Erdkollektoren können kleiner ausfallen

PVT-Kollektoren und Wärmepumpe sind gutes Team

Energetischer Vergleich eines Gebäudes mit getrennter Installation von Solarthermie und PV mit einem Gebäude mit abgedeckten PVT-Kollektoren. © Fraunhofer ISE

Die Solarwärme gerät immer mehr ins Hintertreffen. Der Absatz von Sonnenkollektoren stagniert. Die Forschung sucht nun neue Wege mit der Entwicklung von effizienten PVT-Kollektoren, die gleichzeitig Strom und Wärme produzieren. Der Wärmepumpe kommt in solchen PVT-Systemen eine besondere Bedeutung zu.

Strom und Wärme aus einer Hand: Auch die Solarenergie kann Kraft-Wärme-Kopplung. Solarzellen in PVT-Kollektoren wandeln das Licht in Strom um, gleichzeitig nutzen die Kollektoren die Abwärme, um das Haus zu heizen. Bei den Modellen, die heute auf dem Markt sind, handelt es sich meist um unabgedeckte PVT-Kollektoren. Bei ihnen hat der Hersteller auf der Rückseite eines ganz normalen Photovoltaik-Moduls einen Kühler montiert. Wie bei einem Sonnenkollektor strömt eine Wärmeträgerflüssigkeit durch diesen Kühler und transportiert so die Wärme ab, die in den Solarzellen entsteht.

Der PVT-Kollektor PV-Therm AU280 des österreichischen Herstellers Solartor C. Bösch GmbH kann auf diese Art und Weise etwas mehr als die Hälfte der Sonnenergie, die auf die Solarzellen trifft, in Form von Wärme gewinnen. Der thermische Wirkungsgrad liegt bei 56 Prozent. Hinzu kommt der Stromertrag, der bei diesem Produkt bei 17 Prozent liegt. Insgesamt nutzt das Produkt also etwa mehr als 70 Prozent der Energie, die die Sonne zur Verfügung stellt.

Das gilt allerdings nur, wenn der PVT-Kollektor genauso warm ist, wie die Umgebung. Je wärmer er wird, desto mehr nimmt der Wirkungsgrad der Solarzellen ab. Besonders schnell geht der thermische Wirkungsgrad in die Knie. Das liegt daran, dass ein so ein einfacher PVT-Kollektor über keine Isolierung verfügt und darum viel Wärme verloren geht.

Forscher wollen mehr Wärme rausholen

Daher arbeiten Forscher zurzeit daran, neue PVT-Kollektoren zu entwickeln, die besser isoliert sind und einen höheren thermischen Wirkungsgrad erreichen. Das Freiburger Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE hat einen Prototyp gebaut, der wie ein hocheffizienter Sonnenkollektor aufgebaut ist. Zwischen der Glasscheibe und den Solarzellen vermindert ein Luftspalt die Wärmeverluste. Die Glasscheibe ist außerdem mit einer Antireflex-Beschichtung versehen, um die Verluste durch Lichtstreuung zu vermindern. Wie beim Wärmeschutzglas von Fenstern wirft die spezielle Beschichtung der Glasscheibe die Wärmestrahlung nach innen zurück, die aus dem Inneren entweichen will. Auf der Rückseite sorgt eine Dämmplatte wie beim Sonnenkollektor dafür, dass kaum Wärmeverluste auftreten.

Mit einem solchen Aufbau erreichen die Freiburger Forscher einen thermischen Wirkungsgrad des PVT-Kollektors von mehr als 65 Prozent und dieser Wirkungsgrad bleibt auch bei steigenden Temperaturen hoch. Der Nachteil: Wenn die Pumpe die Wärmeträgerflüssigkeit in Stillstandzeiten nicht umwälzen kann, weil der Wärmespeicher voll ist, erwärmt sich der Prototyp auf 166 °C. Bei dieser Temperatur halbiert sich der Stromertrag der Solarzellen.

Hohe Temperaturen wirken sich auch negativ auf die Dauerbeständigkeit aus, erläutert Manuel Lämmle vom Fraunhofer ISE. Er hat daher ein Kollektorgehäuse mit Klappen entwickelt. Diese Klappen öffnen sich bei etwa 80 °C. Dann strömt Luft durch das Gehäuse und kühlt den PVT-Kollektor. Er wird dann nicht mehr heißer als 95 °C.

Häufig werben Hersteller von PVT-Kollektoren damit, dass die Wärmeträgerflüssigkeit die Solarzellen kühlt und so den Stromertrag erhöht. Markus Pröll vom Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE) sieht hierin aber nur einen geringen Effekt. PVT-Kollektoren seien auch nicht besser als getrennte Systeme für Solarstrom und Solarwärme. Die PVT-Technologie habe nur dann einen Vorteil gegenüber getrennten Solarsystemen, wenn die Dachfläche beschränkt ist, die zur Verfügung steht. Wesentlich dafür, ob sich PVT-Kollektoren in Zukunft durchsetzen oder nicht, dürften aber die Kosten sein. Es muss den Herstellern gelingen, Systeme zu entwickeln, die billiger sind als getrennte Anlagen aus Sonnenkollektoren und PV-Modulen.

Ohne Wärmepumpe geht es nicht

An kostengünstigen PVT-Kollektoren arbeitet die Solarpionierfirma Consolar gemeinsam mit Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Triple Solar, einem niederländischen Hersteller von PVT-Kollektoren. Ziel ist es, ein anschlussfertiges Versorgungsmodul für gängige Sole-Wasser-Wärmepumpen zu entwickeln. Die PVT-Kollektoren sollen Erdsonden als Wärmequelle für die Wärmepumpe ersetzen. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass man mit PVT-Kollektoren eine ähnlich gute Effizienz wie mit Erdsonden erreichen kann.

Generell sollten PVT-Kollektoren möglichst niedrige Temperaturen bereitstellen, denn dann ist die Stromerzeugung am größten. An einer Wärmepumpe, die die vom PVT-System bereitgestellte Temperatur anhebt, kommt man daher kaum vorbei. Das heißt aber auch: Nur im abgestimmten Gesamtsystem kann die PVT-Technologie wirklich funktionieren.

PVT-Kollektoren müssen nicht als alleinige Quelle für die Erdwärmepumpe dienen. Wissenschaftler vom Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) haben herausgefunden, dass die Fläche des Erdkollektors der Wärmepumpe nur halb so groß sein muss, wenn man sie mit einem PVT-System koppelt. Denn im Sommer wird die Wärme, die das Solarsystem liefert, in das Erdreich eingespeist und regeneriert dadurch den Erdkollektor.

Sonnenhauskonzept mit Bauteilaktivierung

Auch Solarkollektoren sammeln die Sonnenwärme am besten ein, wenn die Temperatur niedrig ist. Denn auch bei ihnen steigen die Wärmeverluste mit jedem Grad an. Technisch gesehen sind Sonnenkollektoren und Wärmepumpen daher gute Partner. Auch im Sonnenhaus passen beide gut zueinander. Jan Steinweg vom ISFH untersucht ein neuartiges Sonnenhaus unter realen Betriebsbedingungen. Normalerweise ist im Sonnenhaus ein gigantischer Wärmespeicher nötig, um die Sonnenenergie des Sommers möglichst lange bis in den Winter hinein nutzen zu können. Das neue Haus kommt aber mit einem ganz normalen 1.000 Liter fassenden Speicher aus. Denn im Gebäude werden zusätzlich Betondecken als Wärmespeicher in Form der so genannten Bauteilaktivierung genutzt und im Garten befindet sich ein knapp ausgelegter Erdkollektor.

Die Solaranlage füllt immer zuerst den Speicher. Wenn die Temperatur dafür aber nicht ausreicht, weil die Sonne gerade nur spärlich scheint, kann die Sonnenwärme immer noch mit rund 25 °C direkt in die Betondecken strömen. Im Sommer, wenn ein klassisches Sonnenhaus den großen Speicher braucht, damit es nicht zu langen Stillstandszeiten kommt, fließt die Überschusswärme zur Regeneration in das Erdreich. Das Ergebnis: Die Sonne trägt mehr als die Hälfte zur Wärmeversorgung des Gebäudes bei. von Jens-Peter Meyer

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