Die Dachfläche kann normalerweise nur einmal energetisch genutzt werden: entweder mit solarthermischen Kollektoren zur Warmwasserbereitung oder mit photovoltaischen Modulen zur Stromerzeugung. Doch je mehr Personen unter einem Dach wohnen, desto größer ist der Energiebedarf und desto knapper ist die Dachfläche. Das gilt vor allem für Mehrfamilienhäuser und führt zur Notwendigkeit, die Dachfläche besser auszunutzen. Weil sich Photovoltaik-Module durch die Sonneneinstrahlung und die dadurch ausgelöste Stromproduktion stark aufheizen, liegt es nahe, ein Modul zu entwickeln, das Strom- und Wärmeproduktion miteinander kombiniert, indem es die Abwärme der photovoltaischen Stromerzeugung sammelt. Durch Nutzung der Abwärme wird dieser Consolar-Kollektor sowohl photovoltaisch als auch thermisch aktiv (PVT-Kollektor).

PVT-Kollektor von Consolar für doppelte Wärmenutzung

Der von Consolar entwickelte PVT-Kollektor Solink besteht aus einem 2 Quadratmeter großen Photovoltaik-Modul, auf dessen Unterseite sich nicht nur ein Kupferrohr zur Abführung der Wärme befindet, sondern auch ein spezieller Luft-Wärmetauscher, dessen Lamellen eine 20 Quadratmeter große Fläche aufweisen, sodass eine hohe Aufnahme der Wärmeleistung möglich ist. Man kann also von doppelter Wärmenutzung sprechen.

Das durch die Abwärme des Photovoltaik-Moduls und durch die Umgebungsluft erwärmte Wärmeträgermedium wird nicht wie üblich in den Warmwasserspeicher geleitet, sondern direkt in die Wärmepumpe, die deshalb weder Erdsonden noch einen externen Luft-Wasser-Wärmetauscher braucht.

Simulationsrechnungen belegen Flächenvorteil

Simulationsrechnungen haben ergeben, dass für die angestrebte Systemjahresarbeitszahl von 4,3 eine relativ kleine PVT-Kollektorfläche notwendig ist. Denn wenn man eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Solarstrom versorgen will, benötigt man auf dem Dach eine photovoltaische Modulfläche von 40 Quadratmetern, um diese Systemjahresarbeitszahl zu erreichen. Die gleiche Systemjahresarbeitszahl erreicht man schon mit 14 Solink-Kollektoren, denn dann sind 28 Quadratmeter ausreichend.

Ein Beispiel aus Dresden zeigt, dass der größte Teil des Wärme- und Strombedarfs eines Einfamilienhauses auf diese Weise gedeckt werden kann. Familie Salzmann, die ihren Neubau im Herbst 2018 bezogen hat, entschied sich für ein Wärmepumpen-System, das seine Wärmeenergie aus 15 Solink-Kollektoren bezieht.

Der Betrieb in Verbindung mit einer Sole-Wärmepumpe ermöglicht eine deutliche Abkühlung der photovoltaischen Solarzellen an der Kollektoroberfläche, mit dem erwünschten Nebeneffekt, dass durch die Abkühlung der Wirkungsgrad der photovoltaischen Stromerzeugung um einige Prozent steigt.

Wärmepumpe in Verbindung mit Eisspeicher

Eine Wärmepumpe mit 7 Kilowatt Leistung wandelt in Verbindung mit einem Eisspeicher die Niedertemperaturenergie in Wärme für Heizung und Warmwasser um. Dabei sollen unter Berücksichtigung des auf dem Dach erzeugten und direkt genutzten Solarstroms aus einer Kilowattstunde Strom etwa 4,3 Kilowattstunden Wärme für die Heizung oder zur Trinkwassererwärmung gewandelt werden. Der von der Wärmepumpe nicht genutzte Strom steht für den Haushalt zur Verfügung und reduziert die Stromrechnung der Familie Salzmann.

Der in Kooperation mit einem holländischen Partner und mit Unterstützung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) entwickelte Kollektor weist eine Reihe von Besonderheiten auf.  Die Kollektoren lassen sich zum Beispiel über ein aus der Solarthermie bewährtes Stecksystem hydraulisch und über gängige Steckverbinder elektrisch verbinden. Weiterhin lässt sich der komplette Wärmebedarf und über das Jahr in den meisten Fällen auch der Strombedarf mit den Kollektoren decken. Wegen der Kühlung durch den Luftwärmetauscher und den Wärmeentzug durch die Wärmepumpe produziert die Anlage etwa 7 bis 10 Prozent mehr Strom als das gleiche PV-Modul ohne die Kühlung durch eine Wärmepumpe. Die Kollektoren kommen ganz ohne die bei Luft-Wasser-Wärmepumpen üblichen Ventilatoren sowie ohne ein Außengerät aus. Sie sind auf dem Dach montiert, während die Wärmepumpe mit Eisspeicher in der Wohnung der Familie Salzmann untergebracht ist.

Gute Systemjahresarbeitszahl

Für das System wurden unter Berücksichtigung des selbst erzeugten Stroms dabei Systemjahresarbeitszahlen zwischen 4 und 5 berechnet. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe nur etwas mehr als die Hälfte des Stroms benötigt, den eine Luft-Wärmepumpe aufgrund ihrer deutlich schlechteren Arbeitszahl braucht. Damit leisten Salzmanns nicht nur einen Beitrag zum Klimaschutz, sondern sind gewappnet gegen künftige Strompreiserhöhungen.

Das Konzept baut auf einer Kooperation mit dem holländischen Entwicklungspartner sowie mehrjährigen durch das Bundesumwelt-, das Bundeswirtschaftsministerium und die Deutsche Bundesstiftung Umwelt geförderten Voruntersuchungen auf. Diese wurden in Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) geleistet. Ende 2016 wurde die zum Patent angemeldete Neuentwicklung als Vorserie realisiert. Erste Anlagen laufen seit Ende 2016 in Lörrach und Amsterdam. Über 50 Anlagen im In- und Ausland haben Consolar und sein holländischer Entwicklungspartner mittlerweile in Betrieb genommen.

Hier finden Sie eine Youtube Animation zu Solink. Einen Beitrag von unserem Autoren Joachim Berner zur PVT-Technik finden Sie hier.

28.11.2019 | Quelle: Consolar | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

Diesen Beitrag hat das Redaktionsteam des Solarthermie-Jahrbuchs verfasst.