Zukunftsmarkt Solar (Teil 1)
Jetzt einsteigen und die Nase vorne haben: Der Solarmarkt bietet Metallbauern enormes Potenzial. Vor allem fassadenintegrierte Solarelemente rücken immer mehr in den Vordergrund.
Solartechnik hat sich in Deutschland im heutigen Energiemix einen festen Platz erobert. Davon zeugen z.B. unzählige „blaue Dächer“ und politische Debatten über den richtigen Weg für einen weiteren Ausbau erneuerbarer Energien. Die Erzeugung von Solarenergie mit Photovoltaik-Modulen (PV-Modulen) oder Solarthermischen Kollektoren ist auch schon lange ein Geschäftsfeld für Investoren und Industrie. Sie haben zum einen die Chance erkannt, ihre Kompetenzen in diesen rasant wachsenden Wirtschaftszweig einzubringen. Zum anderen entdecken immer mehr Unternehmen ihre Firmensitze, Verwaltungsgebäude sowie Produktions- und Lagerhallen als hervorragende Basis für solartechnische Anlagen. Die Aufgabenstellung ist hierbei allerdings eine besondere: Es geht nicht mehr nur um die Ausschöpfung höherer Wirkungsgrade der Photovoltaik-Generatoren. Es geht auch um konstruktive Lösungen für den multifunktionalen Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen, z.B. mit gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV - siehe Glossar). Und genau hier sollten jetzt auch Metall- und Fassadenbauer ihre Möglichkeiten ergreifen und ausbauen. Kreative Lösungen für neue oder sanierungsbedürftige Fassaden sind gefragt.
Wärmeerzeugung. Gleiches gilt schon lange für die Solarthermie, also die Nutzung von Solarwärme. Dieser Teil der Solartechnik ist viel älter als die Photovoltaik. Bereits vor über 100 Jahren wurden die ersten Sonnensammler, wie Solarkollektoren auch genannt werden, gebaut und installiert. Damals wie heute funktionieren sie nach demselben Prinzip: Ein schwarzer Absorber, in der Regel eine Metallplatte mit Wasserführung, fängt die Strahlung ein und überträgt sie als Wärme auf das Medium Wasser oder ein Wasser-Frostschutz-Gemisch. Abgedeckt mit einer Glasplatte, macht sich der Kollektor den Wintergarten-Effekt zunutze und erreicht hohe Wirkungsgrade, auch bei niedrigen Außentemperaturen. So erzeugt ein gut gedämmter Kollektor mit Anti-Reflex-Scheibe auch bei –20°C Duschwasser-Temperaturen und bei hoher Sonneneinstrahlung noch heißeres Wasser.
Da thermische Solar-Kollektoren immer häufiger neben der Wasser-Erwärmung auch Unterstützung für die Heizung bieten, sind sie oft steil montiert, um die tiefstehende Wintersonne bestmöglich einzufangen. So ist es naheliegend, Kollektoren an der Fassade anzubringen oder in diese zu integrieren. Das hat auch die Industrie erkannt: Immer mehr Hersteller bauen Kollektoren als Fassaden-Elemente, die neben der Wärmeproduktion z.B. auch Wetterschutz bieten.
Kombination. Zahlreiche Solaranlagen in Fassaden und Dächern belegen, dass die Integration von Solarelementen direkt ins Gebäude Vorteile bringt. Sie erzeugen nicht nur „sauberen“ Strom oder umweltschonend Wärme, sie fügen sich auch auf optisch ansprechende Weise in die Gebäudehülle ein. Darüber hinaus können gebäudeintegrierte Solarelemente viele weitere bauliche Funktionen erfüllen. Beispielsweise Schall- und Wetterschutz, elektromagnetische Abschirmung, Abschattung, Dämmung und viele mehr. Die Gebäudeintegration von PV-Modulen und Solarkollektoren bietet auch technisch und finanziell deutliche Vorteile: Ohne Platz zu verschwenden, liefern entsprechende Solaranlagen einen wesentlichen Beitrag zum Ersatz von anderen Baumaterialien. Damit sind sie ökologisch – aber auch ökonomisch - sinnvoll bei Neubau und Sanierung. Dazu kommt, dass sichtbare Solartechnik heute Unternehmern zu einem guten Image verhilft: Sie zeigen Aufgeschlossenheit, indem sie neue Techniken unterstützen, setzen moderne Baumethoden und Architektur um und arbeiten aktiv an der gesellschaftlichen Aufgabe der Energiewende mit.
Aufbruchsstimmung. Bisher hat die Fassadenintegration von Solarelementen gerade in Deutschland nur eine sehr untergeordnete Rolle gespielt. Auch der Fassadenbonus, der vor einigen Jahren im Energie-Erneuerungs-Gesetz (EEG) festgelegt wurde, konnte daran nichts ändern. Trotzdem gibt es eine ganze Menge sehr interessanter Anwendungen und Projekte in diesem Bereich. Ermöglicht haben das innovative Fassaden- und Metallbauer in Kooperation mit Herstellern von Solarelementen. Meistens wurden hierfür Sondermodule in enger Abstimmung zwischen Handwerkern, Architekten und Bauherren gefertigt. Standard-Systeme aus dem Baukasten oder aus Katalogen gibt es daher selten. Mit zunehmender Gewichtung von Gebäude- und Fassadenintegration entstehen aber prosperierende Perspektiven für dieses Arbeitsfeld.
Fazit: Es lohnt sich auch für „Quereinsteiger“ aus dem Metall- und Fassadenbau, ihr Know-how und ihre Erfahrung in diesen Prozess einzubringen. Sie sollten kreative Projekte mit PV- oder Solarthermie–Fassaden angehen und die Zeit zur Positionierung und Image-Bildung nutzen, bis geregelte, genormte Systeme entstanden sind. Wer jetzt dabei ist und sich mit guter Arbeit und Innovationsfähigkeit profiliert, hat später mit hoher Wahrscheinlichkeit die Nase vorne.
Etliche Forschungs- und Entwicklungsvorhaben dazu laufen bei einzelnen Anbietern, aber vor allem auch marktübergreifend, koordiniert von wissenschaftlichen Instituten. Zu den Vorreitern zählen das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, oder das Fraunhofer Institut für Wind und Energiesystemtechnik IWES, Kassel. Hier erarbeiten Industriepartner, Architekturbüros sowie Bau- und Solarinstitute gemeinsam Technologien zur solaren Gebäudeintegration. Außerdem entwickeln sie Vorschläge und Richtlinien zur Implementierung in den einschlägigen Baurichtlinien und Regelwerken. Ebenso rückt das Thema immer stärker bei Solar- und Bau-Kongressen (z.B. die Fachmessen Bauhaus.Solar, Erfurt oder die intersolar, München ) oder in Fachveröffentlichungen in den Vordergrund. Aber auch Firmen bieten zunehmend Schulungen an. So unterstützen sich Architektur, Bauwesen, Metallbau und Solartechnik gegenseitig und schaffen ein neues, lukratives und hochspannendes Arbeitsfeld.
Potenzial. Oft wird die Frage gestellt, ob die in Deutschland nutzbaren Gebäudeflächen für einen vernünftigen Energie-Mix mit Solartechnik ausreichen. Das ist leicht zu beantworten: Studien weisen bis zu 3000 km² Fläche in der vorhandenen Gebäudestruktur nach. Davon sind allein 640 km² für Photovoltaik und/oder Solarthermie sinnvoll nutzbare Fassadenflächen, also Fassaden mit Ost-, West- und Südorientierung. Das ist ausreichend für bis zu 300 GW installierter PV-Leistung. Allemal genug für eine vorbehaltlose und zügige Orientierung auf Solaranwendungen. Diese bergen zudem ein Umsatz-Potenzial von etlichen Hundert Milliarden Euro, davon allein ein Drittel für die Bauwirtschaft.
Märkte mit anderen politischen Leitzielen für den Ausbau der Solarenergie sehen diesen Aufschwung schon länger: Spanien hat nach dem Boom von Freilandanlagen eine höhere Vergütung für gebäudegebundene Systeme eingeführt. Auch Süd-Korea, Italien, Frankreich, die Schweiz und weitere Länder machen mithilfe von erhöhten Einspeisetarifen und/oder Sonderzuschüssen folgende Variante attraktiv: PV-Bauelemente zu Stromerzeugung und gleichzeitiger Übernahme mindestens einer weiteren Gebäudefunktion. In Österreich und in vielen anderen Ländern ist die Solarthermie über Selbstbau-Kollektoren, Gemeinschaftsanlagen und ähnliche Wege verbreiteter als die Photovoltaik. Hier finden sich auch die meisten und erfolgreichsten Systeme von Fassaden-Kollektoren in vielfältiger Funktion.
Innovation. Neue Systeme sind im Fassadenbereich auf dem Vormarsch. Dabei setzt sich vor allem die Dünnschicht-Technik durch. Die amorphen Silizium-Module wurden schon früh senkrecht in Gebäudehüllen eingesetzt. Hintergrund ist dabei das positive Temperaturverhalten der hier verwandten Zellen. Dieses PV-Material hat als einziges nicht nur einen besonders niedrigen Temperatur-Koeffizienten, sondern verfügt auch über den sogenannten „Annealing-Effekt“. Mit dessen Hilfe erfährt das Modul bei hohen Temperaturen eine weitere Leistungssteigerung. Zusätzlicher Vorteil von Dünnschicht-Technologien ist die Möglichkeit, Teile der aktiven Zellfläche per Laser zu entfernen. Damit kann die Durchsicht der normalerweise opaken (undurchsichtigen) Module wiederhergestellt werden, ohne dass sie ihre elektrische Funktion verlieren. Entsprechend der entfernten Fläche büßen sie dabei zwar Wirkungsgrade ein, diese können aber beliebig eingestellt werden, genauso wie der Grad der gewünschten Transluzenz.
Trend. Aufgrund des Preisverfalls kristalliner Zellen und Module werden amorphe Fassaden-Systeme allerdings in Zukunft mehr und mehr von Dünnschicht-Systemen auf Basis von CIS oder CIGS (siehe Glossar) abgelöst. Diese haben gleiche optische Eigenschaften, sind aber deutlich flächeneffizienter, sodass sie mehr Leistung einbringen. Interessant werden in diesem Bereich voraussichtlich Kassetten-Fassaden-Systeme oder auf Sonder-Formate nach Kundenwunsch.
Bei den Solarkollektoren zeichnet sich ein Trend zu leistungsstarken Flachkollektoren ab: Aufgrund neuer Dämm-Materialien wie Vakuum-Isolier-Paneele sind Aufbauhöhen von 40 bis 50 Millimetern möglich. Das ist gegenüber den bisher üblichen 100 bis 150 Millimetern eine enorme Verbesserung und erhöht die Kombinations-Arten z.B. mit traditionellen Fassaden-Systemen. Auch als Brüstungen oder Balkon-Verkleidungen werden die Kollektor-Systeme gern eingesetzt, da sie filigraner und nicht mehr so klobig wie ihre Vorgänger-Modelle sind.
Nützliche Links:
* www.top50-solar.de
* ww.dgs.de
* www.solarwirtschaft.de
* http://www.ise.fraunhofer.de/de
* http://www.iwes.fraunhofer.de/
Glossar
Wichtige Fachbegriffe im Solarmarkt
Annealing-Effekt: Der Effekt steht in der Werkstoffbearbeitung (vor allem in der Halbleitertechnologie) für das Ausheizen oder Ausheilen von Kristalldefekten. Entsprechend ist die Annealing-Temperatur die Temperatur, bei der ein Ausheilungsprozess stattfindet.
BIPV: Aus dem Englischen: Building Integrated Photovoltaics - die gebäudeintegrierte Photovoltaik.
CdTe-Technologie: Cadmium-Tellurid (CdTe) ist eines von mehreren Halbleitermaterialien, auf dessen Basis Dünnschicht-PV-Module zur Solarstromerzeugung produziert werden. Andere Halbleiter, die dazu geeignet sind, umfassen z.B. amorphes/mikromorphes Silizium oder CIS/CIGS.
CIS oder CIGS: CIS und CIGS stehen als Abkürzung für die verwendeten Elemente Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen. Die chemische Verbindung von dieser Elemente und ist eine Dünnschichttechnologie für Solarzellen.
Dünnschicht-PV-Module: Hier bilden die Atome eine unregelmäßige Struktur (amorph). Die Module werden durch Aufdampfen von Silizium auf eine Trägerplatte (z.B. Glas oder Blech) hergestellt.
Monokristalline PV-Module: Die Zelle besteht aus einem einzigen Silizium-Kristall. Aufgrund ihrer daher exakt gleich ausgerichteten Struktur wird der höchste Wirkungsgrad bei PV-Modulen erzeugt.
Polykristalline PV-Module: Reines Silizium wird im Unterdruckverfahren unter Schutzgas aufgeschmolzen und in Kokillen gegossen, in denen es erstarrt. Die multikristallinen Blöcke werden zu Säulen mit quadratischer Zellengrundfläche verarbeitet und anschließend in 0,45 mm starke Silizium-Scheiben zerteilt. Dieses Zwischenprodukt wird auch als Wafer bezeichnet.
Solarzelle oder photovoltaische Zelle: Ein elektrisches Bauelement, das kurzwellige Strahlungsenergie (meistens Sonnenlicht) direkt in elektrische Energie wandelt. Die Anwendung der Solarzelle ist die Photovoltaik. Manchmal werden auch Elemente eines Sonnenkollektors als Solarzelle bezeichnet. Sie erzeugen aber keinen elektrischen Strom, sondern Prozesswärme und ersetzen beispielsweise Warmwasser-Boiler.
Transluzenz: Lichtdurchlässigkeit eines Körpers
Fassadenbonus: Im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wurde jahrelang ein Aufschlag von 5 Cent pro kWh vergütet, wenn der Strom in einer fassadenintegrierten PV-Anlage erzeugt wurde. Aktuell gibt es keinen festgelegten Fassadenbonus.
Arten der Module
Siliziumzellen im Vergleich
Dickschicht-Module:
* Monokristalline Siliziumzellen (c-Si) weisen im großtechnischen Einsatz einen hohen Wirkungsgrad auf.
* Polykristalline Zellen, auch multikristalline Zellen genannt (poly-Si oder mc-Si), besitzen relativ kurze Energierücklaufzeiten.
Dünnschicht-Module:
* Amorphe Siliziumzellen (a-Si) besitzen zurzeit den größten Marktanteil bei den Dünnschichtzellen. Die Modulwirkungsgrade sind relativ niedrig.
* Kristallines Silizium, z.B. mikrokristallines Silizium (µc-Si), wird oft in Kombination mit amorphem Silizium als Tandemzelle eingesetzt und erreicht so höhere Wirkungsgrade.
* Si Wire Array (noch im Laborstadium): Durch Bestücken einer Oberfläche mit dünnsten Drähten ist diese neue Solarzelle biegsam und benötigt nur 1% der Siliziummenge, verglichen mit herkömmlichen Zellen.
* III-V-Halbleiter-Solarzellen: Gallium-Arsen-Zellen (GaAs) zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade (im Jahr 2009 experimentell bis 41,1%), sehr gute Temperaturbeständigkeit, geringeren Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen und Robustheit gegenüber UV-Strahlung aus. Sie sind allerdings sehr teuer in der Herstellung.
* II-VI-Halbleiter-Solarzellen: Cadmium-Tellurit-Zellen (CdTe) sind großtechnisch durch chemische Badabscheidung (CBD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) sehr günstig herzustellen und finden Verwendung in Dünnschichtsolarzellen.
* I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen: CIS- oder CIGS-Solarzellen (Chalkopyrite) bestehen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Dieses Material findet Anwendung in Dünnschichtsolarzellen – hier ist CIGS das leistungsstärkste Material mit Laborwirkungsgraden von mittlerweile 20,3% (Stand Juli 2010).
* Organische Solarzellen (OPV): Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisherige Nachteile sind ihr deutlich schlechterer Wirkungsgrad von ca. 8% (Stand Juli 2010) und die recht kurze Lebensdauer (max. 5000 h) der Zellen. Hier laufen aber noch etliche Forschungsprojekte.
* Farbstoffzellen oder auch Grätzel-Zellen: Sie nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie - ein Vorgang, der sich an die Photosynthese anlehnt. Sie sind meistens lila und liefern den besten Wirkungsgrad aller organischen Solarzellen. Die Zellen haben jedoch aufgrund von aggressiven Elektrolyten eine begrenzte Lebensdauer.
Stromgewinnung mit Photovoltaik
Einspeisen ins Netz mit Wechselstrom
Solarmodule erzeugen Gleichstrom mit einer niedrigen Spannung. Die meisten elektrischen Geräte sind auf Wechselstrom angewiesen, z.B. im Haushalt 230 V, 50 Hz. Das Energieversorgungssystem wurde aus verschiedenen technischen Gründen - u.a. Leitungsverluste, Transformatoren, Drehstrommotoren und Sicherheit - mit Wechselstromtechnik gebaut.
Bei der Umwandlung und Übertragung des Gleichstroms in Wechselstrom entstehen, bei trafolosen Geräten, zwei und bei anderen bis zu fünf Prozent Verluste. Als Umwandler werden Wechselrichter verwendet. Diese sind – technisch gesehen – starke Oszillatoren der Frequenz 50 Hz. Ohne sie ließe sich der erzeugte Strom nicht in das öffentliche Netz einspeisen.
Einige charakteristische Daten zu dieser Technologie:
* Bei einem Einsatz in Deutschland wird die Energie, die zur Herstellung einer Photovoltaikanlage benötigt wird, in zwei bis sieben Jahren wieder eingebracht. Zu einer PV-Anlage gehören z.B. Module, Befestigungssysteme, Kabel, Wechselrichter sowie der Transport.
* Die Lebensdauer von Modulen wird maximal auf 30 bis 40 Jahre geschätzt.
* Der energieintensive Teil der meisten Solarzellen kann vier- bis fünfmal wiederverwertet werden.
Neben der Stromgewinnung zur Einspeisung in das Netz wird PV auch für mobile Anwendungen eingesetzt, z.B. bei Solar-Fahrzeugen, -Flugzeugen und -Luftschiffen. Um die gewonnene Energie zwischenzuspeichern, werden meistens Solarbatterien verwendet. Auch für den Einsatz in Bereichen ohne Netzversorgung ist die Photovoltaik eine gute Lösung, z.B. in der Raumfahrt, bei Solarleuchten, elektrischen Weidezäunen oder allgemein als Inselanlage. In netzfernen Gebieten und Ländern ist Batteriegestützte Photovoltaik mittlerweile eine realistische Option zur künftigen Stromversorgung.
Geschichte der Photovoltaik
Die wichtigsten Entwicklungsstationen auf einen Blick
* 1839: Der französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt den photoelektrischen Effekt.
* 1905: Albert Einstein gelingt es, den Photoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekommt.
* 1954: Die Amerikaner Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson produzieren die ersten Siliziumzellen. Schon damals erreichen sie Wirkungsgrade von 4% bis 6%.
* 1955: Erste technische Anwendung der Zellen bei der Stromversorgung von Telefonverstärkern.
* Seit Ende der 50er-Jahre werden Photovoltaikzellen bzw. -module in der Satellitentechnik verwendet.
* In den 1960er- und 1970er-Jahren führt die Nachfrage aus der Raumfahrt zu entscheidenden Fortschritten in der Entwicklung von Photovoltaikzellen.
* Die Energiekrise in den 1970er-Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein führen verstärkt zu Forschungen, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen und durch staatliche Anreize zu fördern.
* 1990: Beginnt das 1000-Dächer-Programm in Deutschland, gefolgt vom „Sonne in der Schule“-Programm (1994) und dem 100.000-Dächer-Programm Ende der 1990er-Jahre.
* 1994: Es startet eine Fördermaßnahme in Japan, das 70.000-Dächer-Programm.
* 1997: Es startet das 1.000.000-Dächer-Programm in den USA.
* 2000: Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) tritt in Deutschland in Kraft und führt endgültig zum gewünschten Boom. Es garantiert dem Investor eine wirtschaftlich attraktive Vergütung für den erzeugten Solarstrom und wird von vielen Ländern weltweit kopiert.
