Photovoltaisch

In der Praxis beginnt die Realisierung mit der mechanischen Montage von Modulen auf einer Tragstruktur. Die Position ist entscheidend. Neigungswinkel und Ausrichtung bestimmen die Einstrahlungsintensität. Module werden untereinander in Reihe geschaltet, auch Strings genannt. Dies geschieht mit spezifischen Steckern und UV-beständiger DC-Verkabelung. Diese Kabel führen die erzeugte Energie zu einem zentralen oder dezentralen Technikraum. Die Integration in den Gebäudeentwurf variiert von Aufbausystemen auf Schienen bis zu in die Dachfläche integrierten Lösungen (BIPV).

Die elektrische Kopplung mit der Gebäudeinstallation erfolgt über den Wechselrichter, der die Verbindung zur Unterverteilung herstellt. Dabei wird der Strom mit der Netzfrequenz synchronisiert. Bei größeren Anlagen wird häufig mit Verteilerkästen und zusätzlichen Überspannungsschutzeinrichtungen gearbeitet. Die konstruktive Verankerung muss Wind- und Schneelasten berücksichtigen. Ballast auf Flachdächern. Oder Dachhaken bei geneigten Konstruktionen. Eine Überwachungseinheit registriert die Leistung des Systems und meldet eventuelle Abweichungen in der Stringspannung. Es ist ein Prozess des kontinuierlichen Stromflusses von der Gebäudehülle zur internen Infrastruktur.

Der Markt wird von siliziumbasierten Zellen dominiert, aber die interne Struktur unterscheidet sich grundlegend. Monokristalline Module erkennt man direkt an ihrer gleichmäßigen, dunklen Farbe. Sie werden aus einem einzigen Kristall hergestellt. Dies resultiert in der höchsten Reinheit und somit im höchsten Wirkungsgrad pro Quadratmeter. Für Projekte mit begrenzter Dachfläche sind dies die Standardwahl. Polykristallin, erkennbar am bläulichen Schimmer und den sichtbaren Korngrenzen, entsteht durch das Gießen von Silizium in Blöcke. Günstiger in der Produktion. Jedoch weniger effizient bei hohen Temperaturen.

Dünnschicht (Amorphes Silizium, CIGS oder CdTe) geht einen anderen Weg. Hierbei wird eine photovoltaische Schicht auf ein Substrat gesprüht oder aufgedampft. Der Materialeinsatz ist minimal. Der Wirkungsgrad liegt niedriger als bei kristallinen Pendants, aber diese Variante ist unempfindlicher gegenüber Verschattung und performt relativ gut bei diffusem Licht. Ideal für Fassaden oder flexible Anwendungen, bei denen das Gewicht ein kritischer Faktor ist.

Man muss sich vor der Verwechslung zwischen photovoltaischen Systemen und solarthermischen Kollektoren hüten. Obwohl beide Sonnenlicht nutzen, erzeugt PV ausschließlich Elektrizität, während Kollektoren Wasser erwärmen. Eine Hybridvariante existiert ebenfalls: das PVT-Modul. Dies kombiniert beide Welten. Es kühlt die PV-Zellen mit Flüssigkeit, was den elektrischen Ertrag erhöht und gleichzeitig Wärme für eine Wärmepumpe liefert. In der Architektur unterscheiden wir zudem zwischen BAPV (Building Applied) und BIPV (Building Integrated). Bei BAPV werden Module einfach auf der Konstruktion montiert. BIPV geht einen Schritt weiter; die Solarzelle ist hier der Dachziegel oder die Fassadenplatte selbst. Eine konstruktive Integration, bei der die wasserführende Schicht und der Energieerzeuger zusammenfallen.

Ein Reihenhaus erfährt eine Modernisierung. Zwölf 'all-black' monokristalline Module liegen bündig in der Dachfläche, montiert auf Edelstahl-Dachhaken, die fest hinter den Dachlatten verankert sind. Keine silberfarbenen Ränder oder glänzenden Profile. Die DC-Kabel verschwinden diskret unter den Ziegeln zu einem Wechselrichter im Vorderdachboden. Ein kurzes, brummendes Geräusch bei Volllast ist das einzige Zeichen der Aktivität.

Auf dem ausgedehnten Flachdach eines neuen Logistikzentrums sieht das Bild völlig anders aus. Tausende Module stehen in Ost-West-Ausrichtung. Hier wird nicht der höchste Ertrag pro Modul nach Süden gewählt, sondern eine abgeflachte Energiekurve, die besser zum konstanten Verbrauch der Kühlanlagen passt. Betonballaststeine halten die leichten Aluminiumrahmen an ihrem Platz. Keine einzige Durchdringung der bituminösen Dachabdichtung ist nötig, um die Stabilität bei Sturm zu gewährleisten.

In einer modernen Bürofassade sehen wir die Integration noch weiter gehen. Semitransparente Glas-Glas-Module in der Vorhangfassade. Aus der Ferne wirkt die Fassade wie dunkel getöntes Glas, passend zur Ästhetik des Entwurfs. Erst aus der Nähe werden die hauchdünnen Linien der Zellen sichtbar. Oder denken Sie an den Solar-Carport auf einem Parkplatz. Das Auto steht geschützt vor Regen und Sonne, während der Überbau selbst die Ladestation mit Strom versorgt. Zwei Funktionen auf einem Quadratmeter Grundfläche. Kein verlorener Raum.

Die Realisierung photovoltaischer Systeme ist an einen strengen Rahmen technischer Normen und gesetzlicher Vorschriften gebunden. Sicherheit regiert. Das Gebäuderecht der Länder (Landesbauordnungen) bildet die rechtliche Grundlage, wobei insbesondere der Brandschutz und die konstruktive Integrität des Gebäudes im Mittelpunkt stehen. Die DIN 1055 bietet hierbei spezifische Richtlinien für die baulichen Aspekte von Solarenergieanlagen. Es geht um die Wind- und Schneelast, die auf die Konstruktion wirkt. Oder die Wasserdichtheit integrierter Systeme. Nichts darf schließlich einfach vom Dach geweht werden.

Elektrisch gesehen ist die DIN VDE 0100 die unbestrittene Norm für die Niederspannungsinstallation. Diese Norm schreibt vor, wie die Verbindung zwischen dem PV-Teil und der Unterverteilung verlaufen muss. Kabelberechnungen sind verpflichtend. Selektivität der Schutzeinrichtungen muss gewährleistet sein. Die richtige Erdung ist essenziell, um Lichtbögen und Überhitzung zu vermeiden. Für die Qualitätssicherung bei der Abnahme wird häufig auf die DIN EN 62446 verwiesen. Diese Norm stellt Anforderungen an die Systemdokumentation und die Erstprüfung. Im gewerblichen Markt fordern Versicherer zudem regelmäßig eine Prüfung nach SCIOS Scope 12. Dies ist eine spezifische Inspektionsmethodik zur Minimierung von Brandrisiken. Keine unverbindliche Empfehlung. Oft eine harte Bedingung für den Versicherungsschutz.

1839. Der neunzehnjährige Edmond Becquerel entdeckt den photovoltaischen Effekt. Er sah Licht Elektrizität in einer elektrolytischen Zelle erzeugen. Es blieb Jahrzehnte ein physikalisches Experiment. Erst 1883 konstruierte Charles Fritts die erste feste Solarzelle. Er verwendete Selen auf einer dünnen Goldschicht. Der Wirkungsgrad war minimal. Weniger als ein Prozent. Unzureichend für die praktische Anwendung, aber es bewies, dass die direkte Umwandlung von Licht in Strom ohne bewegliche Teile möglich war. Einstein sorgte 1905 für die theoretische Grundlage. Seine Erklärung des photoelektrischen Effekts legte den Grundstein für die moderne Quantenphysik.

Der technologische Sprung zu Silizium fand 1954 bei Bell Labs statt. Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson erhöhten den Wirkungsgrad auf sechs Prozent. Ein bedeutender Meilenstein. Die Raumfahrt fungierte als erster ernsthafter Absatzmarkt. Satelliten wie Vanguard I bewiesen die Zuverlässigkeit von PV-Zellen in extremen Umgebungen. Auf der Erde blieb die Technik für den allgemeinen Einsatz im Bausektor unbezahlbar. Bis zur Ölkrise der siebziger Jahre. Die Notwendigkeit der Energieunabhängigkeit trieb die Kostenreduktion voran. In den Vereinigten Staaten und Japan starteten die ersten groß angelegten Forschungsprogramme für irdische Anwendungen.

Die eigentliche Integration in die Architektur begann in den neunziger Jahren. Deutschland übernahm die Vorreiterrolle mit dem '100.000-Dächer-Programm'. Dies stimulierte den Markt und zwang die Industrie zur Standardisierung von Modulen und Wechselrichtern. Der Fokus verschob sich von Nischen-Laborarbeit zu robusten Bauprodukten. Seit 2010 sind die Produktionskosten durch Skalierung in Asien exponentiell gesunken. Was einst als Hightech-Komponente für Satelliten begann, hat sich inzwischen zu einem Standard-Baumaterial transformiert. Es ist nun ein integraler Bestandteil der deutschen Bauvorschriften und der verpflichtenden Energieeffizienzberechnungen für Neubauten.