Kombi aus Strom und Wärme – der Hybridkollektor

Bei der Anschaffung einer Solarthermieanlage werden erneuerbare Energien genutzt, um durch die Strahlungen der Sonne in Wärme umzuwandeln. Was wäre, wenn man durch die Kollektoren nicht nur Wärme, sondern auch Strom erzeugen könnte? Es besteht die Möglichkeit eine thermische Solaranlage mit einer Photovoltaikanlage zu kombinieren. Wohingegen die Solarthermieanlage die Energie der Sonne in Wärme umwandelt, wird bei Photovoltaikanlagen mithilfe der Solarzellen über die Strahlungen der Sonne Strom erzeugt. Diese Kombination nennt man Hybridkollektor, Photothermie, Thermovoltaik oder auch PVT-Kollektor.

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Einsatz und Funktion

Die Hybridkollektoren vereinen alle Technologien, die Strom und Wärme aus solarer Energie herstellen. Die Hybridkollektoren können mit einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe kombiniert werden. So wird der Strom entweder im Kessel eingespeist, versorgt die Wärmepumpe mit dem notwendigen Strom oder nutzt den Strom für den Bedarf des Haushalts. Vom Aufbau sind die Hybridkollektoren den herkömmlichen Flachkollektoren ähnlich. Direkt unter dem Solarglas befinden sich die Photovoltaikzellen für die Stromerzeugung. Unter den Zellen befindet sich der Solarabsorber, für die Entstehung der Wärme. Als Wärmeträger wird bei Hybridkollektoren entweder Solarflüssigkeit oder auch Luft eingesetzt.

Hybridkollektor - Solarstrom und Solarwärme zugleich

Hybridkollektoren mit Solarflüssigkeit oder Luft

Man unterscheidet zwischen mehreren Modellen von Hybridkollektoren. Als Wärmemedium wird bei diesen Hybridkollektoren Luft eingesetzt, jedoch gibt es auch Hybridkollektoren mit flüssigem Wärmeträger.
1. Ein Modelltyp der Hybridkollektoren beinhaltet auf der Oberseite des Gehäuses eine Schicht aus Photovoltaikzellen. Unter dieser Schicht liegt der Luftkanal, in dem ein Ventilator einen Luftstrom erzeugt. Durch den Ventilator wird die Luft durch den Hybridkollektor befördert und dabei erwärmt und an den Haushalt weitergegeben. Durch den Luftzug werden wiederum die Photovoltaikzellen abgekühlt und erhöhen somit den Wirkungsgrad.

2. Ein weiteres Hybridkollektor-Modell beinhaltet ebenfalls einen Ventilator, jedoch wird dabei der Anteil an Photovoltaik reduziert. Bei dieser Ausführung von Hybridkollektoren übernehmen die Photovoltaikmodule lediglich die Stromversorgung des Ventilators und produzieren dabei keinen Strom für den Haushalt.

3. Eine Ausführung von Hybridkollektoren eignet sich am Besten für größere Gebäude. Bei diesem Modell wird eine große Lüftung unter den Photovoltaikzellen und Solarthermieabsorbern verbaut. In der Regel werden sie an der Fassade des Gebäudes verbaut, lassen sich jedoch durch spezielle Montagesysteme auch auf dem Dach installieren. Auch bei dieser Ausführung wird über den Ventilator ein Luftstrom erzeugt.

4. Zusätzlich gibt es eine Variante, die sich „flexiblen Hybridkollektor“ nennt. Bei dieser Variante kann der Bedarf an Wärme und Strom individuell angepasst werden. Jedoch befindet sich der flexible Hybridkollektor noch in der Prototypphase. Dazu haben wir für Sie ein interessantes und aufschlussreiches Video gefunden: https://www.youtube.com/watch?v=yc9gIMIVesY
Wenn der Bedarf an Strom und Wärme besteht, funktioniert dieses Modell wie ein ganz normaler Hybridkollektor. Wird im Sommer jedoch keine Wärme benötigt, werden die Heizelemente über einen solar betrieben Motor im Inneren des Gehäuses von einer zusätzlichen Schicht von Photovoltaikmodulen verdeckt.

Bei der Auswahl des Hybridkollektors haben Sie also die freie Wahl, ob Ihnen die solarthermische Leistung oder ein höherer Stromertrag wichtiger ist.

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Wasserkollektoren PV/T

Die PV/T-Wasserkollektoren sind in verglasten und unverglasten Kollektoren erhältlich. Hauptsächlich sind die Hybridkollektoren zweischichtig aufgebaut, denn unter der Glasabdeckung befinden sich die Photovoltaikmodule für die Stromerzeugung. Unter der Photovoltaikmodulen befinden sich die Elemente der Solarthermie, die mithilfe des Absorbers die durch die Strahlungen der Sonne gewonnene Energie in Wärme umwandelt. Als Wärmemedium wird in diesem Fall jedoch keine Luft, sondern Wasser genutzt. Das Wasser wird nach Erwärmung durch die Rohre befördert und in den Warmwasser- und Heizkreislauf eingespeist.
Bei der abgedeckten Variante von PVT-Kollektoren wird auf eine Absorberbeschichtung verzichtet. Dies bringt den Vorteil, dass die Verluste der Strahlungen mit erhöhtem Temperaturunterschied zwischen Glasabdeckung und Absorber anwachsen. Im Vordergrund steht dabei jedoch eher die Stromerzeugung und nicht die Erzeugung von Wärme, denn je kühler die Photovoltaikzellen sind, desto mehr Strom kann erzeugt werden. Bei dieser Variante erfüllt der Wärmeträger den Zweck, die Photovoltaikmodule zu kühlen.

Worunter unterscheiden sich Hybridkollektoren und Photovoltaikmodule?

Der wesentliche Unterschied zwischen Hybridkollektoren und Photovoltaikmodulen ist die Absorption der von ihr produzierten Wärme mittels Luftströmung. Die Luft wird erwärmt und zum Gebäude befördert. Dadurch werden die Photovoltaikmodule abgekühlt und können bessere Leistungen erbringen. Denn die Photovoltaikmodule erbringen die beste Leistung bei niedrigen Temperaturen. Durch diese Kombilösung von Solarthermie und Photovoltaik können besonders die Photovoltaikmodule trotz starker Sonnenstrahlung größere Leistungen erbringen. Überhitzungsgefahr besteht nur bei mangelnder Wärmeabführung.

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Gefahr durch Überhitzung

Wenn durch die Hybridkollektoren mehr Wärme entsteht, als durch den Haushalt verbraucht werden kann, droht eine Überhitzung. Besonders Ein- oder Mehrfamilienhäusern sind davon betroffen, weniger bei größeren Häusern, Schwimmbädern oder Gewerbegebäuden. Jedoch kann man spezielle Vorkehrungen treffen, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Die erste Vorkehrung wäre zum Beispiel ein größerer Pufferspeicher. Dieser kann die überschüssige Wärme auffangen und bei Bedarf wieder an die Kollektoren abgeben. Damit werden die Photovoltaikmodule vor Überhitzung geschützt und zudem erhöht sich der Wärmeertrag. Entscheidend dabei ist die richtige Auslegung der Solarthermie-Kollektoren und den Photovoltaikmodulen.
Außerdem besteht die Möglichkeit die Wärme in Strom über einen Thermogenerator umzuwandeln, auch Thermovoltaik genannt. Bei hohen Temperaturdifferenzen wandelt der Thermogenerator die Wärme in elektrischen Strom um.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad wird ermittelt durch das Verhältnis zwischen nutzbaren Solar-Einstrahlungen über die Technik und der tatsächlich erreichten Leistung, denn Wärmeverluste treten bei allen Kollektoren zwangsläufig auf.
Handelsübliche Kollektoren erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent, wobei die Photovoltaikmodule in der Regel einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent erreichen. In Verbindung mit dem Hybridkollektor können die Werte je nach Außentemperatur und Aufbau des Kollektors variieren. Der thermische Wirkungsgrad beläuft sich bei diesem System circa auf 65 Prozent und der elektrische Wirkungsgrad auf 17 Prozent.
Durch die ständige Erwirtschaftung von Wärme, arbeiten die Hybridkollektoren selbst im Winter effektiv, da die Fläche der Kollektoren frost- und schneefrei bleibt.

Vorteile von Hybridkollektoren

Wenn Sie Ihren Bedarf an Warmwasser, Heizung und Strom über einen Kollektor erzeugen möchten, empfiehlt sich die Anschaffung von Hybridkollektoren. Damit vereinen Sie alle Systeme und müssen nicht auf getrennte Systeme zugreifen. Der Wirkungsgrad bei Hybridkollektoren ist sehr hoch, denn überschüssige Wärme wird abgeführt und gespeichert. Außerdem sparen Hybridkollektoren Kosten und arbeiten dabei effizient. Selbst eine kleine Dachfläche kann energetisch voll ausgenutzt werden ohne dabei durch Aufständerungen verbessert zu werden. Die Hybridkollektoren werden nahtlos aneinander in das Dach gelassen und machen auch optisch einen guten Eindruck. Zudem lassen sich Hybridkollektoren vielfältig einsetzen. Sie lassen sich nicht nur für die Warmwasserbereitung einsetzen, sondern auch Luft-Wärmepumpen oder Niedertemperaturheizungen unterstützen. Jedoch ist Photothermie in Deutschland im Gegensatz zu zwei getrennten Systeme für Solarthermie und Photovoltaik noch nicht weit verbreitet.

Kosten

Bei den Anschaffungskosten einer kompletten Solarthermie-Photovoltaik-Hybridanlage, müssen alle dazugehörigen Komponenten berücksichtigt werden. Dazu kommen das Speichersystem, das Anschlusszubehör und die Kosten für die Installation. Die reinen Kosten der einzelnen Hybridkollektoren belaufen sich auf circa 700 bis 800€, bei dem kompletten System liegen die Anschaffungskosten für etwa 5 Kollektoren bei circa 5.500 bis 6.500€. Berücksichtigen Sie bei der Anschaffung jedoch die Förderung der BAFA oder die zinsgünstigen Kredite der KfW-Bankengruppe. Außerdem lassen sich durch die Einspeisevergütung für Strom zusätzliche Kosten einsparen und damit die Amortisationszeit der Anlage erheblich verkürzen.

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