Internationale Energieagentur fördert Forschung zum solaren Heizen und Kühlen

Hybridmodule optimieren Wärmepumpen

Monitoring von zwei PVT-Kollektoren mit und ohne Low-E-Beschichtung im Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme. © Fraunhofer ISE

Um die deutschen Klimaziele zu erreichen, müssten die Dächer im Lande noch viel mehr zur Energiegewinnung genutzt werden. Hybridmodule, die Photovoltaik und Solarthermie verbinden, nutzen Dachflächen besonders effizient. Bisher ist die Technologie noch ein Nischenmarkt. Aber sie entwickelt sich rasant weiter.

Bei PVT-Modulen befinden sich Photovoltaikzellen an der Oberseite und eine Solarthermieeinheit zum Sammeln von Wärmestrahlung an der Unterseite. Meist zirkuliert darin eine Glykolmischung, die über einen Wärmetauscher mit einem Heizsystem kombiniert ist.

Bisher werden Hybridmodule selten genutzt, was auch an ihrer spezifischen Leistung liegt: Sie erzeugen Wärme besonders im Sommer, wenn dafür wenig Bedarf in Privathaushalten besteht. Bisher galten PVT-Module deshalb als besonders geeignet für Schwimmbäder oder Sporteinrichtungen mit kontinuierlichem Warmwasserbedarf. Kombiniert werden sie auch gern mit Erdwärmepumpen, die die Wärme im Sommer in der Erde speichern, um sie im Winter zu nutzen.

Low-E-Beschichtung hält Wärmestrahlung im Modul

Forschungen zur kombinierten Photovoltaik- und Solarthermiemodulen (PVT) will die Internationale Energie-Agentur in ihrem Programm zum solaren Heizen und Kühlen bündeln. Die sogenannte PVT-Task wird noch bis 2020 dauern. Sie soll einen Überblick über den Stand der Technik geben, Kosten senken helfen und neue Materialien erproben.

An der Task der IEA arbeitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE mit. Dort forscht Manuel Lämmle an einer speziellen Beschichtung für abgedeckte PVT-Module. Bei diesen Modulen befindet sich oberhalb der Photovoltaikzellen eine beschichtete Glasscheibe. Sie verhindert Wärmeverluste und sorgt dafür, dass sich die Solarthermieeinheit an der Unterseite noch besser aufheizt. Die sogenannte Low-E-Beschichtung ist durchlässig für Sonnenlicht, hält aber die Wärmestrahlung im Modul.

Die Beschichtung erhöht die Effizienz, so dass PVT-Kollektoren im Herbst und im Frühling den Wärmebedarf eines Hauses möglichst vollständig decken können. Im Sommer kann sie aber auch eine Überhitzung des Moduls bewirken. "Um das zu verhindern, gibt es zwei mögliche Ansätze: Man benutzt temperaturstabile Materialien oder man sorgt für eine schaltbare Wärmedämmung", sagt Lämmle. Am ISE haben sie dafür eine luftgefüllte Folie entwickelt, die sich je nach Temperatur hebt und senkt, berichtet er.

Insgesamt sei PVT eine junge Technologie und im Gegensatz zur Photovoltaik noch kein Massenmarkt. Entsprechend hoch sind die Marktpreise. "Sie haben aber nichts mit dem wirtschaftlichen Potenzial von PVT zu tun", sagt Lämmle. Anwendungsgebiete für PVT-Kollektoren sieht er vor allem im urbanen Raum, wo die Dachflächen im Vergleich zur Bewohnerzahl eines Hauses gering sind.

Consolar entwickelt Wärmetauscher weiter

Für die Weiterentwicklung eines PVT-Kollektors bekam das Unternehmen Consolar 2017 den Umwelttechnikpreis von Baden-Württemberg. Consolar hat den Wärmetauscher verändert. Er besitzt durch senkrecht gestellte Rippen eine extrem große Oberfläche von rund 20 Quadratmetern. Die meiste Energie sammelt der Kollektor damit aus der Umgebungsluft, nicht aus der Wärmestrahlung der Sonne.

Consolar löst das Problem einer möglichen Überhitzung von PVT-Modulen im Sommer, indem die angeschlossene Wärmepumpe in zwei Richtungen arbeitet. Im Sommer kann sie Wärme aus dem Haus leiten und über den Wärmetauscher an der Rückseite des Moduls abführen.

"Durch die gleichzeitige Nutzung von Luft- und Strahlungsenergie sind die erzielbaren Temperaturen höher, so dass die Wärmepumpe mit deutlich weniger Strom als Luft-Wärmepumpen auskommt", sagt Andreas Siegemund, Geschäftsführer Marketing und Vertrieb bei Consolar. Deshalb braucht die Wärmepumpe auch kein Gebläse, das üblicherweise große Mengen Luft in die Anlage schleust, damit sie daraus die Energie zieht. Dadurch kann sie wesentlich leiser laufen.

Für diese elegante Lösung bekam Consolar 2017 in der Kategorie Energieeffizienz den ersten Platz des Umwelttechnikpreises von Baden-Württemberg. Bisher sind Anlagen der Vorserie unter anderem in Baden-Württemberg, England, Holland und Belgien installiert. Die Markteinführung ist für das zweite Quartal 2018 geplant. Für den Markteintritt baut Consolar ein Netz von Referenzanlagen im Bereich ab 15 Kilowatt Heizleistung auf. Hierfür werden ergänzend zum bestehenden Vertriebsnetz weitere Partner gesucht. Siegemund sieht mit den PVT-Systemen eine neue Generation von solaren Wärmepumpen als Alternative zu den herkömmlichen Luft- und Erdwärmepumpen aufkommen.

Über das Vorheizen von Wärmepumpen und die Regeneration von Erdwärme hinaus soll die Task der Internationale Energie-Agentur nun noch weitere Anwendungen für PVT-Kollektoren finden. von Susanne Ehlerding

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