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«Gestaltungspotenzial von Solarpaneelen als neue Bauelemente Sonderaufgabe Baudenkmal von der Fakultät Gestaltung der Universität der Künste Berlin ...»

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Universität der Künste Berlin

Fakultät Gestaltung - Architektur

Gestaltungspotenzial von Solarpaneelen als neue Bauelemente Sonderaufgabe Baudenkmal

von der Fakultät Gestaltung der Universität der Künste Berlin zur Erlangung der Würde

eines Doktor-Ingenieurs genehmigte Dissertation

vorgelegt von

Dipl.-Ing. Susanne Rexroth

aus Karlsruhe

1. Gutachter: Prof. Dr. Heinrich Tepasse, UdK Berlin

2. Gutachter: Prof. Dr. Robert Suckale, TU Berlin

3. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Weller, TU Dresden Tag der Disputation: 26. August 2005 Vorwort Die Idee zur vorliegenden Arbeit entstand während meiner fünfjährigen Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Prof. Dr. Heinrich Tepasse im Fachgebiet Versorgungsplanung/Versorgungstechnik der Fakultät Gestaltung an der Universität der Künste Berlin.

Weitere Anregungen erhielt ich von Prof. Wolfgang Brösicke vom Fachbereich Umwelttechnik/Regenerative Energien an der Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin.

Nützliche Ideen, die es lohnten, in einer Dissertation vertieft zu werden, erhielt ich außerdem aus meiner Mitarbeit in den von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojekten PVACCEPT und BIPV-CIS.

Zahlreiche wissenschaftliche Gespräche, gute Ideen, Anregungen und Kritik hilfsbereiter und interessierter Kollegen und Freunde - dies alles spiegelt sich in der vorliegenden Arbeit wider und bereicherte sie. Bei allen, die auf diese Weise zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben, möchte ich mich sehr herzlich bedanken!

Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr. Robert Suckale am Institut für Geschichte und Kunstgeschichte der Fakultät I - Geisteswissenschaften an der Technischen Universität Berlin, Prof. Dr.-Ing. Bernhard Weller am Institut für Baukonstruktion der Fakultät Bauingenieurwesen an der Technischen Universität Dresden und Prof. Dr. Heinrich Tepasse. Ihre engagierte und geduldige Diskussionsbereitschaft war mir eine wertvolle Unterstützung.

Dresden, im März 2005 Susanne Rexroth Inhalt

1. Einleitung 1

1.1 Problemstellung und Forschungsstand 2

1.2 Ziele und Aufgaben 7

1.3 Methodik 8

2. Grundlagen 12

2.1 Bauprodukt und Bauelement 12 2.1.1 Terminologie 12 2.1.2 Materialien und Herstellung 15 2.1.3 Gebäudeintegration 18 2.1.4 Fassadenformen 20

2.2 Funktion und Technik 23 2.2.1 Physikalische Wirkungsweise 23 2.2.2 Solarzellentypen 25 2.2.3 Von der Solarzelle zum Solargenerator 27 2.2.4 Planungsfaktor Energieausbeute 32 2.2.5

–  –  –

1. Einleitung Die Photovoltaik hat sich in den letzten 15 Jahren als nachhaltige, arbeitsplatzschaffende und umweltentlastende Technologie zur Stromerzeugung national wie international etabliert. Photovoltaikprodukte und -Systeme sind als Zukunftstechnologie zur Stromversorgung inzwischen von Energieverbrauchern, zum Teil auch von Stromproduzenten und von der Politik anerkannt.

Dennoch bedarf es zur Verbreitung dieser Technologie nach wie vor großer Anstrengungen.

Angesichts ihrer enormen Potenziale ist der derzeitige Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung in Deutschland noch verhältnismäßig gering. Zum Vergleich: Der Anteil der Wasserkraft(werke) liegt schon länger konstant bei vier Prozent. Große Zuwächse konnte der Windenergiesektor verzeichnen. Während die Windkraft für die Stromerzeugung noch Anfang 1990 nahezu ohne Bedeutung war, konnte sie durch eine Verbesserung der Anlagentechnik und für Investoren attraktive Finanzierungsmodelle ihre Position stark ausbauen, so dass der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung in Deutschland inzwischen (2004) deutlich über einem Prozent liegt. Der Anteil der Photovoltaik liegt weiterhin erst im Promillebereich (0,01 Prozent in 2004).

Die Anfänge der Photovoltaik-Technik reichen bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts zurück. 1839 entdeckte Antoine Henri Becquerel den photovoltaischen Effekt. Erst 1954, gut hundert Jahre später, wurde die erste Silizium-Solarzelle in den Bell Laboratories mit einem Wirkungsgrad von fünf Prozent hergestellt. In den folgenden Jahren wurde die Photovoltaik hauptsächlich in der Raumfahrt eingesetzt. Die Kosten spielten hier eine untergeordnete Rolle. Die produzierten Stückzahlen waren vernachlässigbar gering. Der Wirkungsgrad nahm jedoch mehr und mehr zu, und die Kosten sanken, so dass die Photovoltaik nach der Ölkrise und dem schweren Reaktorunglück in Tschernobyl auch zunehmend in anderen Bereichen Einzug hielt. Das größte Hemmnis für den endgültigen Durchbruch der Photovoltaik stellen bis heute die relativ hohen Kosten dar.

Deswegen ist deren Anwendung von finanziellen Förderungen abhängig. Folgerichtig bestimmen öffentliche Fördermodelle nach wie vor Art und Größe dieses Marktsegmentes.

Im Wesentlichen lassen sich zur Stromversorgung von Gebäuden zwei Anwendungsbereiche unterscheiden: einerseits Inselsysteme für die Anwendung in wenig entwickelten Ländern oder bei Gebäuden ohne Netzanschluss. Sie kommen als netzferne Kleinsysteme zum Einsatz. Andererseits an das öffentliche Stromnetz gekoppelte dezentrale Systeme in den industrialisierten Ländern. Im letztgenannten Anwendungsbereich interessiert besonders die gebäudeintegrierte Technik.

Während die gesamte Photovoltaikbranche in den vergangenen drei Jahren Produktionszuwächse von mehr als dreißig Prozent (fünfzig Prozent in 2002, 34 Prozent in 2003, 38 Prozent in





2004) aufweist1, stagniert der Zuwachs an gebäudeintegrierter Photovoltaik. Ziel der Arbeit ist, die Gründe für diese unerwartete Entwicklung aufzuzeigen. Neben finanziellen und technologischen Aspekten werden hier besonders gestalterische Fragestellungen erörtert. Die Analyse erfolgt anhand von beispielhaften Denkmalschutzprojekten.

1.1 Problemstellung und Forschungsstand Gerade der Einsatz in der Architektur und im Städtebau verspricht ein besonders geeignetes Anwendungspotenzial bei den netzgekoppelten dezentralen Systemen. Doch genau hier finden die Solarpaneele als Bauelemente nicht die Verbreitung, die aufgrund ihrer bautechnischen Qualitäten (zum Beispiel Herstellung in der bekannten und bewährten Verbundglastechnik, Kombinationsmöglichkeiten mit marktgängigen Fassadenkonstruktionen, Substituierung bestimmter Fassadenelemente) zu erwarten wäre.

Die meist ablehnende Haltung der Denkmalbehörden gegenüber den neuen Bauelementen macht die Skepsis gegenüber Solarpaneelen in der Architektur besonders deutlich. Sie hat eine Reihe von Gründen: Nicht nur das Erscheinungsbild wird beeinflusst, die Integration von Solarpaneelen verursacht auch massive Eingriffe in die Bausubstanz. Der finanzielle Aufwand für den Einsatz der Komponenten steht außerdem in einem ungünstigen Verhältnis zu deren energetischem und damit auch wirtschaftlichem Nutzen, so die Argumente aus der Sicht des Denkmalschutzes.

Vgl. www.IEA.org/Energy statistics: Statistiken der International Energy Agency (IEA) zum Anteil erneuerbarer Energien an der Energieversorgung, 2004.

Zudem altern die neuen Materialien anders als historische wie Holz, Ziegel oder Naturstein: Das führt leicht dazu, dass sie das Erscheinungsbild eines alten Hauses verfremden. Durch solche Veränderungen wird unter Umständen der Duktus und damit indirekt auch der historische Zeugniswert eines geschichtlich wertvollen Gebäudes beeinträchtigt. Dies sind die Argumente, die Vertreter des Denkmalschutzes ins Feld führen, wenn sie die Montage von Photovoltaikanlagen an Denkmalen ablehnen.

Anderseits haben Solarpaneele ästhetische Qualitäten: Aufgrund ihrer Materialeigenschaften und in der Kombination mit anderen Baumaterialien bieten sie neue Ausdrucksmöglichkeiten für das architektonische Gestalten. Die Solarpaneele sind neue Bauprodukte, die neben ihren energetischen Eigenschaften zugleich vollwertige Materialqualitäten besitzen.

Zwar zeichnet sich die Tendenz ab, dass Solarpaneele anders als die - vor allem anfänglich - addierten Elemente verstärkt als integrierte Fassaden- und Dachbestandteile eingesetzt werden, diese Elemente sind aber bislang wenig verbreitet. Abgesehen von den schon genannten Gründen (erforderliches technisches Know-How, Kosten) erweisen sich vor allem die gestalterischen Defizite als Hemmnis. Mit ihnen beschäftigt sich diese Arbeit ebenso wie mit den Potenzialen des bisher wenig akzeptierten Bauproduktes Solarpaneel. Gegen eine architekturintegrierte Photovoltaik sprechen bisher Argumente wie ‚eingeschränkte Entwurfsfreiheit’, ‚dominierendes Erscheinungsbild’, und - im Zwei-, wie im Dreidimensionalen - ‚recht starre Geometrie’.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik hat sich bisher in der Architektur noch nicht durchgesetzt, und es gibt bisher zu wenige gestalterisch gelungene Anwendungslösungen. Wie sensibel die fassadenintegrierte Photovoltaik ausgeführt werden muss, zeigt das Beispiel einer typischen Baulückenschließung in BerlinKreuzberg. Der Neubau aus den achtziger Jahren bezieht sich formal auf einige Stilelemente der benachbarten, plastisch stark durchgeformten Gründerzeitfassade (Mittelrisalit und Erker). Die glatte Fassade, Fensterformate und Geschosshöhen entsprechen jedoch einer ganz anderen Zeit. In dieses völlig zusammenhanglos formulierte Bild wurden die Solarpaneele integriert. Sie sollen die Brüstungsbänder markieren. Doch selbst das Bild einer Bandfassade wurde nicht konsequent ausgeführt, denn die Module wurden rein funktional entsprechend der Verschattungssituation - eingebaut (Bild 1).

–  –  –

So wenig wie die Photovoltaik in der Architektur verbreitet ist, sowenig ist sie Thema der Architekturtheorie und -kritik. Die Zahl der Publikationen und Forschungsarbeiten, die ihren Schwerpunkt auf gestalterische Aspekte der Photovoltaik am Gebäude legen, ist gering.

Geht es in der Forschung um die architektonische Integration der Technologie, so zielen diese Bemühungen meist auf größere Kosteneffektivität, beispielsweise durch Funktionsoptimierung oder die Entwicklung von standardisierbaren Modulen, was unter anderem dadurch erreicht werden soll, dass Module in ihrer Gestalt an traditionelle Bauelemente - wie zum Beispiel Dachziegel - angepasst werden.

Selbst die Ergebnisse von Architekturwettbewerben zur Integration von Photovoltaik in Fassaden zeigen, dass Integration von Solarpaneelen für die Mehrheit der Anlagenplaner bislang heißt, die Anwendung der Technologie zum Gestaltungsprinzip zu erheben.2 Auch bei den wenigen Forschungsprojekten, die sich mit Fragen der Gestaltung auseinander setzen, geschieht dies unter formalen Aspekten. Sie untersuchen die technologischen Möglichkeiten im Hinblick auf die Entwicklung von neuen Produkten oder Kombinationsmöglichkeiten vorhandener Produkte. Das Forschungsprojekt PVACCEPT an der Universität der Künste (UdK) Berlin, das von der Verfasserin mitinitiiert wurde, befasst sich zwar mit nicht-technologischen Aspekten bei der Entwicklung von Photovoltaikmodulen, doch richtet es sich bei der „bedarfsorientierten, angepassten“ Entwicklung neuer photovoltaischer Produkte nach dem Verbraucherverhalten und den Ansprüchen der Entscheidungsträger.3 Photovoltaik und Denkmalschutz waren bislang noch kein konkreter Forschungsgegenstand, vor allem was eine Bewertung der ästhetischen Qualitäten anbelangt. Die Untersuchung der Integrationsmöglichkeit von Solarpaneelen in den (unter Umständen denkmalgeschützten) Gebäudebestand erfolgte bisher pragmatisch und konzentrierte sich auf das Flächenpotenzial, die Typologisierung der Gebäude und daraus abzuleitende systematisierte Integrationstechniken und Prototypenentwicklung.4 Die Mehrzahl der Dissertationen zum Thema Integration von Photovoltaik in Gebäuden erschien Anfang der achtziger Jahre.

In der Folgezeit waren vorwiegend die baulichen Integrationsmöglichkeiten der technischen Elemente und die Auswirkung G. Becker, Solarenergieförderverein Bayern: „Architectural Integration of Photovoltaic Systems - Considerations on Aesthetic and Technology of th Awarded PV Plants in Bavaria“, Vortrag gehalten am 24.10.01, 17 European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, München.

Prof. P. Kaup, Bayerische Architektenkammer München, “Architekturwettbewerb des Solarenergiefördervereins München, Vorstellung der prämierten Arbeiten”, Vortrag gehalten am 14.03.02, 17. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein.

Prof. H.-U. Kilian, FH Biberach, “Architekturwettbewerb des Landesgewerbeamtes Stuttgart, Vorstellung der prämierten Arbeiten”, Vortrag gehalten am 14.03.02, 17. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein.

PVACCEPT - Improving PV acceptability through innovative architectural design - development, demonstration, acceptability study in protected tourist regions, Project Reference: IPS-2000-0090, Programme Acronym: INNOVATION-SME.

Projektstudie “Photovoltaikeinsatz im Gebäudebestand - Impulse für Architekten und Bauherrn”, TU München: Lehrstuhl für Gebäudetechnologie (in Arbeit).

SOLEG - Solar gestützte Energieversorgung von Gebäuden, Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE), München.

auf die Energieversorgungsstruktur Gegenstand der Untersuchung. Spezifische Anwendungsfälle wurden unter regionalen und klimatischen Bedingungen erforscht. Nur wenige Arbeiten wurden von Architekten vorgelegt.

Eine davon ist die Dissertation von Ingo Bert Hagemann. Im Jahr 2001 an der RWTH Aachen abgeschlossen, ist die Untersuchung von Integrationsmöglichkeiten von PhotovoltaikElementen in die Gebäudehülle allgemein angelegt. Der Autor hat eine umfangreiche Übersicht über baukonstruktive Einbindungsmöglichkeiten der aktuellen Produktpalette erarbeitet und stellt dazu die Demonstrationsprojekte eines Forschungsprojektes vor.5 2003 wurde ebenfalls zum Thema gebäudeintegrierte Photovoltaik im Fachbereich Architektur der TU Darmstadt von Silke A.



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