Fassaden als Stromerzeuger

Neu ist die Solar­strom­erzeugung auf Gebäuden nicht. Sie blickt beinahe auf ein halbes Jahrhundert Geschichte zurück. Motiviert durch die Erdöl­krise wurde 1973 das erste Haus mit solarer Wärme- und Strom­versorgung unter Feder­führung der University of Delaware gebaut. Auch heute deckt dieses Zwei­familien­haus seinen Energie­bedarf hauptsächlich mit der Strahlung der Sonne ab. Diese Immobilie ist zugleich das erste Beispiel von Building Integrated Photo­voltaics (BIPV), denn die Sonnen­energie­wandler sind ins Dach integriert. Ein weiterer Meilen­stein ist die 1982 in München errichtete Wohn­anlage Richter, ein proto­typischer Bau, bei dem die Sonnen­energie aktiv und passiv genutzt wird. Auf dem oberen Teil der voll­verglasten schrägen Süd­fassade hatte das Freiburger Fraunhofer-Institut rund 60 m² Solar­zellen installiert.

Als allmählich die ersten in Gebäude integrierbaren PV-Systeme auf den Markt kamen, wurde 1998 in der katalanischen Stadt Mataró die Biblioteca Pompeu Fabra als Demonstrations­objekt der europäischen PV-Industrie gebaut, um das Gleich­gewicht zwischen Ästhetik, Komfort, Energie­erzeugung und Wirtschaft­lichkeit finden zu können. Eine semi­transparente Wand dämpft mittels multi­kristalliner Silizium­zellen auf einer Fläche von 225 m² das ins Gebäude einfallende Licht und erzeugt zugleich bis zu 20 kW Elektrizität. Der Jahres­ertrag soll bei rund 15 MWh liegen.

Ein Vorzeigebau in der Basler Innenstadt

Bei aktuellen Projekten lässt sich folgende Regel anwenden: Je höher das Gebäude, oder genauer, je grösser das Verhältnis zwischen der nutzbaren, möglichst unverschatteten Fassaden­fläche und der Dach­fläche, desto sinnvoller ist der Einsatz von Solar­fassaden. Mit einer Fassaden­fläche von 1140 m² und einer deutlich kleineren Dach­fläche ist dieses Verhältnis beim acht­stöckigen Neubau des Amts für Umwelt und Energie, AUE, der Stadt Basel für eine Solar­fassade also vorteilhaft.

Das Gebäude geht auf einen Wett­bewerb aus dem Jahr 2013 zurück, als ein Leucht­turm­projekt bezüglich Nach­haltigkeit ausgeschrieben wurde. Man entschied sich für den Entwurf des Architektur­büros Jessen Vollenweider Architektur. Die Motivation für den Entscheid beschreibt der involvierte Architekt Sven Kowalewsky so: «Wir waren das einzige Projekt, das ringsum eine PV-Anlage vorgeschlagen hat. Wir haben uns entschlossen, auf allen Seiten PV zu machen, auch auf der Nord­fassade, die ungefähr 12% der gesamten Produktion liefert. Wenn man die Nord­fassade weglassen würde, könnten wir die angestrebte Zertifizierung nach Minergie-A-Eco nicht erreichen.» Bei Minergie-A-Eco soll der Eigen­strom­verbrauch übers Jahr abgedeckt werden, was beim AUE-Gebäude 45 bis 50 MWh jährlich bedeutet. Ein maximaler Ertrag stand dabei nicht an erster Stelle, sondern eine hoch­wertige Gestaltung, denn das Gebäude steht in unmittelbarer Nähe zur Schon- und Schutz­zone und denkmal­geschützter Substanz. «Da redet die Stadt­bild­kommission mit, teilweise auch die Denkmal­pflege», präzisiert Kowalewsky.

Am Anfang des Wett­bewerbs setzte das Gewinner­projekt noch auf Module, die ihre «goldene» Farbigkeit aus dem geschnittenen, poly­kristallinen Silizium selber erzeugen, eine Lösung, die die Stadt­bild­kommission akzeptierte. Aber dann verzögerten Einsprachen und archäologische Arbeiten das Projekt um gut drei Jahre. Was sonst eher frustrierend ist, stellte sich hier als Glücksfall heraus, denn die PV-Technologie konnte sich in der Zwischen­zeit weiter­entwickeln. Da mono­kristalline Zellen eine höhere Effizienz haben, entschied man sich für hoch­effiziente PERC-Zellen – Passivated Emitter and Rear Cell – also Zellen, die auf der hinteren Seite eine zusätzliche reflektierende Schicht aufweisen, die das nicht absorbierte Licht wieder für einen zweiten Absorbtions­gang zurückwirft. 2019 kam die Zelle, die im Labor einen Viertel mehr Ertrag lieferte.

Da mono­kristalline Zellen eine homogene Ober­fläche haben und somit aus gestalterischer Sicht nicht so spannend sind, hat man das Design nochmals über­arbeitet. «Obwohl die Architektur eigentlich fertig war, gingen wir dann nochmals ran und entwickelten eine neue Fassade: ein Glashaus», sagt Kowalewsky. Die Neu­entwicklung waren Paneele in Schmelz­glas, deren Herstellung viel Handarbeit erforderte. Das Schmelz­glas, gehärtetes Glas aus dem Angebot eines Waschbecken-Herstellers, wird im Produktions­prozess erhitzt und unter hohem Druck mit einer Folie, die die Unebenheiten ausgleicht, einer Folie mit metallischen Punkten – ursprünglich ein Vogel­schutz, der auf Gläser appliziert wird –, dann wieder einer ausgleichenden Folie und den Wafern sowie einer letzten Folie ­verschmolzen. Im Produktions­prozess wird die Folie auf 200°C erhitzt. Dabei verbiegen sich die Punkte leicht und kippen mal nach links, mal nach rechts. Zusätzlich wurden farbige Punkte aus Kunststoff in die Module integriert, um eine Farb­dynamik hinein­zubringen. Je nach Blick­winkel ist ein anderer Farbton sichtbar. Weil dieser Prozess nicht kontrolliert werden kann, ist jedes Paneel ein Unikat. «Viele Module sind zwar praktisch gleich, aber der Schimmer des reflektierten Sonnen­lichts verändert sich wie bei einer Wasser­oberfläche, wenn man am Gebäude vorbei­spaziert. Bei normalen Elementen hat man diesen Effekt nicht», beschreibt Kowalewsky den visuellen Eindruck, der der Fassade durch die unregelmässige Streuung eine gewisse Lebendigkeit verleiht.

Der Wirkungsgrad­verlust durch die Punkte liegt im ein­stelligen Prozent­bereich. Die Häufigkeit der Punkte hängt von der Höhe ab: unten werden 8,5% und oben 4,9% der PV-Wafer abgedeckt. Durch die Verwendung von PERC-Zellen wird der Verlust der Abdeckung ungefähr kompensiert: Man erreicht den Ertrag, der 2014 ursprünglich für die poly­kristallinen Zellen geplant war. Es wäre natürlich möglich, den Ertrag um die wenigen Prozente zu erhöhen, aber man müsste dann auf den erwünschten Farb­effekt verzichten.

Technisch stellen die Anlagen ein Solar-Edge-System mit Leistungs­optimierer dar, bei dem die verschatteten Module abgeschaltet werden. Die Elektronik­module sind direkt hinter den PV-Paneelen verbaut, und drei bis vier sind jeweils zusammen­geschaltet.

Beim AUE wird auf Energie­speicher im Haus verzichtet, da sich die Technologie noch im Entwicklungs­stadium befindet. Ein allfälliger Überschuss wird ins Verteil­netz gespiesen und bei Bedarf zurück­geholt.

Ein früheres Plusenergie-Bürogebäude

Aber auch, wenn die Fassaden­fläche nicht so markant grösser als die Dach­fläche ist, kann sich der Einsatz von Solar­fassaden lohnen, wie das Flumroc-Verwaltungs­gebäude in Flums demonstriert. Das Gebäude wurde 2014 total­saniert, mit einer sehr guten Wärme­dämmung, einer effizienten Haus­technik und sparsamen Beleuchtung ausgerüstet. Dabei wurde es auch mit Fassaden-PV ausgestattet, da nur 61% des benötigten Strom­ertrages auf dem Dach produziert werden können und man damit den angestrebten Energie­ertrag nicht erreichen kann. Die PV-Module wurden bewusst als gestalterischer Aspekt des Gebäudes eingesetzt, und nicht einfach als Zusatz zu einer fertigen Wand, der wie ein Fremd­körper wirken würde. Die Fassaden­gestaltung des Architektur­büros Viridén + Partner, bei der die Farben der Fenster nach oben heller werden, sorgt dafür, dass die dunklen Glas­bänder angenehm unterbrochen werden. Auf dem Dach sind PV-Anlagen mit einer Nenn­leistung von 71,3 kW installiert, auf den Fassaden beträgt die installierte Leistung 57 kW, bei einer nur leicht grösseren genutzten Fläche (Dach: 403,4 m², Fassaden: 413,9 m²). Die Erzeugung der Fassaden ist somit ein wertvoller Zusatz zur Dach­produktion.

Die Solar­fassaden trugen dazu bei, dass im sonnen­reichen Jahr 2018 ein Energie­überschuss von 30% produziert werden konnte. Konkret betrug er 24,7 MWh. Die Eigen­energie­versorgung war da also deutlich höher, als die nach der Inbetrieb­nahme prognostizierten 115%, die zum 2014 verliehenen Europäischen Solarpreis sowie dem Norman Foster Solar Award 2014 für das Gebäude führten.

Noch viel Luft nach oben

Obwohl die Photo­voltaik die Funktionen von Fassaden wie Witterungs­schutz, visuelle Wirkung usw. um die Energie­bereit­stellung erweitert und somit bei manchen Gebäuden eine sinnvolle Sache ist, ist sie in der Schweiz noch kaum verbreitet. Gemäss der kürzlich erschienenen Sonnenenergie-Statistik 2021 des Bundesamts für Energie, die seit 2020 die Fassaden­anlagen separat ausweist, sind 118 solcher Anlagen ans Verteil­netz angeschlossen. Verglichen mit den 26'888 anderen Netzverbund-PV-Anlagen scheint dies vernachlässigbar. Etwas besser sieht es aus, wenn man die Nenn­leistung dieser Anlagen betrachtet: Den 679,2 MW der Dach- und Frei­flächen­anlagen stehen 4,1 MW Fassaden­anlagen gegenüber, also etwa 0,6%. Das Potenzial ist noch beträchtlich.

Der Hauptgrund für die Zurück­haltung sind die Investitions­kosten, die meist höher sind als bei anderen Fassaden­materialien. Beim AUE lagen gemäss dem Architekten Sven Kowalewsky die Kosten für die Solarfassade pro m² im Bereich der von Sicht­beton­fassaden. Dafür erzeugen die Solar­fassaden Strom – im Optimalfall bis zu fünfzig Jahre lang.

Bei historischen Gebäuden oder Häusern mit komplizierten Fassaden­strukturen ist ihr Einsatz zwar kaum sinnvoll, bei Gebäuden mit einer grossen Fassaden­fläche hingegen ist das Potenzial für die Strom­erzeugung gross. Bei industriellen Immobilien lässt sich zudem viel mit standardisierten Modulen erreichen. Für Wohnhäuser wächst das Angebot an farbigen bzw. mit digitalem Glasdruck individuell gestalteten Modulen oder beispiels­weise durch Sand­strahlen modifizierten Ober­flächen. Solche Anlagen können so in die Gebäude­hülle integriert werden, dass sie kaum wahrnehmbar sind oder sogar einen visuellen Mehrwert bieten.

Natürlich kann man die Strategie auch umkehren und möglichst effiziente PV-Anlagen so integrieren, dass sie ein visuelles Statement darstellen, frei nach dem Motto: «Hier wird viel Strom erzeugt.» Eine Möglichkeit also, um das eigene Nachhaltigkeits­konzept visuell zu kommunizieren. Aber meist werden unauffälligere ästhetische Lösungen bevorzugt, die einen geringeren Ertrag abwerfen, der aber, wie beim erwähnten Amt für Umwelt und Energie, dem Optimum nahekommen kann.

Solar­fassaden sind heute nur in wenigen Fällen wirtschaftlich, aber mit der entsprechenden Förderung könnte das vorhandene Potenzial deutlich besser genutzt werden. Im Winter wäre der zusätzliche Fassaden­strom besonders willkommen – ein Frei­schaufeln der Solar­fassaden erübrigt sich, und die tief stehende Sonne leistet dann manchmal mehr als bei Dach­installationen. Vielleicht gewinnen Solar­fassaden künftig durch die Standardisierung auch an Popularität und können der Gebäude­hülle eine zusätzliche, in Zeiten des Umstiegs auf erneuerbare Energien wichtige Funktion verleihen.

Literatur

• Paolo Corti, Pierluigi Bonomo, Francesco Frontini, Building Integrated Photovoltaics. Status Report 2020, Supsi, 2021.