PVT-Kollektoren: Photovoltaik und Solarthermie als Hybrid

PVT stapelt Photovoltaik und Solarthermie aufeinander statt sie nebeneinander zu legen. Eine simple Feststellung, die aber Potenzial birgt. Die Idee, die dahinter steckt ist, knappe Dachfläche solarertragstechnisch besser zu nutzen und außerdem Synergien zu erzeugen.

PV läuft Thermie derzeit den Rang ab

In den letzten Jahren dümpelte die Solarthermie in der Wärmeversorgung von Wohngebäuden vor sich hin. Zwar werden Kollektoren im Neubau routinemäßig zur Erfüllung des gesetzlich geforderten Erneuerbare-Energien-Anteils auf die Dächer gesetzt – und auch viele Altbauten erhielten bei einem Heizungstausch „ihre Platten“. Doch mehr als das Feigenblatt kommt dabei oft nicht heraus – sprich: Solarwärme zur Trinkwasser-Erwärmung und das dann auch nur anteilig, je nach Jahreszeit.

Anders die Photovoltaik: Sie nabelt sich über das Thema Eigenstromversorgung und über die zunehmende Verstromung der Wärmeversorgung (Stichwort Wärmepumpen) mehr und mehr vom Tropf des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) ab. Es sieht so aus, dass die Photovoltaik weiter das Rennen um die Dachflächen machen und die Solarthermie weiter das Nachsehen haben wird – wenn sie nebeneinander gedacht werden.

Wärme nutzen statt vergeuden

Aus verschiedenen Gründen macht die Kombination Photovoltaik und Solarthermie in einer Anlage Sinn: Eine gewöhnliche Photovoltaik-Anlage hat, je nach verwendeter Technologie, derzeit Wirkungsgrade zwischen 15 und 20%. Der weitaus größte Teil der auf sie einstrahlenden Sonnen-Energie geht als Abwärme verloren. Das ist nicht nur ineffizient, die Wärme kann außerdem den Wirkungsgrad der Anlage senken, wenn die Temperatur des Moduls steigt.

Laut Leitfaden PV der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS) sinkt die Leistung kristalliner Solarzellen um 0,4 - 0,5% pro Kelvin Temperaturerhöhung bzw. sie steigt bei Kühlung. Ein PVT-Kollektor kann technisch gesehen also zwei Nutzen erbringen:

• Der erste ist, die PV-Abwärme vom Dach in den Heizkreislauf eines Gebäudes zu speisen.
• Der zweite ist, dass der PV-Kollektor über die Abführung gekühlt wird, was dem Wirkungsgrad zugute kommt.

Ein darüber hinaus gehendes ästhetisches Plus ist, dass PVT-Kollektoren ein einheitliches Erscheinungsbild bieten und nicht zwei unterschiedliche Plattentypen auf dem Dach liegen.

Zwei Bauweisen beim Aufbau von PVT-Kollektoren

PVT-Kollektoren lassen sich in zwei Bauweisen einteilen, in eine wärmeorientierte und in eine stromorientierte. Der Aufbau eines abgedeckten PVT-Kollektors (wärmeorientierte Bauweise) ähnelt vom Grundsatz her dem eines klassischen Solarthermiekollektors, allerdings mit dem Unterschied, dass über dem Absorber Solarzellen angebracht sind. Die von den Zellen abgegebene Wärme wird von einem Absorberblech aufgenommen und auf ein Rohr-Ableitungssystem übertragen.

Ein nicht abgedeckter PVT-Kollektor (stromorientierte Bauweise) ist konstruktiv beschreibbar als ein PV-Modul, an dessen Rückseite eine Wärmeabnahme stattfindet – in erster Linie mit dem Ziel, Wärme aus den Zellen abzuführen, um deren Wirkungsgrad zu maximieren und damit die Stromproduktion. Die Wärmeabführung wird unterschiedlich aufwändig bewerkstelligt –Stahlwannen, auf die Rückseite der PV-Module geklebte Wärmetauscher aus Aluminium, Kupfer-Rohrschlangen oder Kunststoffkanälen sowie mit oder ohne Isolation auf der Rückseite. Diese Konstruktionen sind weniger komplex, jedoch sind auch die Wärmeverluste höher als bei der wärmeorientierten Bauweise.

Was kann erreicht werden? Ein Praxisbeispiel

Was kann erreicht werden – auch im Vergleich zu den „klassischen“ Systemen? In einem Experiment bestückte das Institut für Solartechnik (SPF) der Hochschule für Technik Rapperswil (Schweiz) die Dächer (Satteldach) dreier baugleicher Häuser eines Ensembles, so dass selbst die Dachausrichtung (Süden) zur Sonne praktisch identisch war und eine ideale Vergleichssituation gegeben war.

• Auf Dach1 von Haus A wurden 130m² Photovoltaik installiert,
• auf Dach2 des Hauses B 130m PVT-Kollektoren.
• Auf das Dach3 des Hauses C die klassische Side-by-Side-Kombination aus Photovoltaikanlage (90m²) und Flachkollektoren (40m²) nebeneinander.

Die PVT-Kollektoren wurden indach installiert, außerdem wurden nichtabgedeckte, aber rückseitengedämmte Kollektoren eingesetzt. Alle drei Häuser verfügen über eine Sole/Wasser-Wärmepumpe (30kW Heizleistung), die jeweils an ein eigenes Erdsondenfeld gekoppelt ist (je 5 Sonden à 170m).

In Haus B und C wird die Solarwärme prioritär in einen Pufferspeicher (2.000 l) eingespeist, erst nachgeordnet in einen Solespeicher (1.000 l) zur Erdsondenregeneration und als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Außerdem vorhanden ist ein Warmwasserspeicher (2.000 l). Das System von Haus A (nur PV) besitzt keine Solarwärmeeinbindung und auch keinen Solespeicher.

Interessant an den Ergebnissen ist, dass die Stromausbeute von Haus A (nur PV) etwas größer als die von Haus B (PVT) war, zwar marginal, aber die Kapazität der PVT-Anlage war zudem etwas größer (21,8 kWp zu 21,1 kWp). Beide Häuser bewegten sich im Zeitraum bei knapp 20.000 kWh/a. Allerdings kommt der PVT-Kollektor auch auf einen zusätzlichen Solarwärme-Ertrag in etwa der gleichen Größenordnung, was die PV-Anlage eben nicht erbrachte. Im Vergleich zur reinen Photovoltaik holte der PVT-Kollektor also aus der dargebotenen Solarstrahlung etwa doppelt soviel Solarertrag heraus. Und im Experiment war er auch deutlich ertragreicher als die Alternativvariante Photovoltaik und Solarthermie auf dem Dach von Haus C.

Ein weiterer Aspekt ist, dass mit der Solarwärme von Haus B und C die Regeneration der Erdsonde unterstützt werden kann, außerdem die Wärmepumpe direkt. Das führt im Beispiel insgesamt zu besseren Systemnutzungsgraden als in Haus A.

Weitere Erfahrungswerte notwendig

PVT konnte sich bisher noch nicht signifikant als echte Alternative am Markt durchsetzen. Das liegt u. a. auch an gegenteiligen Erfahrungen mit solchen Systemen, die keine Mehrerträge oder sogar geringere Erträge als getrennt angelegte Systeme erbrachten. Auch handelt es sich um zwei unterschiedliche Gewerke, die im Fall von PVT gleichzeitig bespielt werden müssen. Erfahrungswerte müssen weiter gesammelt werden und es gibt auch weiteren Entwicklungsbedarf, aber die Anlagenbeispiele in der Praxis häufen sich. PVT-Kollektoren haben sich (noch) nicht in der Breite durchgesetzt, doch sie finden vermehrtes Interesse. Der Solarthermie bieten sie außerdem im Schwesternstreit mit der PV um die Dachfläche eine weitere Chance.