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 und 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, die unter den Sammelbegriff WISC (Wind and infrared sensitive collector) fallen. Das heißt, auf der Rückseite des PV-Moduls führt man die entstehende Wärme ab. Dadurch kühlt sich das Photovoltaik-Modul ab und der Wirkungsgrad der Stromerzeugung verbessert sich.
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. Grundsätzliche Informationen zum Aufbau und der Anwendung von PVT-Kollektoren liefert der Bericht Basic concepts of PVT collector technologies, applications and markets. Diesen haben Forscher:innen 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, 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 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 nicht nur mit CO2-neutralem Strom, sondern dienen ihr 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 dabei nicht nur die aktuellen Vorgaben zur CO2-Reduzierung im Gebäudesektor, sondern auch die Ziele für 2040 laut Klimaschutzgesetz der Bundesregierung (Bild 2).
Der Nutzer profitiert nicht nur von dauerhaft niedrigen Betriebskosten, sondern auch von einer lokal emissionsfreien Heizung ohne Feinstaub, die im Vergleich zu einem Gas-Brennwertgerät nur etwa halb so hohe CO2-Emissionen verursacht (Bild 3) und anders als eine Luft-Wärmepumpe geräuschlos arbeitet.
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, die über ein 15,8 m2 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. 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, der vier Gebäude mit rund 100 Wohnungen umfasst, 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. Diese umfasst jeweils 72 PVT-Module mit einer Gesamtfläche von 119 m2 und zwei Wärmepumpen, die modulierend bis 20 kW Nennleistung bringen. 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. Da Erdwärme oder Flusswasser als Wärmequelle für die geplanten Wärmepumpen nicht zur Verfügung stehen, hat das Ingenieurbüro PBS Energiesysteme ein Niedertemperaturnetz konzipiert, das Wärme aus einem großen PVT-Feld mit 4 MW elektrischer und 3 MW thermischer Leistung bezieht und drei Eisspeicher integriert – 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, stehen der Wärmepumpe drei Wärmequellen zur Verfügung, die über den Quellenspeicher als hydraulische Weiche geregelt werden. 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, da das Gebäude im Sommer über den Boden gekühlt wird (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 für das PVT-Kollektorfeld auf dem Dach und die Erdkörbe im Garten 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 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klima (BMWK) geförderte Initiative zur Verbreitung vom PVT-Kollektor in Verbindung mit Wärmepumpen im Gebäudesektor IntegraTE will den Bekanntheitsgrad dieser energieeffizienten Technologie steigern. Mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg, dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart und dem Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) sind dafür gleich drei wissenschaftliche Partner gemeinsam am Start. Darüber hinaus unterstützen der BWP (Bundesverband Wärmepumpe), der BDH (Bundesverband der deutschen Heizungsindustrie) und der BSW (Bundesverband Solarwirtschaft) sowie zwölf Industriepartner und die Bielefelder Agentur Solrico das Projekt. Ziel der Initiative ist es, den Status quo der aktuell verfügbaren und eingesetzten PVT-Wärmepumpen-Systeme (PVT-WP-Systeme) zu ermitteln, diese in Bezug auf ihre Energieeffizienz, CO2-Einsparung und Wärmegestehungskosten zu bewerten und über spezielle Tools eine Vergleichbarkeit gegenüber alternativen Energieversorgungssystemen herzustellen. Darüber hinaus sind das Monitoring und die Optimierung bestehender PVT-WP-Anlagen, sowie die Konzeption und Umsetzung von Marketingmaßnahmen Arbeitsinhalte der Projektpartner.
Stephanie Banse
Aktualisierung am 16.08.2023