Forschung

PVT-Kollektoren kombiniert mit Wärmepumpen: noch effizienter Strom und Wärme erzeugen

Photovoltaisch-thermische Anlagen können mit Sonnenenergie Strom und Wärme erzeugen. Gefördert vom BMWK haben Forschende dieses System gleich dreifach optimiert mit einem neuen Kollektorkonzept, einer effizienten Fertigung und optimiertem Betrieb in Kombination mit Wärmepumpen.

Im Forschungsvorhaben PVTsolutions hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gemeinsam mit dem Heizsystem-Anbieter Solvis und dem Absorberhersteller Solab jetzt PVT-Kollektoren entwickelt, die auch in Kombination mit einer Wärmepumpe gute Erträge erzielen können. Eine ihrer Entwicklungen konnten die Forschenden erfolgreich beim Europäischen Patentamt anmelden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz hat das Projekt PVTsolutions mit rund 1,8 Millionen Euro gefördert.

PVT-Kollektoren für unterschiedliche Temperaturniveaus

Auf einer Pilotfertigungslinie produzierten die Projektpartner zwei unterschiedliche PVT-Kollektortypen, die zusätzlich in Demogebäuden getestet wurden.

PVT-Kollektor mit Frontglas und Dämmung

Hierbei handelt es sich um einen gedämmten und vorderseitig abgedeckten Kollektor. Die zusätzliche Frontabdeckung des PV-Moduls durch eine Glasscheibe sowie die rückseitige Wärmedämmung dienen dazu, den Wärmeverlust an die Umgebung zu minimieren. Damit können möglichst hohe Vorlauftemperaturen bei guter Effizienz erreicht werden. Der PVT-Kollektor ermöglicht es, in einem Heizsystem mit Niedertemperatur-Warmwasserbereitung die Wärme direkt und ohne Temperaturhub durch eine Wärmepumpe zu nutzen. Das Wissenschaftsteam konnte zeigen, dass gerade im Sommer und in den Übergangszeiten eine direkte Speicherbeladung (ohne Wärmepumpe) mit guter Kollektoreffizienz möglich ist. Kombiniert man diese Funktion zusätzlich mit einer Wärmepumpe, können die PVT-Kollektorjahreserträge nochmals deutlich steigen.

PVT-Niedertemperatur-Kollektor

Diese unabgedeckte Kollektorvariante ist teilweise mit einem Luftwärmeübertrager ausgestattet, der in Form von Alulamellen auf der Rückseite des Absorbers angebracht ist. Auf diese Weise ist es möglich, auch ohne Solarstrahlung Quellwärme für eine Wärmepumpe bereitzustellen. Experimente an kleinskaligen Absorbermustern haben gezeigt, dass die Lamellenstruktur eine Leistungssteigerung von 50 Prozent und mehr im Vergleich zur Probe ohne Lamellen ermöglicht. Bei einer realen PVT-Installation ist die Steigerung dabei sehr stark von der Montagesituation abhängig. Dieser Kollektortyp ist sehr spezifisch darauf ausgerichtet als Wärmequelle für eine Wärmepumpe im Heizsystem eines Gebäudes zu fungieren.

Wärmepumpen-Booster mit abgedeckten PVT-Kollektoren

Gerade in Mehrfamilienhäusern gibt es einen hohen Bedarf an Warmwasser. Eine direkte Nutzung der PVT-Wärme ist oftmals bei geringer Sonneneinstrahlung aufgrund der hohen geforderten Temperaturen für Warmwasser nicht möglich. Daher untersuchten die Forschenden, wie hier abgedeckte PVT-Kollektoren am besten integriert werden können. Dazu kombinierten sie die Anlage mit einem Wärmespeicher, bei dem eine so genannte Booster-Wärmepumpe das obere Speichervolumen erwärmt und dabei das untere Speichervolumen abkühlt. Durch die niedrigen Speichertemperaturen im unteren Volumen arbeiten die PVT-Kollektoren auf niedrigem Temperaturniveau und erzielen dadurch hohe thermische und elektrische Erträge.

Es zeigte sich, dass der Einsatz einer Booster-Wärmepumpe die thermischen Erträge von PVT-Kollektoren steigert (bis zu 300 Prozent bei abgedeckten PVT-Kollektoren). Da die Quelltemperatur auch bei geringer Einstrahlung durch die Wärmepumpe auf die Soll-Temperatur angehoben wird, kann ein deutlich größerer Anteil erneuerbarer Wärme für die Warmwasserbereitung verwendet werden. Der Beitrag des fossilen Heizkessels im Simulationsbeispiel kann so um 33 Prozent reduziert werden.