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Integration von Photovoltaik in Membrankonstruktionen

Membranwerkstoffe bieten für die Ausbildung weit gespannter, leichter Gebäudehüllen mit hoher Lichttransmission eine Unmenge an reizvollen Möglichkeiten. Die Vielfältigkeit der bis heute daraus hervorgegangenen Bauwerke belegt das enorme Potenzial von Hochleistungsmembranen und Folienwerkstoffen, welche in ihrer ursprünglichsten Erscheinungsform – dem Zelt – zu den ältesten der Menschheit gehören. Bisher gab es allerdings keine Lösung für die Integration von Photovoltaik in frei tragende textile Gebäudestrukturen, obwohl diese für den großflächigen Einsatz beispielsweise bei Stadiondächern oder Flughäfen prädestiniert sind.

Photovoltaik, Membranen
PV Flexibles auf PTFE-Membranen

Mit »PV Flexibles« entwickelte die SolarNext AG eine Photovoltaiktechnologie, die es ermöglicht, Solarzellen direkt in Membranmaterial zu integrieren. Diese Technologie basiert auf hochflexiblen amorphen Dünnschichtsolarzellen, die in ETFE-Folien eingebettet sind. Langlebige Baustoffe wie ETFE-Folien oder PTFE-beschichtete Glasfasergewebe aus der Gruppe der Fluorpolymere stellen in der Praxis eine erprobte Lösung dar. Im Vergleich zu PVC-Membranen sind sie dauerhafter, UV-beständig und verfügen mit ihren »selbstreinigenden« Oberflächen über ein sehr günstiges Anschmutzverhalten.

Ohne zusätzliche Unterkonstruktion können PV Flexibles zum Beispiel bei einlagigen Dächern oder Fassaden zum Einsatz kommen. Sie können jedoch auch verwendet werden, um die obere Lage eines pneumatisch gestützten Folienkissens zu ersetzen. Photovoltaikelemente liefern in diesem Fall nicht nur Elektrizität, sondern sorgen auch für die ohnehin oft unerlässliche Verschattung. Dadurch kann die solare Erwärmung des Gebäudeinneren im Sommer und damit auch die Kühllast und der Energieverbrauch minimiert werden. Dieser Synergieeffekt erscheint wichtig, da er dazu beiträgt, die Wirtschaftlichkeit einer integrierten PV-Anlage zu verbessern.

Die Entwicklung der Dünnschichttechnologie erfolgte an der Université de Neuchâtel in der Schweiz. Inzwischen wird sie von der ausgegründeten Schweizer Firma VHF Technologies weiterentwickelt und auch eingesetzt. Dabei werden die Photovoltaikzellen in einem kontinuierlichen Produktionsprozess (Rolle-zu-Rolle-Verfahren) in mehreren Beschichtungsschritten auf das Polymer-Trägermaterial aufgebracht, wobei die Solarzellen am Ende eine Gesamtaufbaustärke von nur circa 1 µm aufweisen.

Die Verwendung von kostengünstigen Polymeren als Substrat bedingt im Gegensatz zu den alternativen Trägermaterialien Glas oder Metallfolie eine sehr hohe Abscheidegeschwindigkeit und damit moderate Substrattemperaturen. Andernfalls würde es unweigerlich zu einer thermisch induzierten und hinderlichen Verformung des Substratmaterials kommen. Das Kosteneinsparpotenzial dieser Technologie ist gemäß einer Studie des weltgrößten Solarzellenherstellers Q-Cells allen anderen überlegen: Für 2010 können die Gesamtsystemkosten bis zu 70% niedriger sein als die aktuellen Kosten vergleichbarer Systeme.

antiklastische Form einer integrierten Photovoltaik-PTFE-Membranstruktur mit aufgebrachten Laminaten
zwischen zwei Lagen ETFE-Folie einlaminierte a-Si- Dünnschichtzellen

Die mittels Dünnschichttechnologie hergestellten Photovoltaikrollen werden entsprechend den jeweils projektspezifischen Anforderungen abgelängt, ausgerichtet und zu Laminaten zusammengesetzt: Die Photovoltaikfolienschicht ist dann zwischen zwei ETFE-Lagen unterschiedlicher Stärke eingebettet. Durch diese Kaschierung sind die Photovoltaikzellen wirksam vor mechanischen Belastungen und Spannungen, vor Feuchtigkeit und Bewitterung geschützt.

Derzeit wird die Größe der Module noch durch die Abmessungen der verfügbaren Laminiermaschinen bestimmt (etwa 3 m x 1,5 m). Abhängig davon, ob sie für Dächer oder Fassaden, als einlagige Konstruktion oder als mehrlagige Folienkissen benötigt werden, müssen die Laminate gegebenenfalls zu größeren Flächen kombiniert werden.

Entsprechend der jeweiligen 3-D-Form werden die Kanten nach dem Zuschnitt in einem besonderen Schweißverfahren miteinander verbunden. Erst durch diesen Arbeitsschritt lassen sich die PV Flexibles in großflächige pneumatische Konstruktionen integrieren. Beim Einsatz in der mittleren Schicht, gleichsam im Inneren der Kissen, würde die Photovoltaik zwar optimal geschützt werden. Aufgrund der Lichtbrechungseffekte der oberen Folienschicht und wegen der Aufheizung der absorbierenden mittleren Lage würde der Energieertrag jedoch zugleich verringert. Die Integration in der Oberlage des Kissens ist daher in jedem Fall zu bevorzugen.

Photovoltaikintegration in Folienkissen-konstruktion - Einsatz in der Oberlage
flexible Photovoltaik, integriert in eine große Membrankonstruktion (Photomontage Gottlieb-Daimler-Stadion, Stuttgart)

Prof. Dr.-Ing. Jan Cremers ist Director Envelope Technology der SolarNext AG/Hightex Group in Rimsting am Chiemsee und lehrt an der Hochschule für Technik in Stuttgart.

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