Gebäudeintegrierte Photovoltaik und Elektromobilität

Wegbereiter für die

Infrastruktur der Zukunft

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.

Natürlich hinkt dieser Vergleich. Wollten wir den Verbrauch eines Zwei-Personen- Haushalts genau so zuverlässig wie beim Taschenrechner decken, bräuchten wir eine sehr große PV-An­lage und eine Batteriegröße mit einem Vielfachen des verfügbaren Raumvolumens. Die Kosten wären beträchtlich. Dennoch weist das Prinzip Taschenrechnner in die richtige Richtung. Dabei sind im Hinblick auf Gebäude folgende Ansätze wichtig: bedarfsgerechte Optimierung des Energieverbrauchs, Konsum, Gleichzeitigkeit (Powermanagement), Harmonisierung von Nutz- und Primärenergie Nutzung der PV-Installation als Gebäudehülle (Baustoff), sinnvolle Nutzung der Batteriekapazität und Einbeziehung der Mobilität.

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.

Von den 2000 Watt Primärenergieverbrauch pro Person sind 456 Watt wohnbezogen. Unter Einbeziehung von Herstellungsenergie und Elektromobilität erhöht sich dieser Wert auf 840 Watt/Person. Dieser Anschlusswert entspricht einem jährlichen Verbrauch von etwa 7360 kWh/Person (840W * 365 Tage * 24 Stunden). Bei entsprechenden Maßnahmen können diese Zielwerte bereits mit heutiger Technik realisiert und sogar unterboten werden. Dazu muss zunächst der komplette Gebäudebetrieb auf die Endenergie Strom ausgerichtet werden, was insbesondere die Bereitstellung thermischer Energie durch Wärmepumpen bedeutet.

Bei der Verwendung photovoltaischen Stroms erfolgt die Energieerzeugung praktisch auf Endenergie-Niveau. Somit liegt der umweltrelevante Primärenergiebedarf gleich oder unter dem von der SIA angestrebten Zielwert. Einfacher formuliert: die Umstellung auf eine regenerativ elektrische Versorgung senkt bereits den Primärenergiebedarf. Daraus ergeben sich die folgenden Fragen:

Wie viel PV muss zur Deckung des Jahresenergiebedarfs pro Person installiert werden?

Wie viel PV lässt sich sinnvoll in eine Gebäudehülle integrieren?

Wie viel Fläche eignet sich überhaupt zur PV-Installation?

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.

Viele publizierte Szenarien gehen von zu optimistischen Werten aus. Zu diesem Ergebnis kommt ein von der Firma systaic AG mit Daten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeltes Solarkataster. Derzeit wird aus den Bilddaten der hochauflösenden Spezialkamera des DLR, die auch schon einen wichtigen Beitrag zur Erforschung des Mars geleistet hat, sowie Gebäudeumrissen und Einstrahlungsdaten die realistisch nutzbare Fläche am Beispiel einer deutschen Großstadt im 3D-Modell berechnet und aufgezeigt.

Die Frage, wie man die knappen verfügbaren Flächen belegen soll – mit Photovoltaik oder thermi­schen Kollektoren – kann eindeutig beantwor­tet werden: Photovoltaik erzeugt ausreichend Abwärme, um einen Wärmepumpenbetrieb als Quellwärme bei hohen Jahresarbeitszahlen zu stützen. Entsprechend sollten lediglich Restflächen mit thermischen Kollektoren belegt werden. Hier sind insbesondere Luftkollektoren zu berücksichtigen, da sich andere thermische Kollektoren schlecht für Zuschnitte eignen.

Durch die PV-Installation eines Daches steht also ausreichend Quellwärme zur Verfügung. Ist die Gesamtinstallation zur Deckung des Jahresbedarfs ausgelegt, so ergeben sich erhebliche kurzzeitige sowie saisonale Deckungs­lücken. Ist entsprechende Dachfläche verfügbar, lassen sich diese durch eine erweiterte PV-Installation reduzieren. Dadurch werden allerdings auch die Ertragsspitzen erhöht und diese Erträge bleiben möglicherweise ungenutzt.

Der Verbrauch muss demnach im Optimalfall der Produktion angepasst oder ein Ausgleich durch Speicherung hergestellt werden. Der einfachste Speicher wäre das vorhandene Infrastrukturnetz, in das Strom jederzeit eingespeist und entnommen werden kann. Aber auch der Einsatz alternativer Speicher, wie beispielsweise Autobatterien, ist denkbar.

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.

Die Geräteindustrie arbeitet an weiteren Möglichkeiten, Stromverbrauch zeitlich besser anzupassen. Diese Entwicklungen müssen auch vor dem Hintergrund zukünftig variabler, netzabhängiger Stromtarife bewertet werden.

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.

Für den ZweiPersonen-Haushalt wäre dies eine PV-Installation von 52 statt 16 Energieeinheiten und in Konsequenz eine Batteriekapazität von 35 kWh. Wenn genügend Dachfläche verfügbar ist, dann ließe sich eine solche Anlage möglicherweise trotz der Kosten für die Überdimensionierung über den Stromverkauf aus der Überschussproduktion wirtschaftlich betreiben. Ein Ausgleich über Batterien dagegen wäre mit heutigen Batteriekosten völlig unrentabel.

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.