Wunderwaffe PVT - was können die Kollektoren, und was nicht?
PVT – Der Alleskönner
Nutzt man sowohl Wärme als auch Strom, so kann der solare Wirkungsgrad von PVT-Kollektoren tatsächlich bis zu 80-90% betragen. Besonders für Wärmepumpensysteme ist diese Technologie sehr interessant:
Mit der PVT-Wärme kann die Anergie- (Quell-) Seite der Wärmepumpe unterstützt werden, während der PVT-Strom (zumindest bilanziell) die Wärmepumpe antreibt und/oder Haushaltsstrom bereitstellt.
Besonders geothermische Quellsysteme, wie Erdsonden und Erdkollektoren, profitieren von PVT: Die Regeneration des Untergrunds durch Einbringen der PVT-Wärme steigert die Wärmepumpeneffizienz, der Betrieb der Quelle ist nachhaltiger und die geothermische Anlage kann in der Regel auch kleiner (und damit ökonomischer) dimensioniert werden. Eine klassische Win-Win-Situation.
Je nach Bauart (s. u.) ist ein PVT-Kollektor nicht nur ein Solarkollektor, sondern auch ein Außenluftwärmetauscher und kann damit auch ohne Sonne als Quelle für die Wärmepumpe dienen oder nächtliche Kühlenergie bereitstellen. Bei Letzterem macht man sich vor allem die Wärmeabstrahlung des Kollektors gegen den kalten nächtlichen Himmel zu Nutze.
Aber auch auf der Nutzenergieseite kann der PVT-Kollektor eingesetzt werden: So kann PVT, genau wie ein Solarthermiekollektor, direkt die Trinkwarmwasserbereitung über einen Pufferspeicher unterstützen.
Noch nicht genug? Wenn die Anwendungstemperatur gering und die Bauart des PVT-Kollektors gut ist, kühlt der PVT-Kollektor sogar die Zelle und erhöht damit den Stromertrag. Denn: Ein reines PV-Modul erreicht bei voller Einstrahlung im Sommer bis zu 65°C (im sog. NOCT).
Spielarten von PVT
Kann ein PVT-Kollektor also alles? Die Antwort: Jein. Nicht jeder PVT-Kollektor kann alles gleich gut. Es gibt verschiedene Bauarten:
- Möchte ich hohe Temperaturen (Brauchwarmwasserbereitung) erreichen, sollte der Kollektor gedämmt sein und damit wenig Wärme verlieren.
- Soll der PVT-Kollektor bei minimalen Temperaturen (Eisspeicher/Erdsonde) arbeiten und sogar noch möglichst Umgebungswärme sammeln, darf er nur wenig gedämmt sein. Also eher das Gegenteil.
Und wenn man beides will? Na ja, dann sollte der Kompromiss eben entsprechend in der Mitte angesiedelt sein. Die Physik lässt da nicht mit sich handeln. Sorry.
Der PVT-Flachkollektor
Eine Bauart hat sich bis jetzt kommerziell erfolgreich durchgesetzt: Der unabgedeckte PVT-Flachkollektor. Er ist im Gegensatz zu solarthermischen Flachkollektoren nur rückseitig isoliert und erreicht deshalb auch im Stillstand ohne Fluidzirkulation vertretbare Spitzentemperaturen, sodass der PV-Teil keinen Schaden nehmen kann. Mehr thermische Isolation (z. B. durch zusätzliche Verglasung der Oberseite) würde mehr Wärmeertrag bringen, aber halt auch die sogenannte „Stagnationstemperatur“ (also die max. Stillstandstemperatur) erhöhen.
Thermische Anbindung
Alle PVT-Kollektoren haben jedoch eins gemeinsam: Die thermische Anbindung der PV-Zelle, welche die Sonnenstrahlen einfängt, an das Wärmeträgerfluid sollte ideal sein. Sowohl für die Zellkühlung, für die Umwandlung von Umweltwärme, als auch für den solarthermischen Ertrag sollte diese von höchster Güte sein.
Man unterscheidet dabei:
- Direktlaminierung: Die PV-Zelle wird direkt auf einen thermischen Absorber laminiert.
- Retrofit PVT: Auf ein PV-Modul wird rückseitig ein Wärmetauscher angebracht.
Für beide gilt: Der thermische Widerstand (s. o.) sollte minimal sein.
Fazit
PVT-Kollektoren und Photovoltaikanlagen mit der gleichen Fläche können über das Jahr betrachtet deutlich unterschiedliche Energiemengen produzieren. PVT-Kollektoren haben dabei das Potenzial, bis zu viermal mehr Gesamtenergie (also sowohl Wärme als auch Strom) zu liefern. Dies macht sie zur optimalen Ergänzung für Wärmepumpen.
Quelle:
[1] Pröll, Markus. "Entwicklung eines schwach konzentrierenden CPC PVT Flachkollektors." (2019).