Ein PVT-Kollektor erzeugt aus Solarstrahlung sowohl Strom als auch Wärme und wird daher auch Hybridkollektor genannt. Ein PVT-Kollektor nutzt die Sonnenenergie gleich doppelt. Das an der Moduloberfläche angebrachte Photovoltaikmodul (PV) wandelt die Solarstrahlung in Strom um. Der auf der Rückseite angebrachte Wärmetauscher nutzt die thermische (T) Energie. Diese Energie ist in der Außenluft enthalten. Sie dient als Wärmequelle für die Wärmepumpe.
Über das Jahr hinweg produzieren die PVT-Kollektoren bis zu 4-mal mehr Gesamtenergie. Diese Energie umfasst Wärme und Strom. Sie produzieren mehr als eine Photovoltaikanlage mit der gleichen Fläche. Kombiniert mit einer Wärmepumpe können diese Systeme zur effizienten und CO2 armen Bereitstellung von Raumwärme und Trinkwarmwasser genutzt werden.
Ein PVT-Kollektor erzeugt Strom und Wärme aus Sonnenenergie. Kombiniert man die Hybridkollektoren mit einer Wärmepumpe, entsteht ein hocheffizientes Heizsystem, das sowohl aktuellen als auch künftigen Klimaschutzvorgaben gerecht wird.
Aufbau und Funktionsweise vom PVT-Kollektor
Mit einem PVT-Kollektor gewinnt man aus Solarstrahlung sowohl Strom als auch Wärme. Dazu montiert man hinter dem Photovoltaik-Modul ein Rohrregister, durch das ein Wärmeträger strömt. Dieser thermische Absorber nimmt die Abwärme der Photovoltaik-Module und die Umgebungswärme auf. Er stellt sie der Wärmepumpe als Wärmequelle zur Verfügung (Bild 1). Den Solarstrom kann der Haushalt zum Betrieb der Wärmepumpe oder im Haushalt verwenden.
In Verbindung mit einer Wärmepumpe kommen ungedämmte beziehungsweise offene PVT-Kollektoren zum Einsatz. Diese fallen unter den Sammelbegriff WISC (Wind and infrared sensitive collector). Das heißt, auf der Rückseite des PV-Moduls führt man die entstehende Wärme ab. Dadurch kühlt sich das Photovoltaik-Modul. Der Wirkungsgrad des PV Moduls schwächt sich nicht ab und die Stromerzeugung bleibt auf hohem Niveau.
Unterschiedlicher Aufbau beim PVT-Kollektor
Zum Vergleich: Bei gedämmten oder geschlossenen PVT-Kollektoren liegt der Schwerpunkt auf der Wärmeerzeugung. Diese Module ähneln in ihrer Funktionsweise klassischen Flachkollektoren zur Wärmegewinnung, die mit zusätzlichen PV-Zellen zur Stromerzeugung ergänzt werden. Außerdem gibt es die PVT-Technologie auch in Form von Vakuum- und konzentrierenden Kollektoren. Der Bericht Basic concepts of PVT collector technologies, applications and markets liefert grundsätzliche Informationen zum Aufbau von PVT-Kollektoren. Er liefert auch Informationen zur Anwendung von PVT-Kollektoren. Dieser Bericht liefert grundsätzliche Informationen zum Aufbau von PVT-Kollektoren. Er liefert auch Informationen zur Anwendung von PVT-Kollektoren. Diesen haben Forscher im Rahmen des SHC Task 60 der Internationalen Energie Agentur (IEA) verfasst.
Das Rohrregister hinter den Solarzellen besteht aus Aluminium, Kupfer oder Kunststoff und ist mit dem PV-Modul entweder verklebt oder laminiert. Auch das Einklemmen in den Rahmen des Moduls ist möglich. Außerdem ist der nachträgliche Einbau von thermischen Absorbern in eine bestehende PV-Anlage eine Option.
Die effiziente Flächennutzung ist ein wesentlicher Vorteil von PVT-Kollektoren. Sie bieten ein einheitliches Erscheinungsbild. Zudem verbessern sie die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe durch die Sonnenenergienutzung vom Dach. Übers Jahr hinweg produzieren diese etwa viermal mehr Gesamtenergie, also Wärme und Strom, als eine Photovoltaikanlage mit der gleichen Fläche.
PVT-Kollektor: Stille Energiequelle für die Wärmepumpe
Wärmepumpen sind heute im Neubau vielfach die Heiztechnologie der Wahl. 2021 hat die Heizungsbranche in Deutschland insgesamt 154.000 Heizungswärmepumpen verkauft, was einem Plus von 28 Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Aber nicht immer sind die erforderlichen Flächen für ein Erdwärmeregister oder die geologischen Bedingungen für Tiefenbohrungen vorhanden. Bei der Wahl einer Luft-Wärmepumpe setzen deren Geräuschemissionen Grenzen.
PVT-Kollektoren beliefern die Wärmepumpe mit CO2-neutralem Strom. Sie dienen auch als Wärmequelle, indem sie einen Großteil des Jahres Solar- und Umweltwärme zur Verfügung stellen. In energie-optimierten Gebäuden können Planer:innen PVT-Kollektor-Felder als alleinige Wärmequelle für die Wärmepumpe einsetzen. Bei Bedarf stellt Erdwärme aus Erdsonden oder Erdkörben eine geeignete Ergänzung dar. Die Kombination beider Technologien erfüllt die aktuellen Vorgaben zur CO2-Reduzierung im Gebäudesektor. Sie erfüllt auch die Ziele für 2040 laut Klimaschutzgesetz der Bundesregierung (Bild 2).
Der Nutzer profitiert nicht nur von dauerhaft niedrigen Betriebskosten. Er profitiert auch von einer lokal emissionsfreien Heizung ohne Feinstaub. Diese verursacht im Vergleich zu einem Gas-Brennwertgerät nur etwa halb so hohe CO2-Emissionen (Bild 3). Anders als eine Luft-Wärmepumpe arbeitet sie geräuschlos.
Wer entwickelt und liefert PVT-Wärmepumpentechnologie?
Inzwischen gibt es in Deutschland eine wachsende Anzahl von Firmen, die PVT-Wärmepumpensysteme anbieten. Die folgende Tabelle zeigt eine Auswahl. Unter diesen Unternehmen finden sich Wärmepumpen- und PVT-Elemente-Hersteller ebenso wie reine Anlagenprojektierer.
Einsatzbeispiele im Neubau und der Bestandssanierung
PVT-Wärmepumpen-Systeme kommen vermehrt in Deutschland zum Einsatz, sowohl im Neubau als auch im Bestand. Sie eignen sich sowohl für Einfamilienhäuser als auch für Wohnblocks wie die folgenden Beispiele zeigen:
Feldtest von Massivhaus- und Wärmepumpenhersteller
2019 startete der Massivhaushersteller Viebrockhaus in Kooperation mit dem Wärmepumpenhersteller NIBE ein Feldtestprojekt zum Kennenlernen und Einschätzen von PVT-Wärmepumpen-Systemen. Seit 2020 heizt und kühlt eine 5-köpfige Familie im niedersächsischen Harsefeld ihr neues Viebrockhaus mit einer Wärmepumpe. Diese Wärmepumpe nutzt ein 15,8 m2 großes PVT-Kollektorfeld auf dem Dach. Das Kollektorfeld nutzt die Umgebungs- und Strahlungswärme der Sonne.
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. Laut Anlagenmonitoring benötigt das PVT-Wärmepumpensystem ein Drittel weniger Strom als eine Luft-Wasser-Wärmepumpe. Die Familie spart rund 360 EUR im Jahr.
Vier PVT-WP-Systeme für Quartier in Frankfurt Fechenheim
Auch in Mehrfamilienhäusern und in Bestandsbauten kann man PVT-WP-Systeme einsetzen und die Energiebilanz der Gebäude signifikant verbessern.
Die Nassauische Heimstätte besitzt rund 59.000 Mietwohnungen an 128 Standorten in Hessen und Thüringen. Zu jedem energetischen Sanierungsprojekt entwickelt das Unternehmen eigene Konzepte. Am Standort Bürgeler Straße in Frankfurt Fechenheim gibt es vier Gebäude mit rund 100 Wohnungen. Dort sollen nun erstmals vier PVT-WP-Systeme den Betrieb aufnehmen.
Jeder der vier Gebäuderiegel hat das Wohnungsunternehmen mit einer autarken PVT-Wärmepumpen-Anlage der Giersch Enertech GmbH aus Hemer ausgerüstet. Die Anlage umfasst jeweils 72 PVT-Module. Diese Module haben eine Gesamtfläche von 119 m2. Außerdem gibt es zwei Wärmepumpen. Die Wärmepumpen bringen modulierend bis zu 20 kW Nennleistung. Außerdem hat man pro Gebäude zwei Gasbrennwertgeräte mit insgesamt 76 kW als Zusatzheizung installiert. Laut Polysun-Simulation liefert das PVT-WP-System mehr als 50 % des jährlichen Gesamtwärmebedarfs eines Gebäuderiegels, den restliche Wärmebedarf deckt der Brennwertkessel. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpen liegt bei 3,8. Das heißt, die Wärmepumpe benötigt nur eine Einheit Strom, um fast vier Einheiten Wärme zur Verfügung zu stellen.
Vor der Installation der neuen Systeme wurden die Wohnungen vollmodernisiert, so dass der jährliche spezifische Heizwärmebedarf heute 38,4 kWh/m2 beträgt. Es wurden neue dreifachverglaste Fenster eingebaut, ein Wärmedämmverbundsystem mit 16-cm-Dämmung angebracht, sowie die Kellerdecke und die oberste Geschossdecke gedämmt. Neben der neuen Zentralheizung inklusive zentraler Warmwasserbereitung hat man auch eine kontrollierte Wohnungsabluft installiert. Die Vorlauftemperatur liegt nun unter Volllast bei 55 °C.
Niedertemperaturnetz bezieht Wärme aus PVT-Feld
Rund zehnmal größer sind die Projektdimensionen eines Quartiers im nordrhein-westfälischen Bedburg. Dort sollen auf dem Gelände einer ehemaligen Zuckerfabrik 1.200 neuen Wohnungen für bis zu 3.000 Einwohner sowie Gewerbebauten entstehen. Erdwärme oder Flusswasser stehen als Wärmequelle für die geplanten Wärmepumpen nicht zur Verfügung. Deshalb hat das Ingenieurbüro PBS Energiesysteme ein Niedertemperaturnetz konzipiert. Es bezieht Wärme aus einem großen PVT-Feld mit 4 MW elektrischer und 3 MW thermischer Leistung. Außerdem integriert es drei Eisspeicher – einen für jede Heizzentrale. Die Machbarkeitsstudie von PBS Energiesysteme erhält Fördermittel aus dem Programm Wärmenetze 4.0 und soll bis Mitte 2022 abgeschlossen sein.
Klimaneutrale Wärmeversorgung für Seniorentagesstätte
Auch im Neubau der Seniorentagesstätte im bayerischen Johannesberg kommt die PVT-WP-Technologie zum Einsatz. Statt alternativ eine Luftwärmepumpe mit einem PV-Generator zu kombinieren, trägt das Dach heute 32 PVT-Kollektoren. Dieser versorgen das Gebäude mit emissionsfreiem Strom und liefern gleichzeitig der Wärmepumpe Solarwärme.
In den ersten neun Betriebsmonaten erzielte die Wärmepumpe eine durchschnittliche Arbeitszahl von 4,9. Und das trotz des erheblichen, zusätzlichen Lüftungsbedarfs aufgrund der Pandemie. Unter Normalbetrieb rechnen die Planer mit einer Jahresarbeitszahl von über 5. Das heißt, mit einer Einheit Strom lassen sich mindestens fünf Einheiten Wärme oder Kälte erzeugen.
Um diese hohe Effizienz zu erreichen, hat die Wärmepumpe Zugriff auf drei Wärmequellen. Diese werden über den Quellenspeicher als hydraulische Weiche geregelt. Die Abluft der meist auf 23 °C geheizten Innenräume wird der Wärmepumpe über eine Abluftwärmerückgewinnung permanent zugeführt. Solange die PVT-Solarwärme vom Dach Temperaturen über 0 °C liefert, wird auch diese Energie für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt. Sinkt die Soletemperatur weiter ab, werden vier Erdkörbe als Unterstützung hinzugeschaltet. Überschüssige Wärme aus den PVT-Kollektoren im Sommer wird zur Regeneration der Erdkörbe benutzt. Dies geschieht aber nur bis zu einem bestimmten Grad. Das Gebäude wird im Sommer über den Boden gekühlt (Bild 4).
Dank Solarenergie und Erdwärme kann der Neubau überwiegend CO2-neutral mit Strom und Wärme versorgt werden. Die Mehrkosten von rund 30.000 Euro betreffen das PVT-Kollektorfeld auf dem Dach. Auch die Erdkörbe im Garten sind inbegriffen. Diese Kosten sollen sich durch die Stromkostenersparnis in rund 10 Jahren amortisieren.
Aktuelle Förderbedingungen für Systeme aus PVT-Kollektor und Wärmepumpe
Die Gebäudeförderung ist ein zentraler Punkt des Klimaschutzprogramms 2030 der Bundesregierung. Der Bund bezuschusst Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz sowie den Einsatz erneuerbarer Energien über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG). Dabei gewährt der Bund einen direkten Investitionszuschuss. Der PVT-Kollektor als Wärmequelle der Wärmepumpe ist über die BEG voll förderfähig. Die aktuellen BEG-Förderbedingungen für Solaranlagen sind unter diesem Link zu finden.
Initiative zur Verbreitung von PVT-Solarkollektoren und Wärmepumpen im Gebäudesektor (IntegraTE)
Die Initiative wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klima (BMWK) gefördert. Sie zielt darauf ab, den PVT-Kollektor in Verbindung mit Wärmepumpen im Gebäudesektor zu verbreiten. IntegraTE möchte den Bekanntheitsgrad dieser energieeffizienten Technologie steigern. Drei wissenschaftliche Partner sind dafür am Start. Diese sind das Fraunhofer ISE in Freiburg. Es gibt auch das Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart. Ein weiterer Partner ist das Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH). Darüber hinaus unterstützen der BWP (Bundesverband Wärmepumpe), der BDH (Bundesverband der deutschen Heizungsindustrie) und der BSW (Bundesverband Solarwirtschaft) das Projekt. Gleichzeitig unterstützen auch zwölf Industriepartner das Projekt. Zusätzlich ist die Bielefelder Agentur Solrico beteiligt. Ziel der Initiative ist es, den Status quo der aktuell verfügbaren und eingesetzten PVT-Wärmepumpen-Systeme (PVT-WP-Systeme) zu ermitteln. Diese sollen in Bezug auf ihre Energieeffizienz, CO2-Einsparung und Wärmegestehungskosten bewertet werden. Spezielle Tools sollen eine Vergleichbarkeit gegenüber alternativen Energieversorgungssystemen herstellen. Darüber hinaus sind das Monitoring und die Optimierung bestehender PVT-WP-Anlagen, sowie die Konzeption und Umsetzung von Marketingmaßnahmen Arbeitsinhalte der Projektpartner.
Stephanie Banse
Frauenhofer:
Quelle: http://www.Solarserver.de
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