Der Solarboom verändert vor allem die Städte massiv, denn der Flächenbedarf ist groß. Dabei fallen die typischen neuen Photovoltaikanlagen mit Blick auf die Trägerkonstruktionen auch in die Zuständigkeiten des Metallbaus und sind damit ein Wachstumsfeld.
Nach dem Klimaschutzgesetz soll Deutschland bis zum Jahr 2045 klimaneutral werden, also fünf Jahre vor der europäischen Union und 15 Jahre vor China. Auf dem Weg zu diesem Ziel sollen bereits im Jahr 2030 die Treibhausgasemissionen in Deutschland im Vergleich zu 1990 um 65% unterschritten werden. Dies erfordert einem tiefgreifenden Umbau des Landes. In den kommenden sieben Jahren steht daher eine Verdreifachung der installierten Photovoltaik-Leistung an, bis 2045 soll eine Versiebenfachung erreicht werden. Ohne die Tragkonstruktionen aus dem Stahl- und Metallbau ist dies nicht erreichbar.
Strombedarf steigt rasant
Im Auftrag des BDI hat Bosten Consulting (BCG) bereits im Jahr 2020 die Studie „Klimapfade 2.0“ vorgelegt. Verdeutlicht wird darin die Auswirkung der Klimawende auf die deutsche Infrastruktur. Im Hauptszenario erwartet BCG, dass bis zu vier Millionen Gebäude an eine grüne, strombasierte Fernwärmeversorgung angeschlossen werden. Verbaut werden demnach rund 15 Millionen Wärmepumpen. Der Verkehr auf der Straße und der Schiene würde elektrifiziert, sowohl durch Batterie- als auch durch Wasserstoff-Brennstoffzellen-basierte Antriebe. Fossile Energieträger für die energieintensiven Industrien Stahl, Chemie, Zement und Kalk würden schrittweise durch grünen Wasserstoff ersetzt. Im Ergebnis wird sich der Bedarf an elektrischer Energie in Deutschland bis zum Jahr 2045 im Vergleich zu heute verdoppeln.
Energieversorgung im Wandel
Während die letzten Kernkraftwerke bereits Ende April 2023 vom Netz gegangen sind, plant die Bundesregierung den Ausstieg aus der Kohleverstromung bis spätestens 2038, also innerhalb der nächsten 15 Jahre. Bis dahin soll die regenerative Stromerzeugung vor allem durch Windkraft und Photovoltaik kontinuierlich ausgebaut werden. Zudem muss weiter klimaneutraler Strom importiert werden. Die Verknappung der Gasbezüge in der Folge des russischen Lieferstopps im Jahr 2022 im Zusammenhang mit dem Ukraine-Krieg unterstreicht die Dringlichkeit des Umbaus der Energieversorgung. Langfristig müssen die bestehenden Erdgaskraftwerke durch Wasserstoffkraftwerke ersetzt werden.
Solarboom
Um die Klimaziele zu erreichen, muss vor allem der Erzeugungsmix für elektrische Energie Schritt für Schritt angepasst werden. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz 2023 gibt bis 2030 ein Ausbauziel von 215 Gigawatt vor (Bezugsjahr 2022). Das ist eine Verdreifachung der installierten PV-Leistung innerhalb von 8 Jahren. Der Bundesverband Erneuerbare Energien BEE rechnet dafür mit einem Investitionsbedarf von rd. 120 Mrd. €. Bis zum Jahr 2045 wird sich die Stromerzeugung durch Photovoltaik nach der Prognose des Fraunhofer-Instituts ISE basierend auf Studien u.a. von Agora Energiewende, Prognos, BDI, DIW, Fraunhofer IEE und eigenen Berechnungen im Vergleich zu heute etwa versiebenfachen. Die Wachstumsdynamik ist bereits heute spürbar. Gegenwärtig wachsen beispielsweise die Umsätze im Elektrohandwerk in Bezug auf Photovoltaik-Installationen und Stromspeicher seit Herbst 2021 im Halbjahresrhythmus um 26 % bis 28 %.
Solarzellen und Anwendungen
Zur Verfügung stehen Monokristalline-, Polykristalline- und Dünnschichtmodule. Zudem rücken sogenannte Glas-Glas-Module zunehmend in den Vordergrund. Die Eigenschaften, Kosten und Einsatzmöglichkeiten dieser Modultypen sind höchst verschieden. Dadurch entsteht ein Wachstumsfeld im Metallbau.
Monokristalline PV-Module.
Dabei handelt es sich um den heute am häufigsten verbreiteten Modultyp mit rd. 70 % Anteil an der weltweiten Silizium-Solarzellenproduktion. Die PV-Zellen werden dabei aus einkristallinen Siliziumwafern hergestellt und verfügen heute mit bis zu 23 % über die höchsten Wirkungsgrade. Der Flächenbedarf ist entsprechend niedriger als bei anderen Modultypen. Wegen der aufwendigeren Fertigung sind die Modulkosten mit 0,36 bis 0,53 €/Wp vergleichsweise hoch. Sie werden bevorzugt eingesetzt bei Gebäuden mit begrenzter nutzbarer Dachfläche.
Polykristalline PV-Module.
Mit Wirkungsgraden bis maximal 21% ist dieser Modultyp hinsichtlich der Energieeffizienz etwas weniger effektiv als das monokristalline Pendant. Polykristalline Module benötigen mehr Fläche im Vergleich zu monokristallinen. Allerdings sind polykristallene Module besser nutzbar bei diffuser Sonneneinstrahlung. Bei Preisen von 0,22 bis 0,41 €/Wp liegt der Vorteil deutlich auf der Kostenseite. Bevorzugt eingesetzt werden diese Module heute beispielwese im Fassaden- und Freilandbereich.
Solarcarport, Foto: Svoboda Metalltechnik GmbH
Fassadenintegration, Foto: SOLARTEC Photovoltaik
PV-Fassade, Foto: Volksbank Karlsruhe
Floating PV, Foto: BayWA
PV-Hallenbedachung. Foto: Metallbau Hoffmann
Agri-PV. Foto: Goldbeck Solar Farming,
Dünnschichtmodule.
Sie sind typischerweise dünner als ein Zentimeter und aufgrund ihres geringen Eigengewichts besonders geeignet für Flachdächer mit geringen Lastreserven. Gewöhnlich ist die Modulfläche etwas kleiner als bei Dickschichtmodulen. Hauptbestandteil sind meist Halbleiterschichten aus Cadmium-Tellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Selen (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Selen (CIGS). Das Halbleitermaterial wird je nach Herstellungsprozess auf Glas oder auf Folie (flexibel) aufgedampft.
Dünnschicht-Solarzellen auf CIGS-Basis übertreffen alle anderen Dünnschicht-Technologien mit einem Modul-Wirkungsgrad von derzeit 18 %. Sie zeichnen sich aus durch ihr hervorragendes Schwachlichtverhalten (bei diffusem Licht oder flachem Sonnenstand). Ihr ästhetisches Erscheinungsbild macht sie vor allem im gestalterischen Bereich z.B. bei Fassaden interessant. Beim Einsatz auf flexiblen Substraten wie Aluminium- oder Edelstahlfolien, Titanfolie oder Polyimid können leichte CIGS-Module auch problemlos auf Dächern von Fahrzeugen (z.B. Elektroautos, Busse, Lastwagen, Schiffe oder Züge) angebracht werden.
Glas-Glas-Module.
Dieser Modultyp ist eine Sonderform kristalliner Module und gewinnt aufgrund seiner Langlebigkeit zunehmend an Bedeutung. Die Solarzellen sind zwischen zwei Glasscheiben angeordnet. Dadurch liegen die Zellen in einem neutralen Zug- und Druckbereich und werden bei Durchbiegung des Moduls (z.B. Schneelast) kaum belastet. Durch die Verglasungstechnik steigt die Lebenserwartung der Module. Ein deutscher Hersteller rechnet mit einer Nutzungsdauer seiner Module von mehr als 40 Jahren und gibt bereits 30 Jahre Produktgarantie.
Vor allem bei geringen Dachneigungen ist es im Hinblick auf höhere Schneelasten ratsam, auf Glas-Glas-Module zurückzugreifen. Diese Variante eignet sich auch bei bestimmten Umfeldbelastungen, da sie z.B. weniger empfindlich gegen das Eindringen von Wasserdampf oder Chemikalien ist. Sie werden auch als teiltransparente Module mit oder ohne Rahmen hergestellt, wobei das Sonnenlicht zwischen den Zellen durchscheint. Diese Module eignen sich daher besonders für die bauwerksintegrierte Photovoltaik und sorgen gleichzeitig für eine teilweise lichtdurchlässige Verschattung, z.B. für Terrassen, Balkone, Glas-Fassaden und Carports.
Aufgaben für Stahl- und Metallbau
Der Solarboom verändert vor allem die Städte massiv, denn der Flächenbedarf ist groß. Die typischen neuen Photovoltaikanlagen fallen auch in die Zuständigkeiten des Metallbaus, denn sie werden installiert werden auf
Überdachungen (Wohngebäude, Hallen),
Fassaden,
Brüstungen,
Balkonen,
Zäunen und
Carports
Zudem können zunehmend geeignete Freilandflächen für die solare Stromerzeugung genutzt werden. So entstehen PV-Anlagen auf Brachflächen als Freiland-Photovoltaik sowie auf Wasserflächen und Seen als schwimmende PV-Anlagen (sog. Floating-PV). Vielversprechend ist auch der Einsatz sogenannter Agri-PV-Anlagen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen.
Fazit
Ohne die Trägerkonstruktionen aus dem Stahl- und Metallbau sind die ehrgeizigen Entwicklungsziele zur Nutzung von Photovoltaik in den Städten und im Freiland nicht umsetzbar. Dabei trifft Design auf Funktion. Photovoltaikmodule können neben ihrer Funktion als Energieerzeuger auch bautechnische Aufgaben übernehmen. Sie können absturzsichernd bei Brüstungen eingesetzt werden und eignen sich als Wind- und Wetterschutz, zur direkten Überdachung oder auch als Verschattungselemente. Gerade für die Integration in Fassaden stehen neben der Stromerzeugung auch gestalterische Aufgaben im Vordergrund, bei denen der Preis vor dem Design in den Hintergrund treten kann. Zudem werden neue Anwendungen durch Fortschritte in der Forschung und Entwicklung erwartet. Die Solartechnik ist ein klares Wachstumsfeld für den Metallbau, in dem es die Anwendungs- und Gestaltungsmöglichkeiten der verschiedenen Modultypen kreativ zu nutzen gilt.
DOWNLOAD – Artikeldienst Technik Solarbooom – Nicht ohne Metallbau
Autor:
Dr.-Ing. Reinhard Fandrich
reinhard.fandrich@metallhandwerk.de
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Dr.-Ing. Reinhard Fandrich ist technischer Berater in der gewerbespezifischen Informationstransferstelle beim Bundesverband Metall in Essen.
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