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Hybridkollektor

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Definition: ein Sonnenkollektor, der Strom und Wärme produzieren kann

Englisch: hybrid solar collector

Kategorien: elektrische Energie, erneuerbare Energie, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 01.04.2013; letzte Änderung: 15.05.2015

Normalerweise unterscheidet man zwischen Sonnenkollektoren, die nur Wärme produzieren (→ Solarthermie) und Solarzellen, die nur elektrische Energie erzeugen. Es gibt jedoch auch Hybridkollektoren, die beide Funktionen vereinigen. Es handelt sich um solarthermische Kollektoren, in die Solarzellen in gutem thermischem Kontakt mit dem Wasser-Wärmeübertrager oder einem Wärmeleitblech eingebaut sind. Man kann von einer solaren Kraft-Wärme-Kopplung sprechen, auch wenn “Kraft” nicht ganz passt, nachdem ja keine mechanische Energie involviert ist.

Hybridkollektoren werden auch als PVT-Kollektoren (für PV = Photovoltaik und T = thermische Nutzung) bezeichnet. Bisher werden sie noch kaum eingesetzt.

Die Energieausbeute pro Quadratmeter ist bei Hybridkollektoren besonders hoch, jedenfalls bei Berücksichtigung der höheren Wertigkeit elektrischer Energie.

Ein Hybridkollektor erlaubt insgesamt eine bessere Energieausbeute pro Quadratmeter Kollektorfläche. Selbst wenn die Summe der elektrischen und thermischen Ausbeute nicht höher ist als bei einem solarthermischen Kollektor, bedeutet die höhere Wertigkeit der elektrischen Energie effektiv einen höheren Energiegewinn. Der Hybridkollektor benötigt weniger Fläche als eine Kombination herkömmlicher Solarmodule und Sonnenkollektoren. Dies erlaubt auch potenziell tiefere Kosten bei Produktion und Montage, falls Zusatzkosten an anderen Stellen nicht stärker ins Gewicht fallen. Da nämlich elektrische und wasserführende Teile kombiniert werden müssen und die Elektrik höhere Temperaturen bestehen muss, kommen zusätzliche technische Schwierigkeiten ins Spiel. Geeignete Sicherheitsvorschriften werden erst noch entwickelt.

Hybridkollektoren für Warmwasser und Heizungsunterstützung

In den meisten Fällen liefert ein Sonnenkollektor Wärme bei der Temperatur, wie sie für die Anwendung benötigt wird – etwa die solare Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung. Bei einem Hybridkollektor bedeutet dies, dass die Solarzellen auf einer relativ hohen Temperatur betrieben werden: mindestens einige Grade über der Wassertemperatur. (Ein optimaler Wärmekontakt der Solarzellen mit dem Untergrund minimiert diese zusätzliche Temperaturerhöhung.) Dies führt leider zumindest bei den üblichen Silizium-Solarzellen zu einer gewissen Reduktion des Wirkungsgrads. Eine zusätzliche Reduktion kann dadurch auftreten, dass eine Glasabdeckung, die nicht nur die Solarzellen schützt, sondern auch eine gute Wärmedämmung bewirkt, tendenziell weniger Sonnenlicht durchlässt.

Die Wärmeproduktion ist auch etwas geringer als bei rein solarthermischen Kollektoren, da ja ein Teil der Energie als elektrische Energie abfließt.

Insgesamt ist die Energieproduktion pro Quadratmeter aber eher besser als Sonnenkollektoren, und ohnehin höher als bei reiner Photovoltaik.

Hybridkollektoren für den Niedertemperaturbetrieb; Kombination mit einem Eisspeicher

Eine Erhöhung der thermischen und elektrischen Produktion ist möglich durch die Kombination mit einer Wärmepumpe, die den Kollektor auf einer niedrigeren Temperatur hält, z. B. auf 20 °C oder sogar tiefer. Dies reduziert nämlich den Wärmeverlust des Kollektors, und gleichzeitig werden die Solarzellen effizienter. Auf der anderen Seite ist dann natürlich Antriebsenergie für die Wärmepumpe nötig. Selbst wenn deren Leistungszahl nicht schlecht ist, wird die Antriebsenergie typischerweise in etwa der elektrischen Produktion der Solarzellen entsprechen, so dass am Ende im Jahresmittel praktisch nur Wärme gewonnen wird – dafür aber deutlich mehr.

Die Wärmedämmung des Hybridkollektors kann für diese Einsatzweise sogar ganz entfallen, wenn keine Kollektortemperatur deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur angestrebt wird. Die Wärmeausbeute des nicht abgedeckten Kollektors ist sogar eher höher.

Hybridkollektoren eignen sich besonders in Verbindung mit einem Eisspeicher.

Sinnvoll kann die Kombination mit einem Eisspeicher als Wochenspeicher oder sogar saisonaler Speicher sein. Bei diesem Konzept ist die Verwendung einer Wärmepumpe zur Entnahme der Wärme ohnehin vorgesehen. Durch die Integration der Solarzellen gewinnt man im Jahresmittel grob geschätzt so viel Energie, wie der Antrieb der Wärmepumpe benötigt – allerdings nicht zeitgleich: An sonnigen Tagen entsteht ein Überschuss an elektrischer Energie, während man an trüben Tagen Strom z. B. aus dem öffentlichen Stromnetz benötigt, um die Wärmepumpe zu betreiben. Die Energieausbeute der Solarzellen ist relativ gut, da ihre Temperatur sehr niedrig gehalten wird.

Ein Problem ist die mögliche Kondensation oder gar Vereisung auf dem Kollektor, wenn dieser kühler wird als die Umgebung. Dies kann die Energieausbeute natürlich stark verringern. Es muss ggf. die Leistung der Wärmepumpe so reguliert werden, dass dies vermieden wird. Hierfür sollte die Wärmepumpe eine echte Leistungsregelung haben und nicht etwa im Taktbetrieb arbeiten.

Ausführung als Luftkollektor

Auch Hybridkollektoren können als Luftkollektoren ausgeführt werden, d. h. die Wärme wird mit Hilfe von Luft anstelle von Wasser abgeführt. Dies bietet sich insbesondere an, wenn kalte Frischluft von außen angesaugt, aufgewärmt und z. B. für die Belüftung und/oder Trocknung eines Gebäudes genutzt werden soll. Die Konstruktion ist dann relativ einfach, und der Luftdurchsatz führt zur Kühlung der Solarzellen. Diese können direkt den Strombedarf des Ventilators decken, so dass auf einen Wechselrichter und andere Vorrichtungen zur Einspeisung in das Stromnetz verzichtet werden kann.

Siehe auch: Sonnenkollektor, Solarzelle, Solarmodul, Photovoltaik, Solarthermie, solare Warmwasserbereitung, solare Heizungsunterstützung, Eisspeicher, Luftkollektor
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, erneuerbare Energie, Wärme und Kälte

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Thesen zum Klimaschutz

1. Die Klimagefahren sind real.

Die absolut überwiegende Mehrheit der Klimaforscher bestätigt das.

Manche Leute aus anderen Fachgebieten meinen es besser zu wissen als all diese Forscher. Das ist lächerlich.

Es gibt immer Minderheitsmeinungen, auch unter Forschern, und manchmal stimmen diese sogar. Aber darauf zu bauen, dass die große Mehrheit total daneben liegt, wäre eine große Dummheit.

2. Plötzliche Klima­änderungen sind höchst gefährlich.

Die Natur hat sich über lange Zeit an das derzeitige Klima angepasst. Starke Änderungen innerhalb nur einiger Jahrzehnte hätten dramatische Folgen.

Auch die Menschheit kann sich nicht an beliebig veränderte Umweltbedingungen anpassen.

Dass es vor tausenden von Jahren erhebliche Klimaschwankungen gab, heißt keineswegs, dass wir damit zurechtkommen werden!

3. Klimaschutz kostet viel Geld – kein Klima­schutz noch viel mehr!

Die Vorstellung, man solle lieber Geld sparen, um damit dann eine Klimakatastrophe zu überstehen, ist geradezu absurd. Die Folgen starker Klimaveränderungen sind unabsehbar und dann nicht mehr korrigierbar.

Wer unseren Wohlstand bewahren will, wünscht sich zu allerletzt einen schnellen Klimawandel!

4. Zeigefinger auf China sind unangebracht.

  • Dürfen Chinesen pro Kopf weniger CO2 emittieren, nur weil es viele Chinesen gibt?
  • Können wir massenhaft Güter aus China importieren und die Verantwortung für die dabei entstehenden Emissionen von uns weisen?
  • Wer selbst weit überdurchschnittliche Pro-Kopf-Emissionen verursacht, zeigt besser nicht mit dem Finger auf andere.

Lesen Sie unseren Artikel zum Thema!

5. Viele Maßnahmen für den Klimaschutz sind ohnehin auch aus anderen Gründen nötig.

  • Eine massive Abhängigkeit z. B. von Erdöl und Erdgas ist gerade in Zeiten stark rückläufger Förderung in Europa wirtschaftlich und politisch hoch gefährlich.
  • Kohlekraftwerke schaden nicht nur dem Klima: Auch in Europa verursachen sie jährlich tausende vorzeitiger Todesfälle durch Luftverschmutzung.

Einfach weiterzuwursteln wie bisher ist keine Option!

6. Energiewende: ja, aber bitte richtig.

  • Eine echte Energiewende ist unverzichtbar, um unsere ökonomische und ökologische Zukunft zu retten.
  • Die deutsche Energiewende findet bisher fast nur im Strombereich statt, und selbst dort wird mittlerweise rabiat gebremst.
  • Die Wärmewende wäre besonders wichtig: Sehr viel Energie wird in Form von Wärme gebraucht oder verschwendet. Sorgen wir dafür, dass wir auch morgen noch in warmen Häusern leben können!

7. Substitution ist nötig, hat aber Grenzen.

  • Wir können viel Kohlestrom z. B. durch Wind- und Solarstrom ersetzen – beim Strom gibt es viele Möglichkeiten.
  • Im Wärmebereich ist es schwieriger: z. B. Holz als Ersatz für Erdgas gibt es nicht unbegrenzt.
  • Strom für Wärme (z. B. mit Elektrowärmepumpen) geht auch, aber sehr viel Öko­strom im Winter zu erzeugen ist schwierig!

Also: Allein mit Substitution schaffen wir es nicht! Der Verbrauch muss runter!

8. Kernenergie ist ein Nebenkriegsschauplatz.

  • Weltweit deckt die Kernenergie nur wenige Prozent des Energiebedarfs – in Zukunft noch weniger.
  • Ein entscheidender Beitrag der Kernenergie zum globalen Klimaschutz scheitert schon an den Kosten.
  • Auf die ferne Zukunftshoffnung Kernfusion zu setzen, ist Traumtänzerei: Wenn das überhaupt je geht, ist es wohl unbezahlbar.

Also: Von der Kernenergie wird es nicht abhängen, ob wir das Klimaproblem lösen.

9. Energieeffizienz ist enorm wichtig.

  • Nur wenn wir entscheidend weniger Energie brauchen, können wir den Bedarf sauber, sicher und bezahlbar decken.
  • Energieeffizienz hat enorme Potenziale – bei uns und weltweit.
  • Effizienz ist nachhaltig: Das funktioniert dauerhaft, ohne neue schwierige Probleme aufzuwerfen.

Also: Wir müssen unbedingt die Energieeffizienz kraftvoll vorantreiben!

10. Suffizienz ist eben­falls unverzichtbar.

  • Überbordende Ansprüche zu erfüllen, etwa auf jährliche Flugreisen, ist kaum auf nachhaltige Weise machbar.
  • Es ist nicht vertretbar, dass die einen Energie gedankenlos in Mengen konsumieren, während andere noch nicht genug zum Leben haben.

Beachten Sie: Je weniger erfolgreich wir bei Substitution und Effizienz sind, desto wichtiger wird die Rolle der Suffizienz.

11. Emissionshandel ist gut und richtig, aber kein Allheilmittel.

  • Emissionshandel kann helfen, Klimaschutz möglichst kostengünstig zu praktizieren.
  • Wir brauchen deswegen ein globales Emissionshandelssystem.
  • Allein darauf zu setzen, wäre aber grundfalsch. Die Meinung von gewissen Ökonomen, Emissionshandel mache das deutsche EEG überflüssig, basiert auf nachweisbaren Denkfehlern.

12. Nicht jede Maß­nahme ist sinnvoll.

Manche sagen, wir bräuchten alle Beiträge zum Klimaschutz, die zu kriegen sind. Aber:

  • Wir haben begrenzte Resourcen. Wenn mehr davon in wenig wirksame Maßnahmen fließt, erreichen wir weniger, nicht mehr.
  • Unrealistische Hoffnungen z. B. auf neue Wundertechnologien sind gefährlich.

Also: Gezielt realisieren, was funktioniert! Nicht auf Wunder warten, sondern heute handeln!

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