Ziel war ein leichter, nachrüstbarer Prototyp zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme aus industriellen Fassadenflächen. Flexible organische Solarmodule (OPV) wurden auf eine - am trapezförmigen Sandwichpaneel befestigte - Aluminiumplatte aufgebracht und durch Technik zur Abfuhr der erwärmten Abluft ergänzt. Messungen unter Realbedingungen zeigten eine deutliche Erwärmung der Luftströmung sowie stabile elektrische Leistungen der OPV-Zellen.
Damit bestätigt das System die Eignung organischer Photovoltaik für gebäudeintegrierte Hybridanwendungen wie die Vorerwärmung von Prozessluft oder die Unterstützung von Wärmepumpen. Denn mit der fortschreitenden Dekarbonisierung industrieller Prozesse wächst der Bedarf an multifunktionalen Energielösungen, die sowohl elektrische als auch thermische Energie bereitstellen.
Neue Ansätze für BIPV
Während klassische Siliziummodule hohe Wirkungsgrade erzielen, sind sie aufgrund ihres Gewichts, ihrer Starre und des Materialeinsatzes nur eingeschränkt für die Integration in Fassaden geeignet. Gleichzeitig bleibt das Potenzial industrieller Fassadenflächen für die kombinierte Nutzung von Solarenergie weitgehend unerschlossen. Gerade für Branchen mit hohem Prozesswärmebedarf eröffnet eine solche Doppelnutzung eine potentiell kostengünstige und baulich unkomplizierte Möglichkeit zur energetischen Optimierung.
Organische Photovoltaik (OPV) bietet neue Ansätze für die Bauwerksintegration (BIPV). Sie nutzt organische Halbleiter auf Kohlenstoffbasis als aktive Schicht. Dadurch sind flexible, ultraleichte und semitransparente Module realisierbar. Neben dem deutlich geringeren ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu Siliziumzellen weist OPV eine reduzierte Temperaturabhängigkeit auf. Das macht sie für Hybridkonzepte aus Photovoltaik und Thermie besonders interessant.
Perowskite: Hohe Effizienz, aber instabil
Aufbau und Konzept des Prototyps
In Kooperation mit der Firma Drechslertechnik wurde ein Prototyp für die Fassadenintegration entwickelt. Seine Grundlage bildet ein industrielles Sandwichpaneel mit trapezförmigem Profil, auf dessen Außenschicht zwei flexible OPV-Module des Herstellers Heliatek vollflächig aufgebracht wurden. Unterhalb der Module befinden sich mehrere Luftzwischenräume, durch die Umgebungsluft mithilfe eines Lüfters geführt wird.
Während die Photovoltaikschicht elektrische Energie erzeugt, nimmt die metallische Trägerstruktur gleichzeitig Wärme auf und gibt sie an den Luftstrom ab. Der erzeugte Strom wird vor Ort genutzt oder gespeichert. Die warme Abluft dient zur Temperierung von Gebäuden, zur Vorerwärmung von Prozessluft oder unterstützt den Vorlauf einer Luft-Wärmepumpe.
Alle Komponenten wurden im Hinblick auf geringes Gewicht und hohe wirtschaftliche Effizienz ausgewählt. Durch die Verwendung von Luft als Wärmeträger entfällt die Gefahr von Frostschäden, wodurch das System insbesondere für nachrüstbare Fassadenlösungen geeignet ist. Im Gegensatz zu flüssigen Medien wie Wasser oder Sole steht jedoch nur eine geringere Wärmekapazität zur Verfügung. Dies stellt einen bewusst eingegangenen Kompromiss dar, der zugunsten der kosteneffizienten Montage und der insgesamt wartungsarmen Systemausführung gewählt wurde.
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Prototypische Ergebnisse
Die experimentellen Untersuchungen erfolgten auf dem Dach des Nieperbaus der HTWK Leipzig. Über zwei Versuchstage wurden in fünfminütigen Intervallen Temperaturen, Strömungs- und elektrische Messwerte aufgezeichnet. Erfasst wurden die Temperaturen am OPV-Blech, am Luftauslass sowie die Umgebungstemperatur, ergänzt durch Strom, Spannung und Leistung der Module.
Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Temperaturerhöhung der durchströmenden Luft gegenüber der Umgebung. An sonnigen Tagen wurde ein Temperaturanstieg von bis zu zehn Kelvin erreicht. Das bestätigt die effektive Wärmeaufnahme der Fassadenstruktur. Gleichzeitig erreichten die OPV-Module unter direkter Einstrahlung elektrische Spitzenleistungen bis 67 Watt. Trotz des geringeren Wirkungsgrades im Vergleich zu Siliziumzellen blieb die elektrische Leistung über den Messzeitraum stabil, was auf die gute thermische Entkopplung der aktiven Schicht zurückzuführen ist.
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Gleichmäßige Abgabe von Wärme
Das thermische System reagierte träge auf kurzzeitige Änderungen der Einstrahlung. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßigere Wärmeabgabe über längere Zeiträume. Die elektrische Leistung hingegen folgte den Schwankungen unmittelbar. Wind beeinflusste die Messergebnisse, insbesondere die Luftgeschwindigkeit, wirkte sich jedoch nur gering auf die Temperaturspreizung aus.
Die Ergebnisse zeigen, dass ein luftgeführtes PVT-System auf Basis organischer Photovoltaik technisch realisierbar ist. Unter realen Bedingungen liefert es sowohl elektrische als auch nutzbare thermische Erträge. Durch das geringe Gewicht und die einfache Montage eignet sich der Ansatz besonders für Industriefassaden.
Die Messungen bestätigen das Potenzial organischer Solarmodule für hybride Gebäudeenergiekonzepte. Die erfolgten Untersuchungen sind die Basis für weitergehende Arbeiten zur Entwicklung eines feldtauglichen Systems. Im Fokus stehen dabei unter anderem die Optimierung der Luftführung sowie Langzeituntersuchungen unter verschiedenen Bedingungen, um die Übertragbarkeit auf größere Fassadenflächen zu bewerten. (HS)
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Das Forschungsprojekt wird unterstützt, gefördert und finanziert durch die Elstatik-Stiftung von Günter und Sylvia Lüttgens. Für diese Unterstützung danken die Autoren herzlich.
Autoren: Daniel Erhardt, Bruno Schneider und Prof. Dr.-Ing. Mathias Rudolph gehören zur Projektgruppe Industrielle Messtechnik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) in Leipzig. Dr. Ulf Brandt ist geschäftsführender Gesellschafter der Drechslertechnik GmbH in Grimma. Das mittelständige Unternehmen produziert Erzeugnisse für den Maschinen- und Anlagenbau.
