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Wann lohnen sich Solar-Hybridkollektoren?

Wie funktionieren Hybridkollektoren? Welche elektrische und thermische Leistung bringen sie? Wann lohnt sich der Einsatz von Hybridkollektoren in Privathaushalten? Wie werden sie mit Wärmepumpen kombiniert?

Photovoltaik-Module wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Steigt wie im Sommer die Umgebungstemperatur, so sinkt jedoch ihr Wirkungsgrad. Eine Möglichkeit der Kühlung bieten Hybridkollektoren, die die am Modul auftretende Wärme abführen und so nutzbar machen. Dies erhöht die Stromausbeute und schafft eine neue Wärmequelle. Aber sind hybride Kollektoren wirklich effizienter als eine Dachanlage mit einer Kombination aus reinen Solarthermiekollektoren und PV-Modulen? Dieser Frage gehen wir hier nach und zeigen Ihnen Lösungsmöglichkeiten auf, wie die Abwärme der hybriden Kollektoren effizient genutzt werden kann.

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Kombinierte Funktionsweise von Solarthermie und Photovoltaik

Ein Hybridkollektor ist eine spezielle Version eines Solarmoduls, das sowohl thermische (Wärme) wie auch photovoltaische (Strom) Energie umwandeln kann. Ökologisch betrachtet holen Sie das Maximum an Energie aus der Sonnenstrahlung. Aufgrund ihrer dualen Funktionsweise sind Hybridkollektoren natürlich auch anders aufgebaut.

Neben den eigentlichen Solarzellen, die die Lichtenergie auffangen, bestehen Hybridkollektoren in der Regel aus zusätzlichen Absorberblechen, hinter denen ein Luftstrom (abgedeckte Kollektoren) oder ein Wasser bzw. Flüssigkeitsgemisch (unabgedeckte Kollektoren) zirkuliert. Die Wärmeenergie der Sonne erwärmt die Absorberbleche, diese geben die Wärme an die Luft bzw. Flüssigkeit ab und diese Medien transportieren die Wärmeenergie an einen Verbraucher wie eine Lüftungsanlage, Pufferspeicher oder eine Wärmepumpe. High-end-Modelle setzen zudem eine zusätzliche Ventilator-Kühlung einzelner Module ein, die dort erzeugte Warmluft kann wiederum weiter genutzt werden.

Ein Hybridkollektor mit den Maßen 98 x 162 cm erbringt in der Spitze eine elektrische Leistung von 250 Watt Peak (Wpel), bei Sonneneinstrahlung in Deutschland von durchschnittlich 850 Stunden pro Jahr. Der thermische Absorber leistet zusätzlich durchschnittlich 300 Watt thermisch (Wth) Tag und Nacht, über 300 Tage im Jahr. Die Arbeitsleistung des Absorbers des hybriden Kollektors liegt dabei in einem Bereich zwischen 100 und 450 Wattth und verbessert die Solarstrom-Gewinnung durch die Kühlung um ca. 5 bis 10 Prozent. Insofern ergibt sich für ein solches Hybrid- bzw. PVT-Modul jährlich eine Leistung von etwa 212 kWpel und mehr als 1300 kWth.

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

Einsatzmöglichkeiten von Hybridkollektoren nach Wärmebedarf

Technisch, energetisch als auch wirtschaftlich ist es beim Einsatz von Hybridkollektoren entscheidend, die Wärme- und Stromproduktion eines Kollektors bzw. Moduls so abzustimmen, dass das Kombi-System gegenüber der Addition der Einzeltechnologien klare Vorteile bringt. Um einen höheren Strom-Wirkungsgrad zu erzielen, ist es daher vor Allem entscheidend, dass die anfallende Wärme auch genutzt wird.

Einsatz bei größeren Wärmeabnehmern

Daher sind Hybridkollektoren in Schwimmbädern, Kliniken oder auch Hotelanlagen bereits erfolgreich im Einsatz. So kann rückseitig per Luftabsorber das Modul gekühlt werden und diese Luftwärme zur Reduktion des Energiebedarfs von Lüftungsanlagen eingesetzt werden. Neben der Unterstützung von Heizung und Klimatisierung können Hybridkollektoren auch zur Bereitstellung von Prozesswärme und Prozesskälte für Industrie- und Gewerbebetriebe eingesetzt werden.

Einsatz bei kleineren Wärmeabnehmern

In einem Privathaushalt hingegen ist der Bedarf an Wärmeenergie im Sommer eher gering. Würde man lediglich einen Pufferspeicher als Wärmespeicher nutzen, so könnte an sonnenreichen Tagen die Wärme der Hybridkollektoren nicht mehr abgeführt werden und der Wirkungsgrad der Solarzellen würde sinken. Um die Wärmeenergie der Hybridkollektoren sinnvoll nutzen zu können, werden daher in Privathaushalten häufig Sole- als auch Luft-Wasser-Wärmepumpen mit den Photovoltaik-Thermie-Kollektoren gekoppelt.

Kombinationsmöglichkeiten von Hybridkollektoren mit Wärmepumpen

Häufig wird erst in Kombination mit Wärmepumpen der Einsatz von Hybridkollektoren wirklich effizient. So ist die Wärmepumpe gemeinsam mit den Hybridkollektoren in der Lage, die Wärmeversorgung eines Haushaltes vollständig zu gewährleisten. Die Kollektoren nehmen die Wärmeenergie der Sonnenstrahlen direkt am Modul auf und leiten die Wärmenergie an die Sole- oder Luft-Wasser-Wärmepumpe weiter. Um den Grad der Autarkie weiter zu steigern und/ oder Kälte zur Kühlung über Wand- bzw. Deckenklimasysteme bereitzustellen, kommen teilweise auch Eisspeichersysteme zusätzlich zum Einsatz.

Funktionsschema des von Consolar entwickelten Wärmepumpensystems mit Hybridkollektoren und Wasser-/Eisspeicher zur Warmwasser- und Heizwärme-Versorgung. (Grafik: Consolar Solare Energiesysteme GmbH)
Funktionsschema des von Consolar entwickelten Wärmepumpensystems mit Hybridkollektoren und Wasser-/Eisspeicher zur Warmwasser- und Heizwärme-Versorgung. (Grafik: Consolar Solare Energiesysteme GmbH)

Kombination mit Sole-Wasser-Wärmepumpen

Da sich die am Modul entstehende Umgebungstemperatur auf rund 60°C erhitzt wird, finden sich hier Arbeitstemperaturen vor, die ideal für den Einsatz einer Sole-Wasser-Wärmepumpe sind. Die direkt am Photovoltaik-Panel entlang fließende Trägerflüssigkeit führt Wärme ab und erhöht durch die daraus resultierende Kühlung des PV-Moduls gleichzeitig dessen Wirkungsgrad. Die erwärmte Trägerflüssigkeit wird dann entweder direkt oder mit Hilfe einer Sole-Wasser-Wärmepumpe wahlweise zur Heizungsunterstützung oder für die Warmwasserbereitung zur Verfügung gestellt. Die für diesen Vorgang von der Wärmepumpe benötigte Elektroenergie kann teilweise mit Solarstrom erzeugt werden. Denkbar ist zudem eine solarthermische Erdreichregeneration wie bei dem Prinzip der Solar-Wärmepumpen. Neben der elektrischen Stromeinsparung an der Wärmepumpe können Erdwärmsonden so beispielsweise schneller regeneriert und sogar "aufgeladen" werden oder bei geringerem Sondenabstand ein langfristiges Abkühlen vermieden werden.

Kombination mit Luft-Wasser-Wärmepumpen

Hierbei arbeiten die Hybridkollektoren im Sommer wie bei konventionellen Solaranlagen. Ihre klaren Vorteile spielen sie vor allem im Winter aus: Dank integriertem Lüfter und Luft-Wärmetauscher können sie zusätzlich zur Solarstrahlung aus Außenluft Energie gewinnen, die anschließend von der Luftwärmepumpe als Wärmequelle genutzt wird. So kann der Stromverbrauch der Luft-Wärmepumpe gerade im Winter deutlich reduziert werden, da der Wärmepumpe nun höhere nutzbare Quellentemperaturen als bei einer reinen Außenluftnutzung zur Verfügung stehen. Bei entsprechend großer Auslegung der Luft-Hybridkollektoren kann evtl. sogar auf weitere Luftwärmetauscher verzichtet werden. Um den Strombedarf der Wärmepumpe jedoch vollständig zu decken, bedarf es allerdings weiterer PV-Module auf dem Dach.

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)

Hybrid-System auf Praktikabilität und Wirtschaftlichkeit prüfen

Experten gehen davon aus, dass die Nutzung von Solar-Hybridkollektoren in den kommenden Jahren sowohl im gewerblichen als auch privaten Bereich einen wachsenden Stellenwert einnehmen wird. Der Ansatz, nicht nur die Lichtenergie zu nutzen, sondern auch die Wärmeenergie macht aus primärenergetischer und ökologischer Sicht in jedem Fall Sinn. Plant man eine neue PV-Anlage, sollte man sich daher auch eingehend mit der Option Wärmepumpe und Solar-Heizung auseinandersetzen. Im Idealfall kann man mit dem richtigen Konzept nicht nur den Haushalt mit Strom versorgen, sondern auch gleich noch die Wärmeversorgung abdecken.

Das gesamte Projekt der ökologischen Energiegewinnung wird durch den dualen Einsatz jedoch auch entsprechend umfangreicher. Aus der Kostenperspektive gilt es daher, die mögliche Kostenersparnis beim Heizenergieverbrauch für Warmwasser und der Heizung genau zu erfassen und den mit den hybriden Kollektoren verbundenen Mehrkosten gegenüberzustellen. Zudem sollte darauf geachtet werden, dass man einen Anbieter wählt, der ein technisch aufeinander abgestimmtes und bereits in der Praxis bewährtes System anbietet. Ansonsten drohen aufgrund der Komplexität des Hybridsystems später höhere Wartungs- und Reparaturkosten.

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"Wann lohnen sich Solar-Hybridkollektoren?" wurde am 14.07.2017 das letzte Mal aktualisiert.