Haus unter Strom

In der Schweiz sind rund 18 Prozent der landesweit fast 35.000 Solaranlagen in die Gebäudehülle integriert, schätzt die staatliche Netzgesellschaft Swissgrid. Damit sind die Schweizer international führend. In Deutschland hingegen sind fast alle Solarstromanlagen auf Dächern montiert oder stehen irgendwo auf freiem Feld. Integrierte Anlagen machen weniger als ein Prozent des Gesamtbestands aus.

Die Idee, aus der Gebäudehülle einen Mehrfachnutzen zu ziehen, ist naheliegend. Vor allem in Städten beanspruchen Dächer und Fassaden riesige Flächen, die ohnehin gestaltet, gepflegt und eines Tages auch saniert werden müssen. Warum also nicht mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen und die Gebäudehülle nebenher zur Stromerzeugung nutzen? Architektonisch integrierte Solarkraftwerke könnten der Energiewende einen kräftigen Schub verleihen, sind die Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg überzeugt. Sie betrachten die bauwerkintegrierte Photovoltaik als einen wichtigen Baustein, um bestehende Gebäude klimaneutral oder gar zu Plusenergiehäusern zu machen. Die ISE-Wissenschaftler schätzen, dass deutsche Dächer und Fassaden Platz bieten für Solarmodule mit einer Gesamtleistung von bis zu 900 Gigawatt. Das entspricht etwa der elektrischen Leistung von 900 Kernkraftwerken üblicher Größe.

Trotz dieses ungeheuren Potenzials ist die bauwerkintegrierte Photovoltaik in Deutschland bislang nicht aus der Nische herausgekommen. Zwar gibt es einige kleine bis mittelständische Betriebe, die in Gebäude eingebettete Module herstellen. Doch das sind kundenspezifische Sonderanfertigungen mit einem jährlichen Modulausstoß, dessen Größenordnung viel zu gering ist, um als relevanter Beitrag für einen Massenmarkt zu gelten.

2019 wurden in Deutschland gebäudeintegrierte Module mit einer Gesamtleistung von zwölf Megawatt installiert, schätzt Tilmann Kuhn, der am ISE die Arbeitsgruppe Solare Gebäudehüllen leitet: „Das sind gerade mal 0,3 Prozent des gesamten deutschen Photovoltaikmarkts“, betont der Physiker. Die Planung einer Solarfassade sei anspruchsvoll, nennt er als Grund. „Hinzu kommen die höheren Preise für speziell angefertigte Module.“

Eine Sporthalle in Smaragdgrün

Deshalb werden mit gebäudeintegrierten Photovoltaikpaneelen in erster Linie Leuchtturmprojekte der Solararchitektur bestückt wie die Paul-Horn-Arena in Tübingen. Die Südwestseite der Großsporthalle, die bis zu 3000 Zuschauer fasst, hat das Münchner Architekturbüro Allmann Wappner Sattler mit 970 smaragdgrünen Modulen als Solarfassade gestaltet. Sie erzeugen pro Jahr bis zu 30.000 Kilowattstunden umweltfreundlichen Strom.

Ein Vorzeigestück des solaren Bauens ist auch das neue Rathaus der Stadt Freiburg. Der sechsstöckige Neubau, der auf rund 24.000 Quadratmetern Platz bietet für 840 Mitarbeiter der Stadtverwaltung, bezieht seine gesamte Energie aus Erdwärme und Sonnenlicht. Das 2017 fertiggestellte Rathaus ist darauf ausgelegt, übers Jahr gerechnet aus eigener Kraft mindestens so viel Energie zu erzeugen wie für Heizung, Kühlung, Lüftung und Beleuchtung benötigt wird. Damit gilt es als europaweit größtes öffentliches Nullenergiegebäude.

Die gesamte Hülle des als unregelmäßiges Oval angelegten Baus dient der Energiegewinnung. Während auf dem Dach montierte sogenannte Hybridkollektoren Wärme und Strom zugleich erzeugen, sind in die von dem Büro Ingenhoven Architects in Düsseldorf entworfene Solarfassade 880 senkrecht auskragende Photovoltaikmodule integriert – jedes einzelne mit einer Leistung von 215 Kilowatt. Die Paneele dienen neben der Stromerzeugung auch der Verschattung. Die durch den Wechsel von Glas, Lärchenholz und Photovoltaikelementen abwechslungsreich gestaltete Fassade verleiht dem Gebäude ein modernes Gesicht.

Allerdings: Das Freiburger Rathaus demonstriert auch das Dilemma, in dem Architekten stecken, die Energieeffizienz und Ästhetik in Form einer Solarfassade miteinander verbinden wollen. „Für ein Gebäude dieser Größenordnung ist eine ausgeglichene Jahresenergiebilanz eine Herausforderung“, sagt Peter Engelmann. Der Gebäudesystemtechniker am ISE unterstützt das Energiemonitoring des Freiburger Rathauses mit einem Forschungsprojekt. „Je größer ein Gebäude ist, desto kompakter ist es auch“, erläutert er. Dementsprechend weniger Platz bietet die Fassade zur Energiegewinnung: „Relativ zur Nutzfläche sinkt die für Solarpaneele verfügbare Fläche.“

Ringen um den maximalen Ertrag

Soll die Energiebilanz ausgeglichen sein, muss demnach jedes einzelne Modul den größtmöglichen Stromertrag bringen. Doch das schaffen nur klassische Module auf Basis von Solarzellen, deren Strahlungsverluste durch eine wenige Nanometer dünne Antireflexionsschicht wirksam reduziert wird. Damit beschichtete Zellen haben einen um etwa ein Drittel höheren Wirkungsgrad als unbeschichtete. Doch die Schicht, die solare Höchsterträge ermöglicht, sorgt auch für die glatte, blauschwarze Anmutung der Module.

Für Architekten, die mehr wollen als nur die übliche Auf-Dach-Montage, ist das ein Problem. Denn verstecken kann man die kleinen Kraftwerke kaum. Optisch passen sie aber nur zu Fassaden mit sehr modernem Charakter. Und: Bestehende Gebäude lassen sich damit nur bedingt nachrüsten, historische Bauten gar nicht. Das beschränkt den Gestaltungsspielraum der Architekten: Farbige Module sind zwar möglich, doch sie gehen zulasten des Energieertrags.

Farbige Photovoltaikmodule lassen sich auf zweierlei Weise fertigen. Das älteste Verfahren setzt auf modifizierte Antireflexionsschichten auf den Solarzellen, die einen Teil des einfallenden Lichts zurückstreuen und die Zellen dadurch farbig erscheinen lassen. Auf diese Weise lassen sich unter anderem rote, grüne, türkise, violette oder goldene Farbtöne erzielen. Allerdings schmälert dieser optisch wirksame Effekt die Energieausbeute deutlich, denn aus zurückgestreutem Licht lässt sich kein elektrischer Strom erzeugen.

Beim zweiten Verfahren bleibt die Antireflexionsschicht unangetastet. Stattdessen färbt man das Abdeckglas des Moduls bunt ein oder bedruckt es mithilfe des keramischen Siebdrucks. Die Palette möglicher Farben und Muster ist dabei fast unbegrenzt – zumal die Glasoberfläche zusätzlich mattiert oder strukturiert werden kann. Doch auch dieses Verfahren verringert den Stromertrag: „Die Beschichtung schluckt viel Licht“, erläutert ISE-Wissenschaftler Tilmann Kuhn. „Die Leistungseinbuße liegt bei ungefähr 50 Prozent.“

Der Trick des blauen Schmetterlings

Dieses Manko könnte ein neuartiges, am ISE entwickeltes Beschichtungsverfahren beheben, für das die Freiburger Forscher von der Natur inspiriert wurden. Vorbild war der Blaue Morphofalter, eine in Mittelamerika lebende Schmetterlingsart mit intensiv blau gefärbten Flügeln. Dieser Blauton ist etwas Besonderes, denn er entsteht nicht durch Farbpigmente auf den Flügeln, sondern durch eine dreidimensionale Oberflächenstruktur mit nanometergroßen Lamellen.

Die Lamellen reflektieren den blauen Anteil von einfallendem Licht. Ihre Reflexionen verstärken sich gegenseitig und erzeugen auf diese Weise einen intensiven blauen Farbeindruck. Alle anderen Wellenlängen des Lichtspektrums lassen die Lamellen dagegen ungehindert passieren.

Angelehnt an dieses Naturphänomen entwickelten die ISE-Forscher eine Beschichtung für Deckgläser auf den Modulen, die kräftige Farben bei gleichzeitig hoher Lichtdurchlässigkeit liefert – und das nicht nur für Blau. Durch Veränderung der Abstände zwischen den Lamellen lässt sich eine große Farbvielfalt erzielen.

Die hochselektive Beschichtung ermöglicht Wirkungsgrade, die mit farbigen Modulen herkömmlicher Bauart nicht zu erreichen sind, versichert Tilmann Kuhn: „Sie verringert die Leistung eines Moduls nur um etwa sieben Prozent.“ Außerdem ermöglicht eine neuartige Verschaltungstechnik, die gesamte Modulfläche mit sich überlappenden Solarzellen zu belegen. Dieser Kniff macht die sonst üblichen silbernen Leiterbahnen überflüssig, wodurch ein homogener Farbeindruck entsteht.

„Farbe, Größe und Textur der Module lassen sich individuell an jedes Bauwerk anpassen“, sagt der Freiburger Forscher. Damit eignen sie sich als gestaltendes Fassadenelement für Gebäude mit hohen ästhetischen Ansprüchen.

Leicht, biegsam und transparent

Das gelingt auch mit einer Innovation der Photovoltaik – mit organischen Solarzellen. Sie basieren nicht auf Silizium, sondern auf organischen Halbleitermaterialien wie Kunststoffen. Zwar sind die Wirkungsgrade von Solarzellen aus Kunststoff noch vergleichsweise gering, doch gegenüber Silizium-Zellen haben sie konstruktive und gestalterische Vorteile: „Die Zellen sind leicht, biegsam und lassen sich teilweise transparent gestalten“, erklärt Ludwig Pongratz vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen. „Zudem können sie in jeder erdenklichen Form hergestellt werden, sogar als dünne Folie.“

Mit einer solchen transparenten Solarfolie lassen sich zum Beispiel Fensterscheiben bekleben. Und auch an der Fassade oder auf dem Dach gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Die Stärken von Photovoltaikfolien in Sachen Transparenz und Biegsamkeit kommen überall dort zum Tragen, wo starre schwarze oder farbige Silizium-Zellen an ihre Grenzen stoßen. Theoretisch lässt sich jede Wand, jede Fassade und jedes Dach mit Solarfolie bekleben, sagt der ILT-Wissenschaftler. Allerdings sei die Technologie noch nicht ausgereift: „Die Lebensdauer organischer Zellen ist noch zu gering für den großflächigen Einsatz an Fassaden und auf Dächern.“ Zum Vergleich: Die Hersteller herkömmlicher Photovoltaikmodule geben bis zu 30 Jahre Garantie auf ihre Produkte.

Solarfolien aus dem Baumarkt?

Es ist also noch eine gute Portion Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig, um organische Photovoltaik fit für den Massenmarkt zu machen. Die ILT-Wissenschaftler im Team um Ludwig Pongratz entwickeln gerade ein Verfahren zur Herstellung organischer Solarzellen im industriellen Maßstab. Dabei wird eine Rolle aus flexiblem Trägermaterial abgespult, mithilfe nasschemischer Lösungen photovoltaisch beschichtet, per Lasertechnik nachbearbeitet und schließlich wieder aufgerollt.

Die Forscher sprechen von einem „Rolle-zu-Rolle-Verfahren“. Sollte es sich durchsetzen, könnte künftig der Baumarkt um die Ecke Rollen organischer Solarzellen anbieten, die jeder Heimwerker passgenau stückeln kann – um an seinem Haus eine Solarfassade im Do-It-Yourself-Verfahren anzubringen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…