Sind PVT-Wärmepumpen eine echte Alternative zu Erd- und Luftwärmepumpen?

• PVT-Kollektoren können als alleinige Wärmequelle für eine Wärmepumpe dienen, die integrierten PV-Module liefern den Strom für den Betrieb.
• Der von den PVT-Kollektoren gelieferte Strom denkt u.U. bilanziell den gesamten jährlichen Strombedarf der Wärmepumpe ab.
• Um die benötigte Fläche zu bestimmen, kann man mit rund 3,3 bis 4,3 m² Dach- oder Fassadenfläche pro kW Heizleistung der Wärmepumpe rechnen.
• PVT-Wärmepumpen arbeiten gegenüber Luft-Wärmepumpen geräuschlos und sind gerade im räumlich beengten, städtischen Bereich eine nichtfossile Alternative.
• Ein realistischer PVT-Preis pro m² liegt aktuell zwischen 350 und 450 € pro m². Der Preis variiert stark je nach Hersteller und Technologie.
• Förderung: PVT-Kollektoren sind von der Mehrwertsteuer befreit und können - bis auf die PV-Module - mit der aktuellen Wärmepumpen-Förderung bezuschusst und finanziert werden.
• Wirtschaftlichkeitsvergleich von PVT-Wärmepumpe und Gasheizung: Trotz höherer Investitionskosten verursacht das PVT-System geringere jährliche Gesamtkosten und deutlich weniger CO₂-Emissionen

PVT-Wärmepumpen kombinieren Photovoltaik-Module mit thermischen Kollektoren, um sowohl Strom als auch Wärme aus Sonnenenergie zu gewinnen. Diese hybriden PVT-Module bestehen aus einem Photovoltaik-Modul, das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt, und einem dahinterliegenden Wärmetauscher durch den ein Wärmeträgermedium strömt.

Diese Flüssigkeit - z. B. Sole oder je nach Auslegung auch Wasser - absorbiert sowohl die Abwärme des PV-Moduls als auch die Umgebungswärme und dient als Niedertemperatur-Wärmequelle für den Verdampfer der Sole/Wasser-Wärmepumpe.

Eine besonders hohe Effizienz wird erzielt, wenn PVT-Hybridkollektoren mit einer Wärmepumpe sowie einem Warmwasserspeicher kombiniert werden. In Kombination mit z. B. Erdwärmesonden kann die Wärme der PVT-Module im Sommer auch zur schnelleren Regeneration der Sonden eingesetzt werden.

Die allermeisten am Markt erhältlichen PVT-Kollektoren sind unabgedeckte PVT-Kollektoren, sogenannte WISCollector – „Wind and Infrared Sensitive Collector“. Diese werden eingesetzt wie typische Solarabsorber, abgedeckte PVT-Module werden hingegen wie typische Solarthermie-Kollektoren eingesetzt.

Unabgedeckte und ungedämmte PVT-Kollektoren sind als alleinige Quelle für Wärmepumpen geeignet, da sie die Umgebungswärme mit nutzen können. Alle anderen PVT-Bauformen können ebenfalls als Wärmequelle für Wärmepumpen dienen, nicht jedoch als alleinige Quelle!

Da die Solarwärme-Erträge und auch die erzeugten Temperaturen ganzjährig stark schwanken, muss die Wärmepumpe für einen besonders großen Sole-Temperaturbereich von -20 bis +50 °C ausgelegt sein.

Die Art der Wärmeaufnahme aus der Luft funktioniert im Grundsatz genau wie bei klassischen Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Außeneinheit.

Während der Wärmeübertrager (Verdampfer) einer Luft-Wasser-Wärmepumpe mit sehr engen Lamellenabständen konzipiert wird und einen großen Lüfter benötigt, der stets “neue” Luft ansaugt, um genügend Wärme aufnehmen zu können, steht den PVT-Modulen auf dem Dach viel mehr Platz zur Verfügung. Sie werden daher mit deutlich größeren Lamellenabständen gebaut, wodurch eine natürliche Luftzirkulation ohne Lüfter ausreicht.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Bauweise deutlich weniger anfällig für das Vereisen des Wärmeübertragers ist. Anders als bei Luft-Wasser-Wärmepumpen ist daher in der Regel kein Abtauen erforderlich.

Zudem besteht fast kein Risiko, dass sich die Lamellen beispielsweise durch Laub im Herbst zusetzen.

Der gewonnene Solarstrom kann direkt zum Betrieb der Wärmepumpe oder für andere elektrische Verbraucher im Haushalt genutzt werden. Durch die Abfuhr der Wärme wird das Photovoltaik-Modul außerdem gekühlt, was dessen Wirkungsgrad erhöht.

Insgesamt können PVT-Kollektoren so über das Jahr hinweg bis zu viermal mehr Gesamtenergie (Wärme und Strom) liefern als eine herkömmliche Photovoltaikanlage gleicher Fläche. Der von den PVT-Kollektoren gelieferte Strom denkt u.U. bilanziell den gesamten jährlichen Strombedarf der Wärmepumpe ab.

Ein weiterer Vorteil von PVT-Wärmepumpensystemen ist die effiziente Flächennutzung des Daches, da sowohl Strom als auch Wärme auf derselben Fläche erzeugt werden.

Zudem arbeiten diese Systeme geräuschlos und benötigen keine zusätzlichen Außeneinheiten wie bei Luftwärmepumpen oder aufwändige Erdbohrungen, was sie besonders für dicht besiedelte Gebiete attraktiv macht.

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PVT kann theoretisch in jedem Gebäude als alleinige Wärmequelle für eine Wärmepumpe eingesetzt werden. Einzig limitierender Faktor ist hingegen die zur Verfügung stehende Dach- oder auch Fassadenfläche.

Laut dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung der Universität Stuttgart kann man in der Vorplanung einer PVT-Wärmepumpe als Daumenregel mit etwa 3,3 bis 4,3 m² Dach- oder Fassadenfläche pro kW Heizleistung der Wärmepumpe rechnen.

Die nötige PVT-Fläche ist dabei typischerweise vom Heizwärmebedarf, dem COP der Wärmepumpe, dem Kollektorertrag und der Ausrichtung der PVT-Anlage abhängig.

Stellen wir uns ein Einfamilienhaus mit einem jährlichen Wärmebedarf von etwa 15.000 Kilowattstunden (kWh) vor. Dieser Bedarf umfasst sowohl die Raumheizung als auch die Bereitstellung von Warmwasser.

Für dieses Gebäude soll eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 7,5 Kilowatt (kW) eingesetzt werden, die monovalent arbeitet – also ohne zusätzliche Wärmequellen wie Gas, Öl oder Luft.

Die Wärmepumpe erreicht im Jahresdurchschnitt eine Arbeitszahl (COP) von 4, das heißt, sie erzeugt aus 1 kWh Strom etwa 4 kWh Wärme. Daraus ergibt sich, dass etwa 11.250 kWh thermische Energie pro Jahr von der Wärmequelle – in diesem Fall den PVT-Kollektoren – bereitgestellt werden müssen. Diese Wärme wird im Verdampfer der Wärmepumpe aufgenommen und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht.

Ein PVT-Modul liefert unter mitteleuropäischen Bedingungen, bei geeigneter Ausrichtung und Neigung, im Jahr etwa 300 kWh thermische Energie pro Quadratmeter und Jahr.

Um den Wärmebedarf von 11.250 kWh zu decken, wird also eine PVT-Kollektorfläche von rund 37,5 m² benötigt. Das entspricht beispielsweise 24 Modulen, wenn jedes Modul etwa 1,6 m² groß ist.

Zur Auslegung der Kollektorfläche muss allerdings die Einsatzgrenze der Wärmepumpe und die Betriebszustände im schlechtesten Fall (Winternacht) beachtet werden.

Um eine Heizleistung im Winter von 10 kW sicherzustellen, bedarf es bei Erreichung eines COP von 4 eine Kollektorfläche von (10.000 Watt x 0,75) / 175 Watt/m² = 43 m².

Für eine optimale Nutzung sollten die Kollektoren möglichst nach Süden ausgerichtet und in einem Winkel von bis zu 70 Grad geneigt sein, um den thermischen Ertrag gerade in den Übergangszeiten im Frühling und Herbst als auch in den Wintermonaten zu maximieren.

Dennoch empfiehlt es sich, eine gewisse Überdimensionierung einzuplanen oder einen Wärmespeicher (z. B. Eisspeicher oder großer Pufferspeicher) zur Unterstützung zu integrieren.

Um eine höhere Unabhängigkeit und einen effizienteren Heizbetrieb auch im Winter zu gewährleisten, können PVT-Wärmepumpen mit einem Latentwärmespeicher – einem sogenannten Eisspeicher – kombiniert werden.

Der Eisspeicher fungiert als Pufferspeicher:

• Nachts entnimmt die Wärmepumpe zusätzlich auch Wärme aus dem Eisspeicher.
• Tagsüber kann die PVT Anlage den ausgekühlten Kältespeicher wieder regenerieren.

Da die Regenerationsleistung der PVT-Kollektoren stark von der Differenz Regenerations- zu Umgebungstemperatur abhängig ist, sollte die Wärmepumpe eine möglichst tiefe quellenseitige Einsatzgrenze aufweisen. Minimalanforderung ist -7°, besser -10 bis -12°C.

Um einen sinnvollen Puffer für eine 5 kW PVT-Wärmepumpe mit rund 40m² PVT-Kollektorfläche bereitzustellen, bedarf es eines Volumens von ungefähr 1.000 Litern. Die Regenerationsenergie kann dann annäherungsweise wie folgt berechnen werden: 40 m2 x 200 W x 10 h = 80 kWh.

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PVT-Anlagen sind teurer als Photovoltaikanlagen und teurer als reine Solarthermieanlagen. Ein Standard-PVT-Modul mit rund 1,7 Quadratmetern kostet etwa 500 Euro, reine Photovoltaikmodule mit 440 Watt Maximalleistung dagegen nur rund 150 Euro.

Pro m² kosten PVT-Module in der Regel 350 - 400 €. Wenn man mit 3 m² pro 1 kW Heizleistung rechnet – also rund 1.000 €/kW - so sind PVT-Module im direkten Vergleich zur Erdsonde, bei der man etwa 15 Meter Bohrung pro kW Heizleistung benötigt – das entspricht etwa 1.500 € Bohrkosten – etwas günstiger.

Die genauen Gesamt-Kosten einer PVT-Wärmepumpe wurden im Forschungsprojekt integraTE näher analysiert. Für die Beheizung eines Bestandsgebäudes mit einem Heizwärmebedarf von 108 kWh pro m² und Jahr kann man laut integraTE von folgenden Kosten für eine 12,1 kW PVT-Wärmepumpe mit 30 m² PVT-Anlage ausgehen:

Wer sich für eine PVT-Wärmepumpe entscheidet, bekommt auch einen Zuschuss vom Staat. Die BEG-Förderung sieht aber eine Besonderheit vor: Die PVT-Anlage erzeugt Strom und Wärme – aber nur die Wärme zählt für die Förderung.

Deshalb wird vom Preis der PVT-Anlage pauschal 1.500 € pro kW_p Strom-Leistung abgezogen. Der Rest + die Wärmepumpe + Speicher usw. zählen als förderfähige Kosten.

Auf die maximal förderfähigen Kosten von 30.000 Euro bekommt man dann einen Zuschuss von bis zu 70 % – je nachdem, ob man z. B. eine alte Heizung ersetzt, eine Wärmepumpe mit Propan kauft oder ein geringes Einkommen hat.

Bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit einer PVT-Wärmepumpe spielen viele verschiedene Parameter eine Rolle. Neben der Höhe der Förderung einer PVT-Wärmepumpe oder Einspeisevergütung für PV-Strom haben insbesondere die zukünftigen Energiepreise einen maßgeblichen Effekt darauf, ob sich eine PVT-Wärmepumpe lohnt.

Im Forschungsprojekt integraTE haben die Forscher verschiedene PVT-Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern untersucht und mit verschiedenen anderen Heizungssystemen verglichen.

Im direkten Vergleich mit einer Gasheizung zeigt sich in – selbst bei sehr konservativen Annahmen zum Gas- und CO₂-Preis – dass eine PVT-Wärmepumpe bereits heute wirtschaftlicher ist als eine reine Gasheizung.

Auch andere Analysen zeigen, dass PVT-Wärmepumpensysteme mit Energiegestehungskosten von rund 20 ct/kWh zu den kosteneffizientesten Lösungen gehören. Dies berücksichtigt sowohl Investitions- als auch Betriebskosten über einen Zeitraum von 20 Jahren.

Vor allem aber der Vergleich der CO₂-Äquivalent-Emissionen (in kg pro Jahr) für unterschiedliche Heizsysteme zeigt das große Potenzial von PVT-Wärmepumpensystemen:

• Systeme mit PV und Erdwärmesonden erreichen mit -56 % die beste Bilanz,
• dicht gefolgt von PVT-Wärmepumpen mit Erdwärmesonden mit -54 %.
• Reine Luft-Wärmepumpen oder Gasthermen (auch mit Solarthermie) bleiben deutlich zurück.

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​In Deutschland gibt es mehrere bedeutende Hersteller von PVT-Wärmepumpensystemen, die innovative Lösungen zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme anbieten.

Diese Unternehmen tragen maßgeblich zur Weiterentwicklung und Verbreitung von PVT-Wärmepumpensystemen in Deutschland bei und bieten vielfältige Lösungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche.

Hier ein Überblick über einige der wichtigsten Unternehmen und ihre Produkte:​

Triple Solar ist einer der führenden, europäischen Hersteller von PVT-Systemen.​ Die Triple Solar PVT-Wärmepumpen wurden speziell für den Einsatz mit Triple Solar PVT-Modulen entwickelt worden. Sie verfügen über einen besonders großen Temperaturbereich und sind standardmäßig mit Passiv- und Kühlfunktion ausgestattet.

Triple Solar PVT-Wärmepumpen können mit einem oder zwei Geräten Gebäude bis etwa 6 kW Heizlast versorgen. Dafür werden neun PVT-Module benötigt. Für größere Gebäude oder Gebäude älteren Baujahrs mit höherer Heizlast stehen Sole-Wärmepumpen von Partnerherstellern zur Verfügung.

Consolar – das bedeutet so viel wie „mit (con) Sonne (Solar)“ und „Sonne conservieren (speichern)“ - ist seit vielen Jahren spezialisiert auf solarthermische Systeme und hat den PVT-Kollektor SOLINK entwickelt.

Der SOLINK PVT-Wärmepumpenkollektor, der seit 2024 in Hofgeismar im nordhessischen Landkreis Kassel gefertigt wird, ersetzt sowohl Geothermie, also Erdbohrungen, als auch Luftgebläse-Außeneinheiten und liefert die komplette Wärme. Sogar für die Gebäudekühlung können die Kollektoren in Verbindung mit der gleichen Wärmepumpe eingesetzt werden.

Sunmaxx ist der weltweit führende Entwickler und Hersteller photovoltaisch-thermischer Hybridmodule (PVT). Sunmaxx unterhält die weltgrößte PVT-Produktion ihrer Art mit einem Volumen von 120.000 Modulen jährlich, skalierbar auf die fünffache Menge.

Sunmaxx PVT nutzt Technologien aus der Automobilindustrie für das Thermomanagement in ihren Modulen.​ Die PVT-Module von Sunmaxx verwenden hochwertige Solarzellen der neuesten Generation und bieten ein effizientes Thermomanagement für die gleichzeitige Strom- und Wärmeerzeugung.

Insbesondere in Kombination mit Wärmepumpen bieten Sunmaxx PVT-Module eine effiziente Wärmeversorgung und Kühlung ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe.

Der Markenname 2Power der Firma PA-ID PROCESS GmbH steht für Strom und Wärme aus einem Modul (PVT). Mit mehr als 15 Jahren im Markt hat sich der 2Power PVT-Kollektor mit der Zeit gewandelt und ist nun seit einigen Jahren die Wärmequelle für eine passende Sole-Wärmepumpe. Die Anwendungsfälle in dieser Art sind vielseitig. Von der Installation auf einem Reihenhaus, zum Mehrfamilienhaus bis hin zur Regeneration von Erdsonden in einem Gebäudenetz.

Besonders charmant ist der Aufbau bzw. die Installation der 2Power PVT-Kollektoren. Vorderseits ein handelsübliches PV-Modul, Rückseits ein Wärmetauscher zur Gewinnung von Wärme aus der Sonne und Umgebungsluft. Mit den Verbindungsschläuchen und einem Befestigungssystem aus der PV-Branche ist die PVT-Anlage auf dem Dach schnell installiert. Zuletzt wird vom Dach in den Technikraum zur Wärmepumpe verrohrt.

NIBE ist ein etablierter Hersteller von Wärmepumpen und bietet kompatible Lösungen für PVT-Hybridkollektoren an. NIBE bietet ein breites Sortiment an Sole/Wasser-Wärmepumpen, die problemlos mit PVT-Hybridkollektoren kombiniert werden können, sowohl für Neubauten als auch für Sanierungen.

Prisma PVT konzentriert sich auf autarke Energieversorgungslösungen durch PVT-Kollektoren.​ Die Prisma® PVT Kollektoren ermöglichen eine ökonomische und unabhängige Energieversorgung, geeignet für den Betrieb von Elektroheizstäben, Wärmepumpen und zur Regenerierung von Erdsonden.

Die PVT Solar AG entwickelt und vertreibt hochwertige PVT-Hybridkollektoren.​ Ihre Hybridkollektoren kombinieren Photovoltaik und Solarthermie, um maximale Energieeffizienz zu erreichen, ergänzt durch einen Kondensations-Eisspeicher zur Speicherung von Sonnenenergie für sonnenarme Zeiten. ​

Das kostengünstige soblue PLUS ist, analog zum Wettbewerb, eine Kombination von PV-Module und separatem Wärmetauscher, resp. thermischem Absorber. Es ist ein monovalentes, glykolgeführtes System. Das soblue PLUS System ist sehr kostengünstig im Vergleich zu anderen PVT-Modulen. Zusätzlich bietet es den Vorteil, dass es an allen PV-Anlagen and an allen handelsüblichen Unterkonstruktionen (auch nachträglich) zugebaut werden kann. So kann aus einer PV-Anlage auch Jahre nach Inbetriebnahme noch eine PVT-Anlage für höchste Energieeffizienz entstehen. Das ausgeklügelte Verrohrungssystem reduziert die Anzahl der Anschlüsse (nur 2 benötigte Anschlüsse für 15 Panels) und ist zum Patent angemeldet.

Das Hochleistungsmodul soblue MAX ist ein rein wassergeführtes PVT-Modul, welches besonders für Industrieanwendungen und Wärmenetze geeignet ist und branchenweit zu den leistungsstärksten Lösungen zählt. Um höchste Energieerträge sicherstellen zu können, werden von soblue maßgeschneiderte Energiesysteme, inkl. thermischen Speichern, einer geeigneten Bivalenz und einer intelligenten Steuerung entwickelt. Damit kann das Modul seine Stärken auch bei Nacht und kühlen Temperaturen ausspielen.

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