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Gebäudeintegrierte Photovoltaik und Elektromobilität

Wegbereiter für die Infrastruktur der Zukunft

• Das Systaic Energiedach ist ein komplettes...

  Quelle: kaiser | developments

• Das Modell der 2 000 Watt-Gesellschaft:...

  Quelle: Dokumentation SIA Effizienzpfad Energie, Zürich 2006

• Endenergieverbrauch von verschiedenen...

  Quelle: kaiser | developments

• Saisonale Über- bzw. Unterdeckung von...

  Quelle: kaiser | developments

• Solarkataster: Analyse von Einstrahlung und...

  Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

• Aus den Bilddaten des Solarkatasters wird die...

  Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Eine selbstbestimmte Energieversorgung mit gebäudeintegrierter Photovoltaik ist nicht nur denkbar, sondern im Zusammenspiel mit innovativen Lösungen zum Ausgleich von temporären und saisonalen Über- bzw. Unterdeckungen konkret realisierbar. In einem solchen Szenario wird Elektromobilität künftig eine besondere Rolle einnehmen, die weit über den emissionslosen Antrieb von Fahrzeugen hinausgeht.

Versorgung oder Selbstbestimmung?

Energieversorgung klingt beruhigend – jemand tut etwas für mich. Was? Jemand in ­Sibirien, Arabien oder sonst wo fördert umweltschädliche Energie, jemand betreibt gigan­tische Infrastrukturnetze, jemand bereitet die Energie auf und verteilt (verkauft) sie. Jemand macht das Haus abhängig und bestimmt Umweltschaden, politische Abhängigkeit, Kosten und Preissteigerungen. Innerhalb dieses Systems kann der Verbraucher nur mit Aufwand für technische Verbrauchsreduzierung (z. B. Dämmung) oder Komfortverzicht reagieren. Gesetzgeber und Industrie haben sich bisher vornehmlich auf Regelungen und Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung konzentriert. So wird nur ein Teil der im Gebäude verbrauchten Energie – nämlich die thermische Energie – betrachtet. Der Stromverbrauch eines Gebäudes ist in den gesetzlichen Regelungen und Vorschriften bislang unbeachtet geblieben. Dabei lässt sich durch BIPV (building integrated photovoltaics = gebäudeintegrierte Photovoltaik) bereits heute eine effiziente und wirtschaftliche Energiebereitstellung realisieren, die den Bedarf an Strom und Wärme abdecken kann und damit auch eine Abkopplung von Preissteigerungen ermöglicht. Unter Einbeziehung der Elektromobilität können so neue lokale Netzwerke entstehen, die in der Zukunft herkömmliche Infrastruktur vielleicht gar vollständig substituieren. So muss auch nicht jedes einzelne Gebäude autark werden – was insbesondere in urbanen Strukturen auch gar nicht sinnvoll ist – sondern mehrere Gebäude und Elektroautos im Verbund organisieren die Deckung des Energiebedarfes auf lokaler Ebene.

Exkurs: Taschenrechner

Solarbetriebene Taschenrechner sind seit Jahr­zehnten eine Selbstverständlichkeit. In-tegriert in die Gerätehülle bringt die Photovoltaik dem Taschenrechner nur Vorteile: kein Kabel, kein Transformator, keine Infrastruktur, bedienungsfreundlich und mobil. Energetisch betrachtet ein System mit einem Höchstmaß ­­an Effizienz: Stromerzeugung auf gleichem Spannungsniveau und gleicher Frequenz wie Nutzstrom, Produktion am Ort des Verbrauchs, keine Umwandlung und somit vernachlässigbare Verluste. Ein Taschenrechner hat eine Oberfläche von etwa 140 cm², davon sind 40-50 % mit Bedienfeld und 12 % mit dem Display belegt. Von der freien Hüllfläche werden etwa 5 % für Fotozellen benötigt. Diese haben einen Anschlusswert von 15,6 mWp (unter Standard-Testbedingungen 1 000 W/m²) . Der Verbrauch liegt je nach Betriebsart zwischen 0,3 und 0,5 mW. Damit ist die PV-Installation so überdimensioniert, dass selbst bei schlechten Lichtverhältnissen ein Betrieb möglich ist.

Effizienz im Gebäude?

Derzeit brauchen wir für den Gebäudebetrieb (Wärme, Kälte, Licht und Antriebe) verschiedene Energiequellen und unterschiedliche Umwandlungstechnologien, die Platz kosten und hohen Wartungsaufwand erfordern. Und selbst wenn man nur den Bereich der End
energie Strom betrachtet, muss man sich wundern, dass Geräte nicht ohne ein Wirrwarr an Spannungsebenen, Umrichtern etc. auskommen. Sogar so genannte mobile Geräte verfügen über einen eigenen Laderegler und sind genau genommen nur bedingt mobil. Und eigentlich kaum zu glauben: Die in idealer Weise dezentral einsetzbare Photovoltaik ist heute nicht auf Stromnutzung, sondern auf Stromeinspeisung in das Netz ausgelegt. In den allermeisten Fällen wird der photovoltaisch erzeugte Strom erst in das Netz gespeist, durch halb Europa geschickt, vielfach hoch- und zurücktransformiert und kommt dann um etwa 10 % reduziert wieder im Gebäude an. Verglichen mit dem Taschenrechner ist ein Gebäude ein energetisches Desaster.

Zielverbrauch für Wohnen

Um den umweltrelevanten Primärenergieverbrauch unserer Gesellschaft zu reduzieren, wurde bereits eine ganze Reihe von energiepolitischen Modellen vorgeschlagen. Einige Ansätze betrachten Verbräuche pro Raumeinheit, aber da in Europa der Anteil des Wohnraums pro Person ständig wächst, kann somit nur eine scheinbare (spezifische) Energieeinsparung erzielt werden. Dagegen erscheint das Modell der 2 000-Watt-Gesellschaft besonders geeignet, da es alle Aspekte des für eine Person relevanten Energieverbrauchs einbezieht: Gemäß dieses an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ) entwickelten Modells sollte der Energiebedarf eines jeden Menschen auf der Erde mit einer durchschnittlichen Leistung von 2 000 Watt umweltrelevanter Primärenergie gedeckt werden. Zum Vergleich: in Deutschland liegt der Verbrauch umweltrelevanter Primärenergie derzeit bei deutlich über 6 000 Watt pro Person. Der SIA Effizienzpfad Energie des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins bündelt die unterschiedlichen Effizienzansätze synergetisch zu einem Ganzen und will im Hinblick auf konkrete Maßnahmen die Richtschnur zur Umsetzung der 2 000-Watt-Gesellschaft sein.

PV-Flächenbedarf

Bei idealer Ausrichtung für einen Standort in Süddeutschland benötigt man etwa 8 m² PV-Fläche pro Person. Im Idealfall kann man davon ausgehen, dass mit dem Pultdach eines freistehenden Gebäudes der komplette Strom- und Wärmebedarf eines dreigeschossigen Hauses abgedeckt werden kann. Abweichende Standorte, Dachformen und Ausrichtungen müssen entsprechend umgerechnet werden. Dabei sind unterschiedliche Technologien, Wirkungsgrade und Lichtverhältnisse durch Verschattung zu berücksichtigen. Natürlich ist nicht jedes Gebäude freistehend. Ein Großteil der zu belegenden Dächer befindet sich in urbanen Strukturen. Ist der sorgsame Umgang mit Einstrahlungsflächen allgemein ein Muss, so gilt dies im besonderen Maße im urbanen Raum, wo die verfügbaren Flächen vielleicht insgesamt, aber keinesfalls pro Gebäude ausreichen. Daher sind sorgfältige Überlegungen, Berechnungen und Planungen der zu belegenden Flächen unumgänglich.

Der Hausspeicher

Jede Art thermischer Energie kann relativ einfach gespeichert werden: Raumwärme durch Massenspeicher, Latentwärmespeicher (z. B. Phase-Change Material, PCM) oder Warm­wasser durch Brauchwasserspeicher. Damit reduziert man den Anschlusswert der Wärmepumpe und setzt diese zu Zeiten der Stromproduktion ein.

Elektrische Speicher

Eine Hausbatterie ist zur Sicherstellung ständiger Stromversorgung (Sicherheitseinrich

tungen, EDV etc.) im Wohnungsbau nichts völlig Ungewöhnliches mehr und wird künftig in Kombination mit der Elektromobilität einen höheren Stellenwert einnehmen. Auch solche Installationen tragen zur Harmonisierung von Verbrauch und Produktion bei. Letzt­lich wird die BIPV-Installation aber keinen ­saisonalen Ausgleich schaffen, es sei denn, man dimensioniert diese nicht für den Jahres-, son­dern für den Winterverbrauch (extreme Sommerüberschüsse) und installiert eine enorme Batteriekapazität.

Elektrische Mobilität

Mit der Einbeziehung von Elektromobilität erhält die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines batteriegestützten Ausgleichs eine neue Perspektive: Kommen beispielsweise in einem Zwei-Personen-Haushalt zwei Elektroautos zum Einsatz, dann verfügen diese über eine zusätzliche Batteriekapazität von jeweils etwa 15 kWh. Fahrzeug 1 lädt sich zeitweilig am Solarstrom versorgten Gebäude auf, während Fahrzeug 2 an anderer Stelle, etwa während der Arbeitszeit, laden und im Bedarfsfall sogar Strom ins Gebäude zurückspeisen kann. Das Elektroauto und dessen Nutzung als Netzbaustein ist eine konkrete Vision, die viele Szenarien zulässt.

Fazit: Lokale Netzwerke

Das Automobil als „Batterie auf Rädern“ erhöht Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit einer regenerativ elektrischen Energieversorgung. Gebäudebezogener Stromaustausch sowie Verteilung oder Verkauf an unmittelbare Nachbarn sind ohne Verstoß gegen Infrastrukturkonzessionen im öffentlichen Bereich möglich. Gebäudeintegrierte Photovoltaik mit batteriebasierten Austauschprozessen kann unter Einbeziehung anderer regenerativer Energien wie Wind oder Biomasse bei Unterdeckung ausreichend leistungsfähige urbane Netzwerke schaffen. Die Energieversorgung der Zukunft basiert darauf, dass sie eigenständig und dezentral realisiert und Energie nah am Ort ihrer Produktion genutzt wird. Nur so werden Unabhän
gigkeit von steigenden Energiepreisen, eine Korrektur beim Umgang mit Ressourcen und letztlich eine zeitgemäße Infrastruktur gewährleistet.

Norbert Kaiser, Düsseldorf