Nachrüstung von Photovoltaik

Strom übernimmt in Gebäuden zahlreiche Aufgaben – vom Betrieb technischer Anlagen und Geräte bis zur Beheizung der Innenräume. Meist stammt er aus dem öffentlichen Netz, lässt sich mithilfe von Photovoltaik (PV) jedoch auch direkt vor Ort erzeugen. Das kann die Stromkosten deutlich senken, insbesondere wenn möglichst viel des erzeugten Solarstroms selbst verbraucht wird. Gerade bei Bestandsgebäuden kann die Nachrüstung mit Photovoltaikmodulen daher eine sinnvolle Möglichkeit sein, die Energiekosten dauerhaft zu reduzieren. Grundsätzlich lassen sich die Module nicht nur auf Dächern, sondern auch an geeigneten Fassaden und anderen Außenbauteilen eines Gebäudes installieren. Dabei sind jedoch je nach Gebäude unter anderem statische oder bauphysikalische Anforderungen, denkmalrechtliche Vorgaben oder örtliche Gestaltungsvorschriften zu beachten.

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Funktionsweise von PV-Modulen

Während solarthermische Kollektoren Sonnenstrahlung in Wärme umwandeln, wird sie mit PV-Modulen in elektrische Energie umgewandelt. Solarzellen bestehen in der Regel aus unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten. Trifft Licht auf die Zelle, werden elektrische Ladungsträger freigesetzt und durch ein internes elektrisches Feld getrennt. Über einen angeschlossenen Stromkreis kann dadurch Gleichstrom fließen. Der erzeugte Gleichstrom wird mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und anschließend im Stromkreis des Gebäudes zur Verfügung gestellt.

Für die Installation von PV-Modulen ist ein möglichst verschattungsfreier und geeignet ausgerichteter Standort nötig. Ideal ist bei allen Montagemöglichkeiten eine Ausrichtung, die eine möglichst hohe Lichtausbeute garantiert. Besonders hohe Jahreserträge lassen sich in Deutschland in der Regel mit südorientierten Flächen erzielen. Auch Ost- und Westausrichtungen sind häufig gut geeignet, während nordorientierte Flächen meist geringere Erträge liefern. Moderne PV-Module können bereits bei relativ geringer Sonneneinstrahlung Strom erzeugen, weshalb sie auch an anderen Gebäudeflächen installiert werden können.

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Arten der Installation

Soll ein bestehendes Dach mit PV-Modulen versehen werden, ist es ratsam, zunächst den Zustand der Dacheindeckung beziehungsweise Dachabdichtung zu prüfen. Denn die Dachflächen sollten eine möglichst lange Restlebensdauer haben, damit die neue PV-Anlage nicht vorzeitig abgebaut werden muss, um die Dacheindeckung auszutauschen. Da PV-Anlagen meist über mehrere Jahrzehnte betrieben werden, sollte die bestehende Dacheindeckung idealerweise noch eine entsprechend lange Nutzungsdauer aufweisen. Ist dies nicht gewährleistet, sollte vor oder gemeinsam mit der Installation einer PV-Anlage eine Dachsanierung vorgenommen werden.

Aufdach-Installation
PV-Module werden am häufigsten als Aufdach-Lösung installiert, da Dachflächen meist nicht anderweitig genutzt werden und zudem häufig weitgehend verschattungsfrei sind. Auf Flachdächern erfolgt die Anordnung in der Regel mithilfe einer entsprechenden Ständerkonstruktion, die entweder an der Dachkonstruktion befestigt oder durch Gewichte gegen Verschieben, Abheben und Kippen infolge von Windlasten gesichert wird. Die Module können dabei flexibel ausgerichtet werden. Neigung und Anordnung richten sich unter anderem nach Ertragsziel, Flächenausnutzung, Verschattung und Windlasten. Neben südorientierten Anlagen sind auch flach geneigte Ost-West-Systeme verbreitet.

Bestehende Steildächer, etwa Satteldächer, sind meist bereits mit Dachziegeln versehen. Hier lassen sich die Module mithilfe spezieller Halterungen montieren. Bei geneigten Ziegeldächern werden die Montageschienen häufig über Dachhaken mit der tragenden Dachkonstruktion verbunden. Die Anschlüsse müssen so geplant und ausgeführt werden, dass Regensicherheit, Hinterlüftung und Tragfähigkeit des Daches erhalten bleiben. Aufdachsysteme lassen sich in der Regel vergleichsweise gut demontieren und einzelne Module können bei Bedarf ausgetauscht werden.

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Gebäudeintegrierte Photovoltaik
Eine besondere Form der Installation von PV-Modulen ist die sogenannte gebäudeintegrierte Photovoltaik, kurz BIPV für Building Integrated Photovoltaics. Dabei werden die Module so in die Außenfläche des Gebäudes integriert, dass sie Teil der abschließenden Hülle sind. Somit müssen sie neben der Stromproduktion auch entsprechende bauliche Funktionen übernehmen. BIPV lässt sich in zahlreiche geeignete Bauteile der Gebäudehülle integrieren, vorausgesetzt, es kann genügend Sonneneinstrahlung gewährleistet werden. So können BIPV-Module etwa auch in Verglasungen von Atrien oder Innenhöfen eingesetzt werden. Die häufigsten Formen gebäudeintegrierter Photovoltaik finden sich in Dächern und Fassaden.

Indach-Installation
Bei der Indach-Installation werden die Module nicht mit Abstand über einem Dach angeordnet, sondern sind Teil der Dachfläche und übernehmen zusätzlich die Funktion des wasserführenden Dachabschlusses. Derartige Systeme können aus großformatigen Modulen oder kleineren Solardachziegeln bestehen. Da sie Funktionen der Dachdeckung übernehmen, müssen sie unter anderem Anforderungen an Regensicherheit, Windlasten, Brandschutz und Dauerhaftigkeit erfüllen. Dadurch sind die Module häufig teurer und ihre Installation ist aufwendiger. Demgegenüber können sich insbesondere bei ohnehin anstehenden Dachsanierungen die Kosten für eine separate Dachdeckung teilweise verringern. Außerdem wirkt das Dach gestalterisch häufig homogener.

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Fassaden-Installation
Eine besondere Art der BIPV-Installation ist die Anordnung von PV-Modulen an der Fassade. Diese erzielen wegen ihrer vertikalen Ausrichtung in der Regel geringere Jahreserträge als optimal ausgerichtete Dachanlagen. Sie können eine PV-Anlage auf dem Dach jedoch gut ergänzen, wenn sie so ausgerichtet sind, dass sie die Strahlen der tief stehenden Sonne in den Übergangsmonaten und im Winter nutzen. Da die Module das Erscheinungsbild eines Gebäudes wesentlich mitprägen können, spielen ihre Form, Farbe, Oberflächenwirkung und Anordnung eine wichtige gestalterische Rolle.

Gebäudeunabhängig installierte PV
PV-Module können auch auf geeigneten Freiflächen installiert werden. Ebenso lassen sie sich als Dach eines Carports oder zur Überdachung eines ganzen Parkplatzes einsetzen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Lichtausbeute möglichst hoch ist und die planungsrechtlichen Voraussetzungen erfüllt sind.

Genehmigungen

Für die Errichtung von Photovoltaikanlagen ist in vielen Fällen keine Baugenehmigung nötig, sofern sie auf Dächern oder an Fassaden installiert werden. Nach den Landesbauordnungen sind solche Anlagen häufig verfahrensfrei. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie von den übrigen öffentlich-rechtlichen Anforderungen befreit sind. Insbesondere Standsicherheit, Brandschutz, Abstandsregelungen und örtliche Gestaltungsvorschriften müssen weiterhin beachtet werden.Bauherr beziehungsweise Anlagenbetreiber müssen sicherstellen, dass Dach oder Fassade die zusätzlichen Eigen-, Wind- und Schneelasten aufnehmen können. Bei Zweifeln sollte ein Tragwerksplaner hinzugezogen werden.

Anders kann es sich verhalten, wenn das Gebäude unter Denkmalschutz steht oder für das jeweilige Gebäude Gestaltungsvorschriften gelten. Dann kann eine Genehmigung oder denkmalrechtliche Erlaubnis erforderlich sein. Auch bei gebäudeunabhängigen Anlagen, etwa auf Freiflächen, gelten je nach Bundesland Größen- und Standortgrenzen für die Verfahrensfreiheit. Häufig orientieren sich diese an einer Höhe von bis zu drei Metern und einer Gesamtlänge von bis zu neun Metern. Größere oder im Außenbereich geplante Anlagen sollten frühzeitig mit der örtlichen Baubehörde abgestimmt werden.

Ob eine Genehmigungspflicht besteht, regeln die Landesbauordnungen der jeweiligen Bundesländer. Umgekehrt besteht in einigen Bundesländern sogar eine Solarpflicht, also die Pflicht zur Installation einer PV-Anlage bei Neubauten oder grundlegenden Dachsanierungen. Dies ist jedoch von der Genehmigungspflicht zu unterscheiden. Netzgekoppelte PV-Anlagen müssen im Marktstammdatenregister der Bundesnetzagentur registriert werden. Netzanschluss, Messkonzept und Inbetriebnahme sind außerdem mit dem zuständigen Netzbetreiber abzustimmen.

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Künftige Rolle der Photovoltaik im Bestand 

Strom ist sehr universell einsetzbar, weshalb er für die künftige Energieversorgung eine noch wichtigere Rolle spielen wird. Über Photovoltaik lässt sich Strom außerdem vergleichsweise einfach selbst produzieren. Wird der erzeugte Solarstrom möglichst zeitgleich vor Ort verbraucht, können der Bezug aus dem öffentlichen Netz und der Transportbedarf sinken. Bei hohen Einspeisespitzen können jedoch zugleich zusätzliche Anforderungen an die Verteilnetze, Speicher und flexible Verbraucher entstehen.

Photovoltaik gehört heute zu den kostengünstigen Technologien zur erneuerbaren Stromerzeugung. Die Wirtschaftlichkeit einer konkreten Anlage hängt jedoch stark von Standort, Bauart, Investitionskosten und der Nutzung des erzeugten Stroms ab. Über ihren gesamten Lebenszyklus verursacht auch die Photovoltaik Umweltwirkungen, insbesondere bei der Herstellung und dem Transport der Module. Ihre Treibhausgasemissionen liegen jedoch deutlich unter denen des gegenwärtigen deutschen Strommixes. Es sprechen daher viele Argumente für die Installation einer Photovoltaikanlage, auch in Bestandsbauten.

Bauherren, die mit dem Gedanken spielen, eine PV-Anlage zu installieren, sollten sich auch mit dem Thema der Speicherung auseinandersetzen. Denn PV-Anlagen liefern häufig tagsüber mehr Strom, als im Gebäude benötigt wird. Dieser überschüssige Strom kann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Um den Eigenverbrauch zu erhöhen, können zunächst flexible Verbraucher gezielt in Zeiten hoher Solarstromproduktion betrieben werden. Zusätzlich kann ein Batteriespeicher Stromüberschüsse aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt, etwa am Abend oder in der Nacht, zur Verfügung stellen.

Ob sich ein Speicher wirtschaftlich und ökologisch lohnt, hängt unter anderem vom Verbrauchsprofil, von der Anlagengröße, dem Speicherpreis und der Dimensionierung ab. Durch einen passend ausgelegten Speicher lässt sich der Autarkiegrad, also der Anteil des Strombedarfs, der rechnerisch durch die eigene Anlage gedeckt wird, erhöhen. Eine vollständige Unabhängigkeit vom öffentlichen Netz wird bei üblichen netzgekoppelten Gebäuden jedoch meist nicht erreicht.

Es empfiehlt sich deshalb, für die Planung Fachleute hinzuzuziehen, die alle gebäudetechnischen Systeme im Blick haben. Je nach Vorhaben können dazu neben einer Energieberatung auch Elektrofachbetriebe, Dachdecker beziehungsweise Fassadenplaner sowie gegebenenfalls Tragwerksplanung, Brandschutz und Denkmalpflege gehören. Gerade bei bestehenden Gebäuden wird die energetische Sanierung oftmals in mehreren Schritten über einige Jahre hinweg vollzogen. Deshalb ist es ratsam, auch die künftigen Möglichkeiten frühzeitig in die Planung einzubeziehen.

Fachwissen zum Thema

Surftipps

• www.baunetzwissen.de/Solar > PV am Gebäude