PVT – Sonnenenergie für Strom und Wärme nutzen
Was ist ein PVT-Modul?
Zunächst eine kurze Zusammenfassung des Konzepts „PVT-Modul“: PVT steht für photovoltaisch + thermisch. Photovoltaikanlagen verwandeln Sonnenlicht mittels Solarzellen in elektrische Energie.
Ein PVT-Kollektor erzeugt elektrische und thermische Energie. An der Rückseite des PV-Moduls befindet sich ein Wärmetauscher, der die anfallende Wärme an ein Trägermedium übergibt ‒ in der Regel ein Sole-Gemisch, das verhindert, dass die Flüssigkeit im Winter einfriert. Die gewonnene Wärme kann dann über eine Wärmepumpe zur Beheizung und Warmwasserversorgung des Gebäudes eingesetzt werden. Das führt zu einer Abkühlung des PV-Moduls und somit wiederum zu einem höheren elektrischen Ertrag. Denn je wärmer das PV-Modul, desto schlechter wird dessen Wirkungsgrad.
Wie hoch ist der elektrische Ertrag?
Neben dem Standort ist die Einstrahlung auch von der Ausrichtung und der Neigung des Kollektors abhängig. In Deutschland ist die für den Jahresertrag optimale Ausrichtung Süden, mit einem Neigungswinkel von ca. 30°. So ergibt sich eine Strahlungsenergiemenge von etwa 1.000 kWh pro m² pro Jahr, je nach Standort. Das wäre also die zur Verfügung stehende Energiemenge. Mit einem modernen PV-Modul mit einem Wirkungsgrad von 20% könnte man so also grob abgeschätzt eine elektrische Energiemenge von 200 kWh pro m² pro Jahr generieren.
Der maximale theoretische Wirkungsgrad von polykristallinen Siliziumzellen liegt übrigens bei 29,1%. Das liegt daran, dass nur 29,1% des Lichts, das unsere Photovoltaikmodule erreicht, energiereich genug ist, um im kristallinen Silizium Elektronen zum Stromfluss anzuregen.
Jede Substanz kann nur bestimmte Wellenlängen des Lichts verarbeiten. Die Entwicklung geht daher in Richtung sogenannter Tandem-Solarzellen. Diese kombinieren mehrere Materialien miteinander, die unterschiedliche Wellenlängen energetisch nutzen können. So werden zukünftig evtl. auch deutlich höhere Wirkungsgrade möglich.
Wie hoch ist der thermische Ertrag?
Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, haben wir Simulationen in TRNSYS, einer Software für die dynamische Berechnung von Gebäudeenergiesystemen, durchgeführt. In folgender Tabelle ist der auf den Maximalwert normierte thermische Ertrag eines nach Süden ausgerichteten PVT-Kollektors mit 35° Neigung am Standort Augsburg dargestellt:
Der PVT-Ertrag wurde für jeden Monat in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur ermittelt. Das ist die Temperatur, die das Wärmeträgermedium bei Kollektoreintritt aufweist. Deutlich zu erkennen ist der sehr große Einfluss auf den Ertrag. Je wärmer der Rücklauf, desto kleiner ist der Ertrag.
Durch die Simulation wird deutlich, dass der Ertrag des Kollektors nicht nur von dessen Effizienz, Standort und Ausrichtung abhängt, sondern auch sehr stark von der Rücklauftemperatur, und somit von den Verbrauchern. In der Realität ist die Rücklauftemperatur nie konstant, sondern dynamisch vom Gesamtsystem abhängig. Je mehr Wärme verbraucherseitig abgenommen werden kann, desto kühler strömt die Sole zurück zum Kollektor. Eine pauschale Aussage zum Ertrag des Kollektors ist somit nicht möglich. Daher reicht es nicht, allein den Kollektor am Standort zu simulieren. Wir brauchen eine Systemsimulation, inklusive der Verbraucher.
Für diesen Zweck verwenden wir das Simulationsprogramm Polysun, eine Software zur simulationsgestützten Planung, Auslegung und Optimierung von ganzheitlichen Energiesystemen. Wir haben verschiedene Szenarien untersucht und den thermischen Jahresertrag pro m² Kollektorfläche miteinander verglichen.
Hier wird wieder die starke Abhängigkeit von der Verbraucherseite deutlich. Wird die PVT-Anlage zur Warmwasser-Vorwärmung für das Heizsystem genutzt, liegen wir in diesem Beispiel bei unter 300 kWh/m²/a. Wird die Anlage hingegen für die Erwärmung eines Schwimmbads oder die Regeneration einer Erdwärmesonde verwendet, können Werte über 350 kWh/m²/a erzielt werden.
Wann ist PVT besonders effizient?
Während sich der erzeugte Strom immer einspeisen und somit vergüten lässt, ist dies mit der Wärme nicht möglich. Die erzeugte Wärme muss stets direkt verbraucht oder in einem Wärmespeicher zwischengespeichert werden.
Wenn im Sommer das solare Angebot am höchsten ist, ist der Heizwärmebedarf in der Regel am geringsten. So kann die im Sommer durch einen thermischen Kollektor bereitgestellte Energie nur zu einem Teil genutzt werden.
Befinden sich große thermische Abnehmer im System, wie z.B. ein Schwimmbad oder eine Erdwärmesonde, kann die erzeugte Wärme in größerem Umfang genutzt werden. Das steigert den Jahresertrag immens. Je mehr Verbraucher ich habe, die auch im Sommer Wärmeenergie abnehmen, desto effizienter ist also meine PVT-Anlage.
Siehe dazu auch unseren früheren Blog-Beitrag Wunderwaffe PVT - was können die Kollektoren, und was nicht?
Hier nochmal zusammengefasst die wichtigsten Punkte:
- PVT-Kollektoren generieren Strom und Wärme aus Sonnenlicht.
- Der elektrische Ertrag lässt sich über Wirkungsgrad, Ausrichtung und Standort gut vorhersagen.
- Der thermische Ertrag ist sehr stark vom Gesamtsystem, also auch von den Verbrauchern abhängig. Für eine Ertragsprognose ist daher eine Systemsimulation notwendig.
Denken Sie darüber nach, eine PVT-Anlage für die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom zu installieren? Wir beraten Sie gerne und können mit einer Systemsimulation den voraussichtlichen Ertrag und die Wirtschaftlichkeit der Anlage bestimmen.
Während sich bei reinen PV-Modulen die erzeugte elektrische Leistung direkt aus dem Modulwirkungsgrad und der Sonneneinstrahlung berechnen lässt, spielt beim thermischen Ertrag von PVT-Modulen das Gesamtsystem eine entscheidende Rolle. Und das bedeutet: Es kommt nicht nur auf die Anlage und deren Lage an, sondern darauf, wofür die Energie genutzt werden soll.