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photovoltaisch-thermischer Solarkollektor

Die meisten Photovoltaikanlagen basieren auf Solarzellen, die zwar im Betrieb warm werden, ohne dass jedoch diese Wärme genutzt werden kann. Jedoch gibt es verschiedene Formen von photovoltaisch-thermischen Solarkollektoren (oder Hybridkollektoren), bei denen tatsächlich eine gleichzeitige Erzeugung von elektrischer Energie und nutzbarer Wärme möglich ist. Gebräuchlich ist das Akronym PVT für photovoltaisch-thermisch, im Gegensatz zu PV für Photovoltaik allein. Man spricht also gleichbedeutend von photovoltaisch-thermischen Kollektoren, PVT-Kollektoren, Kombi-Solar-Kollektoren oder Hybridkollektoren.

Bislang sind PVT-Kollektoren sehr viel weniger gebräuchlich als Photovoltaikanlagen für die reine Stromerzeugung.

Grundsätzliche Überlegungen

An vielen Standorten werden sowohl elektrische Energie als auch Wärme (z. B. für Warmwasser und Heizung) benötigt. Hierfür könnte man im Prinzip eine Kombination separater Photovoltaikmodule für die elektrische Energie mit thermischen Sonnenkollektoren für die Wärmeerzeugung einsetzen. Da aber die Solarzellen in den Photovoltaikmodulen meist nur rund 15 bis 20 % der einfallenden Solarenergie in Strom umwandeln können und der Rest als Wärme erhalten bleibt, liegt es nahe, genau diese restliche Wärme zu nutzen, anstatt sie separat zu gewinnen. Hierfür können beispielsweise Solarzellen mit geeigneten Zwischenschichten auf einem Wärmeübertrager montiert werden, der wie bei einem rein thermischen Flachkollektor von Wasser (meist mit einem Frostschutzmittel versetzt) durchflossen wird. Auf diese Weise vermindern sich sowohl die benötigte Gesamtfläche als auch die Kosten erheblich. Jedoch sind diverse zusätzliche Aspekte dabei zu beachten, die im Folgenden besprochen werden.

Veränderte Betriebstemperatur der Solarzellen

Solarzellen in reinen Photovoltaikmodulen können im Sommer recht heiß werden, was ihren Wirkungsgrad vermindert und auch die Lebensdauer verkürzen kann. (Bei den typischen Silizium-Modulen sinkt die Stromausbeute typischerweise um ca. 0,4 bis 0,5 % pro Kelvin (Grad) Temperaturerhöhung, und diverse Alterungsprozesse laufen bei höheren Temperaturen viel schneller ab.) Wenn solche Solarzellen aber durch einen Wärmeübertrager effektiv gekühlt werden, steigen die Stromausbeute und die Lebensdauer entsprechend an. Dies gilt natürlich umso mehr, je tiefer die Temperaturen des Wärmeübertragers liegen.

Diese Betriebstemperaturen hängen wiederum stark von der jeweiligen Anwendung ab. Ideal tief liegen sie, wenn solche Kollektoren beispielsweise für die Regeneration von Erdwärmesonden oder eines Eisspeichers verwendet werden, also bei rund 0 °C; dies führt gleichzeitig zu maximalen Ausbeuten an Wärme. Dagegen treten wesentlich höhere Temperaturen auf, wenn Warmwasser erzeugt werden soll. (In geringerem Maße gilt dies, wenn nur eine Warmwasser-Vorwärmung erreicht werden soll.) In diesem Zusammenhang kommt es auch auf die im nächsten Abschnitt besprochene Wärmedämmung an.

Wärmedämmung der Kollektoren: Vorteil je nach Anwendung

Thermische Kollektoren, die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau erzeugen sollen, rüstet man typischerweise mit einer möglichst effektiven Wärmedämmung aus. Bei photovoltaisch-thermischen Solarkollektoren sieht dies meist so aus, dass man einen Luftspalt zwischen der schützenden äußeren Glasplatte und den Solarzellen belässt, der die Wärmeverluste nach oben erheblich vermindert. Unter Umständen erfolgt eine zusätzliche Wärmedämmung auf der unteren Seite (Rückseitendämmung).

Ein Problem der Wärmedämmung ist allerdings, dass die Temperatur im Kollektor dann sehr stark ansteigen kann, wenn aus irgend einem Grund (z. B. keine Abnahmemöglichkeit für die Wärme bei vollem Solarspeicher, Defekt der Umwälzpumpe oder Stromausfall) keine Wärme abtransportiert werden kann; die sogenannte Stagnationstemperatur kann oberhalb von 150 °C liegen. Da solche Fälle mit vertretbarem Aufwand kaum ausgeschlossen werden können, müssen solche abgedeckten Kollektoren so konstruiert sein, dass sie die Stagnationstemperatur auch tagelang ohne Beschädigung von Komponenten aushalten können. Häufig verzichtet man zumindest auf die Rückseitendämmung, damit die Stagnationstemperatur nicht zu hoch wird.

Wenn nur Niedertemperaturwärme benötigt wird, verzichtet man gänzlich auf die Wärmedämmung. Entsprechende Kollektoren werden häufig als nicht abgedeckte Kollektoren bezeichnet, was allerdings irreführend ist: Auch diese benötigen eine Glasplatte, u. a. zum Schutz gegen Regen und Hagel, jedoch werden die Solarzellen direkt mit dieser thermisch verbunden. Die fehlende Wärmedämmung erhöhte Wärmeverluste bei hohen Betriebstemperaturen stark – was in diesem Fall einerseits zu verminderten Wärmeerträgen führt, andererseits aber auch zu einer niedrigeren Stagnationstemperatur (z. B. nur 90 °C), also zu geringeren thermischen Belastungen in diesem Fall, sodass die Konstruktion tendenziell weniger aufwendig ist. Bei niedrigen Betriebstemperaturen ändern sich die Wärmeverluste jedoch kaum; wenn diese Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, können sogar zusätzliche Wärmegewinne entstehen. Dies ist beispielsweise möglich, wenn solche Kollektoren für die Regeneration von Erdwärmesonden verwendet werden und die Außentemperatur deutlich über 0 °C liegt. Deswegen setzt man für solche Anwendungen praktisch nur so genannte nicht abgedeckte Kollektoren ein.

Wasser oder Luft als Wärmeübertragermedium

Die meisten Sonnenkollektoren sind flüssiggekühlt, d. h. sie werden mit Wasser bzw. einem Gemisch von Wasser und Frostschutzmittel (z. B. Glykol) betrieben. Es gibt aber auch Luftkollektoren, bei denen die Wärme mithilfe von Luft übertragen wird. Das hat einerseits gewisse Vorteile – keine Probleme mit Frostschutz, Undichtigkeiten etc. – und kann besonders dann sinnvoll sein, wenn am Ende ohnehin Luft erwärmt werden muss, beispielsweise für eine Warmluftheizung, eine Lüftungsanlage mit verringerten Wärmeverlusten oder eine landwirtschaftliche Heutrocknung. Andererseits liegt aber die volumenbezogene Wärmekapazität der Luft sehr viel niedriger als die von Wasser, wodurch entsprechend größere Volumenströme benötigt werden, um eine gegebene Wärmeleistung zu übertragen. Deswegen ist es zwar möglich, aber weniger praktikabel, beispielsweise einen Luftkreislauf zu verwenden, um Wärme von den Kollektoren zu einem Warmwasserspeicher zu transportieren. Häufig werden Luftkollektoren verwendet, um direkt Luft für Heizungs- oder Trocknungszwecke anzuwärmen.

Es gibt auch Luftkollektoren, bei denen nur ein kleiner Teil der Fläche mit Solarzellen belegt ist und die erzeugte elektrische Energie nur zum Antrieb eines Ventilators dient; dies würde man aber nicht unbedingt als Hybridkollektor bezeichnen.

Konzentrierende Anlagen

PVC-Kollektoren sind größtenteils Flachkollektoren, die direkt die einfallende Sonnenstrahlung nutzen. Es gibt jedoch auch konzentrierende Systeme, bei denen also die Strahlung zunächst mit einem optischen Element (z. B. einem Parabolspiegel) fokussiert wird und entsprechend konzentriert auf dafür ausgelegte Solarzellen trifft. Hier ist allerdings eine Nachführung entsprechend der variablen Richtung der Sonneneinstrahlung notwendig. Deswegen kommen solche Systeme für den Einsatz für Haushalte und Gewerbe kaum infrage.

Anwendungen von photovoltaisch-thermischen Kollektoren

Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

Der Einsatz von Hybridkollektoren für die reine Warmwasserbereitung ist insofern nicht ideal, dass die flächenspezifische Wärmeausbeute aufgrund der relativ hohen Betriebstemperaturen selbst mit abgedeckten Kollektoren deutlich niedriger liegt als bei reinen Solarkollektoren. Gleichzeitig entsteht kaum eine erhöhte Stromausbeute durch Kühlung der Solarzellen. Trotzdem dürften Hybridkollektoren hierfür geeigneter sein als eine Kombination separater Photovoltaikmodule und Solarkollektoren, da insgesamt wesentlich weniger Fläche belegt werden muss.

Etwas günstiger ist die Lage diesbezüglich, wenn nur eine Warmwasser-Vorwärmung z. B. auf 30 °C vorgenommen wird. Dies geschieht beispielsweise in Mehrfamilienhäusern mit einer knapp bemessenen Kollektorfläche, die für die vollständige Warmwasserbereitung nicht ausreichen würde. Ähnliches gilt für Anlagen mit Heizungsunterstützung, wenn eine Niedertemperaturheizung (z. B. Fußbodenheizung) vorliegt. Dann werden die Kollektoren im Winter beispielsweise mit nur ca. 30 °C betrieben und können immer noch einiges an Wärme liefern.

Unterstützung einer Wärmepumpenheizung; Regeneration von Erdwärmesonden

Die maximale Wärmeausbeute erreichen Sonnenkollektoren (auch Hybridkollektoren) in Kombination mit einer Wärmepumpenheizung, die eine sehr niedrige Betriebstemperatur der Kollektoren ermöglicht. Hierfür gibt es unterschiedliche Möglichkeiten:

• In manchen Fällen dienen Kollektoren hauptsächlich der Regeneration von Erdwärmesonden. Es wird also es wird also hauptsächlich im Sommer, in geringerem Umfang aber auch während der Heizperiode Niedertemperaturwärme bereitgestellt, welche in die Erdsonden geleitet wird, soweit sie nicht unmittelbar von der Wärmepumpe genutzt wird. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur der Erdsonden nicht zu stark absinkt, was der Leistungszahl der Wärmepumpe zugute kommt, also den Stromverbrauch der Wärmepumpe senkt. Denkbar ist auch, die Erdsonden entsprechend knapper auszulegen (um Investitionskosten zu sparen). Natürlich ist darauf zu achten, dass der Strombedarf der Pumpen für den Regenerationsbetrieb nicht zu hoch ist – beispielsweise durch eine angemessene Reduktion der Förderleistung.
• Manche Anlagen enthalten einen zusätzlichen Solespeicher, der von den Kollektoren erwärmt werden kann. Bei genügendem Wärmeeintrag liegt die Temperatur des Solespeichers einige Grad höher als die der Erdwärmesonden. Die Wärmepumpe wird dann Wärme bevorzugt aus diesem Speicher holen und kann in dieser Zeit effizienter arbeiten; gleichzeitig werden die Erdsonden weniger abgekühlt, was sich später dann wieder günstig auswirkt.
• Auch bei Grundwasser-Wärmepumpen kann eine Vorwärmung des Wassers in einem zusätzlichen Speicher durch Hybridkollektoren erfolgen.
• Es gibt auch Wärmepumpenheizungen mit Hybridkollektoren als direkte Wärmequelle. In diesem Falle müssen es Kollektoren ohne Wärmedämmung sein, sogar mit gutem Wärmekontakt zu der Außenluft. Bei geringer Sonneneinstrahlung sollen sie dann nämlich notfalls Wärme aus der Außenluft aufnehmen können, ohne massiv kälter als diese werden zu müssen.

Idealerweise arbeitet ein System so flexibel, dass es die Wärme von den Kollektoren auch sekundär (d. h. nach der Wärmepumpe) einspeisen kann, solange die Kollektoren ausreichend hohe Temperaturen direkt liefern können. Man kann die Wärmepumpe dann zeitweise ganz abschalten. Diese Flexibilität erfordert aber eine entsprechend höhere Komplexität des Systems.

Siehe auch: Sonnenkollektor, Photovoltaik, Solarthermie, Solaranlage, solare Heizungsunterstützung, Erdwärmesonde, Wärmepumpenheizung