Einleitung: Integrierte Photovoltaik
Bis 2045 soll Deutschland klimaneutral sein. Um dieses Ziel zu erreichen, ist nach Berechnungen des Fraunhofer-Instituts eine sechs- bis achtfache Erhöhung der von Photovoltaik erbrachten Leistung notwendig. Für die Photovoltaikanlagen braucht man allerdings Platz, der in vielen Regionen Mangelware ist. Schließlich handelt es sich meist um Grundstücksflächen oder um landwirtschaftlich genutzte Flächen, die sich nicht dezimieren lassen, oder die schon bebaut sind. Selbst der Ausbau auf Freiflächen steht dem Umweltschutz entgegen und stößt auf geringe Akzeptanz seitens der Bevölkerung. Abhilfe schafft die integrierte Photovoltaik.
Was ist integrierte Photovoltaik?
Bei integrierter Photovoltaik stattet man ungenutzte Teilflächen mit Solarzellen aus und integriert sie so beispielsweise in Gebäudehüllen, Fahrzeugen oder Verkehrswegen. Sie ermöglicht es, eine Fläche zu bebauen oder zu bewirtschaften und gleichzeitig für die Stromerzeugung zu verwenden, ohne sie in ihrer bisherigen Funktion einzuschränken. Dabei entstehen Synergieeffekte, die eine Integration noch rentabler machen. Durch neue Technologien und individuelle Anpassung müssen Architekten beim Design keine Kompromisse eingehen. Mit dem Einsatz von individuellen Farben und Formaten ist es möglich, Schaltkreis und Zellarchitektur bei Bedarf vollständig zu verdecken. Das Fraunhofer Institut schätzt das technische Potenzial für integrierte Photovoltaik in Deutschland auf eine Nennleistung von über 3160 Gigawatt Peak.
Wieso integrierte Photovoltaik?
1: Vermeidung von Flächennutzungskonflikten
Die Erschließung neuer unbebauter Flächen ist für integrierte Photovoltaik nicht notwendig. Stattdessen fügt sich die Technologie in bereits bestehende Bauwerke oder Flächen ein.
2: Lokale Produktion
Da bei der Integration individuelle Lösungen und praktikable Designs im Vordergrund stehen, macht eine lokale Produktion Sinn. Damit erschließen sich für deutsche und europäische Unternehmen Möglichkeiten, in den Markt einzusteigen und eine Produktion mit nachhaltiger Wertschöpfung aufzubauen.
3: Reduktion des Materialverbrauchs
Der Materialverbrauch für die Montage einer Photovoltaikanlage ist relativ gering, da sie meist auf bereits vorhandene Unterkonstruktionen erfolgt. Modulabdeckungen übernehmen dann die Funktion einer Wand oder eines Daches. Durch diese Synergieeffekte verbessert sich die Ökobilanz der Photovoltaik und es entstehen Kostenvorteile.
4: Ortsnahe Stromversorgung und Reichweitengewinn
Integrierte Photovoltaik hat weiterhin den Vorteil, dass der Ort der Stromerzeugung und der Ort der Stromnutzung nahezu identisch sind. Durch die kurzen Wege verringert sich zudem der Stromverbrauch.
Welche Arten integrierter Photovoltaik gibt es?
Agri-Photovoltaik (Potenzial in Deutschland: 1700 Gigawatt Peak)
Agri-Photovoltaik macht die simultane Nutzung von landwirtschaftlichen Flächen für Nahrungsmittelproduktion und Stromerzeugung möglich. Die Module fungieren als Überdachung und damit als Schutz vor den immer extremer werdenden Wetterlagen wie Starkregen, Hagel und Frost. Durch die entstehende Bodenfeuchte bei Hitze kann sich der Bewässerungsbedarf um bis zu 20 Prozent reduzieren.
Bauwerkintegrierte Photovoltaik (Potenzial in Deutschland: 1000 Gigawatt Peak)
Bei bauwerkintegrierter Photovoltaik sind Module gleichzeitig Bauelemente, die zusätzlich zur Stromgewinnung klassische Funktionen wie Wärmedämmung, Wind- und Wetterschutz oder auch architektonische Funktionen übernehmen. Sie fügen sich in Fassaden oder Dächer von Gebäuden ein, ohne das Stadt- oder Landschaftsbild negativ zu beeinflussen. Bei ohnehin verglasten Flächen lässt sich Photovoltaik mit geringem Mehraufwand integrieren. Die Multifunktionalität macht die Module aus ökonomischer und ökologischer Sicht nachhaltig. Auch in Bezug auf die immer wieder angepassten energetischen Gebäuderichtlinien profitieren Gebäudeeigentümer. Im Vergleich zu anderen Modulen sind die Kosten allerdings hoch. Dies liegt vor allem an der Herstellung in Kleinserien und dem geringen Automatisierungsgrad bei der Produktion sowie der mangelnden Standardisierung.
Verkehrswege Photovoltaik (Potenzial in Deutschland: 302 Gigawatt Peak)
Photovoltaikmodule können zudem in Verkehrs- oder Fußwege integriert werden. Eine Überdachung von Verkehrswegen hat den Vorteil, dass sie gleichzeitig den Straßenbelag vor Umwelteinflüssen schützt. Auch Lärmschutzwände und Seitenstreifen sind prinzipiell nutzbar. Die besonderen Anforderungen an Stabilität, mechanische Belastung, Rutschfestigkeit und Lärmabsorption erhöhen jedoch die Kosten für entsprechende Module. Hinzu kommt ein erhöhter Aufwand durch deren Reinigung und Wartung. Zudem ist ein effizientes Verlegungssystem für große Flächen erforderlich. Bei Integration direkt in die Straße müssen die Solarmodule Anforderungen von Verkehrswegen genügen und dabei ausreichend Haftung für alle Verkehrsteilnehmer unabhängig der Wetterbedingungen bieten.
Urbane Photovoltaik (Potenzial in Deutschland für Parkplätze: 59 Gigawatt Peak)
Urbane Photovoltaik vereint die Erzeugung regenerativen Stroms mit der visuell ansprechenden Gestaltung versiegelter Flächen in Städten und Gemeinden. Das können Parkplätze, Marktplätze oder Sportanlagen sein. Photovoltaik dienen hier als Schattenspender oder Regenschutz und erzeugen gleichzeitig Strom für die Beleuchtung oder zum Aufladen von Elektroautos. Urbane Photovoltaik bietet positiven Nutzen für die Bürger und die Städte, wobei sie das Thema regenerativer Stromproduktion den Menschen näherbringt und erlebbar macht. Bei den Anwendungsbereichen sind der Kreativität kaum Grenzen gesetzt, jedoch müssen die Anlagen hohe Anforderungen an Design und Funktionalität erfüllen. Auch die einzuhaltenden rechtlichen Rahmenbedingungen auf öffentlich zugänglichen Plätzen sind komplex und Genehmigungsverfahren bisher schwierig.
Fahrzeugintegrierte Photovoltaik (Potenzial in Deutschland: 55 Gigawatt Peak)
Fahrzeugintegrierte Photovoltaik bezeichnet die mechanische, elektrische und designtechnische Einbindung von Photovoltaikmodulen in Fahrzeugen. Diese sind mit elektrischen Verbrauchern oder der Antriebsbatterie bei Elektrofahrzeugen verbunden und erhöhen so die Reichweite elektrischer Fahrzeuge um mehrere Kilometer pro Tag. Durch die verbrauchsnahe Energieerzeugung wird das Stromnetz entlastet. Gleichzeitig ersetzen die Photovoltaikmodule andere Bauteile des Fahrzeugs, z.B. das Dach oder die Motorhaube. Besondere Designs und spezifische Krümmungen machen es möglich, den hohen ästhetischen Anforderungen gerecht zu werden. Um besonders bei einigen Nutzfahrzeugen die zulässige Nutzlast einzuhalten, müssen sehr leichte Photovoltaikmodule verbaut werden. Die Kühlfunktion bei Lkw kann beispielsweise die Photovoltaik übernehmen, wodurch Diesel eingespart wird. Auch hier sind leichte Module gefragt, die die thermische Isolation nicht beeinträchtigen. Weitere Anwendungsfelder sind Wohnwagen und Wohnmobile, Lastenfahrräder, Straßenbahnen und Züge sowie Schiffe, Flugzeuge und Drohnen.
Schwimmende Photovoltaik (Potenzial in Deutschland: 44 Gigawatt Peak)
Bei schwimmender Photovoltaik handelt es sich um Solarmodule, die auf Schwimmkörpern in künstlichen Seen oder auf dem Meer angebracht werden. In Deutschland kommen geflutete Tagebauflächen, Kiesseen und teilweise Stauseen in Betracht. Verankert wird die Anlage dabei am Gewässergrund, am Ufer oder an angrenzenden Strukturen. Die Montage ist dementsprechend aufwändig. Neben der Wasserbeständigkeit ist aus Gründen des Gewässerschutzes zusätzlich darauf zu achten, dass ausschließlich ökologisch unbedenkliche Materialien verwendet werden. Der entscheidende Vorteil gegenüber Photovoltaikanlagen an Land sind die gesteigerten Erträge infolge der Modulkühlung. Durch die Beschattung wirkt eine solche Anlage zudem übermäßiger Verdunstung und Temperaturerhöhung des Wassers entgegen. Es ergeben sich Synergieeffekte bei Zusammenschaltung mit Wasserkraftwerken, Pumpspeicherkraftwerken oder Offshore-Windkraftanlagen. Während im asiatischen Raum bereits einige Anlagen mit installierten Leistungen im zweistelligen Megawattbereich vorzufinden sind, beschränkt sich die Leistung deutscher Anlagen infolge bisheriger Förderhemmnisse auf 750 kWp. Die erste schwimmende Photovoltaikanlage Deutschlands hat Erdgas Südwest 2019 auf einem Baggersee in Renchen installiert.
