Solarstrom plus Solarwärme: Was sind eigentlich PVT-Kollektoren?

PVT-Kollektoren sind Hybridkollektoren. Sie erzeugen aus Solarstrahlung sowohl Strom als auch WärmeFoto: IntegraTE

Im niedersächsischen Harsefeld heizt und kühlt eine 5-köpfige Familie ihr Haus mit einer Wärmepumpe, die über ein PVT-Kollektorfeld auf dem Dach die Umgebungs- und Strahlungswärme der Sonne nutztFoto: Fraunhofer ISE

Auch in Mehrfamilienhäusern und in Bestandsbauten können PVT-WP-Systeme eingesetzt werden und die Energiebilanz der Gebäude signifikant verbessern. Das zeigt dieses Mehrfamilienhaus in Bochum aus dem Jahr 1976Foto: Jens Wellen

Funktionsschema der Anlage im Mehrfamilienhaus in Bochum. Der ehemalige Öltank übernimmt hier eine intelligente Doppelfunktion. Er dient als Wärmequelle für die Sole-Wärmepumpe, so dass auf eine Erdbohrung verzichtet werden kann, und speichert über einen Elektro-Heizstab überschüssigen PVT-Strom, so dass keine Elektrobatterie nötig istFoto: IntegraTE

Wie funktionieren PVT-Kollektoren?
Ein PVT-Kollektor erzeugt aus Solarstrahlung sowohl Strom als auch Wärme. Dazu wird hinter das Photovoltaik-Modul ein Rohrregister montiert, durch das ein Wärmeträger fließt. Dieser thermische Absorber nimmt die Abwärme der Photovoltaik-Module und die Umgebungswärme auf und stellt sie einer Wärmepumpe als Wärmequelle zur Verfügung. Der Solarstrom kann zum Betrieb der Wärmepumpe sowie im Haushalt verwendet werden.

Das Rohrregister besteht aus Aluminium, Kupfer oder Kunststoff und ist mit dem Photovoltaik-Modul entweder verklebt oder laminiert, oder wird in den Rahmen des Moduls eingeklemmt. Übers Jahr hinweg können PVT-Kollektoren bis zu viermal mehr Gesamtenergie (also Wärme und Strom) liefern als eine Photovoltaik-Anlage mit der gleichen Fläche. Damit sind PVT-Kollektoren eine ideale Ergänzung zur Wärmepumpe.

PVT-Module als Quelle für die Wärmepumpe (PVT-WP) - für welche Häuser eignet sich das?
In energie-optimierten Gebäuden können PVT-Kollektor-Felder der Wärmepumpe als alleinige Wärmequelle dienen. Bei Bedarf ist Erdwärme aus Erdsonden oder Erdkörben eine geeignete Ergänzung. Erste Projekte zeigen, dass die Technik sowohl im Neubau, als auch im Altbau und in Mehrfamilienhäusern eingesetzt werden kann.

Beispiel Neubau:
Im niedersächsischen Harsefeld heizt und kühlt eine 5-köpfige Familie ihr neues Viebrockhaus mit einer Wärmepumpe, die über ein 15,8 Quadratmeter großes PVT-Kollektorfeld auf dem Dach die Umgebungs- und Strahlungswärme der Sonne nutzt. Aufgrund des modulierenden Betriebs der Wärmepumpe sind weder Wärme- noch Kälte-Pufferspeicher nötig, sondern nur ein Warmwasserspeicher. Ein in die Wärmepumpe integrierter E-Heizstab dient als Unterstützung für sehr kalte Wintertage. Erste Ergebnisse zeigen, dass das PVT-Wärmepumpensystem ein Drittel weniger Strom als eine Luft-Wasser-Wärmepumpe braucht, weil zusätzlich zu der Umgebungswärme hier auch die Strahlungsenergie der Sonne genutzt wird. Die Familie spart rund 360 Euro im Jahr.

Beispiel Altbau-Mehrfamilienhaus
PVT-WP-Systeme sind nicht nur für neue Einfamilienhäuser eine energieeffiziente und innovative Heiztechnologie. Auch in Mehrfamilienhäusern und in Bestandsbauten können PVT-WP-Systeme eingesetzt werden und die Energiebilanz der Gebäude signifikant verbessern. Dies beweist unter anderem ein Mehrfamilienhaus in Bochum aus dem Jahr 1976. Der Hauseigentümer suchte eine ökologische Alternative zur Ölheizung. Die niedrigen Betriebskosten überzeugten den Schornsteinfegermeister von der Wärmepumpenanlage mit PVT-System auf dem Dach. Günstig wird das Heizen in dem 6-Parteien-Haus dadurch, dass die Wärmepumpe die Solarenergie optimal ausnutzt. Der Solarstrom aus der 20,4 Quadratmeter großen PVT-Anlage treibt direkt die Wärmepumpe an und die Solarwärme erhöht die Effizienz des Heizsystems. Der Clou dieses Systems: Der ehemalige Öltank dient als Speicher für die Wärmepumpe! Eigentümer Jens Wellen dazu: "So erreichen wir über den ehemaligen 12.500-Liter-Öltank als Speicher für die Sole-Wärmepumpe eine deutliche Effizienzverbesserung der Anlage." Der Umstieg von Öl auf dieses solarbetriebene Heizsystem lohnt sich aktuell mehr als je zuvor. Aus der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) gibt es Zuschüsse von 45 Prozent der Gesamtkosten bei Austausch einer Ölheizung - in diesem Fall wären das knapp 26.000 Euro.

Das neue Heizsystem in Bochum basiert auf einem Duo-Hybrid-Konzept, das regenerative Wärmepumpentechnologie als Grundlast-Heizung übers Jahr mit einer Gas-Brennwerttherme für kalte Wintertage intelligent verknüpft. Solange die Solarwärme vom Dach mindestens 5°C hat, versorgt die Wärmepumpe das Mehrfamilienhaus mit Energie für Warmwasser und Heizung. Darunter schaltet sich das Brennwertgerät ein. Damit das Zusammenspiel gut funktioniert, steuert ein programmierbarer Regler alle Komponenten. Die Umschaltung zwischen Wärmepumpe und Brennwertgerät erfolgt in Abhängigkeit der Temperaturen des Quellenspeichers sowie der Außenluft.

Was sind die Voraussetzungen für den Einsatz von PVT-Kollektoren?
Für einen effizienten und wirtschaftlichen Einsatz mit hohen Jahresarbeitszahlen im Bestand ist oftmals eine Sanierung der Gebäude erforderlich. Außerdem sollte eine ausreichende große, unverschattete Dachfläche zur Verfügung stehen. Diese wird durch den Einsatz der Hybrid-Kollektoren optimal genutzt.

Vorteile von PVT-Kollektoren
Vor allem dort, wo das Erdreich nicht als Wärmequelle genutzt werden kann, weil das Grundstück zu klein ist, und eine Luft/Wasser-Wärmepumpe wegen der Geräuschentwicklung nicht gewünscht ist, können PVT-Kollektoren eine nachhaltige regenerative Energiequelle für die Wärmepumpe sein. Darüber hinaus ist der Einsatz von PVT-Kollektoren überall dort interessant und sinnvoll, wo über die Dachfläche nicht nur Solarstrom sondern auch Solarwärme gewonnen werden soll und dabei ein einheitliches Erscheinungsbild gewünscht ist. Im Zusammenspiel mit PVT-Kollektoren lässt sich die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe deutlich verbessern.

Nachteile von PVT-Kollektoren
Grenzen für den Einsatz von PVT-WP-Systemen sind derzeit die hohen Investitionskosten - trotz Förderung. Die Investition verglichen mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ist deutlich höher. Außerdem ist die Technik vor allem dann effizient, wenn eine Vollmodernisierung ansteht. Es sind also weitere Sanierungsmaßnahmen erforderlich. Ein weiteres Hindernis: Noch gibt es PVT-WP-Systeme nicht von der Stange - sie müssen passend zum Haus als individuelle Lösung geplant und konfiguriert werden. Dieses Hindernis wird aber mit zunehmender Verbreitung verschwinden.

Werden PVT-WP-Systeme gefördert?
Solar-Hybridkollektoren mit Wärmepumpe werden im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) mit mindestens 35 Prozent der förderfähigen Kosten bezuschusst (Erneuerbare Energien-Hybridheizungen - EE-Hybride). Wer eine alte Ölheizung austauscht, erhält sogar 45 Prozent Förderung.

Fazit: Die effiziente Flächennutzung, das einheitliche Erscheinungsbild und die Verbesserung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe durch die Sonnenenergienutzung vom Dach sind die wesentlichen Vorteile von PVT-Kollektoren. Übers Jahr hinweg produzieren diese etwa viermal mehr Gesamtenergie - also Wärme und Strom - als eine Photovoltaik-Anlage mit der gleichen Fläche. Wirtschaftlich sind PVT-Systeme nur, wenn generierte Wärme möglichst vollständig genutzt wird. Die Verbindung mit einer Wärmepumpe ist deshalb optimal. Noch bremsen allerdings hohe Kosten und geringere Verfügbarkeit den Einsatz der Technik.