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Hybridkollektor - Kombination aus Wärme und Strom

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.
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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.

HybridkollektorBild: © 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.

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Dieser Artikel wurde erstellt von: Thorben Frahm, Redakteur www.Solaranlagen-Portal.com