17.12.2018

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Bauwerksintegrierte Photovoltaik (BIPV):

technische und ästhetische Gestaltungselemente

Gabriele C. Eder und Yuliya Voronko

OFI, Österreichisches Forschungsinstitut

für Chemie und Technik

Mitglied bei

13.12.2018

Task15

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Ausblick

• Bauwerksintegrierte Photovoltaik

• technische Gestaltungselemente

• ästhetische Gestaltungselemente

• Umsetzungsbeispiele

• F&E-Projekte / Aktivitäten

IEA PVPS TASK15

TPPV

Quelle: www.solarfassade.info

WK Wien

Quelle: ertex-solar

Power Tower Linz

17.12.2018

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Einführung

Quelle: Schöberl & Pöll GmbH

TU Wien

Gebäude der Zukunft → höchste Energieeffizienz aufweisen (EU-Gebäuderichtlinie: nZEB ab 2020) • ƒvor-Ort erzeugte Energie nutzen (Eigenverbrauch) oder • aktive Rolle im Stromnetz übernehmen (Netzeinspeisung)

• zur CO2 Emission Reduktion beitragen

→ BIPV-Elemente in Fassaden, Dächern, Verschattungen…. => multifunktionale, energieaktive (stromproduzierende) Gebäudehüllen

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Photovoltaik

Unter Photovoltaik versteht man die Umwandlung von Sonnen-energie in elektrische Energie.

https://www.pvaustria.at/meine-pv-anlage/technologie/

Standard PV

Bauwerksintegrierte PV

Auf-Dach Anlagen

Freiflächen- Anlagen

In-Dach Systeme

PV- Fassaden

© BM Wonen

© ISSOL

17.12.2018

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Globale Entwicklung PV / BIPV

Quelle: IEA 2018: SNAPSHOT OF GLOBAL PHOTOVOLTAIC MARKETShttps://www.pvaustria.at/daten-fakten/

400GW

BIPV macht nur 1-2~% der Installationen weltweit aus

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Entwicklung PV in Österreich

https://www.pvaustria.at/daten-fakten/

Aktueller Stand Vorschau (2018)

1.5GW in 5 Jahren x 2,5

2020 2025 2030 2008 2013 2018

17.12.2018

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PV-Installationen in Österreich

Quelle: Photovoltaik, Technologie-Roadmap Teil 2 / 2018; Hubert Fechner et al.

PV wird heute in Österreich zwar überwiegend auf Gebäuden (Aufdachanlagen) installiert

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Lifecycle Assessment CO2 Emissions Intensity For Japan's Energy Sources, 2014

Technologievergleich / Treibhausgas (CO2)-Emission

17.12.2018

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Entwicklung der Treibhausgas-Emissionen des Sektors Gebäude pro Kopf auf Bundesländerebene

Deutliche Emissions-reduktionen konnten insbesondere durch die Steigerung der Gebäudequalität und durch den vermehrten Einsatz erneuerbarer Energieträger erreicht werden

http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/publikationen/REP0660.pdf

Entwicklung der CO2-Emissionen in Österreich

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Technische Gestaltungsmöglichkeiten

Quelle: www.ertex-solar.at

17.12.2018

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Bauwerksintegrierte PV

• Teil der Gebäudehülle

• energieaktives Element Stromproduktion

• Verschattung/Sonnenschutz Lichtmanagement

• Wärme/Kältemanagement Temperaturregelung

• Witterungsschutz

• ästhetisches Gestaltungselement

http://www.bipv.ch/images/Report%202017_SUPSI_SEAC_BIPV.pdf © SUPSI

www.ofi.at Quelle: IEA PVPS

PV-Integration in Fassaden

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PV-Integration / Verschattung bzw. Überdachung

Quelle: IEA PVPS

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Vielfalt - Bauwerksintegrierte Photovoltaik

www.solarfassade.info/de/projektbeispiele/index.php

Adrian Berger © Beat Bühler Fotograf

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Prinzipieller Aufbau eines PV-Moduls

Baumaterial

www.solarfassade.info

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• kristalline Si-Solarzellen opake Si-Zellen – blau/schwarz

Erscheinungsbild Zellstruktur;

Transparenz durch Lochstruktur

Einfärben möglich

• PV aktive Dünnschicht • CdTe

• CIGS

• amorphes Si

• Organische PV

Homogenes Erscheinungsbild

Transparenz möglich

Farbe bei OPV möglich

Verschiedene Zelltechnologien

www.soltechenergy.com ; semi-transparente CdTe-Dünnschicht

www.ertex-solar.at ; Glas/Glas elemente mit Si-Zellen

17.12.2018

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Verschiedene Zelltechnologien - Effizienz

Zellmaterial Maximaler Zellwirkungs-grad (Labor)

Maximaler Wirkungsgrad (Produktion)

Typischer Modul-wirkungsgrad

Flächenbedarf pro kWp

monokristallines Silizium

25,8 % 24 % 19 % 5,3 m²

polykristallines Silizium

22,3 % 20 % 17 % 5,9 m²

amorphes Silizium

14,0 % 8 % 6 % 16,7 m²

CIS/CIGS 22,6 % 16 % 15 % 6,7 m²

CdTe 22,1 % 17 % 16 % 6,3 m²

Wirkungsgrad verschiedener Solaranlagen nach Quaschning (Stand 2018)

Quelle: Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 4. Auflage, München 2018, S. 134.

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Ausrichtung / Einbausituation

https://www.baunetzwissen.de/solar/fachwissen/planungsgrundlagen/ausrichtung-von-solaranlagen-165604

17.12.2018

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BIPV-Stromerzeugung Tagesgang

©Bild: Viridén + Partner AG (=Projektleitung) Die Fassade ist auf allen Seiten mit PV bestückt (Mehrfamilienhaus Hofwiesen-/Rothstrasse/CH). PV-Fassadeanlage (fast ganzflächig auf allen vier Fassadenseiten) : 1586 m2 aktive Fläche PV-Dachanlage : 165 m2

Quelle: www.ewz/ee-news.ch

BIPV auf Dach und in der Fassade

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BIPV-Stromerzeugung Tagesgang

©Bild: Viridén + Partner AG (=Projektleitung) Die Fassade ist auf allen Seiten mit PV bestückt (Mehrfamilienhaus Hofwiesen-/Rothstrasse/CH). PV-Fassadeanlage (fast ganzflächig auf allen vier Fassadenseiten) : 1‘586 m2 aktive Fläche PV-Dachanlage : 165 m2

Quelle: www.ewz/ee-news.ch

BIPV auf Dach und in der Fassade

©Bild: Viridén + Partner AG

VERSTECKTE PV? ….. ästhetische Ansätze

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Ästhetische Gestaltungselemente:

Farbe, Transparenz, Form

Schwarz erscheinende BIPV-Fassade (Kita in Marburg); Projekt umgesetzt von ertex-solar https://www.ertex-solar.at/produkte/referenzen

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BIPV: Farbe

Farbige Zelle

Farbiges Glas/Folie

Print auf Glas

1. oder 2.Ebene Grundmaterial Beschichtung

1 2

3

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BIPV: gefärbte Zellen

http://www.bipv.ch/index.php/de/technologie-top-de/visuelle-aspekte/farbe-der-zellen

Leis

tun

gsab

nah

me

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BIPV: gefärbte Zellen

Gebäude mit BIPV Fassade mit grün gefärbten (LOF) Si-Zellen, Projekt Fondation Abbé Pierre in Paris;

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BIPV: Leistung & Ästhetik

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BIPV: gefärbte Folien / bedruckte Gläser

Quelle: R.Valckenborg, Testanlage bei SEAC, NL

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BIPV: gefärbte Folien/ bedruckte Gläser

Quelle: R.Valckenborg, Testanlage bei SEAC, NL

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Beispiel gefärbte BIPV: Funktionalität & Ästhetik

© Rene Schmid www.reneschmid.ch

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BIPV Transparenz: Dünnschicht + OPV

H-glass (ehemals G2E),gefärbte a-Si-module; Ladestation in der Schweiz ; © SUPSI, Francesco Frontini

www.soltechenergy.com; semi-transparente CdTe-Dünnschicht

DSSC Technologie; “Grätzel-Zellen”; a) SwissTech Kongresscenter, Lausanne (Quelle: BFE-SUPSI); b) Österreichischer Pavillon Expo Milan 2015 (© Foto Francesco Frontini).

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• Löcher

• Belegungsdichte

BIPV: Transparenz / kristalline Si-Zellen

copyright: sunways AG

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BIPV: Transparenz

Gebäude mit BIPV Überdachung mit hoher Transparenz (geringe Zellbelegung); Projekt Giraffenhaus, Tiergarten Schönbrunn in Wien;

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Umsetzungsprojekte

* Neubau

* Sanierung

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Umsetzungsbeispiel: Neubau

Power Tower Linz, 2008 (Konzernzentrale der Energie AG)

Gesamt: Nutzfläche 22.000 m²

Hochhaus: 19 Geschoße, Höhe 73 m

• 1.000 m²; Grundrissfläche Büronutzung

Flachhaus: 2-geschoßig

• 3.500 m² Grundrissfläche

Energieaufbringung:

100% Versorgung für Heizung und Kühlung über kombinierte Wärmepumpenanlage.

Sonnenkraftwerk mit 650 m² PV-Fassade

Quelle: DI H. Wilk, Energie AG, 2008.

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Gesamtenergie-Konzept

innovative Gebäudehülle mit integrierter PV-Fassade

m

Haustechnik mit intelligenter Steuerung der Klimatisierung

c

Geothermie für Heizen & Kühlen (Verzicht auf Fernwärme oder fossile Energieträger)

Power Tower Linz, 2008

Quelle: DI H. Wilk, Energie AG, 2008.

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innovative Gebäudehülle mit integrierter PV-Fassade

Fassade (hinterlüftete Kaltfassade):

• 66 kWp PV-Installation auf S Fassade

• Fläche: 638 m²

• Stromertrag: 42.000 kWh/a

• PV-Module mit VSG (Glas/Einkapselung/Glas)

• Polycrystalline Si-Solarzellen (Q-Cells, 14 %)

Power Tower Linz, 2008

Solarstrom: →Produktion parallel zum Lastgang des Gebäudes

Quelle: DI H. Wilk, Energie AG, 2008.

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Umsetzungsbeispiel: Neubau II

Internationale Schule in Kopenhagen

Copenhagen International School, Nordhavn (DK)

Quelle: IEA PVPS Task 15 - subtask A www.BEAR-iD.com

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Internationale Schule in Kopenhagen

Solarfassade : 6048m2; 12000 Einzelmodule 300 MWh/a

Kromatix-Technologie Quelle: IEA PVPS Task 15 - subtask A www.BEAR-iD.com

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Umsetzungsbeispiel : Sanierung

Quelle: Schöberl & Pöll GmbH

TU Wien, Plus-Energie-Hochhaus, 2014 Sanierung des „Chemiehochhauses“ der TU Wien am Getreidemarkt, 1060 Wien

Extreme Optimierung des gesamten Energieverbrauchs bei Plus-Energie-Bürogebäuden (Plus-Energie-Standard)

Eckdaten:

Österreichs größte fassadenintegrierte PV-Anlage

Fassade (Südost & Südwest): 230,6 kWp (1.581m²)

Dach: 97,8 kWp (618 m²)

Simulierter Jahresertrag 248.804 kWh/a

Module: polykristalline Module (PVP)

Bauherr: BIG Bundesimmobiliengesellschaft mbH für die TU Wien; Architekt: ARGE Architekten Kratochwil-Waldbauer-Zeinitzer, Wien

Bauphysik: Bauphysik: Schöberl & Pöll GmbH

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Vom Passivhaus zum Plus-Energie-Gebäude

Plusenergie-Technologien (Photovoltaik, Serverabwärme…)

m

Optimierung des Energieverbrauches mittels Standby-Modus, energiesparenden Geräte, usw.

c

Einsatz von Passivhauskomponenten wie z.B. hochwärme-dämmende und luftdichte Gebäudehülle, innovative Lüftungsanlage

→ Reduzierung des Energieverbrauchs des Gebäudes um ca. 90 % (von rund 460 kWh/m² auf 56 kWh/m²)

TU Wien, Plus-Energie-Hochhaus, 2014

foto ©Schöberl & Pöll GmbH

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Ziele des Projekts: • Plus-Energie-Standard • Multiplizierbarkeit für jede Art

von Bürogebäude • Ökologie (ÖGNB/TQB 983 von

1.000 Punkte)

Primärenergiebedarf am Standort:

Grafik: TU Wien

https://www.energy-innovation-austria.at/article/energiebilanz/

Plus-Energie-Gebäude

TU Wien, Plus-Energie-Hochhaus, 2014

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Projekt Kohlesilo, Schweiz 2015

Umsetzungsbeispiel II: Sanierung

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Kohlesilo, Schweiz, 2015

Kenndaten:

Solarmoduloberfläche: 159 m²

Nennleistung: 24kW

Stromertrag: 16.400 kWh/a

Integration: Dach & Fassade (Süd- und

Nordfassade)

Solarmodule: grüne, goldene, blaue und graue PV-Module mit monokristallinen Solarzellen &

einige Standardmodule in schwarz eingesetzt

Stromproduktion: Deckung von 40% des Gebäude-Energiebedarfes

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Umsetzungsbeispiel III

Solsmaragden, Norway, 2015

West-Süd-Ost-Fassade; zusätzlich BAPV Dachanlage

Eckdaten

• BIPV-Elemente: rahmenlos, Glas-Glas bedruckt

• PV-Zellen: mono-Si

• Installierte Leistung/Fassade: 127 kWp

• Installierte Fläche: 1215 m2

• Jahresertrag: 55,5 MWp

Projektbeteiligte

Modulhersteller: ISSOL

Eigentümer: Union Eiendomsutvikling AS, Drammen, Norway

Architekt: Ingebjørg Lien, LOF Arkitekter as, Oslo, Norway

http://www.issol.eu/solsmaragden-union-brygge-drammen/

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F&E-Aktivitäten

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BIPV Forschungs-Roadmap / Österreich

Quelle: Photovoltaik, Technologie-Roadmap Teil 2 / 2018; Hubert Fechner et al.

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TPPV

Österreichische Technologie Plattform Photovoltaik; www.tppv.at Arbeitsschwerpunkt BIPV

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IEA PVPS-Programm

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DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT

Kontakt:

Dr. Gabriele Eder

+43 1 7981601-250

gabriele.eder@ofi.at

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