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Hybridmodul: Technik und Einsatz von PVT-Modulen

Wie funktionieren Hybridmodule? Wann lohnt sich der Einsatz von PVT-Modulen?

Moderne PV-Module wandeln bei laufendem Betrieb nicht nur Sonnenenergie in Strom um, sondern sie erzeugen als "Abfallprodukt" auch Wärme. Steigende Modul-Temperaturen der einzelnen Bauteile eines PV-Systems sorgen jedoch für einen verringerten Wirkungsgrad. PVT-Module - sogenannte Hybridmodule - machen nun diese Wärme für Heizzwecke nutzbar. Wie diese funktionieren und wann sich der Einsatz hybrider PVT-Module lohnt, erfahren Sie hier.

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Technik und Funktion von hybriden PVT-Modulen

PVT-Module besitzen aufgrund ihrer hybriden Funktionsweise einen komplexeren Aufbau als herkömmliche Solarmodule. Dabei unterscheidet man grundsätzlich zwischen abgedeckten und unabgedeckten PVT-Modulen. Das unabgedeckte Hybridmodul ist dabei auf einen hohen PV-Stromertrag ausgelegt, während das abgedeckte PVT-Modul mit einer Glasscheibe versehen ist, um möglichst viel Solarwärme zu erzeugen.

In beiden Photovoltaik-Thermie-Modularten zirkuliert im Inneren des thermischen Bauteils, das auf der Rückseite des Solarmoduls angebracht ist, in der Regel eine Flüssigkeit (Solarflüssigkeit), die die Wärme des Moduls aufnimmt. Diese Flüssigkeit zirkuliert in einem sogenannten Absorber, der aus speziellem Blech mit einer Spezialbeschichtung gefertigt ist, um zu gewährleisten, dass sich die Solarflüssigkeit möglichst schnell und hoch erhitzt. Die vom PV-Modul erwärmte Flüssigkeit fließt dann in einen Solarwärmespeicher und unterstützt davon ausgehend die Heizung und/ oder die Brauchwassererhitzung.

Rückseite des PVT-Moduls PVT 80 von Valvo (Foto: Valvo GmbH)
Rückseite des PVT-Moduls PVT 80 von Valvo (Foto: Valvo GmbH)

Thermische und elektrische Leistung von Hybridmodulen

Ein "normales" PVT-Modul (z.B. mit den Maßen 100 x 160 cm) besitzt eine elektrische Leistung von rund 250 Watt Peak (Wp). Der thermische Solarabsorber leistet zusätzlich eine durchschnittliche Wärmeleistung von 300 Watt (W) und schwankt zwischen 100 und 500 W je nach Solareinstrahlung.

Die Leistung von z. B. kristallinen Modulen sinkt mit steigender Temperatur pro Grad Celsius um rund 0,5 Prozent. Steigt die Modul-Temperatur auf etwa 130 Grad, so liefern kristalline Module nur noch die Hälfte des möglichen Solarstromertrags. Durch die Kühlung des PV-Moduls kann sich der Wirkungsgrad des Moduls durchschnittlich um ca. 10 Prozent verbessern.

Beim Einsatz von PVT-Modulen ist daher darauf zu achten, dass immer Wärme vom Modul abgeführt werden kann. Dies ist insbesondere in der Mittagszeit von Bedeutung, wenn der Solarthermie-Kollektoren bereits den Speicher gefüllt hat, der Wärmekreislauf stoppt und sich der Kollektor auf deutlich über 100 Grad erwärmt. Diese Konstellation kann dann dazu führen, dass die PV-Anlage mittags, während der eigentlich ertragsstärksten Zeit, nur noch etwa 20 Prozent ihrer Nennleistung erreicht.

Wichtig: Die Leistung von Hybridmodulen ist immer von den Einsatzbedingungen abhängig. Während einerseits der PV-Ertrag durch eine bessere Kühlung durch die Solarthermienutzung steigt, so kann sich dieser Vorteil ins Gegenteil umkehren, wenn die Wärme nicht abgenommen werden kann. Daher ist der Einsatz von hybriden PVT-Modulen in der Regel eine Kompromisslösung, bei der die Wärmenutzung technisch als auch wirtschaftlich einen Engpassfaktor darstellt.

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Einsatzkriterien und Anwendungsfälle von PVT-Modulen

Der Einsatz von Hybridmodulen bietet sich daher insbesondere in Anwendungsfällen an, in denen ganzjährig und insbesondere auch im Sommer Wärme benötigt wird. Dies sind z. B.

  • öffentliche Schwimmbäder,
  • medizinische Einrichtungen wie Kliniken und Krankenhäuser oder
  • auch Hotelanlagen mit hohem Brauchwasserbedarf.

Denkbar ist der Einsatz dieser neuen Form der Kraft-Wärme-Kopplung in diesen Anwendungen auch in Kombination mit einem BHKW, das dann im Winter die Grundlastabdeckung des Wärme- und Strombedarfs sicherstellt und im Sommer nur bei Bedarf in Betrieb genommen wird. Ebenso können PVT-Anlagen auch zum klimatisieren und kühlen in Industrie- und Gewerbebetrieben zum Einsatz kommen.

Für Ein- und Mehrfamilienhäuser mit einem typischen Wärmebedarf von etwa 2000 Heizstunden im Jahr ergeben sich für eine Rentabilität der Anlage in thermischer Hinsicht dieselben Probleme wie bei der Entscheidung für oder gegen eine normale Solarthermie-Anlage.

Da die nutzbare Solarfläche auf Wohnhausdächern in der Regel größer ist als die zur Deckung des Wärmebedarfs erforderliche Kollektorfläche, ist es dann oft sinnvoll PV-Module und Solarthermie-Kollektoren oder PV-Module und PVT-Module miteinander zu kombinieren.

Neben diesen grundsätzlichen Einsatzbedingungen gibt es aber noch zwei spezielle Anwendungsformen, in denen sich Hybridmodule lohnen könnten:

PVT-Kollektoren kombiniert mit Erdwärmepumpen

Ein sinnvolles Einsatzkonzept von Hybridmodulen bietet sich z. B. in der Kombination mit einer Erdwärmepumpe. Die PVT-Module werden dann nicht als "heiße" Wärmequelle für Warmwasser und Heizung eingesetzt, sondern als "kalte" Wärmequelle für die Wärmepumpe. In den Sommermonaten wird dann die überschüssige Solarwärme, die sonst ungenutzt bliebe und den Wirkungsgrad der PVT-Anlage beeinträchtigen könnte, über die Erdwärmesonden in das Erdreich abgeführt. Der die Erdsonden umgebende Boden wird somit erwärmt und zu Beginn und während der Heizperiode steht der Sole-Wasser-Wärmepumpe ein höheres Quellentemperaturniveau zur Verfügung. Dies steigert dann die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe.

Die photovoltaisch-thermischen Kollektoren „Solink“ von Consolar (hier eingesetzt in einer Testanlage in Belgien) produzieren auf ihrer Oberseite Strom während sie auf der Unterseite Wärme für eine Wärmepumpe gewinnen. (Foto: Consolar Solare Energiesysteme GmbH)
Die photovoltaisch-thermischen Kollektoren „Solink“ von Consolar (hier eingesetzt in einer Testanlage in Belgien) produzieren auf ihrer Oberseite Strom während sie auf der Unterseite Wärme für eine Wärmepumpe gewinnen. (Foto: Consolar Solare Energiesysteme GmbH)

Einsatz von Hybridmodulen als Solarfassade

Eine weitere Einsatzmöglichkeit von Hybridmodulen ist deren Integration in Häuserfassaden. Dort werden sie dann sowohl zur Solarstromproduktion eingesetzt und die anfallende Wärme als auch das Modul selbst konstruktiv zur Wärmedämmung der Fassade eingesetzt. Zudem können die PVT-Module auch hydraulisch eingebunden und zur Heizung, Kühlung oder Klimatisierung eingesetzt werden. Allerdings ist der Einsatz von hybriden PVT-Modulen als Fassadenelemente noch relativ kostenaufwändig und lässt sich selten durch den energetischen Mehrertrag decken.

Übersicht der Einsatzmöglichkeiten von hybriden PVT-Modulen
Einsatz als/ in Kombination mitAnwendungsbereichEinsatzzweck
Kraft-Wärme-Kopplunggrößere Immobilien und gewerbliche und industrielle AnwendungenGrundlastdeckung des Strom- und Wärmebedarfs
ErdwärmepumpeEffiziente Beheizung von Ein- und MehrfamilienhäuserGeothermische Regeneration des Erdreichs zur Steigerung der Wärmepumpeneffizienz
FassadendämmungEnergiesparende Bewirtschaftung von neuen Büro- und GewerbeimmobilienEinsatz des PVT-Modul als konstruktives Dämmungs- und Stilelement

Vor- und Nachteile von PVT-Hybridmodulen im Überblick

Durch eine Kombination der Funktionen Solarstrom & Solarwärme verbrauchen PVT-Kollektoren wesentlich weniger Fläche bei ähnlicher Energieausbeute. So können bei der Montage der Anlage auch Installationskosten im Gegensatz zur Einzelmontage reduziert werden. Auch optisch können PVT-Hybridmodule punkten: Während eine getrennte Installation auf dem Dach immer unterschiedlich wirkt, so bildet der Einsatz von Hybridmodulen eine homogene Dachflächenansicht.

Trotz dieser Vorteile können PVT-Module nicht immer sinnvoll eingesetzt werden. Denn für eine effiziente Nutzung wird vorausgesetzt, dass die Wärme auch genutzt werden kann. In einem Privathaushalt benötigt man aber gerade in den Sommermonaten kaum Wärme. Somit sind die sinnvollen Einsatzgebiete noch beschränkt.

Da in PVT-Modulen sowohl Flüssigkeiten als auch Strom in einem Bauteil fließen, bedürfen Hybrid-Module besonderer, genormter Sicherheits- und Qualitätsprüfungen (z. B. nach IEC 61215). In mit einer Glasscheibe abgedeckten PVT-Module können zudem sehr hohe Systemtemperaturen entstehen, die eine hohe Beanspruchung der verwendeten Materialien und Komponenten bedeuten und z. B. die Elektrik beeinträchtigen und schneller zur Anlagenabnutzung führen können.

Private Nutzung von PVT-Modulen als hybride Dachanlage

Experten gehen davon aus, dass sich der Einsatz von PVT-Modulen auch als privat genutzte Dachanlage lohnen kann. Entscheidend dabei sind aber immer die individuellen Bedarfs- und Einsatzbedingungen. So stellt insbesondere die Kombination von Hybridmodulen mit einer Erdwärmeheizung eine Best-Practice-Lösung dar, die schon heute zu vertretbaren Investitionskosten angeschafft und langfristig niedrigen Kosten betrieben werden kann.

Experten-Tipp: Mit Hilfe von Kapillarrohrmatten wie den Bluemats bzw. Suncrackern von GeoClimaDesign lassen sich auch bestehende kleinere PV-Anlagen auf Einfamilienhäusern nachrüsten und so aus PV-Modulen PVT Module machen. Im Sommer können so bis 80 °C erzielt werden, die in den Solarspeicher für z.B. Warmwasser abgeführt werden. Im Winter können 30 bis 40 °C geerntet werden, die dann z.B. in einem E-Tank oder Eisspeicher eingespeist werden können und als Wärmequelle einer Wärmepumpe dienen können. Kapillarrohrmatten ernten damit zwar geringere Temperaturen, sie können aber auf der gesamten Dachfläche unter der Dachlattung der PV-Module installiert werden. In Summe erzeugen solche nachgerüsteten, hybriden PVT-Module mit Kapillarrohrmatten ähnliche Solarerträge wie normale PVT-Module.

Der Vorteil einer solchen Kombination ist zudem, dass sich der Betreiber nicht auf eine Energieerzeugungsart festlegt und dementsprechend die Dachfläche belegt. So kann bei steigenden Heizkostenpreisen ein PV-Anlagenbetreiber bzw. ein Hausbesitzer, der sich nur für Solarthermie-Kollektoren entschieden hat, bei stark steigenden Strompreisen, langfristig insgesamt höhere Unterhaltskosten für seine Immobilie zahlen als bei Nutzung von Hybridmodulen.

Die Entscheidung für Hybrid-Module ist also auch eine in alle Richtungen gehende Absicherung gegen einseitig steigende Energiepreise. Wer sich daher für PVT-Hybrid-Module als Dachanlage entscheidet, der sollte aufgrund der komplexen Anwendungsbedingungen immer einen PV-Fachmann zu Rate ziehen, der im Vorfeld die technischen und wirtschaftlichen Einsatzbedingungen erkennen und beurteilen kann.

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"Hybrid- und PVT-Module" wurde am 03.04.2019 das letzte Mal aktualisiert.