Wenn die Fassade zum Kraftwerk wird
Photovoltaik findet bislang vor allem auf Dächern und Freiflächen Anwendung. Dabei bieten gerade mehrgeschossige Wohn- und Bürogebäude große vertikale Flächen, die sich als Solarfassaden zusätzlich zur Energiegewinnung nutzen lassen. Auch wenn senkrecht montierte Module im Jahresdurchschnitt oft weniger Ertrag bringen als optimal ausgerichtete Dachanlagen, liefern sie wertvollen Strom zu Zeiten, an denen klassische Anlagen schwächeln: morgens, abends und in den Wintermonaten bei niedrigem Sonnenstand. Damit ergänzen sie klassische Dachanlagen gerade dann, wenn deren Ertrag geringer ausfällt und gleichzeitig in Gebäuden weiterhin Energie benötigt wird.
Gebäudeintegrierte Photovoltaik, kurz BIPV, verbindet dabei Energiegewinnung und Architektur. Solarmodule sind nicht nur technische Komponenten, sondern werden Teil der Gebäudehülle. Damit steigen jedoch die Anforderungen an ihre Gestaltung. Fassaden unterscheiden sich in Abmessungen, Rasterung, Materialien und architektonischem Erscheinungsbild. Entsprechend variieren auch Form, Größe und Design der benötigten Solarmodule.
Genau hier setzt das Forschungsprojekt Digi-PV an. Gemeinsam mit dem Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH), dem Institut für Festkörperphysik und weiteren Industriepartnern entwickelt das Institut für Montagetechnik und Industrierobotik (match) der Leibniz Universität Hannover Methoden für eine flexible und automatisierte Produktion individueller Photovoltaikmodule.
Losgröße 1 trifft auf industrielle Produktion
Konventionelle Produktionsanlagen für Photovoltaik sind auf große Stückzahlen identischer Module ausgelegt. Für BIPV funktioniert dieses Prinzip nur eingeschränkt, da bereits innerhalb eines Gebäudes zahlreiche unterschiedliche Modulgrößen und -formen erforderlich sein können. Die zentrale Herausforderung besteht darin, die Vorteile automatisierter Produktion mit der notwendigen Variantenvielfalt zu verbinden: Eine Fertigungsanlage soll unterschiedliche Module bis hin zu Einzelstücken herstellen können, ohne dass lange Umrüstzeiten Präzision und Prozesssicherheit beeinträchtigen.
Das stellt besonders hohe Anforderungen an die Handhabung der Komponenten. Ein Schwerpunkt am match liegt auf sogenannten Zellstrings – elektrisch miteinander verbundenen Reihen von Solarzellen. Diese sind empfindlich, variieren in der Länge und müssen im Fertigungsprozess präzise aufgenommen, transportiert und positioniert werden.
Starre Greifer, die für ein bestimmtes Zellformat konstruiert sind, eignen sich dafür nur bedingt. Das Forschungsteam entwickelt deshalb ein modulares Vakuumgreifsystem, dessen Düsenpositionen sich an unterschiedliche Zellgrößen, Abstände und Stringlängen anpassen lassen. Versuche zeigen, dass sich damit verschiedene Formate beschädigungsfrei handhaben lassen.
Sensorik und digitale Zwillinge schaffen Flexibilität
Ein flexibler Greifer allein löst die Herausforderung jedoch noch nicht. Die Solarzellen müssen nicht nur sicher transportiert, sondern auch mit hoher Genauigkeit abgelegt werden. Deshalb verbindet das Projekt flexible Hardware mit Sensorik und einer digital gestützten Prozessführung.
Eine wichtige Rolle spielen digitale Zwillinge: Zunächst werden Gebäudeoberflächen digital erfasst und hinsichtlich ihres Solarpotenzials analysiert. Daraus entsteht ein digitales Abbild des Gebäudes, das Informationen für die Modulgestaltung bereitstellt. Diese Daten werden mit einem digitalen Abbild der Fertigungsanlage verknüpft. So entsteht eine durchgängige Verbindung zwischen Gebäude und Produktion: Die Anforderungen der Fassade bestimmen, welche Module benötigt werden, während der digitale Zwilling der Anlage beschreibt, wie sich diese fertigen lassen. Ändern sich Geometrie oder Materialeigenschaften, kann die Prozessplanung entsprechend angepasst werden.
Gleichzeitig fließen Produktionsdaten in das digitale Modell ein. Ihre Auswertung hilft dabei, Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Produktqualität zu erkennen. Perspektivisch können auch Methoden der künstlichen Intelligenz unterstützen, Prozessdaten auszuwerten und die Anlage schneller auf neue Produktvarianten einzustellen.
Individuelle Solarmodule ohne Kostenfalle
Für Anwender liegt der entscheidende Nutzen in der Verbindung von Individualität und Wirtschaftlichkeit. Architekt*innen erhalten größere gestalterische Freiheiten, ohne dass individuelle Modulformen zwangsläufig eine vollständig individuelle Fertigung erfordern. Hersteller*innen können ihre Produktionsanlagen flexibler nutzen und kleinere Stückzahlen wirtschaftlicher fertigen.
Das ist insbesondere für die Sanierung bestehender Gebäude interessant. Dort müssen sich Photovoltaiklösungen an vorhandene Fassaden, Fensterflächen und architektonische Strukturen anpassen. Neben unterschiedlichen Größen und Formen spielen deshalb auch verschiedene Farben und Oberflächen eine Rolle. Solarmodule können sich dadurch stärker in die Gestaltung einer Fassade einfügen, anstatt als nachträglich montierte technische Elemente wahrgenommen zu werden.
Eine flexible Produktion reduziert zugleich den Aufwand beim Wechsel zwischen unterschiedlichen Varianten. Heute können solche Umstellungen zeit- und kostenintensiv sein und Ausschuss verursachen. Wenn Greifsysteme, Sensorik und Prozessführung automatisch oder mit geringem Aufwand auf neue Formate reagieren, lassen sich auch Kleinserien und individuelle Module effizient produzieren. Die Forschung am match konzentriert sich dabei nicht allein auf die Handhabung der Zellstrings, doch auch weitere Komponenten wie Folien und Glasscheiben müssen zukünftig flexibel verarbeitet werden. Erst wenn die einzelnen Fertigungsschritte zusammenspielen, entsteht eine Produktionskette, die unterschiedliche BIPV-Module automatisiert und zuverlässig herstellt.
Eine Fassade, viele Möglichkeiten
Langfristig verändert eine solche Produktion die Rolle von Photovoltaik am Gebäude. In Zukunft könnten Solarmodule nicht mehr überwiegend als standardisierte Bauteile betrachtet werden, für die eine passende Fläche gesucht wird. Stattdessen gibt das Gebäude vor, welche Module die Produktion herstellt.
Aus digitalen Gebäudedaten lassen sich dann individuelle Modulgeometrien ableiten und direkt an eine flexible Fertigung übergeben. Produktionsanlagen passen Handhabung, Prozessparameter und Qualitätsüberwachung an die jeweilige Variante an. Dadurch wird wirtschaftliche Produktion auch bei hoher Variantenvielfalt und kleinen Stückzahlen möglich.
Die Vision reicht damit über eine einzelne Fertigungsanlage hinaus: Photovoltaik wird zu einem flexibel gestaltbaren Bestandteil der Gebäudehülle. Fassaden von Neubauten und Bestandsgebäuden können gezielt zur Energiegewinnung beitragen, ohne dass Architektur und technische Standardisierung gegeneinander ausgespielt werden müssen. Je einfacher sich individuelle Module planen und wirtschaftlich herstellen lassen, desto größer wird die nutzbare Fläche für Solarenergie.
