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PVT-Wärmepumpen-Kollektor

PVT-Wärmepumpen-Kollektoren gewinnen gleichzeitig Strom über Photovoltaik (PV) sowie Solar-Thermische- (T) und Luft-Wärme als Energiequelle für Sole-Wärmepumpen

Foto, Nahaufnahme von Photovoltaik-Kollektoren auf einem Dach vor blauem Himmel.

Ansatz

Dach- und Fassadenflächen können normalerweise nur einmal energetisch genutzt werden: entweder mit solarthermischen Kollektoren zur Wärmegewinnung oder mit photovoltaischen Modulen zur Stromerzeugung.

Die für Sole-Wärmepumpen entwickelten PVT-Kollektoren – auch Solar-Hybridkollektoren genannt – dagegen kombinieren die Strom- und Wärmeproduktion, indem sie über den Wärmetauscher auf der Rückseite zusätzlich Wärme aus der Luft aufnehmen. Das durch die Abwärme des Photovoltaik-Moduls und durch die Umgebungsluft erwärmte Wärmeträgermedium (Sole) wird nicht wie üblich in den Warmwasserspeicher geleitet, sondern dient als Energieträger für die Wärmepumpe. Sie wird so auch in der Nacht mit Wärme versorgt. Diese Kollektoren liefern im Jahresmittel auch den nötigen Strom für den Betrieb der Wärmepumpe. Der von den Kollektoren produzierte Strom, der nicht für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird, kann für den Haushalt, zum Laden eines Batteriespeichers oder andere Zwecke genutzt, der überschüssige Strom ins Netz eingespeist werden.

PVT-Kollektoren bringen gleich mehrere Vorteile: Dach- und Wandflächen werden doppelt genutzt, die Wärmepumpe benötigt weder Erdsonden noch einen externen Luft-Wasser-Wärmetauscher. Nutzer erzielen eine ähnlich hohe Effizienz wie mit Erdwärmepumpen, die Betriebskosten bleiben niedrig, und die Anlage läuft geräuschlos. Die PVT-Kollektoren sind flexibel anwendbar – auf Ein- und Mehrfamilienhäusern, Büro-, Gewerbe- oder kommunalen Gebäuden, in Schwimmbädern oder als Ersatz/Erweiterung von Erdsonden-Feldern.

Ein PVT-Kollektor-Modul besteht aus einem XL-Photovoltaikmodul von 2,25 m² Größe sowie einem speziellen Luft-Wärmetauscher (20 m² Oberfläche) an der Unterseite zur Gewinnung von Wärme.

Das Modul wurde bis zum Winter 2016/17 erprobt und basiert auf einer von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Vorläuferentwicklung, die bereits seit 2014 im Einsatz ist. Mittlerweile sind europaweit über 1.200 Anlagen mit dieser Technologie in Betrieb.

  • 65% Erneuerbare Energien
  • Energieeffizienz
  • Innovation
  • Wärmepumpe
Stand: September 2022

Datenblatt:

Themenfeld
Anlagentechnik / Erneuerbare Energien


Art der Innovation
Bauteil / Technologie


Reifegrad
Marktreife


Initiator
Stiftung / Unternehmen

Herausforderungen

Für einen geringen Stromverbrauch mussten bislang über Erdarbeiten Sonden oder Erdreich-Wärmetauscher verlegt werden. Darauf kann mit PVT-Wärmepumpenkollektoren verzichtet werden. In den meisten Fällen reichen Dach- oder ggf. Fassadenflächen aus. Der große Luft-Wärmetauscher sorgt im Vergleich zu Standard-Photovoltaik-Modulen mit und ohne Wärmepumpenbetrieb für eine geringere Modultemperatur und damit für einen etwa sechs bis zehn Prozent höheren Stromertrag. Durch die reduzierte Modultemperatur kann mit einer längeren Lebensdauer gerechnet werden. Für die angestrebte Systemjahresarbeitszahl eines Hauses ist im Vergleich zur herkömmlichen Versorgung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Solarstrom eine deutlich kleinere PVT-Kollektorfläche notwendig.

Eine besonders hohe Effizienz wird erzielt, wenn Solar-Hybridkollektoren mit einer Wärmepumpe sowie einem Warmwasserspeicher kombiniert werden. Das Zusammenspiel bewirkt, dass die Wärmeenergie am Modul durch die Wärmepumpe zum Heizen nutzbar gemacht wird. Im Sommer wird die besonders große Menge an erzeugter Wärme in einem Warmwasserspeicher gespeichert, was auch den Vorteil hat, dass dadurch die Stagnation der Anlage verhindert wird.

Beispielhafte Darstellung der Funktionsweise von PVT-Hybridkollektoren für ein saniertes Mehrfamilienhaus mit sechs Wohneinheiten.

Ziele & Erfolge

PVT-Wärmepumpenkollektoren sind eine echte Alternative zum Gas, Öl oder zu stromintensiven Luft-Wärmepumpen. Sie reduzieren die Betriebskosten durch einen hocheffizienten stromsparenden Wärmepumpenbetrieb und ermöglichen eine Ersparnis an Stromkosten durch selbst produzierten Strom. Die Nutzer leisten so nicht nur einen Beitrag zum Klimaschutz, sondern sind auch gewappnet gegen künftige Strompreiserhöhungen. Darüber hinaus können Einnahmen durch Stromeinspeisung bei Nutzung der Einspeisevergütung generiert werden.

Auch die Installation geht unkompliziert vonstatten. Die Kollektoren lassen sich über ein in der Solarthermie bewährtes Stecksystem hydraulisch und über gängige Steckverbinder elektrisch verbinden. Im Kollektor integrierte Sammler- und Verteilerrohre sorgen für einfache Hydraulik und Montage. Panzerschläuche für die Sole werden über steckbare Spangen ohne Werkzeug in Sekunden fixiert.

Beispielhafte Konfiguration einer PVT-Anlage

Zahlen & Daten

130

Höherer Stromertrag ggü. getrennten Anlagen in Prozent

Modellrechnungen des Fraunhofer ISE zeigen, dass über PVT-Kollektoren bis zu 130 Prozent mehr Strom bei gleichem thermischem Ertrag gewonnen werden, als über getrennte PV und Solarthermie.

Laut Erhebungen der Initiative IntegraTE fallen die Anschaffungs- und Montagekosten für Systeme mit Hybridkollektoren aktuell noch etwas höher aus, als für Systeme, die  ausschließlich aus PV- oder Solarthermiemodulen bestehen. Werden die Kosten allerding mit der Installation zweier separater Solaranlagen verglichen, also für elektrische und für thermische Energie, haben PVT-Kollektoren durchaus Sparpotential, da sich sich die Kosten durch den doppelten Installationsaufwand deutlich erhöhen (Quelle: Solaridee: Die PVT-Anlage).

Darüber hinaus Nutzen PVT-Kollektoren die zur Verfügung stehende Dachfläche effizienter aus. So haben Modellrechnungen des Fraunhofer ISE für ein Demonstrationsgebäude mit fest definierter Dachfläche gezeigt, dass Hybridanlagen im Vergleich zu einer getrennten Installation von Solarthermie und PV-Modulen bis zu 130 Prozent mehr Strom gewinnen, bei gleichem thermischem Ertrag gewonnen.

Energetischer Vergleich eines Gebäudes mit getrennter Installation von Solarthermie und PV mit einem Gebäude mit abgedeckten PVT-Kollektoren.

Akteure & Links

Foto, Nahaufnahme von mehreren Stecknadeln in einer Pinwand, die mit Bindfäden untereinander verbunden sind.
Akteure

Initiative IntegraTE

Die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Initiative IntegraTE soll die Verbreitung von PVT-Solarkollektoren und Wärmepumpen im Gebäudesektor unterstützen und den Bekanntheitsgrad dieser energieeffizienten Technologie steigern.