Gebäudeintegrierte Photovoltaik

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) sind photovoltaische Materialien, die in Teilen der Gebäudehülle wie Dach, Oberlicht oder Fassade herkömmliche Baustoffe ersetzen. Sie werden zunehmend in den Bau neuer Gebäude als Haupt- oder Nebenstromquelle einbezogen, obwohl bestehende Gebäude mit ähnlicher Technologie nachgerüstet werden können. Der Vorteil der integrierten Photovoltaik gegenüber den häufigeren nicht integrierten Systemen besteht darin, dass die Anschaffungskosten durch die Reduzierung der Baumaterial- und Arbeitskosten ausgeglichen werden können, die normalerweise zum Bau des Gebäudeteils verwendet werden, das die BIPV-Module ersetzen. Diese Vorteile machen BIPV zu einem der am schnellsten wachsenden Segmente der Photovoltaik-Industrie.

Der Begriff „Building-Applied Photovoltaics“ (BAPV) wird manchmal verwendet, um Photovoltaik zu bezeichnen, die eine Nachrüstung darstellen – die nach Abschluss der Bauarbeiten in das Gebäude integriert wird. Die meisten gebäudeintegrierten Installationen sind eigentlich BAPV. Einige Hersteller und Bauherren unterscheiden Neukonstruktion BIPV von BAPV.

Geschichte
PV-Anwendungen für Gebäude erschienen in den 1970er Jahren. Aluminiumgerahmte Photovoltaikmodule wurden an Gebäude angeschlossen oder an solchen montiert, die normalerweise in abgelegenen Gebieten lagen, ohne Zugang zu einem Stromnetz zu haben. In den 1980er Jahren wurden Photovoltaik-Modul-Add-ons auf Dächern demonstriert. Diese PV-Anlagen wurden in der Regel in mit Stromnetz verbundenen Gebäuden in Gebieten mit zentralen Kraftwerken installiert. In den 1990er Jahren wurden BIPV-Bauprodukte, die speziell für den Einbau in eine Gebäudehülle entwickelt wurden, im Handel erhältlich. Eine 1998 von Patrina Eiffert verfasste Dissertation mit dem Titel „An Economic Assessment of BIPV“ stellte die Hypothese auf, dass es eines Tages einen wirtschaftlichen Wert für den Handel mit Erneuerbare-Energien-Krediten (RECs) geben würde. Eine wirtschaftliche Bewertung von 2011 und ein kurzer Überblick über die Geschichte von BIPV durch das US National Renewable Energy Laboratory legt nahe, dass es erhebliche technische Herausforderungen zu bewältigen gibt, bevor die installierten Kosten von BIPV mit Photovoltaik-Modulen konkurrieren können. Es besteht jedoch ein wachsender Konsens darüber, dass BIPV-Systeme durch ihre weit verbreitete Kommerzialisierung zum Rückgrat des europäischen Ziels für das Null-Energie-Gebäude (ZEB) für 2020 werden. Trotz technischer Versprechen wurden auch soziale Barrieren für eine breite Nutzung identifiziert, wie die Konservativen Kultur der Bauindustrie und Integration mit hochverdichtetem Städtebau. Diese Autoren schlagen vor, dass die Ermöglichung einer langfristigen Nutzung wahrscheinlich ebenso von wirksamen politischen Entscheidungen abhängt wie die technologische Entwicklung.

Formen
Es gibt vier Haupttypen von BIPV-Produkten:

Kristalline Silizium-Solarmodule für erdgebundene und Dachkraftwerke
Amorphe kristalline Silizium-Dünnschicht-PV-Module, die hohl, leicht, rot, blau, gelb, als Glasfassade und transparentes Oberlicht sein können
CIGS-basierte (Copper Indium Gallium Selenide) Dünnschichtzellen auf flexiblen Modulen, die auf das Gebäudehüllenelement oder die CIGS-Zellen laminiert sind, werden direkt auf dem Gebäudehüllensubstrat montiert
Doppelglas-Solarzellen mit quadratischen Zellen im Inneren

Gebäudeintegrierte Photovoltaikmodule sind in verschiedenen Formen verfügbar:

Flachdächer
Bisher am weitesten verbreitet ist eine amorphe Dünnschicht-Solarzelle, die in ein flexibles Polymermodul integriert ist, das mit einer Klebefolie zwischen der Solarmodul-Rückschicht und der Dachmembran an der Dachmembran befestigt wurde. [Klärung erforderlich] Kupfer-Indium-Gallium-Selenid ( Die CIGS) -Technologie ist nun in der Lage, eine Zelleffizienz von 17%, wie sie von einem US-Unternehmen produziert wird, und vergleichbare gebäudeintegrierte Modulwirkungsgrade bei TPO-Einlagemembranen durch die Fusion dieser Zellen durch ein britisches Unternehmen zu liefern.

Schrägdächer
Solardachziegel sind (keramische) Dachziegel mit integrierten Solarmodulen. Der keramische Solardachziegel wurde 2012 von einem niederländischen Unternehmen entwickelt und patentiert.
Module in Form von mehreren Dachziegeln.
Solarschindeln sind Module, die wie normale Schindeln aussehen und funktionieren, während sie eine flexible Dünnschichtzelle enthalten.
Es verlängert die normale Lebensdauer des Daches, indem es Dämmung und Membranen vor UV-Strahlen und Wasserschäden schützt. Dies geschieht durch die Beseitigung von Kondensation, da der Taupunkt über der Dachbahn gehalten wird.
Metall-Schrägdächer (sowohl strukturelle als auch architektonische) werden nun in die PV-Funktionalität integriert, entweder durch Verkleben eines freistehenden flexiblen Moduls oder durch Wärme- und Vakuumversiegelung der CIGS-Zellen direkt auf das Substrat

Fassade
Fassaden können an bestehenden Gebäuden angebracht werden und geben alten Gebäuden ein völlig neues Aussehen. Diese Module werden an der Fassade des Gebäudes über der bestehenden Struktur angebracht, was die Attraktivität des Gebäudes und seinen Wiederverkaufswert erhöhen kann.

Verglasung
Photovoltaik-Fenster sind (halb) transparente Module, die dazu verwendet werden können, eine Reihe von architektonischen Elementen zu ersetzen, die üblicherweise mit Glas oder ähnlichen Materialien wie Fenstern und Oberlichtern hergestellt werden. Neben der Erzeugung von elektrischer Energie können diese aufgrund der hervorragenden Wärmeisolierungseigenschaften und der Kontrolle der Sonnenstrahlung weitere Energieeinsparungen ermöglichen.

Transparente und lichtdurchlässige Photovoltaik
Transparente Solarmodule verwenden eine Zinnoxidbeschichtung auf der Innenseite der Glasscheiben, um Strom aus der Zelle zu leiten. Die Zelle enthält Titanoxid, das mit einem photoelektrischen Farbstoff beschichtet ist.

Die meisten konventionellen Solarzellen verwenden sichtbares und infrarotes Licht, um Elektrizität zu erzeugen. Im Gegensatz dazu verwendet die innovative neue Solarzelle auch ultraviolette Strahlung. Wenn das herkömmliche Fensterglas ersetzt oder über das Glas gelegt wird, kann die Installationsoberfläche groß sein, was zu möglichen Verwendungen führt, die die kombinierten Funktionen der Stromerzeugung, Beleuchtung und Temperatursteuerung ausnutzen.

Ein anderer Name für transparente Photovoltaik ist „transluzente Photovoltaik“ (sie übertragen die Hälfte des Lichts, das auf sie fällt). Ähnlich wie bei der anorganischen Photovoltaik ist auch die organische Photovoltaik durchlässig.

Module verwendet
Um den architektonischen Anforderungen und der gewünschten Multifunktionalität gerecht zu werden, ist die Anpassungsfähigkeit der PV-Module hinsichtlich Größe, Form und verwendeten Materialien erwünscht. Die verschiedenen mechanischen und elektrischen Integrationsanforderungen müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Grundsätzlich gibt es zwei Varianten von Technologien, die für Module für BiPV verwendet werden können:

Kristalline Module
Kristalline Module basieren auf einer Vielzahl von Silizium – Wafern, meist in serieller Verbindung. Der Abstand der Größenänderung wird durch die Größe der Wafer und die notwendigen Abstände für die Verbindung und Isolation bestimmt. Diese betragen 15-25 cm. Bei Zellmaterial unterscheidet man zwischen monokristallinem und polykristallinem Silizium, die sich in ihrer Effizienz unterscheiden. Dies gibt an, wie viel Prozent der ankommenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. (Mono) Kristalline Module bieten heute die höchste Effizienz (15-20%) bei optimaler Ausrichtung. Im BiPV ist jedoch eine solche optimale Orientierung (z. B. Fassade mit vertikaler Ausrichtung) in der Regel nicht gegeben. Darüber hinaus sind kristalline Lösungen sehr anfällig für Abschattung und eine Verringerung der Hochtemperaturleistung, die in Bauanwendungen üblich sind. Daher ist es ratsam, eine Simulationssoftware für den tatsächlichen Energieertrag zu verwenden. Kristalline Lösungen weisen eine hohe Variabilität bei der Wahl des Verpackungsmaterials auf, was für BiPV sehr positiv ist. Unterschiedliche Glasdicken, aber auch Kunststoffe können verwendet werden, kristalline Zellen sind jedoch sehr zerbrechlich und können nicht gebogen werden. Semitransparenz in einfachen Mustern kann auch erzeugt werden.

Dünnschichtmodule
Dünnschichtmodule werden auf ein Substrat (meist Glas) aufgebracht. Bei der Glassubstratvariante ist eine Größenvarianz nur sehr eingeschränkt möglich. Auch ist die Materialauswahl in dieser Variante des Substrats sehr begrenzt, da während des Prozesses der PV-Zellenmontage sehr hohe Temperaturen verwendet werden, die bestimmte Variationen im Glas (zum Beispiel Sicherheitsglas) nicht möglich machen.

Andere Dünnschichtlösungen sind auf Kunststoff- oder Metallbänder (Stahl, Kupfer) aufgebracht. Diese Lösungen bieten derzeit höchste Variationsmöglichkeiten in Größe und Verpackung und ermöglichen zudem flexible und sehr leichte Lösungen (Kunststoff / Kunststoff). Dünnschichtlösungen weisen derzeit Wirkungsgrade von 6-14% auf, je nach verwendeter Technologie, haben eine bessere Ausbeute bei suboptimaler Ausrichtung (Streulicht, wenig Licht) und sind in ihrer Leistung weniger temperaturabhängig.

Sonderaktionen
Verschiedene Politiken fördern den Einsatz von BiPVs: Getrieben von den 20-20-20-Zielen und dem Wunsch, energieautarke Gebäude zu fördern, in einigen Ländern (z. B. Italien, Frankreich) zusätzlich zu den Einspeisetarifen (siehe Deutschland EEG) erhöhte Tarife für BiPV angeboten.

Bauleitlinien
Ein starker Treiber für den Einsatz von BiPV ist die sukzessive Verschärfung von Richtlinien zum energetischen Verhalten von Gebäuden (Nullenergiehaus, CO 2 -Fußabdruck). In Deutschland ist die EnEV eine Referenz auf der Grundlage der EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden. Darüber hinaus gibt es länderabhängige, nachhaltigkeitsbezogene Gebäudebewertungen mit unterschiedlichen Qualitätsniveaus, die auch eine hohe energetische Gebäudequalität und geringe Umweltbelastung fördern. Beispiele sind die von den USA entwickelte Leadership in Energy und Environmental Design (LEED), BREEAM aus Großbritannien oder das deutsche Gütesiegel nachhaltiges Bauen.

Staatlichen Subventionen
In einigen Ländern werden zusätzliche Anreize oder Subventionen für gebäudeintegrierte Photovoltaik zusätzlich zu den bestehenden Einspeisetarifen für autonome Solarsysteme angeboten. Seit Juli 2006 bietet Frankreich den höchsten Anreiz für BIPV, was einer zusätzlichen Prämie von 0,25 EUR / kWh entspricht, die zusätzlich zu den 30 Cent für PV-Anlagen gezahlt wird. Diese Anreize werden in Form eines Entgelts für den Strom angeboten, der ins Netz eingespeist wird.

Europäische Union
Frankreich 0,25 € / kWh
Deutschland 0,05 € / kWh Fassadenbonus ist 2009 ausgelaufen
Italien € 0,04- € 0,09 / kWh
Vereinigtes Königreich 4,18 p / kWh
Spanien, verglichen mit einer Nicht-Gebäudeanlage, die 0,28 € / kWh erhält (RD 1578/2008):
≤20 kW: 0,34 € / kWh
> 20 kW: 0,31 € / kWh

USA
USA – variiert je nach Staat. Weitere Informationen finden Sie in der Datenbank für staatliche Anreize für erneuerbare Energien und Effizienz.

China
Nach der Ankündigung eines Förderprogramms für BIPV-Projekte im März 2009 mit RMB20 pro Watt für BIPV-Systeme und RMB15 / Watt für Aufdachanlagen hat die chinesische Regierung kürzlich ein Photovoltaik-Förderprogramm „The Golden Sun Demonstration Project“ vorgestellt. Das Förderprogramm soll die Entwicklung von Photovoltaik-Stromerzeugungsvorhaben und die Kommerzialisierung von PV-Technologie unterstützen. Das Finanzministerium, das Ministerium für Wissenschaft und Technologie und das nationale Energiebüro haben gemeinsam die Einzelheiten des Programms im Juli 2009 bekannt gegeben. Qualifizierte netzgekoppelte photovoltaische Stromerzeugungsprojekte, einschließlich Dach-, BIPV- und Freiflächenanlagen, haben Anspruch auf Erhalt einer Zuschuss in Höhe von 50% der Gesamtinvestitionen jedes Projekts, einschließlich der damit verbundenen Übertragungsinfrastruktur. Qualifizierte Off-Grid-unabhängige Projekte in abgelegenen Gebieten können Zuschüsse von bis zu 70% der Gesamtinvestition erhalten. Mitte November hat das chinesische Finanzministerium 294 Projekte mit insgesamt 642 Megawatt ausgewählt, die rund 20 Milliarden Yuan (3 Milliarden US-Dollar) an Kosten für seinen Subventionsplan ausmachen, um die Solarenergieproduktion des Landes dramatisch anzukurbeln.

Andere integrierte Photovoltaik
Fahrzeugintegrierte Photovoltaik (ViPV) ist für Fahrzeuge ähnlich. Solarzellen könnten in Paneele eingebettet werden, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, wie zum Beispiel der Motorhaube, dem Dach und möglicherweise dem Kofferraum, je nach dem Design eines Autos.