-Zentrum für molekulare Medizin der Universität Erlangen Jury: Hier wird die Integration von Elementen des solaren Bauens in außergewöhnlicher Architektur eindrucksvoll demonstriert. Ein richtungweisendes Beispiel für die Symbiose aus solarer Stromerzeugung, ansprechender Architektur und offensiver Nutzung der Photovoltaik als gestalterisches und funktionales Element 2. Preis Wettbewerb 2000 Parkhaus an der Widmannstraße in München 37,2 kw P 7 Wechselrichter 850 kwh/kw P Jury: Das Parkhaus zeigt, dass auch Zweckbauten hochwertige Architektur sein können. Durch die Integration der PV-Module gewinnt das Parkhaus optisch. Die Module sind optimal belüftet, so dass kein Minderertrag gegenüber einer aufgeständerten Anlage zu erwarten ist.
1. Preis Wettbewerb 2002 Holz-Berufsgenossenschaft München Jury: Sinnvoll, interessant, ästhetisch, ansprechend Leistung: 10 kw P Ertrag: 600 kwh/kw P PV-Module vom 3. 11. Obergeschoss bis 47 m verschattungsfrei Der Besprechungsraum ist architektonisch als hervorgehobener Abschluss des Baukörpers konzipiert! 1. Preis Wettbewerb 2005 rolf + hotz architekten Freiburg 15000 für Hochhaus Freiburg Integration der fassadenhohen PV-Anlage im Rahmen einer Sanierung von zwei neungeschossigen Mehrfamilienhäusern mit je 48 Wohneinheiten Technische Daten: 51 kw P 230 m² 29195 kwh (2004) Die Jury lobte die gelungene Einbindung der PV-Anlage in das Gesamtkonzept, der von den Architekten eine integrale Rolle zugeschrieben wurde. Die klare Formulierung eines Solar-Feldes zeige eine sorgfältige Arbeit mit Formaten. Zudem vermerkte die Jury, dass die Thematik Sanierung und Wohnen, die eine zunehmend bedeutende Rolle in Deutschland spielen wird, hier sehr konstruktiv gelöst wurde.
Anerkennungspreis Wettbewerb 2005 Technische Daten: 10,07 kw P 117 qm Isolierglasmodule semitransparent 7979 kwh (3.04 3.05) Turnhalle an der Grundschule Burgweinting 2000 Die Jury lobte die gelungene Integration, die optimierte Tageslichtversorgung und die Sonnenschutzfunktion der PV-Anlage. Hervorgehoben wurde ferner der pädagogische Aspekt, da hier junge Menschen mit dem Thema Photovoltaik vertraut gemacht werden. Anerkennungspreise Wettbewerb 2005 97,95 kw P Würth Solar CIGS 650 kwh/kw P (2005) 43,7 kw P Futtersilo Ulm 2000 Die Jury verwies hier auf den Signalcharakter des Projektes, das Vorbild für ähnliche Zweckbauten sein könne. Gelobt wurde das geschlossene Anordnung und die klare Struktur. TüArena Tübingen Sporthalle 2000 Die Jury überzeugte die sehr bewusste Behandlung der PV-Module und ihrer Befestigung sowie die gute Rhythmisierung von farbigen Solarzellen und weißem Rahmen.
Wirtschaftlichkeit Dachintegrierte 3,78 kw P Anlage Investition Investition PV-Generator Montagesystem Wechselrichter Verkabelung, Erdung, Blitzschutz, Sonstiges Montage Vermiedene Kosten Dachpfannen Summe Netto Kosten 18.864 2.183 1.788 608 1.922-1.764 23.651 Rendite Erforderliches Kapital Finanzierung Eigenkapital Finanzierung Darlehen 23.671 +3,15 % +1,17 % Zukunft der GIPV Situation heute: Oft isolierte Betrachtung von el. Leistung, oder anderer Aspekte Entscheidung für PV oft nach der Entwurfsphase (Bauherr) Ziel: Integrierte Gebäudeplanung mit dem Ziel eines minimierten Gesamtenergiebedarfs Entscheidung für oder gegen BIPV möglichst frühzeitig Gleichwertige Betrachtung von g-wert, U-Wert und el. Leistung des Solarmoduls
Zusammenfassung 1. Überblick Photovoltaik PV ist eine erprobte Technik, nach Anstieg gehen die Kosten wieder nach unten 2. Gebäudeintegrierte Photovoltaik GIPV GIPV sollte stärker angewandt werden, die Gebäude sind vorhanden Architekten sind zu überzeugen Die Wettbewerbe Strom aus der Gebäudehülle zeigen ansprechende Lösungen Einfluss von GIPV auf die Gebäudeenergiebilanz ist positiv Wirtschaftlichkeit ist verbesserungsfähig