Hybridkollektor - Kombination aus Wärme und Strom

22. April 2021
Bei der Nutzung von Solarthermie zur Wärmeerzeugung in Gebäuden stellt sich oft auch die Frage nach der Stromerzeugung. Die Idee, beide Techniken zu vereinen, liegt auf der Hand. Das Prinzip der Photovoltaik, bei der die Lichtenergie der Sonne mittels Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt wird, kombiniert mit Solarthermie, welche Sonnenenergie in thermische Energie umwandelt. Diese Art von kombiniertem Modul nennt man Hybridkollektor oder PVT-Kollektor.
Dieser Artikel wurde von
Thorben Frahm für www.Solaranlagen-Portal.com verfasst.
Jetzt Fachbetriebe für Ihr Projekt finden
  • Fachbetriebe vor Ort finden
  • Mit einer Anfrage bis zu 5 Angebote erhalten
  • Garantiert einfach, kostenlos und unverbindlich!
SolarthermieKollektorenHybridkollektor

Hybridkollektor - Funktion, Vorteile & Nachteile

Der Hybridkollektor vereint Solarthermie und Photovoltaik innerhalb eines Kollektors. Diese Kombination bezeichnet man als Photothermie oder Thermovoltaik. Der Hybridkollektor erzeugt also Strom und Wärme gleichzeitig. Die meisten PVT-Kollektoren ähneln bekannten Flachkollektoren, wie sie in Solarthermieanlagen zum Einsatz kommen. Unter einer Glasplatte befinden sich Photovoltaikzellen zur Stromgestehung und unter dieser Schicht befinden sich Solarabsorber, welche die Wärme bereitstellen. Als Wärmeträger kommt entweder die bekannte Solarflüssigkeit oder Luft zum Einsatz. Die Einsatzbereiche von Hybridkollektoren sind vielfältig. Man kann sie mit einem Heizkessel koppeln und den Strom einspeisen oder selbst verbrauchen oder man kann die Kollektoren auch dazu verwenden, eine Wärmepumpe zu betreiben und / oder zusätzlich das Erdreich um eine Erdsonde herum mit der Wärme aus dem solarthermischen Anteil zu versorgen, um die Systemeffizienz insgesamt zu heben.

Bild: © 2009 Consolar Solare Energiesysteme GmbH

PVT-Kollektoren mit flüssigem Wärmeträger

"Den" Hybridkollektor gibt es nicht. Derzeit gibt es verschiedene Bauweisen und Anlagenkonzepte, von denen sich bislang keins durchgesetzt hat. Kollektoren mit polykristallinen oder monokristallinen Solarzellen finden sich ebenso wie Kollektoren mit und ohne zusätzliche Wärmedämmung auf der Rückseite.

Auch die Terminologie ist noch nicht ganz einheitlich. So gruppieren die FHD Düsseldorf, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, TÜV Rheinland Energie und die Umwelt GmbH Solarzentrum Allgäu GmbH & Co. KG im Abschlussbericht ( Link auf externes PDF, Laufzeit des Vorhabens: 01.02.2013 – 31.07.2014 ) des Verbundprojektes "PVT-Norm" Hybridkollektoren in abgedeckte Kollektoren mit flüssigem Wärmeträger, nicht-abgedeckte Kollektoren mit flüssigem Wärmeträger sowie luftgeführte Kollektoren sowie konzentrierende Parabolrinnenkollektoren.

"Abgedeckt" bezeichnet jedoch nicht die Glasplatte auf der Oberseite des Hybridkollektors. Bei den meisten unabgedeckten wie bei den abgedeckten PVT-Kollektoren befindet sich eine Glasplatte auf der Oberseite des Bauteils. Bei abgedeckten Hybridkollektoren befindet sich zwischen der Glasabdeckung und den Photovoltaikzellen eine Luftschicht. Diese senkt Wärmeverluste aus dem Kollektor an die Umgebung und sorgt für eine höhere Wärmeausbeute, dafür arbeiten die PV-Zellen nicht mehr so effizient. Unabgedeckte Hybridkollektoren arbeiten demnach eher mit einem Fokus auf die Stromgestehung.

Die Marktsituation. Bei Hybridkollektoren mit flüssigem Wärmeträger stellt sich laut des genannten Berichtes die Anbieterseite folgendermaßen dar: 34 Hersteller sind ermittelt worden. Davon boten 30 Hersteller unabgedeckte Kollektoren an. Nur vier Hersteller verkauften abgedeckte PVT-Kollektoren. Die Gründe konnten nicht ermittelt werden, man geht jedoch davon aus, dass bei dieser Bauform noch technische Schwierigkeiten bestehen und dass der Mehraufwand bei der Produktion möglicherweise zu Lasten des Kosten-/Nutzenverhältnisses geht.

PVT-Kollektoren mit Luft als Wärmeträger

Der Hybridkollektor hat noch eine weitere Bauform. Dort übernimmt Luft die Rolle des Wärmetransportmittels. Diese Bauweise erfordert zwar eine Ventilation, jedoch ist der PVT-Kollektor trotzdem einfach aufgebaut als ein Kollektor mit flüssigem Wärmeträger, da Rohrleitungen und Zirkulationspumpen entfallen. Laut Bericht wurden vier Hersteller solcher Hybridkollektoren ermittelt. Diese Kollektoren treten laut Projektbericht zur PVT-Normung in drei grundlegenden Bauformen auf.

  • Eine Ausführung besteht aus einem Bauteil mit einer Schicht Photovoltaikzellen auf der Oberseite. Darunter liegt ein Luftkanal. Ein Ventilator erzeugt einen Luftstrom. Die Luft wird durch den Hybridkollektor befördert und erwärmt sich dabei. Diese warme Luft wird dann in das Gebäude weitergeleitet und senkt so den Heizenergiebedarf, während der Luftzug gleichzeitig die Photovoltaikzellen kühlen und so den Wirkungsgrad stabilisieren soll (je heißer PV-Zellen werden, desto mehr sinkt deren Energiebereitstellung).
  • Eine weitere Ausführung reduziert den Photovoltaikanteil beträchtlich. In diesem Hybridkollektor ist ein Ventilator integriert, der für den Luftstrom sorgt. Er wird durch ein Photovoltaikmodul betrieben, das in den Kollektor integriert ist. Hier übernehmen die Solarzellen nur die Stromversorgung des Ventilators. Der zweck dieses Kollektors liegt also in der Bereitstellung warmer Luft.
  • Der dritte Hybridkollektor mit Luft als Wärmeträger eignet sich eher für große Gebäude und Installationsgrößen. Hier befindet sich eine großzügige Hinterlüftung unter den PV-Zellen und Solarthermieabsorbern. Auch hier übernimmt eine Ventilation die Aufgabe, einen ausreichenden Luftstrom sicherzustellen. Diese Bauweise kommt oft als Fassadeninstallation in Bürogebäuden zum Einsatz. Mit speziellen Montagesystemen ist dieser Hybridkollektor jedoch auch auf Dächern einsetzbar.

Vor- und Nachteile von Hybridkollektor & Photothermie / Thermovoltaik im Überblick

Der Wirkungsgrad eines Photovoltaikmoduls liegt bei ca. 25 Grad Celsius am höchsten. Steigen die Temperaturen, verliert ein Photovoltaikmodul pro Grad Celsius etwa 0,5% Leistungsvermögen. Ein Solarthermiekollektor hingegen funktioniert bei deutlich höheren Temperaturen besser - ein Flachkollektor bei durchschnittlich circa 80 Grad Celsius, ein Vakuumröhrenkollektor erreicht oft die doppelten Temperaturen. Hier besteht also ein schwieriges Verhältnis zwischen Strom- und Wärmeerzeugung.

Die Vorteile des Kombi-Moduls können nur unter gewissen Vorbehalten umfassend genutzt werden. Um die Betriebsweisen der Solarthermie und der Photovoltaik optimal ausnutzen zu können, müssen Vorkehrungen an den Kollektoren getroffen werden. So gilt es vor allem, die Solarzellen innerhalb des Moduls kühl zu halten. Verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Photovoltaikanlagen mit Wasserkühlung, Kombinationen mit einer Wärmepumpe oder Anlagen mit einem großem Wärmespeicher stehen hier zur Verfügung. Der Einsatz von einem Hybridkollektor könnte sich vor allem bei Platzmangel auf dem Dach lohnen. Da die Technologie noch vergleichsweise neu ist, stehen noch nicht viele aussagekräftige Ergebnisse zur Verfügung. Konsultieren Sie dazu am besten den obig verlinkten Forschungsbericht, in dem sich einige Meßergebnisse zur Referenz finden lassen.

Bei Interesse am Hybridkollektor sollten Sie erfahrene Solarthermie Fachbetriebe finden. Diese helfen Ihnen bei der Systemfindung gerne weiter.

Weiterlesen zum Thema "Luftkollektor"

Erfahrungen & Fragen zum Thema Solarthermie

Bei Neubau: Gas-Brennwertheizung vs. Luftwärmepumpe?

Wir planen ein Fertighaus - und haben hier die Wahl seitens des Bauträgers zwischen einer Gas-Brennwert Heizung und einer Luft-Wärmepumpe (eine Erdwärmepumpe steht nicht zur Verfügung). Der Gasanschluss kostet ungefähr 400 Euro. Bei den Luftwärmepumpen sind die Mehrkosten etwa 10.000 Euro im Vergleich zur Gasheizung. Angeboten wird hier eine Nibe F2040 oder einer Nibe F2120. Was macht hier am meisten Sinn, um zukünftig auf der sicheren Seite zu sein? Mein Kopf sagt, dass sich der Mehrpreis für eine Luftwärmepumpe beim aktuellen Gaspreis nicht lohnt. Zudem kann man für den Mehrpreis ja auch eine Solarthermie oder Photovoltaikanlage installieren (oder zumindest teilweise auch schon vorbereiten). Allerdings hat meine Frau auch widerrum Vorbehalte gegen die Sicherheit einer Gasheizung (wegen Gasaustritt) - wobei ich nicht weiß, ob das bei neuen / aktuellen Gasheizungen noch ein Thema ist. Was würden Sie hier empfehlen?
Antwort von LKS SARL

Ich würde raten weder noch! Sie haben schon bei der Solarthermie einen vernünftigen Gedanken, warum nicht direkt auf Pellets hinaus gehen: wir haben das schon fast 20 Jahre: Komfort hervorragend, heimische Energie, bezahlbare wenig schwankbare Kosten und Gebäude Wertzunahme.

Anforderungen der EnEV 2016: Erdgasheizung mit einer Photovoltaikanlage möglich?

Wir sind zur Zeit auf der Suche nach der vernünftigsten Heizungsanlage für unseren Neubau. Nach langer Eigenrecherche stellt sich uns die Frage, ob eine Kombination aus einer Erdgasheizung mit einer Photovoltaikanlage die EnEV 2016 Anforderungen erfüllen kann und wirtschaftlich (vor dem Hintergrund von Investitionskosten) sinnvoll ist. Können Sie uns diesbezüglich weiterhelfen? Unsere Verunsicherung rührt daher, dass die meisten Foren, Tabellen oder Informationsportale lediglich die Kombination aus Erdgasheizung plus Solarthermie oder Luftwärmepumpe plus Photovoltaik vorzuschlagen scheinen. Was würde aus Ihrer Sicht dafür oder dagegen sprechen?
Antwort von Elsner Architekten

Aus meiner Sicht sind das zwei unabhängige Maßnahmen: Die Gasheizung verbraucht kaum Strom (nur zum Zünden und für Pumpen und Stellventile) und kann direkt mit dem Strom, den eine Photovoltaikanlage liefert, nicht viel anfangen. Und die Photovoltaikanlage liefert eben Strom, mal viel, mal wenig. Wenn sie groß genug ist, reicht es vielleicht für eine überwiegende Abdeckung Ihres Stromverbrauchs, und für einige Einspeisung ins Versorgungsnetz. Das hat aber keine Auswirkung auf die Heizung.

Die Kombination von Gasheizung mit Solarthermie führt hingegen zu einer Erhitzung eines Wasservolumens, das als Brauchwarmwasser genutzt werden kann, oder als Puffer für Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung. Hierdurch sinkt direkt der Gasverbrauch. Natürlich kann man auch Gasheizung und Solarthermie einrichten und zusätzlich einige Photovoltaikzellen installieren.

Die Kombination Solarthermie + Wärmepumpe ist zweckmäßig, da die Wärmepumpe ein vergleichsweise großer Stromverbraucher ist, dessen Verbrauch durch die Photovoltaik weitgehend abgedeckt werden kann.

Ob das, was Sie vorhaben, der EnEV 2016 entspricht, hängt noch an einigen weiteren Parametern, und müsste im konkreten Einzelfall beurteilt werden.

Wird ein Grundofen im Primärenergiebedarf mit eingerechnet?

Können Sie mir sagen, ob ein Grundofen im Primärenergiebedarf mit eingerechnet wird? Wir planen zwei Vollgeschosse ohne Keller, Massiv mit Planziegel T9 in 36,5cm Stärke. Ausrichtung ist SW, d.h. es sind 10 von insgesamt 14 Fenster nach Süden und Westen ausgerichtet. Am liebsten wäre mir eine Gasheizung mit Solarthermie für Warmwasser und der Grundofen ohne Wassertasche für die winterliche Gemütlichkeit. Sollte das überhaupt nicht funktionieren (ohne Solar für Heizung und ohne Lüftungsanlage), könnte/ müsste ich mich mit einer Luftwärmepumpe anfreunden.
Antwort von Energieberatung Stapff

Viele gute Antworten, aber leider liegen einige KollegenInnen etwas daneben.

Wenn für das gleiche Wohngeschoss eine weitere Zentralheizung vorhanden ist, darf der handbeschickte Ofen nicht EnEV-angerechnet werden. Ist der Ofen aber Hauptheizung (Zentralheizung) für dieses Wohngeschoss, ist er natürlich anrechenbar. Es war nie verboten (auch von der EnEV nicht), als Heizung Einzelöfen für Biomasse einzusetzen.

Grundsätzlich ist ein Grundofen zu empfehlen, wenn Sie im Dauerbetrieb heizen können. Abends schnell mal einheizen geht damit nicht, da braucht es einen Kaminofen ohne Speichermasse.
Ein wasserführender Grundofen kann nicht sicher funktionieren, deshalb bietet der seriöse Fachhandel auch keinen an.

Gastherme und Solar für WW ist nach wie vor die preiswerteste Heizenergielösung. Ein bisschen mehr Dämmung dazu, dann ist der nachweis Erneuerbare Energie geführt. Ich kenne kein Bauamt, das nach diesem Nachweis fragt.
Bauherren fragen meist nach pragmatischen Lösungen, nicht nach realitätsfremden Vorschriften.

Winterliche Grüße
www.energie-wuerzburg.de

Eigene Frage stellen

Sie haben eine Frage?

HausCo Logo
Experten und Fachbetriebe beantworten kostenlos Ihre Fragen zum Thema Solaranlagen
Jetzt Frage stellen