Reduzierter Flächenbedarf und höhere Energieerträge - Eine kleine Marktübersicht zu PVT-Hybridkollektoren

Bisher stand der Nutzer von regenerativer Solarenergie vor der Wahl, entweder den photovoltaischen Solarstrom mit einem Wirkungsgrad unter 20% zu installieren oder – wenn die Dachfläche den Platz noch zur Verfügung stellte – auch ein separat angeordnetes Solarthermiesystem zu integrieren.
Auf dem Markt werden im Segment der Hybridkollektoren nun, nach Behebung der anfänglichen Probleme, ausgereifte Produkte zur Verfügung gestellt. Einerseits sind die Problematiken und technischen Anforderungen zur effizienten Nutzung des Wärmestroms in Kombination mit der Nutzung des Solarstroms verfahrungstechnisch gelöst. Andererseits haben aber noch die Prüfinstitute schwierige Aufgaben zu lösen, weil es derzeit noch an geeigneten Prüfverfahren mangelt, um die Leistungsfähigkeit der PVT-Kollektoren (Hybridkollektoren) messtechnisch beurteilen zu können. Insofern müssen Standards entwickelt werden, auf welcher Basis die Effizienz der Hybridkollektoren beurteilt werden kann und welche Sicherheitsvorschriften gelten, die das Zusammenspiel der wasserführenden Komponenten und der elektrischen Elemente auch sicherstellen können.
Der Hybridkollektor einer photothermischen Anlagen ist in der Lage, verschiedene Spektren des Sonnenlichtes aufzufangen und zur Energiegewinnung zu verwenden. Das sichtbare Lichtspektrum wird von den PV-Anlagen genutzt, während das Infrarotspektrum von den Solarthermie-Kollektoren aufgefangen wird. Durch den Wärmeentzug des PV-Moduls werden die PV-Zellen auf eine optimale Betriebstemperatur von 25°C gekühlt und der Modulwirkungsgrad erhöht. Das bedeutet, dass durch die Kühlung der Solarstromertrag ansteigt. Als Doppeleffekt wird die bisher bei den Standard-PV-Modulen ungenutzte Wärme nun aktiv zur Wärmeversorgung des Gebäudes genutzt.
Bei den Entwicklungen im Bereich der PVT-Kollektoren wurden auch im Bereich der Verfahrenstechnik Fortschritte gemacht, denn etliche Problematiken wurden zwischenzeitlich technisch gelöst. Bei den unterschiedlichen Lösungsvarianten bestand eine besondere Problematik darin, dass der Wärmeübertrag vom Solarmodul zum Wärmeabsorber schlecht funktionierte. Die Wärme, die in der PV-Zelle entsteht, konnte nicht effizient an den Wärmeübertrager abgegeben werden.
Einen interesssanten Aspekt bildet auch die Nutzung des selbst erzeugten  Solarstroms zur zeitgleichen Bereitstellung von elektrischer Energie für die erforderliche Hilfsenergie, z.B. für die Umwälzpumpen der Solarthermie-, Zirkulations- und Wärmepumpe, etc.).
Da eine PVT-Hybridkollektoranlage gegenüber einer getrennt installierten Solarstrom- und Solarthermieanlage einen höheren Gesamtenergieertrag liefert, kann auch eine geringere Kollektorfläche installiert werden. Dieses Ergebnis kommt insbesondere dem oftmals reduzierten Dachflächenangebot positiv entgegen.  

Technologie der PV-Thermie (PVT)
Die Technologie der Hybridkollektoren unterscheidet sich generell nach Systemen, bei denen die Wärmeproduktion im Vordergrund steht und solchen, die primär Strom liefern sollen. Um die Wärme aus dem Strahlungssammler zur weiteren Nutzung zu transportieren, nutzen beide Varianten Flüssigkeit als Medium.
1. Selektiver Kollektor mit Solarzellen
Der Aufbau entspricht einem konventionellen Flachkollektor, wobei jedoch anstelle der Frontscheibe ein PhV-Laminat eingesetzt wird, in das die PV-Zellen in großem Abstand eingebettet sind.
2. Wassergekühltes Standardmodul
Das PV-Laminat enthält hier auf der Rückseite eine Wasserwanne, durch die Kühlwasser geleitet wird. Da hinter dem Frontglas kein Luftspalt vorhanden ist, kann sich ein energiekonzentrierender Treibhauseffekt aufbauen.
3. Kollektor mit Hybridabsorber
Der konstruktive Aufbau entspricht hier ebenfalls einem konventionellen Flachkollektor, wobei anstelle des Absorberblechs die Rückseite das PV-Laminat mittels Kupferröhren gekühlt wird.
4. Luftgeführte Systeme
Als Wärmeträger wird ausschließlich die Luft genutzt.
5. PV-Thermische Konzentratoren mit Tracker oder Heliostaten
Die Vorteile eines hochkonzentrierten HCPVT-Systems (High Concentration Photovoltaic Thermal) ergeben sich in der doppelten Abgabeleistung und der höheren Exergieeffizienz. Es kann daher mit 90°C heißem Wasser gekühlt werden. Zudem lässt sich die Wärme zur Warmwasserbereitung und Raumheizung oder zur Adsorptionskühlung für RLT-Anlagen nutzen.

PV/T-Wasserkollektoren
Das Interesse der Gebäudeeigner und Investoren an der innovativen PVT-Technologie ist unverändert hoch. Derzeit handelt es sich bei den überwiegend installierten Hybridkollektoren (über zwei Drittel) um wassergekühlte PVT-Module. Der konstruktive Aufbau der nicht konzentrierten PVT-Systeme entspricht einem konventionellen Flachkollektor, wobei lediglich anstelle der Frontscheibe ein PV-Laminat integriert wird, in das die PV-Zellen in großem Abstand eingebettet sind.
PV/T-Wasserkollektoren werden in verglasten und unverglasten Kollektoren ausgeführt. In der Regel werden die Hybridkollektoren für Photothermie zweischichtig aufgebaut. Direkt unter der Glasoberfläche befinden sich die PV-Elemente, die aus den sichtbaren Strahlen des Sonnenlichts Gleichstrom erzeugen. Dieser wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom, also netztauglichen Strom, umgewandelt. Unter den PV-Elementen befinden sich die solarthermischen Elemente, die das Infrarotlicht aus der Sonne aufnehmen. Dieses wird durch einen Absorber, entweder in Form eines mit spezieller Keramik bedampften Kupferblechs oder einer schwarzen Metallfolie, aufgenommen. Die entstehende Wärme wird anschließend an die wasserführenden Rohre weitergegeben und in den Warmwasser- und Heizungskreislauf eingespeist.
Abgedeckte PVT-Kollektoren arbeiten ohne spektralselektive Absorberschichtung, wodurch der nachteilige Effekt eintritt, dass die Strahlungsverluste mit steigendem Temperaturunterschied zwischen dem Absorber und der Abdeckscheibe anwachsen. Bei den nicht abgedeckten Standardmodulen steht die Solarstromproduktion im Vordergrund, weil die PV-Zellen umso effizienter arbeiten, je kälter sie sind. Aus diesem Grund werden die PV-Zellen über einen auf der Rückseite installierten Wärmeübertrager gekühlt.
Die Problematik der PVT-Produkte liegt einerseits im Bereich der Wärmeübertragung von den Solarzellen zur Wärmeträgerflüssigkeit, wobei hier eine gute elektrische Trennung und gleichzeitig eine ausgewogene Wärmeleitfähigkeit erreicht werden muss. Zudem besteht ein Problem in der Absorption der Solarstrahlung, weil mit der PVT-Glasscheibenabdeckung die Solarstrahlung für den Solarstromabsorber reduziert wird. Aus diesem Grund wurde beim Fraunhofer-Institut für Solare Ener­giesysteme (ISE) die Glasscheibenkonstruktion durch eine hochtransparente und an den Brechungsindex der Luft angepasste Folie ersetzt.
Die Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit, Qualität und Sicherheit der PVT-Kollektoren einschließlich der elektrischen Sicherheit gegen Kriechströme etc. wird unter Laborbedingungen geprüft. Da die vorhandenen Standardnormen für PV- und Solarthermiemodule für die Hybrid-PVT-Module nicht ausreichen, müssen die zuständigen Gremien derzeit noch verlässliche Normen und Prüfungsgrundlagen (insbesondere zur Produkthaftung und Sicherheit) erstellen.
Die PVT-Zertifizierung erfolgt getrennt nach den Tests zur Strahlungsbeanspruchung und nach den Tests zur thermischen sowie den mechanischen Beanspruchungen. Das Solar Keymark-Gremium hat Ende März 2011 beschlossen, dass auch PVT-Module das Gütesiegel für Photothermiemodule (PT) bekommen können. Die Produkthersteller können ihren Kunden nun zumindest mit Solar Keymark ein anerkanntes Zertifikat vorweisen.

Wassergekühlte Systeme – Produkthersteller (Auszug)
Der Hybridkollektor „Solator“ von C. Bösch GmbH, A-6922 Wolfurt, wird als wassergekühltes rahmenloses Glas-Glas-Modul für Auf- und Indachmontage mit einem Wärmeübertrager aus flachen Metallröhren in zwei Leistungsvarianten mit einem Solarstromertrag von 140 W und 190 W hergestellt.
Die Vorteile des Hybridkollektors „M-240 PVT“ von Bunksolar S.L., Alicante (Spanien), mit wassergekühltem PV-Modul und Kupfer-Harfenabsorber liegen in der sehr guten Wassererwärmung von 30 bis 60°C. Es entstehen keine Überhitzungsprobleme, die Stillstandstemperatur liegt bei ca. 75°C. Durch Kühlung der Zellen wird ein bis zu 15% höherer Solarstromertrag erreicht.
Die Konstrukteure der PA-ID GmbH aus dem hessischen Kleinostheim haben eine Methode entwickelt, mit der ihre herkömmlichen PV-Module zu PVT-Hybridmodulen umgerüstet werden. Die PA-ID nutzt hierzu eine Kapillarrohrmatte aus Polypropylen, die u.a. auch in der Bauteilklimatisierung zur Decken- , Boden- bzw. Wandheizung/-kühlung verwendet wird. Diese Kapillarrohrmatten werden mit einer Dämmplatte und einem Federsystem auf der Rückseite der PV-Module befestigt. Neben anderen Vorteilen zeichnen sich diese Systemvorteile dadurch aus, dass hier keine mechanischen Eingriffe in das PV-Modul erfolgen. Von den wassergekühlten PV-Modulen wird die Wärme an den Warmwasserspeicher abgeben.
Das wassergekühlte Hochleistungs-Hybridmodul von RenOn UG, 4626 Löbichau/ Beerwalde, wird in den Abmessungen 2108/1069/93 mm mit einem Leergewicht von 41 kg in drei Ausführungen hergestellt und erzeugt einen Solarstromertrag von 140 Wp, 187 Wp und 233 Wp bei einem thermischen Wirkungsgrad von 76,7%, 77,7% bzw. 85%. Der Konstruktionsaufbau besteht aus Sicherheitsglas, EVA-Wafer-Tedlar (transparent), Kupfer-Alu-Absorber und Dämmung. Der hochselektiv beschichtete lasergeschweißte Vollflächenabsorber wird in Kombination mit Hochleistungswafern hergestellt und multifunktional für Aufdach- /Indachmontage oder Freiflächenaufstellung eingesetzt. Die sichere Trennung des Solarstrombereiches vom wasserführenden Teil verhindert auch im Fall einer Beschädigung des Solarglases die Übertragung der Elektrizität.
Die Anwendungsbereiche erstrecken sich von der Solarstromgewinnung und Warmwasserspeicherung und Heizungsunterstützung sowie Dachflächen-Schneeabtauung über die Regenerierung der Erdreich-Wärmequelle und die Eigenstromnutzung für den Wämepumpenbetrieb.
Das wassergekühlte Hochleistungs-PVT-Modul Typ „res-PV++“ von res – regenerative energietechik und -systeme GmbH, 91550 Dinkelsbühl, erreicht aufgrund des meanderförmig, nach System „Tichelmann“ aufgebauten Wärmeübertragers eine gleichmäßige Volumendurchströmung und daher auch eine vollflächig konstante Modultemperatur.
Das PVT-Modul vom Typ „res-PV“ wird als Kompakteinheit mit Erdwärmepumpe sowie oder alternativ mit Luftwärmepumpe (mit Wärmeeinkopplung in Kältekreis) angeboten.
Das Hybridmodul „PV-Therm“ von Solarzentrum Allgäu GmbH & Co. KG, 87640 Altdorf-Biessenhofen, enthält auf der Unterseite eine Thermiewanne, die von einer  Wärmeträgerflüssigkeit zur Kühlung der Solarzellen durchströmt wird. Die Wanne ist mit einem PV-Laminat über eine Polyurethanumfassung verbunden. Der „PV-Therm“ lässt sich bei einer Oberflächentemperatur von 80°C mit 12°C kaltem Wasser auf  20°C abkühlen. Das frei werdende Wärmepotenzial wird zur Warmwasserspeicherung, Heizungsunterstützung oder beim Einsatz einer Erdreich-Wärmepumpe zur Regeneration der Energiequelltemperatur verwendet.
Die Solimpeks Solar GmbH, 80807 München, hat ihre „Volther“-Kollektoren durch eine flachere Bauart weiterentwickelt, wodurch neben der Leistungserhöhung auf 200 Wp auch die Dachbelastung reduziert und zudem die Dachmontage erleichtert wird. Der PVT-Hybridkollektor, bestehend aus der Kombination „Volther-Powervolt und -Powertherm“ erreicht bei maximaler Sonneneinstrahlung eine elektrische Leistung von 200 Wp und eine thermische Leistung von 629 W. Die Hybridkollektoren bieten als Kombinationseinheit eine Platz­ersparnis und werden nicht aufgeständert, sondern nahtlos aneinander in das Dach montiert. Insofern können kleinere Dachflächen energetisch voll ausgenutzt werden.
Mit der neuen Baureihe der Hybridkollektoren von SunWin Energy Systems GmbH, A-4061 Pasching, wird die Erzeugung von Solarstrom und Solarthermie in einem Kollektor realisiert. Die Baureihe der wassergekühlten PVT-Hochleistungsmodule bestehen aus einem Flachkollektor mit PV-Zellen hinter der Glasabdeckung und sind im Leistungsbereich von 145 bis 340 Wp nach Solar Keymark zertifiziert. Als Nebeneffekt erhöhen die Hybridkollektoren den Solarstromertrag gegenüber einer konventionellen PV-Anlage. Die Wärme von den wassergekühlten Photovoltaikmodulen wird dem Warmwasserspeicher zugeführt.
Die PVT-Hochleistungsmodule werden auch in Kombination mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe, Pufferspeicher und intelligenter Regelung eingesetzt sowie zur Schneefreihaltung der PV-Module und Dächer mit der Eigenstromnutzung genutzt. Sobald die Kollektoren von Schnee bedeckt sind, wird die Wärme aus dem Warmwasserspeicher kurzzeitig durch die Kollektoren geleitet. Die Hauptreferenzobjekte erstrecken sich von Einfamilienhäusern über Hotelkomplexe bis zu öffentlichen Gebäuden.

Luftgeführte PV/T-Systeme – Produkthersteller (Auszug)
Der Haupteinsatzbereich von PV/T- Luftkollektoren sind Garten-, Ferien- und Fertighäuser, aber auch Bürogebäude in Niedrigenergiebauweise.
Der britische Hersteller Duster House Ltd. hat einen Luftkollektor zur Raumheizung- und -belüftung entwickelt. Der Luftkollektor wird in den Abmessungen von 1250 x 1250 mm hergestellt, wobei die Luft mit einem PV-betriebenen Ventilator von unten angesaugt und über einen schwarzen Alu-Absorber geleitet wird.
Easy BIVP aus Dänemark hat ebenfalls einen Luftkollektor zur Raumheizung- und -belüftung entwickelt, der mit einem PV-betriebenen Ventilator ausgestattet ist.
Die Firma Grammer Solar GmbH, 92224 Amberg, bietet zwei verschiedene Produkte an: „TwinSolar“ und einen PV-Hybridkollektor. Als Abdeckung in Luftkollektoren verwendet Grammer Solar PV-Laminate. Die Hybridkollektoren eignen sich primär für Nutzungsbereiche (z.B. Garten- und Ferienhäuser, Schwimmpools, Trocknungsanlagen etc.) die über das gesamte Jahr hohe Luftmengen mit niedrigen Temperaturen benötigen. Der „TwinSolar“-Luftkollektor mit integriertem PV-Modul wurde zwischenzeitlich um das kleine Modell 1,3 mit einer Kollektorfläche von rund 1,3 m2 zum Einsatz von einer Nutzfläche zwischen 10 und 20 m2 erweitert. Der „TwinSolar“ ist netzunabhängig einsetzbar, da der Ventilator die Antriebsenergie zum Ansaugen der Luft über ein integriertes PV-Modul nutzt.
Der dänische Luftkollektoranbieter Scanheat A/S vertreibt ein Kombimodul, bei dem Luftkanäle in Schleifen angeordnet sind und die Luftzirkulation durch einen PV-betriebenen Ventilator erfolgt.
Der dänische Hersteller Solarventi A/S aus Thorsøu hat ein Kombimodul aus Luftkollektor mit einem im Absorber integrierten Rohrmäander entwickelt, das gleichzeitig zur Warmwasserspeicherung genutzt werden kann.
Das „SolarWall“ PV/T-System von Seidemann Solar GmbH, 37079 Göttingen, erzeugt Warmluft und Strom und wird unkompliziert auf dem Gebäudedach oder an der Fassade installiert und in die vorhandene RLT- sowie Stromanlage eingebunden.
Das PV/T-System saugt die Wärme gleichäßig von der Rückseite der PV-Module ab, wobei die PV-Zellen auf die optimale Betriebstemperatur von 25°C abgekühlt werden. Die Abwärme wird dem Wasserspeicher zugeführt oder kann zur Heizungsunterstützung bzw. in das RLT-System eingebunden werden.
Bei kleineren Gebäuden (Garten- und Ferien- bzw. Fertighäuser) werden die PV/T-Hybridkollektoren zur Luftheizung mit PV-betriebenem Ventilator zur Aufrechthaltung der Raumluftqualität mit einem kontinuierlichen Luftwechsel von 0,5 bis 1/h, Luftdurchsatz ca. 300 m3/h eingesetzt. Die Luftheizung erhält vom Luftkollektor solar vorgewärmte Außenluft.
Für Bürogebäude in Niedrigenergiebauweise: Die Luftkollektoren werden z.B. auf der Südseite als Metallbaukassetten in die Pfosten-Riegel- Konstruktion integriert. Einige dieser Kassetten werden zusätzlich mit PV-Elementen versehen, deren Strom die Ventilatormotoren (24 V/DC 40 W) antreibt.

Ausblick
Im Bereich der PVT-Kollektoren offeriert der Markt zwar derzeit noch etliche Firmen, aber es ist abzusehen, dass sich die Branche nach dem Inkrafttreten einer verbindlichen PVT-Norm mit den darin definierten Mindestanforderungen auf einen spezifischen Produktherstellerkreis konzentrieren wird.
Andererseits werden von den Solarteuren für den Einsatz der PVT-Kollektoren im Gesamtanlagensystem zusätzliche Kenntnisse aus dem Bereich der Elektroinstallation und Elektronik gefordert, insbesondere dann, wenn das Anlagensystem z.B. mit PV-Eigenstromnutzung und einer Sole-/Wasser-Wärmepumpe sowie spezieller Regelung ausgerüstet wird. Ebenso werden bei der Kundenberatung nicht nur die Vorteile der PVT-Kollektoren das Interesse erwecken, sondern auch die Aussagen zu den Sicherheitsaspekten und Qualitätskriterien angefordert.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten TechnischeGebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@online.de

Bilder wenn nicht anders angegeben: Solarzentrum Allgäu

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