Bauwerkintegrierte Photovoltaikanlagen können einen enormen Beitrag zur Energiewende leisten. Gebäudefassaden mit Solarmodulen erzeugen aber nicht nur Strom. Richtig eingesetzt dämmen sie Lärm, schützen vor extremen Witterungen und regulieren das Klima innerhalb der Gebäude, wie Christian Luft von der Stuttgarter Immobilienberatung Drees und Sommer erläutert.
Hotellerie und Gastronomie haben massiv mit steigenden Energiekosten zu kämpfen. Bei fast der Hälfte aller Betriebe in Deutschland macht der Anteil dieser Kosten laut Branchenverband Dehoga inzwischen mindestens zehn Prozent des Umsatzes aus – Tendenz steigend. Allein die Stromkosten in einem Dreisternehotel mit bis zu 20 Zimmern belaufen sich auf rund 65 Prozent der gesamten Energiekosten. Der Löwenanteil entfällt dabei auf die Beleuchtung.
Den Energieverbrauch massiv zu drosseln steht daher ganz oben auf der Agenda von Hoteliers. Darüber hinaus beschäftigt sich die Branche schon seit Langem mit Fragen des nachhaltigen Wirtschaftens, entwickelt intelligente Lösungen gegen Lebensmittelverschwendung, zur Abfallvermeidung und zum Energiesparen.
Dauerhaft stellt sich die Frage, wie die Hotellerie zusätzlich auch mithilfe ihrer Gebäude einen Beitrag zu Klimaschutz und Ressourcenschonung leisten kann. Immerhin gibt es hierzulande rund 12.200 Hotels, die aktiv betrieben werden (Stand 2022). Dabei könnte eine Zukunftstechnologie eine Rolle spielen, die auch im Rahmen der Energiewende immer mehr an Bedeutung gewinnen wird: Building Integrated Photovoltaics, kurz BIPV. Diese sogenannten fassadenintegrierten Photovoltaikanlagen sind aus Sicht der Wissenschaft ein wichtiger Baustein auf dem Weg der Energiewende. Um den gesellschaftlich gesamten Energiebedarf aus erneuerbaren Energien (EE) zu decken, ist ein weiterer massiver Ausbau der installierten Photovoltaikleistung notwendig. Bislang sind gemäß Angaben des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE bundesweit erst 66,5 Gigawatt peak (GWp) installiert.
Dabei verfügt Deutschland laut Fraunhofer Institut über weit mehr Gebäudefläche als notwendig wäre, um den Anteil an erneuerbaren Energien gravierend zu steigern. So würden hierzulande jährlich rund 107 Millionen Quadratmeter Fassaden sowie 63 Millionen Quadratmeter Steildächer gebaut, die dafür genutzt werden könnten, um zusätzlich 33 GWp Energie zu erzeugen.
Schüco, Hersteller für Fenster und Fassaden, hat dazu aktuelle Berechnungen angestellt, wie groß die Ausbeute durch BIPV-Anlagen in den einzelnen Metropolen theoretisch ausfallen könnte: In Hamburg würde eine 100 Quadratmeter große Fassade mit Südausrichtung und einem Neigungswinkel von 40 Grad jährlich rund 13.500 Kilowattstunden (kWh) erzielen. In Berlin wären es 14.300 kWh und die südlich gelegenen, eher sonnenverwöhnten Städte Stuttgart und München kämen auf mehr als 15.000 kWh.
Fassadenintegrierte PV-Anlagen sind Multitalente
Der tatsächliche Ertrag ist dabei abhängig von Standort, Ausrichtung, Einstrahlung, Temperatur und Luftqualität und muss somit im Vorfeld genau geplant werden. Zudem sind architektonische, fassaden- und haustechnische sowie wirtschaftliche Aspekte zu berücksichtigen – bauwerkintegrierte Photovoltaik ist grob überschlagen doppelt so kostspielig wie eine klassische Anlage auf dem Dach. Dem steht jedoch die Einsparung der Bauteilkosten gegenüber, die durch die Photovoltaikfassade ersetzt werden. Und auch die Stromerträge müssen bei der Kosten-Nutzen-Rechnung miteinbezogen werden.
Ein weiterer Vorteil: Bauwerkintegrierte Photovoltaikanlagen sind nicht nur Bauelemente für die Stromgewinnung, sondern dienen gleichzeitig als Wind- und Wetterschutz oder zur Schall- und Wärmeisolation, indem sie als vorgehängte Fassade das Gebäude dämmen. Als teiltransparente Solarmodule können sie beispielsweise Tageslicht durchlassen, was den Bedarf an zusätzlicher Beleuchtung reduziert. Optisch fallen die BIPV kaum noch auf, weil die neuesten Typen von Solarzellen unauffällig in die Gebäude integriert sind, etwa als glänzende oder matte Fassadenplatten oder als teiltransparente Elemente in Fensterglas oder Markisen oder sogar als Teil eines Balkongeländers. Dies ist mit ein Grund, warum sich die bauwerkintegrierte Photovoltaik ihren Platz auch bei Projektplanern und Architekten erobert, zumal sie kreative Ansätze nicht einschränkt und neue Designeffekte ermöglicht.
Dennoch ist bei der Entscheidung für BIPV vieles zu beachten: Es ist eine Zukunftstechnologie, deren Anwendung streng reguliert und mit zahlreichen nationalen sowie europäischen Richtlinien verbunden ist. Als Bauprodukte sind die Anlagen integrale Bestandteile der Gebäudehülle und unterliegen bauordnungsrechtlichen Vorschriften. Zugleich müssen sie als Stromerzeuger elektrotechnische Vorgaben erfüllen.
Hohe Sicherheitsanforderungen und Schallschutzauflagen
Neben den üblichen DIN-Normen sind auch Auflagen zur Qualität des verwendeten Glases sowie Vorgaben wie etwa zum Brandschutz zu beachten. So dürfen sämtliche BIPV-Produkte oder -Systeme die Sicherheit der Nutzer im Brandfall nicht beeinträchtigen. Diese Anforderungen wurden aufgrund der Innovationen und stetig neuen Technologien bislang nicht in ausreichendem Umfang in Normen und Vorschriften überführt. Somit erfordern brandrelevante Eigenschaften einer PV-Komponente oder -Anlage wie Brandverhalten, Feuerwiderstand und Brandausbreitung eine tiefgreifende Kompetenz und umfassende Erfahrung. Außerdem unterliegen sie detaillierten Bestimmungen zu Hygiene, Gesundheit und Umweltschutz sowie Barrierefreiheit bei Nutzung und Sicherheit. Insbesondere bei der Überkopfverglasung müssen die BIPV-Module hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen. So dürfen sie selbst bei Beschädigung nicht zerbrechen und herabfallen, da sonst Passanten verletzt oder Sachschäden verursacht werden könnten. Und nicht zu vergessen: der Schallschutz. Ein Photovoltaikmodul soll keine Geräusche entwickeln – und bei fachgerechter Integration in das Bauwerk auch keine windbedingten Geräusche übertragen.
Bei der Installation von BIPV-Anlagen ist neben allen Aspekten im laufenden Betrieb auch deren gesamter Lebenszyklus zu bedenken. Im Sinne der Nachhaltigkeit beginnt das mit Rohstoffgewinnung und geht über die Erzeugung bis zur Endbestimmung. Insbesondere die Verwendung von toxischen Materialien oder erheblichen Mengen seltener Materialien sollte möglichst vermieden werden. Die Produkte sollten so geplant werden, dass ihre Bestandteile auf das für ein effektives Recycling erforderliche Niveau reduziert sind, um leicht voneinander getrennt werden zu können.
Eingesetzte Baumaterialien dokumentieren
Ein aktuelles Beispiel zeigt, wie sämtliche umwelt- und baurechtlichen sowie energetischen Auflagen unter ein Dach zu bekommen sind und ein zukunftsweisendes Gebäude aussehen kann: Der Büroneubau Obere Waldplätze 12 in Stuttgart, kurz OWP12 genannt, direkt an der A 831 in Stuttgart-Vaihingen. Beim Bau wurden vor allem Materialien eingesetzt, die weitgehend dem sogenannten Cradle-to-Cradle-Konzept der Kreislaufwirtschaft entsprechen. Wörtlich übersetzt heißt das Ganze „von der Wiege bis zur Wiege“ und bedeutet für die Baubranche, dass bereits beim Errichten des Gebäudes an dessen Abriss Jahrzehnte später gedacht und entsprechend geplant wird. Konkret geht es darum, Abfälle zu vermeiden und verbaute Rohstoffe nach dem Immobilienlebenszyklus möglichst gleichwertig für neue Bauvorhaben einzusetzen. Um das zu gewährleisten, müssen alle verbauten Materialien weitestgehend sortenrein trennbar, rückbaubar und schadstofffrei wiederverwertbar sein.
Beim OWP12 wurden die eingesetzten Baumaterialien auf Grundlage des Building-Information-Modeling (BIM)-Modells detailliert in einem Materialpass dokumentiert, um später nachvollziehen zu können, welche Module mit welchen Stoffen und an welchen Stellen verbaut wurden. Die digitale Planung ermöglichte zudem einen hohen Vorfertigungsgrad der modularen Fassade und eine zeit- und kostensparende Serien-Modulfertigung. Trotz ihrer technischen Komplexität konnte die Gesamtfassade von OWP 12 in nur zweieinhalb Wochen montiert werden. Insgesamt betrug die Planungs- und Bauzeit zwei Jahre – ein weiterer Baustein im Sinne eines insgesamt nachhaltigen Gesamtkonzepts.
Der Clou des vierstöckigen Gebäudes: Als sogenanntes Plusenergiehaus erzeugt der Neubau im Betrieb mehr Energie als er selbst verbraucht. Der Grund für diese positive Energiebilanz sind Photovoltaik (PV)-Anlagen auf dem Dach und an der Süd- sowie Westfassade, Erdwärme über Geothermiebohrungen, eine begrünte Nordwand sowie eine neuartige, sehr gut dämmende Fassadenkonstruktion.
Entwickelt wurde das Konstrukt in Kooperation mit dem Neuensteiner Fassadenbauunternehmen FKN Fassaden sowie dem Baustoffhersteller Evonik. Die „e-coFace“ getaufte Lösung wurde nach Prinzipien der Materialkreislaufplanung konzipiert. Sie braucht wenig Fläche, ist sehr energieeffizient und erzeugt dank Photovoltaikelementen an der Süd- und Westseite sogar selbst Energie. Darüber hinaus erreicht die Fassade die Anforderungen an einen erhöhten Schallschutz für den an einem vierspurigen Autobahnzubringer gelegenen Bau. Im Normalfall wäre ein solcher Schallschutz nur durch schwere dicke Außenwandbauteile zu erzielen. Das schmale Grundstück erforderte jedoch eine schlanke, flächeneffiziente Bauweise. Gemeinsam mit der FKN Gruppe wurde eine Lösung erarbeitet, die solche Eigenschaften in einer Fassadenkonstruktion erstmalig vereint.
Blaupause für weitere Projekte
Dank innovativer Materialien, darunter vor allem nachhaltige Dämmstoffe, weist die Fassade ausgezeichnete Wärmedämm- und Schalldämmwerte auf – und das mit einer thermischen Hülle von nur 90 Millimetern Aufbau. Möglich wird das durch eine Kombination aus Vakuumisolationspaneelen und Dämmplatten aus Siliziumdioxidschaum. Insgesamt ist die Fassade in Kombination mit den Photovoltaikelementen nur 210 Millimeter dick. Eine konventionelle Konstruktion hätte für einen vergleichbar guten Schallschutz einen Gesamtaufbau von mindestens 450 Millimetern benötigt.
Mit dem Neubau OWP12 wurde ein Projekt geschaffen, das auch über die Assetklasse Büro hinaus großes Potenzial als Blaupause für zukünftige Projekte hat. Insbesondere für den Hotelimmobiliensektor, der nicht nur aufgrund des hohen Bedarfs an Heizenergie und Warmwasser vor dem Hintergrund steigender Preise und Klimaschutzverodnungen von Solarthermie profitieren kann. Auch durch die intelligente und schlanke Fassadenkonstruktion können bei großflächigen Hotelgebäuden wertvolle Versiegelungsflächen eingespart werden.
Zum Autor:
Christian Luft ist Senior Manager Engineering-Beratung bei Drees und Sommer, einem international tätigen Beratungsunternehmen für den Bau- und Immobiliensektor mit Hauptsitz in Stuttgart.
Die wesentlichen Leistungen des Unternehmens sind Entwicklungs- und Prozessberatung, Infrastrukturberatung, Projektmanagement und Engineering sowie Immobilienberatung. Hochbau- und Infrastrukturprojekte aller Art und Größe werden für nahezu alle Branchen von der ersten Idee über die Planung und Realisierung bis zum Betrieb und einer möglichen Revitalisierung begleitet.