Hybridanlagen für Strom und Wärme von der Sonne
Die Frage „Strom ODER Wärme?“ mit Sonnenenergie stellt sich immer seltener. Es gibt nämlich auch Solaranlagen, die beides liefern können. Das Zauberwort heißt PVT, Photo-Voltaik-Thermie, bekannt auch als Solarhybrid. PVT-Module bestehen aus zwei übereinanderliegenden Schichten: oben die Solarzellen für die Stromgewinnung, unten die Kollektoren für die Wärmegewinnung. Lesen Sie, wie solare Hybridanlagen funktionieren, welche Vor- und Nachteile sie im Vergleich zu den einzelnen Komponenten haben und für wen sich die cleveren Kombis lohnen.
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Wie funktioniert eine Hybridanlage?
PVT-Anlagen machen sich die unterschiedlichen Frequenzen der Sonnenstrahlen zunutze. Der für den Menschen sichtbare Anteil des elektromagnetischen Spektrums ist das Licht- oder Farbspektrum: Von violett über blau, grün, gelb, orange bis dunkelrot hat es eine Wellenlänge von 400 bis 680 Nanometer (nm). Unterhalb und oberhalb dieser Skala ist die Strahlung für Menschen unsichtbar. Sehr kurzwellige Strahlung beginnt bei „ultraviolett“ (UV), sehr langwellige bei „infrarot“ (IR). Die Photovoltaik nutzt das sichtbare Licht, die Solarthermie die unsichtbare Infrarotstrahlung.
Und was bedeutet das?
- Photovoltaik: Sonnenlicht enthält winzige Energiepakete, die Photonen. Treffen diese auf das PV-Modul, kommt es zu einem Prozess, bei dem die zur Stromnutzung notwendige Spannung erzeugt wird.
- Solarthermie: Physikalisch gesehen ist diese Technik deutlich simpler. Die Sonnenstrahlen erwärmen lediglich die in den Kollektoren befindliche Solarflüssigkeit, die dann über ein Transportsystem zum jeweiligen Verbraucher geleitet wird.
Die beiden Technologien in einem Bauteil zu vereinen, ist relativ unkompliziert. Für die Nutzung der gewonnenen Energien werden allerdings Systeme mit unterschiedlichen Bauteilen benötigt: mit dem Wechselrichter für die elektrische Energie und mit dem Wärmetauscher für die thermische Energie. Da Energiegewinnung und Energieverbrauch selten gleichzeitig stattfinden, braucht das Anlagensystem auch zwei unterschiedliche Speicheranlagen: einen Stromspeicher und einen Wärmespeicher.
Das benötigt Platz und erfordert höhere Ausgaben. Auf der anderen Seite führt die Aufgabenteilung in der Regel zu einer verbesserten Leistung des Moduls. Da die bei der Stromgewinnung schädliche Wärme abgeführt werde, könne der PV-Ertrag um bis zu 25 Prozent gesteigert werden, so die Angaben der Hersteller.
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Wann ist die Anschaffung einer PVT-Anlage sinnvoll?
Die Kombination zweier Technologien ist durchaus ähnlich wie bei einem Hybridfahrzeug. Je nach Bedarf wird die eine oder andere Variante genutzt. Bei der Solaranlage auf dem Dach ist ein Hybridmodell in vielen Fällen sinnvoll:
- Das Hausdach ist optimal ausgerichtet und geneigt. Die Sonne soll sowohl elektrische als auch thermische Energie (Strom und Wärme) liefern, doch für zwei solare Anlagen reicht die Installationsfläche nicht aus.
- Das Haus steht in einer Region mit außergewöhnlich hoher Sonnenstrahlung. Je mehr Sonnenstunden eine Gegend verzeichnet, desto effizienter können beide Systeme arbeiten. Hybridanlagen sind besonders vorteilhaft: Die Photovoltaik-Schicht wird weniger aufgeheizt, weil die Solarthermie-Schicht den Großteil der Sonnenwärme auffängt und ableitet.
- Im Winter gibt es einen häufigen Wechsel von Sonnenschein und Schneefall. Ob Schmutz oder Schnee: Alle Ablagerungen auf einem PV-Modul bedeuten Verschattung und mindern damit den Ertrag. Die Wärme der Solarthermie-Ebene sorgt dafür, dass auf der PV-Ebene der Schnee schneller abtaut.
- Gerade im Sommer ist der Warmwasserbedarf hoch. Poolbesitzer wissen, wie teuer das Aufheizen des Wassers mit strombetriebenen Geräten sein kann. Solarthermie ist hier eine clevere Lösung: Damit kann das Wasser im Außenbecken kostensparend angenehm temperiert werden.
Fokus Strom oder Fokus Wärme?
Gängige PVT-Anlagen arbeiten mit einem flüssigen Wärmeträger, der sogenannten Solarflüssigkeit, auch Solarfluid oder Solarliquid. Je nachdem, welche Energie bevorzugt wird, fällt die Entscheidung für ein System mit abgedeckten oder mit offenen PVT-Kollektoren.
- Abgedeckte Hybridkollektoren: Unter der Abdeckung wird nicht etwa eine Glasplatte oder Ähnliches verstanden. Diese ist ohnehin Standard bei PVT-Kollektoren. Als Abdeckung wird eine Luftschicht zwischen Kollektoren und Modul bezeichnet, die die Wärme vom PV-Element abschirmt. Dies steigert die Wärmeausbeute, senkt dafür aber die Stromausbeute.
- Offene Hybridkollektoren: Um den Unterschied zu den abgedeckten Kollektoren zu betonen, werden die offenen Systeme auch unter „nicht-abgedeckte“ oder „unabgedeckte“ Kollektoren geführt. Bei offenen Hybridkollektoren ohne Luftschicht kann sich keine Wärme stauen. Damit liegt bei diesem System der Fokus auf der Stromgewinnung. Diese PVT-Kollektoren dominieren den Markt.
Neben Wasser kommt auch Luft als Wärmeträger infrage. Luftgeführte PVT-Kollektoren arbeiten mit Ventilatoren statt Zirkulationspumpen. Ziel ist hierbei die Erwärmung der Raumluft statt des Brauchwassers. Wie bei den flüssigkeitsgeführten Kollektoren gibt es zwei Ausführungen: Bei der einen wird einzig der Ventilator mit Solarstrom aus den Photovoltaikzellen betrieben, bei der anderen kühlt der Luftzug zugleich die Zellen etwas herunter. Bei der zweiten Variante steigt der Wirkungsgrad der PV-Zellen – und damit auch der Stromertrag.
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Welche Leistung bringen Hybridkollektoren?
Die elektrische Leistung (Wattpeak Wp, auch Wel.) und die thermische Leistung (Watt W, auch Wth.) werden bei Hybridkollektoren immer separat angegeben. Meistens sind dies für ein Standard Paneel von 100 x 160 cm 250 Wp und 300 W (oder bei 110 x 180 cm 400 Wp und 500 W).
Was kostet eine PVT-Anlage?
Natürlich richten sich die Kosten nach der Anzahl der installierten Kollektoren. Eine Standard-Angabe lautet hierzu: Für ein Haus nach EH55 Standard mit einer zu beheizenden Fläche von 160 m² sind 10 PVT-Kollektoren erforderlich. Die Investitionskosten für die gesamte Anlage (inkl. Zubehör und Einbau) liegen bei ca. 40.000 Euro.
Vor- und Nachteile von Hybridkollektoren
| Vorteile von PVT | Nachteile von PVT |
|---|---|
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Fazit: Für wen lohnt sich eine PVT-Anlage?
PVT-Anlagen eignen sich für den privaten Gebrauch nur bedingt. Eigentlich nur, wenn insbesondere im Sommer viel Wärme benötigt wird. Ansonsten sind Hybridanlagen eher etwas für Schwimmbäder, Kliniken, Hotels und Ferienanlagen.
Clevere Kombinationen können aber auch auf Ein- und Mehrfamilienhäusern mit einem 2.000 kWh Jahresbedarf an Wärme sinnvoll sein: Statt die gesamte Dachfläche mit PVT-Modulen zu belegen, empfiehlt sich die Kombination Hybridmodule und Photovoltaikmodule. So kann der Solarthermie-Teil die Warmwasserbereitung unterstützen und es steht mehr Platz für zusätzliche PV-Module zur Verfügung.
Wer eine Erdwärmepumpe hat oder plant, kann Solarkollektoren besonders effektiv nutzen: Im Sommer, wenn besonders viel Wärme produziert wird, kann das Zuviel in den Erdboden abgeleitet und dort gespeichert werden. Im Winter kommt die höhere Ausgangstemperatur der Wärmepumpe zugute. Sie benötigt weniger Antriebsenergie, sprich Strom, um ihre Aufgabe zu erfüllen.
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