Das Fazit des deutschen Klimarats ist ernüchternd. Laut dessen jüngstem Bericht wird Deutschland schon sehr bald die Klimaziele reißen. Einer der Gründe: Die Dekarbonisierung des Wärmesektors kommt nicht zügig genug voran. Besserung ist angesichts der aktuellen Gesetzesvorhaben der Bundesregierung nicht in Sicht. Im Gegenteil. Dabei ist die nötige Technik längst am Markt vorhanden.
Wärmepumpen können erneuerbaren Strom in Wärme verwandeln. Sie benötigen dazu neben ausreichend grünem Strom auch ein heißes und ein kaltes Wärmereservoir, mit dem sie Energie austauschen können: Sie besitzen einen Warmwassertank, der für Heizung und Warmwasser im Haus zuständig ist. Zudem müssen sie Wärme mit der Umwelt tauschen. Im Prinzip funktionieren Wärmepumpen wie Kühlschränke, nur umgekehrt: Im Haus soll es warm werden, und die Kälte muss nach außen abgeführt werden. Doch während am Kühlschrank hinten Lamellen reichen, um die Abwärme wegzuleiten, benötigt eine große Wärmepumpe wesentlich größere Kühlmassen.
Standard-Modell: die Luft-Wasser-Wärmepumpe
„In den vergangenen Jahren hat sich eine neue Technologie als vielversprechend herausgestellt“, sagt Bharat Chhugani, Leiter des Projekts Integrate XL am Institut für Solarenergieforschung in Hameln. Es widmet sich der Photovoltaik-Thermie (PVT). Diese hybriden Solarkollektoren kombinieren herkömmliche Solarzellen auf der Oberseite mit einem Wärmetauscher auf der Unterseite. Das Forschungsprojekt hatte bereits einen Vorgänger. Aufgrund seiner überzeugenden Ergebnisse wird es nun fortgesetzt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Die zahlreichen Vorteile der Photovoltaik-Thermie
PVT-Module bringen mehrere Vorteile mit:
- Erstens benötigt man weniger Platz, da man auf derselben Fläche Strom erzeugen und Warmwasser für die Wärmepumpe bereitstellen kann.
- Zweitens entfällt der große Ventilator, der häufig nicht geräuscharm arbeitet und der in manchen Reihenhäusern schon für Zwist unter Nachbarn gesorgt hat.
- Diese beiden Punkte zusammen ermöglichen es drittens, dass sich eine einheitliche optische Gestaltung der Dach- oder Fassadenfläche erzielen lässt, auf denen die Module angebracht werden. Aus architektonischer Sicht ist das nicht uninteressant.
- Und viertens sorgen die Wärmetauscher dafür, dass die Solarzellen gekühlt werden. Das erhöht deren Effizienz.
„Dieser Punkt wird oft beworben“, sagt Chhugani, „allerdings muss man beachten, dass der Effekt übers Jahr gerechnet nicht sehr hoch ist.“ Vor allem im Hochsommer, wenn die Dächer glühen, bricht die Leistung von Photovoltaikmodulen spürbar ein. Die Wärmetauscher auf der Rückseite reduzieren diesen Effekt zwar ein Stück weit, aber die Effizienzsteigerung bewegt sich allenfalls im niedrigen Prozentbereich. Der tatsächliche Reiz von PVT-Anlagen liegt darin, dass sie eine ohnehin genutzte Fläche für den Tausch von Wärme mit der Außenwelt nutzbar machen und noch dazu leise arbeiten. Die nötige Fläche ist dabei überschaubar: Ein Einfamilienhaus kann mit einer Fläche von gut 30 Quadratmetern PVT-Modulen für die Wärmepumpe auskommen.
PVT: Keine Probleme bei Frost
Die Module funktionieren sogar bei klirrendem Frost, denn die Wärmetauscher werden von einem Glykol-Wasser-Gemisch durchströmt. Wie weit die Temperaturen sinken dürfen, hängt letztlich von der Wärmepumpe ab. Sie sollte als PVT-geeignet markiert und für entsprechend kalte Eingangstemperaturen ausgelegt sein. Manche Pumpen laufen bis minus 15 Grad Celsius, andere kommen mit noch tieferen Temperaturen zurecht: bis minus 25 Grad Celsius.
Nicht nur bei Minusgraden ist es wichtig, dass die Wärmepumpe zur PVT-Anlage passt. Eine gute Abstimmung des Systems ist nötig, die physikalischen Parameter müssen zueinander passen. „Daraus ergeben sich Anforderungen an die Temperaturakzeptanz am Verdampfer“, erläutert Korbinian Kramer vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, der das PVT-Branchenprojekt initiiert hat.
Bei PVT-Kollektoren kommen in der Regel drei Verfahren zum Einsatz, um Photovoltaikmodul und thermischen Absorber miteinander zu verbinden: Laminierung, Verklebung oder mechanische Klemmung. Die Laminierung erreicht dabei die höchste Wärmeleitfähigkeit, kann jedoch Spannungen in den Solarzellen verursachen, weil sich die verwendeten Materialien bei Temperaturänderungen unterschiedlich stark ausdehnen.
Holger Neuhaus vom Fraunhofer ISE betont, dass die Lebensdauer der Kollektoren bereits in der Produktion entschieden wird – durch Materialwahl, Fertigungsprozesse und konsequente Qualitätssicherung. Der französische Hersteller Dualsun setzt bei seinen PVT-Kollektoren auf mechanische Klemmung. Zur Senkung des CO₂-Fußabdrucks bezieht Dualsun zudem laminierte PV-Module aus China, verwendet dafür aber Zellen aus CO₂-armem Silizium. Zugleich setzt Dualsun bei den Zulieferern auf eine strenge Null-Fehler-Kontrolle: permanente Überwachung der Produktion vor Ort, Stichproben am Produktionsende sowie monatliche unabhängige Labortests an rund 20 Modulen.
Text: Frank Lassak
PVT in Kombination mit Geothermie
„Man kann PVT auch hervorragend mit Erdwärme verbinden“, sagt Bharat Chhugani. Im Sommer stellen die Solarzellen viel Strom zur Verfügung, mit dem die Wärmepumpe arbeiten kann – nur lässt sich so viel Wärme im Sommer meist gar nicht nutzen. Es gibt jedoch Erdreichsonden, die in die Tiefe gebohrt werden, oder Erdkollektoren, die flach und flächig verlegt werden. In beiden Fällen kann man mit ihnen die überschüssige Wärme einer PVT-Anlage nutzen, um das Erdreich aufzuwärmen. Der Boden kann Wärmeenergie über Monate speichern und die Energie des Sommers in die Herbst- und Winterzeit hinüberretten. Das erhöht die Vorlauftemperaturen, mit denen die Wärmepumpe arbeitet, und spart in der kalten Jahreszeit Energie. „Als zweiten Effekt bringt die Methode mit sich, dass die Erdreichsonden oder Erdkollektoren rund ein Drittel kleiner dimensioniert werden müssen, da mit den PVT-Modulen ebenfalls ein Wärmeaustausch mit der Umgebung möglich ist“, ergänzt Chhugani. Die höheren Installationskosten für die PVT-Module werden also zum Teil durch die niedrigeren Kosten für die Erdarbeiten kompensiert.
PVT könnte in Zukunft lukrativ für Ein- oder Mehrfamilienhäuser werden
Gegenwärtig ist die Technologie eher für größere Abnehmer wie Schwimmbäder, Industriehallen oder auf Quartiersebene von Interesse. In Zukunft könnte sie jedoch zunehmend für Ein- oder Mehrfamilienhäuser lukrativ werden. Dazu müssten die Hersteller entsprechende Fertigungslinien aufbauen – und die Preise sinken. Um hierfür weitere praxisrelevante Daten zu sammeln, sind in jüngster Zeit einige neue Forschungsprojekte an den Start gegangen. Außer Integrate XL widmet sich auch das Projekt Coole Wärme der Universität Oldenburg einem möglichst intelligenten Einsatz der neuen Technologie. International wächst das Interesse ebenfalls. Forschungsinstitute in Frankreich, Spanien, Schweden und Österreich sind bereits auf dem Gebiet aktiv.
Die Möglichkeiten, die PVT bietet, sind vielfältig: Neben Großprojekten kann sich der Einsatz auch in urbanen Räumen lohnen, wo die Lärmbelästigung durch Ventilatoren nicht zu vernachlässigen ist und wo keine Flächen für Erdwärme zur Verfügung stehen. Aktuell wird zudem an PVT-Modulen gearbeitet, mit denen sich Freiflächenanlagen umrüsten lassen, sowie an fassadenintegrierten Lösungen.
