PV und Wärmepumpe: Grünen Strom vom Dach selbst nutzen
Mit einer Wärmepumpe erschließt man sich eine unerschöpfliche Energiequelle auf dem eigenen Grundstück. Damit gewinnen Bauherren ein hohes Maß an Unabhängigkeit von den fossilen Energieträgern. Wärmepumpen und PV-Anlagen sind ein kongeniales Dreamteam: Ein flexibles Wärmepumpensystem kann den selbst produzierten Ökostrom in Form von Wärme speichern, die es in Trinkwarmwasser- und Pufferspeichern sowie im Gebäude selber einlagert. Die Wärme steht anschließend ohne Komfortverluste für die Bewohner bereit. Dieses „Power to Heat“-Prinzip ist besonders effizient, da Wärmepumpen durch die Nutzung regenerativer Umweltwärme mit einer Einheit Strom als Antriebsenergie 3 bis 4 Einheiten Wärme erzeugen.
Das Verfahren eignet sich für Hausbesitzer, die den Eigenverbrauch ihrer Solaranlage erhöhen wollen: 30 bis 50 Prozent des benötigten Stroms für den Betrieb der Wärmepumpe können so durchschnittlich selber produziert und direkt verbraucht werden. Eine auf den Eigenverbrauch optimierte Photovoltaik/ Wärmepumpen-Kombination erreicht – ganz ohne teure Batteriespeicher – eine Eigenverbrauchsquote von bis zu 70 Prozent.
Beispiele aus der Praxis:
PVT und Wärmepumpe: Sonnenenergie doppelt nutzen
Ein PVT-Kollektor nutzt die Sonnenenergie gleich doppelt. Das an der Moduloberfläche angebrachte Photovoltaikmodul (PV) wandelt die Solarstrahlung in Strom um. Der auf der Rückseite angebrauchte Wärmetauscher verwendet die thermische Energie (T) aus der Umgebungsluft als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Ähnlich wie bei einer Solarthermieanlage wird die Wärme über zwei diffusionsdicht gedämmte Leitungen in den Technikraum befördert.
Bei einem PVT-Kollektor wird also kein zusätzlicher Platz auf dem Grundstück benötigt. Würde man den Wärmetauscher ausrollen, wäre dieser ca. acht Mal so groß wie das Modul selbst. Aufgrund der großen Fläche ist auch ein Wärmeentzug bei Minusgraden möglich, sodass neben der angeschlossenen Wärmepumpe kein zusätzlicher Wärmeerzeuger notwendig ist. Lediglich die Dachfläche muss groß genug sein.
Beispiele aus der Praxis:
PVT und Wärmepumpe im saarländischen Mehrfamilienhaus
Bauformen von PVT-Kollektoren
Die Vorderseite eines PVT-Moduls funktioniert wie ein klassisches Photovoltaik-Modul. Sie wandelt Sonnenlicht in Strom um. Der Unterschied liegt auf der Rückseite. Dort befindet sich der thermische Teil, der Wärme aufnimmt. Je nach Bauweise gibt es zwei grundlegende Varianten:
Ungedeckte PVT-Kollektoren
Bei dieser Bauart liegt unter dem PV-Modul ein Wärmetauscher ohne zusätzliche Abdeckung oder Dämmung. Durch diesen Wärmetauscher fließt eine Flüssigkeit (meist ein Wasser-Glykol-Gemisch). Sie nimmt Wärme aus der Umgebung auf. Dafür braucht es nicht nur die Sonne, sondern vor allem auch Umweltwärme aus der Luft unter dem Modul. Entsprechend arbeiten ungedeckte PVT-Kollektoren mit niedrigen Temperaturen nahe der Außenluft und können selbst bei geringer Sonneneinstrahlung oder nachts noch Energie liefern. Überschüssige Wärme wird an die Umgebungsluft abgegeben, wodurch eine Überhitzung vermieden wird. Insgesamt eignen sich ungedeckte Systeme besonders für die ganzjährige Wärmegewinnung. Diese Bauart ist besonders sinnvoll einzusetzen in Kombination mit (PVT-)Wärmepumpen. Denn die Wärmepumpen können auch mit niedrigen Temperaturen effizient arbeiten und nutzbare Heizwärme und Warmwasser an das Gebäude abgeben. Auch bei Nacht, im Winter oder auf der Nordseite von einem Dach.
Gedeckte PVT-Kollektoren
Diese Bauart ist vergleichbar mit klassischer Solarthermie. Über den PV-Zellen liegt eine zusätzliche Glasscheibe. Zwischen Glas und Modul entsteht eine Luftschicht, die Wärmeverluste reduziert. Auf der Rückseite sitzt ebenfalls ein Wärmetauscher mit Flüssigkeit. Gedeckte PVT-Kollektoren erreichen dadurch höhere Temperaturen als ungedeckte Systeme und weisen geringere Wärmeverluste auf. Ihre Funktionsweise ähnelt der eines Solarthermie-Kollektors, weshalb die erzeugte Wärme häufig direkt genutzt werden kann, beispielsweise für die Warmwasserbereitung. Allerdings ist ihre Leistung stark von der Sonneneinstrahlung abhängig.
PVT-Ready: Die richtige Wärmepumpe finden
PVT-Kollektoren als Wärmequelle stellen besondere Anforderungen an die Wärmepumpe, denn die Temperaturen der Sole aus dem Solarkreis können stark schwanken. In den Sommermonaten liegt die Temperatur bei bis 70 Grad Celsius, je nach Bauform des PVT-Kollektors. In kalten Winternächten kann die Sole mit Temperaturen bis zu minus 15 Grad Celsius vom Dach kommen. Ob eine Sole-Wärmepumpe auch für PVT-Anwendungen mit größeren Temperaturschwankungen ausgelegt ist, wird durch das PVT-Ready Label kenntlich gemacht. Der freigegebene Bereich der Eintrittstemperatur der Wärmequelle für die Wärmepumpe ist dabei ein entscheidendes Kriterium.
Grundprinzip der PVT-Ready Definition ist, dass die Regelung der Wärmepumpe möglichst gut auf die Besonderheiten der PVT-Kollektoren ausgerichtet ist, um „Bastellösungen“ mit vielen Schnittstellen zu vermeiden. Die technischen Standards wurden von drei Forschungspartnern bei IntegraTE-XL gemeinschaftlich diskutiert und beschlossen. IntegraTE-XL ist eine Initiative des Fraunhofer ISE zur Marktetablierung und Verbreitung von Anlagen zur thermisch-elektrischen Energieversorgung mittels PVT-Kollektoren und Wärmepumpen für bestehende große Mehrfamilienhäuser und Gewerbeliegenschaften.
FAQ
Ist PVT das Gleiche wie Solarthermie?
Nein, PVT und Solarthermie sind nicht dasselbe. Solarthermie nutzt zur Erwärmung des Brauchwassers oder zur Heizungsunterstützung ausschließlich die Wärme aus der Sonnenstrahlung. PVT-Module hingegen kombinieren Photovoltaik und Wärmepumpentechnologie: Sie erzeugen Strom aus Sonnenlicht und nutzen zu 80 % die Umgebungsluft zur Wärmegewinnung. Dadurch arbeiten PVT-Module auch nachts und im Winter, wodurch Sie in Kombination mit einer (PVT-)Wärmepumpe das Haus ganzjährig ohne weitere Wärmeerzeuger beheizen. Im technischen Aufbau liegt der große Unterschied im Lamellenwärmetauscher der PVT-Module, der durch die große Fläche zu jeder Tages- und Jahreszeit ausreichend Energie für den jeweiligen Wärmebedarf aufnimmt.
Überhitzen die PVT-Module im Sommer, wenn nicht geheizt wird?
Nein, ein PVT-Modul überhitzt im Sommer nicht. Ganz im Gegenteil: Sobald die Temperatur des Moduls die Außentemperatur übersteigt, gibt der Lamellenwärmetauscher die Wärme effizient an die Umgebungsluft ab – ähnlich wie ein passiver Kühlkörper. Dadurch bleibt die Temperatur des PVT-Moduls in der Praxis etwa 20–25 K niedriger als bei herkömmlichen PV-Modulen.
Heizt ein PVT-System auch im Winter zuverlässig?
Bei der Kombination aus PVT-Modulen und PVT-Wärmepumpe lässt sich auch bei Minustemperaturen und Schnee auf den Modulen ausreichend Wärmeenergie gewinnen. Denn das Gylkol-Gemisch in den Leitungen der PVT-Module ist kälter als die Umgebungsluft. So wandert die Wärme nach dem physikalischen Prinzip von “warm” zu “kalt”.