Bis 2050 will Deutschland 100 % Strom aus erneuerbaren Quellen - denn Stromerzeugung ist für 40 % des CO2-Ausstoßes in Deutschland verantwortlich

Der Anteil der erneuerbaren Energien an der Bruttostromerzeugung beträgt bereits über ein Drittel. 

In Frankfurt machen Wind- und Sonnenenergie – Stand 2019 – lediglich ein Achtel der Stromerzeugung aus

Frankfurt hat den strukturellen Nachteil, dass Windkraft aufgrund der Nähe zum Flughafen nicht ausgebaut werden kann. Hinzu kommt, dass die Stadtfläche vergleichsweise klein ist, sodass auch keine riesigen Solarparks darauf entstehen könnten, ohne Grünflächen oder für Wohnraum benötigtes Land zu opfern.

Entsprechend lag der Fokus für die Erzeugung von nachhaltigerem Strom bislang hauptsächlich auf der technologischen Optimierung hinsichtlich der energetischen Nutzung von Müll und Biomasse.

Staudämme und Windräder könnten Frankfurt nicht zur urbanen Energiewende bringen, aber Stromgewinnung aus Photovoltaik ist für die Stadt ein gangbarer Lösungsweg, um 10 % des Frankfurter Strombedarfs zu decken, wie eine Studie der Frankfurt University of Applied Science ermittelt hat

Das Problem der Ästhetik

Egal ob Schieferdach oder Dach mit schönen roten Ziegeln: Die gängigen Photovoltaik-Module sind in der Regel kein optischer Gewinn für ein Gebäude.

Sie sind allerdings auch nicht auf Ästhetik hin optimiert, sondern Effizienz steht ganz klar im Vordergrund: Schwarz ist nun mal für Photovoltaik die beste Farbe, um möglichst viel Licht zu absorbieren. Und die auffälligen Gitterlinien, die die Paneele durchziehen, haben auch einen Zweck: Sie greifen den entstehenden Strom möglichst engmaschig ab.

Die Industrie hat das Ästhetik-Problem längst erkannt, und entsprechend gibt es inzwischen auch farblich ansprechende Paneele, die nicht von auffälligen Metallgittern durchzogen sind.

Der einzige Nachteil: Sie sind meist ineffizienter als die herkömmlichen unansehnlicheren Paneele.

Das Motto für die Frankfurter Brücken lautet daher: Besser ästhetisch schöne oder nicht sichtbare Photovoltaik mit weniger  Effizienz als gar keine Photovoltaik mit viel Effizienz – zumindest im Innenstadtbereich. Effizienzoptimierte Photovoltaik hingegen wird an den Außenarmen der Brücken angebracht, wo sie niemanden stören kann.

Photovoltaik auf dem Dach sollte im besten Fall so aussehen wie das Dach ohne Photovoltaik

Auch wenn viele Anbieter daran arbeiten: Noch gibt es keine Dächer, die mit einem authentisch wirkenden roten Ziegelstein oder einem überzeugenden photovoltaischen Schiefer-Imitat gedeckt wurden. Täuschend echt aussehende Imitate sind noch nicht auf dem Markt. Und die innovativen Produkte, die bereits entwickelt wurden, weisen immer noch eine vergleichsweise geringe Effizienz auf.

Die Kosten pro Element sind leider (noch) relativ hoch, weil es sich (noch) nicht um Massenprodukte handelt. Es lohnt sich einfach derzeit noch nicht für Bauherren, auf schöne, aber teure ästhetische Lösungen mit geringem Return on Investment zu setzen.

Dies soll sich mit den Frankfurter Brücken ändern: Alle „nicht sichtbaren“ Photovoltaik-Elemente, die in Europa bereits erhältlich sind und gar nicht aussehen wie Photovoltaik, sollen auf den Dächern der Brücken zur Anwendung kommen, da die Brücken auch hierfür als „Schaufenster der Innovationen“ dienen. Begleitet von Forschungsinstituten zielen regelmäßige Auswertungen darauf ab, die Produkte weiter zu optimieren. Und jeder Besucher der Brücke erhält einen aktuellen Überblick über angewandte Innovationen, die dadurch eine Chance erhalten, zum Massenprodukt zu werden. Eine ständige Expo – die auch permanent aktualisert oder erweitert wird.

Auf den Frankfurter Brücken werden nicht nur die Dächer, sondern zum Teil auch die Fassaden moderner Gebäude mit Photovoltaik ausgestattet – mit ästhetisch passenden bzw. unauffälligen Modulen

Die einfachste Lösung, wenn auf dem Dach nicht genug Platz ist:

Man bringt die Photovoltaikmodule an der Fassade an. Gerade bei moderner Architektur kann man sich dabei den Spiegel-Effekt der Glasschicht über der Photovoltaik zunutze machen, um elegant schwarz glänzende Module in die Architektur zu integrieren.

Die Effizienz solcher schwarzen monokristallinen Paneele liegt inzwischen bei über 20 % - zumindest, wenn die Module nicht gebogen werden müssen. Biegbare photovoltaische Flächen haben leider eine geringere Effizienz als gerade Flächen.

Mit selektiven Streuungsfiltern können sogar weiße Photovoltaik-Flächen erstellt werden

Ein selektiver Streuungsfilter reflektiert das sichtbare Licht mit einer Vielzahl von Schichten. Das sichtbare Licht wird auf diese Weise von uns Menschen noch wahrgenommen, während die Infrarot-Strahlung zu den Solarzellen geleitet wird. Die Reflektion des weißen Lichtanteils wird durch eine zusätzliche Mikrostruktur auf der Rückseite der Folie erreicht. Diese Technologie bringt allerdings erwartungsgemäß einen Verlust des Wirkungsgrades mit sich, erwirtschaftet also etwas weniger Energie.

Über ein Drittel der Gebäude auf den Frankfurter Brücken besteht aus moderner Architektur, die neben eleganten, glatten, dunklen Fassaden auch gerne mit hellen, schlichten Fassaden arbeitet: so, wie es hier in einer Visualisierung eines Einfamilienhauses auf der Hanauer Landstraße dargestellt ist.

Auch der öffentliche Bereich kann genutzt werden: Kleine Mauern auf den Brücken werden mit Photovoltaik ausgestattet, die nicht als solche erkennbar ist – allerdings auch einen geringeren Wirkungsgrad hat

Weltweit forschen Institute, Firmen oder Start-ups mit Hochdruck an Alternativen zu den herkömmlichen schwarzen Photovoltaikmodulen. Denn viele Städte und Gemeinden haben ähnlich wie Frankfurt bereits ausrechnen lassen, wie viel Strom sie durch Photovoltaik auf ihren Flächen generieren könnten und bis wann sie CO₂-neutral werden können. Werden Flächen im öffentlichen Bereich erneuert, wie z.B. in der Visualiserung auf dem Schaubild, können auch kleine Mauern mit photovoltaisch aktivierten Flächen versehen werden, um die anliegende Straßenbeleuchtung zu unterstützen.

So sieht man es bereits manchen Modulen in Steinoptik nicht an, dass sich Photovoltaik dahinter verbirgt: Die Technik und die Photovoltaikzellen finden sich vor dem Betrachter verborgen hinter einem bedruckten Frontglas.

Neben buntfarbig bedrucktem Frontglas über den eigentlichen Photovoltaik-Zellen gibt es inzwischen auch Technologien, mit denen tatsächlich bunte Photovoltaik-Module hergestellt werden können

Während die Farben von Photovoltaik-Modulen früher noch eher gedämpft waren und stets einen Grau- oder Schwarzstich hatten, gibt es nun eine Technologie, die das Fraunhofer Institut ISE aus Freiburg auf den Markt gebracht hat: Die sogenannten „MorphoColor-Module“. Dabei werden nicht die Deckgläser der Photovoltaik-Module mit Farbpigmenten eingefärbt, sondern man ahmt den physikalischen Effekt eines Schmetterlingsflügels nach: Schmetterlingsflügel haben eine mikrometerfeine Oberflächenstruktur, die gezielt eine Farbe reflektiert. Das Fraunhofer Institut hat eine ähnliche Oberflächenstruktur auf der Rückseite der Solarmodulglasschicht aufgebracht. Je nach Struktur werden bis zu 7 % des einfallendes Lichtes reflektiert, wodurch die Deckgläser über der Photovoltaik als blau, rot oder grün wahrgenommen werden.

Elemente im öffentlichen Raum können ebenfalls auf den Brücken photovoltaisch aktiviert werden und dabei sehr ansprechend aussehen

Eine weitere Möglichkeit, optische Vielfalt zu ermöglichen: gebogene Photovoltaik-Flächen statt starrer flacher Module. Aber auch hier muss man Effizienzeinbußen in Kauf nehmen: Diese sogenannte „Dünnschicht-Technologie“ bleibt in ihrem Wirkungsgrad heute noch unter 15 %.

Dafür hat sie neben ihrer Biegsamkeit allerdings noch einen weiteren Vorteil: Die Module sind deutlich leichter und damit vielfältig einsetzbar bzw. installierbar, wo für schwerere Module die statischen Voraussetzungen nicht gegeben sind.

Bei Sitzgelegenheiten, Pavillons oder Baldachinen im öffentlichen Raum können durch die Dünnschicht-Technologie viele Flächen photovoltaisch aktiviert werden.

Sogar die Fenster auf den Brücken werden photovoltaisch aktiviert, ohne dass der Betrachter es bemerkt

Ein neuartiger Ansatz in der Photovoltaikbranche arbeitet mit dem Prinzip des sogenannten „Wave-Guidings“. Dieses wird auf den Brücken beispielsweise bei Fenstern von Gebäuden eingesetzt.

Beim Wave-Guiding wird die einfallende Strahlung in den Rand eines Fensters mit handelsüblichen Glasscheiben geleitet. Im Rand wird dann über Photovoltaik-Module elektrische Energie erzeugt.

Die Fenster sind also eigene kleine Energieerzeuger.

Die Photovoltaik-Ernte von so vielen Oberflächen auf den Brücken kann nur mithilfe ausgefeilter Steuerungssysteme optimal genutzt werden

Mit dem neuen Quartier der Frankfurter Brücken kann Hausbesitzern gezeigt werden, wie schön und vor allem unsichtbar Photovoltaik auf dem Dach sein kann und wie effizient es für alle Bereiche des Lebens ist, inklusive Mobilität.

Auf den Brücken wird dazu ein intelligentes Steuerungssystem entwickelt. So kann ein ganzes Quartier mit günstigstem Strom versorgt werden, sowohl für seine Infrastruktur, als auch für moderne „Luxusprozesse“, wie zum Beispiel fahrende Mülltonnen, Brückenfahrzeuge auf Abruf, automatisierter Tragdienst für Einkäufe (nie wieder Schleppen) und vieles mehr – ohne „verschwenderisch“ mit Strom umzugehen.

Sobald der Strombedarf auf den Brücken gedeckt ist, wird überschüssiger Strom, den die Photovoltaik-Module produzieren, erst in Batterien gespeichert bzw. den elektrisch betriebenen Fahrzeugen neben den Brücken angeboten, die an den Ladestationen der Brückenpfeiler „Strom tanken“ können. Darüber hinaus entstehender überschüssiger Strom wird zur Herstellung von Wasserstoff verwendet. Der grüne Wasserstoff wird von den H₂-betriebenen Fahrzeugen auf den Frankfurter Brücken verbraucht und Überschüsse werden gespeichert, um im Winter mittels Brennstoffzellen der Strom- und Wärmeerzeugung zu dienen.

Erst wenn auch dieser Bedarf auf und entlang der Brücken gedeckt ist, alle Energiespeicher der Brücken gefüllt sind und immer noch überschüssiger Strom vorhanden sein sollte, wird dieser in das Netz des lokalen Stromversorgers Mainova rückeingespeist: Es gibt somit keine Einzelabrechnungen pro Gebäude mit dem Versorger Mainova, sondern erst nach erfolgtem Brücken-internen „netting“ findet eine Brücken-Saldierung mit der Mainova statt.

Die Photovoltaik-Module auf den Brücken produzieren Gleichstrom (DC), der allerdings nicht direkt von den Stromverbrauchern auf den Brücken genutzt werden kann, sondern entweder in passenden Gleichstrom mit anderer Spannung umgewandelt werden muss oder aber – für einige Endverbrauchsarten – zu Wechselstrom (AC) gewandelt wird. Dies geschieht bei sogenannten Insellösungen (erzeugendes und verbrauchendes Element bilden eine „Insel“ – z.B. bei Straßenbeleuchtung mit integrierter Photovoltaik) ohne Umwege; der Großteil des produzierten Stroms auf den Brücken wird jedoch zuerst zu brückeninternen Versorgungsknotenpunkten, den „Versorgungszentralen“, umgeleitet und dort in größerem Umfang und zentral gesteuert gewandelt, bevor er zu den Verbrauchern geschickt wird.

Das Brückenquartier bekommt Versorgungszentralen entlang der Brücken - sie enthalten Steuerung, Speicherung und Aufbereitung für die Energie, aber auch für Trinkwasser, Löschwasser, Kommunikation etc.

Die Energie von Photovoltaikanlagen oder der Säulengeothermie-Anlage wird nicht direkt für Gebäude, Laternen etc. auf den Brücken verbraucht, sondern wird zunächst in die sogenannten Versorgungszentralen geleitet: ca. alle 500 bis 1000 Meter befinden sich rechts oder links der Brücken Zentralen, in denen viele Leitungen zusammenlaufen und die überschüssige Energie intelligent und effizient verteilt wird.

Auf Fussgänger-Ebene sind die Versorgungszentralen extrem schlank und platzsparend gehalten – aber dafür sind sie unterirdisch bis zu zwei Kellergeschosse tief

Jede Versorgungszentrale wird stilistisch der Umgebungsbebauung angepasst: Ist die Umgebung von Altbauten geprägt, dann verkleiden sich die Versorgungszentralen als Gründerzeit-Villen; in moderner Umgebung hingegen sind sie ultra-modern, aber künstlerisch gestaltet: durch Beleuchtungseffekte, Graffitti-Malerei, moderne Kunst, Naturstein-Verkleidung oder andere Stilmittel der Kunst.

Die Verteilung von Stromüberschüssen kann zudem nicht nur auf den Brücken innerhalb des Quartieres stattfinden, sondern beispielsweise auch indem elektrisch betriebene PKWs auf und neben den Brücken geladen werden.

Sind alle Verbraucher auf und entlang der Brücken versorgt und die eigenen Speicher voll, dann muss in das Netz der Stadtwerke eingespeist werden: Es erfolgen also keine Einzelabrechnungen der Brückenbewohner oder -nutzer mit dem Versorger Mainova, sondern brückeninternes „netting“ innerhalb des Quartiers steht auf Platz Nummer 1, gefolgt vom Füllen der brückeneigenen Speicher sowie der Versorgung von Fahrzeugen entlang der Brücken. Erst ganz zum Schluss erfolgt eine Saldierung mit der Mainova über die brückeninternen Versorgungsknotenpunkte, die „Versorgungszentralen“.

Die Frankfurter Brücken sind fast autark: Sowohl Autarkiegrad als auch Eigenverbrauchsverhältnis liegen bei über 90 % bzw. fast 100 %

Der Autarkiegrad beschreibt das Verhältnis zwischen Eigenversorgung und gesamtem Verbrauch. Die Frankfurter Brücken können nahezu ihren gesamten Strombedarf durch Eigenversorgung decken.

Auf diese Weise wird der Stromaustausch mit dem städtischen Stromnetz minimiert: Überschüssiger Strom wird entweder in Batterien gespeichert oder es wird damit Wasserstoff produziert – was beides die Netzeinspeisung erheblich verringert. Dies führt zu einem hohen Eigenverbrauchsverhältnis: Der Eigenverbrauch wird durch Eigenstromproduktion zu fast 100 % abgedeckt.

Auf den Frankfurter Brücken wird entsprechend nicht nur Strom aus Photovoltaik, sondern auch Wärme aus Solarthermie genutzt

Solarthermische Anlagen nutzen die Sonnenwärme zur Energiegewinnung. Hierzu braucht man allerdings relativ kontinuierlich möglichst intensive Sonneneinstrahlung, wenn man damit ein ganzes Haus heizen will. Entsprechend wird Solarthermie in Mitteleuropa meist nur begleitend zu anderen Energiesystemen benutzt, also unterstützend für die normale Heizung im Keller – so auch auf den Frankfurter Brücken.

Auf den Brücken wird ein Großteil der Solarmodule als sogenannte Hybridkollektoren ausgeführt: Sie können durch Photovoltaik auf ihrer Oberfläche Strom erzeugen und gleichzeitig thermische Energie durch darunterliegende Leitungen sammeln. Gespeichert wird die Wärme im Sommer untererrdisch im sogennanten Borehole Thermal Energy Storage (BTES); verwendet wird sie im Winter, indem man mit dem (eher lauwarmen Wasser) die Wärmepumpen unterstützt.

Wärmeüberschüsse im Sommer können mithilfe von Sondenfeldern entlang der Frankfurter Brücken im Boden gespeichert werden

Ein potenzieller Speicher von überschüssiger thermischer Energie sind oberflächennahe Geothermie-Sondenfelder, die im Zuge des Bauvorhabens dort eingebaut werden, wo der Straßenbelag für den Bau der Brücken ohnehin erneuert werden muss.