Wie funktionieren Hybridkollektoren? Welchen Ertrag an Strom und Wärme bringen sie? Wann lohnt es sich für Privathaushalte? Wann ist eine Kombination mit einer Wärmepumpe sinnvoll?

Photovoltaik-Module wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie (Strom) um. Hohe Temperaturen in den Sommermonaten verringern aber den Wirkungsgrad. Eine Möglichkeit der Kühlung der PV-Module bieten Hybridkollektoren. Durch die kombinierte Solarthermie wird die erzeugte Wärme abgeführt. Aber sind Hybridkollektoren wirklich wirtschaftlicher als die Installation einer separaten Photovoltaik- und Solarthermie-Anlage? Das beantwortet dieser Artikel. Außerdem beantwortet er die Frage, wie die überschüssige Wärme sinnvoll verwendet wird.

Was ist ein Hybridkollektor?

Ein Hybridkollektor kombiniert die gewöhnliche Photovoltaik-Technik (Strom) und Solarthermie (Wärme). Er wird auch als PVT- (Photovoltaik + Thermie), Photothermik- oder Solarhybrid-Modul bezeichnet.

Üblicherweise besteht die untere Schicht aus Solarthermie-Modulen auf die Photovoltaik-Module aufgeschraubt werden. So wird das Maximum an Energie aus der Sonnenstrahlung rausgeholt.

Auch wenn beide Techniken in einem Modul vereint sind, gibt es dennoch zwei Anschlüsse – einen für Strom und einen für Wärmenergie.

So viel Ertrag bringt ein Hybridkollektor:

hybridkollektor
Vorderseite des Solimpeks Excell Hybridkollektors 330 / 855 W (Quelle: Solimpeks Solarenergie GmbH)

Wie der Produktname schon sagt, hat der Kollektor von Solimpeks eine maximale elektrische Leistung von 330 Wp (el). Und eine maximale thermische Leistung von 855W (th). Um die jährlichen Erträge für Strom und Wärme zu errechnen, wird die Leistung (W) mit den jährlichen Sonnenstunden (h/a) verrechnet. In Deutschland sind es etwa 850 Sonnenstunden pro Jahr.  Daraus ergeben sich folgende jährliche Erträge:

  • jährlicher Stromertrag = 280 kWh/a  (330 W * 850 h/a)
  • jährlicher Wärmeenergie-Ertrag = 726 kWh/a  (855 W * 850 h/a)

Und das jedes Jahr, für einmalig 450 Euro pro Modul. In der Realität ist der Ertrag etwas geringer, weil durch die verschiedenen Umwelteinflüsse keine optimalen Bedingungen vorliegen.

Wie funktioniert ein Hybridkollektor?

Im Prinzip funktioniert ein Hybridkollektor so wie die jeweiligen Einzeltechnologien Photovoltaik und Solarthermie.

Es gibt verschiedene Arten von Hybridkollektoren. Allen gemeinsam ist, dass die obere Schicht aus Photovoltaik und die darunter aus Solarthermie besteht. Bei genauen Funktionsweise der Solarthermie gibt es Unterschiede:

  • Zwischen PV-Modul und Absorberblech zirkuliert ein Luftstrom (abgedeckter Kollektor)
  • Zwischen PV-Modul und Absorberblech zirkuliert ein Wasser- bzw. Flüssigkeitsgemisch (unabgedeckter Kollektor)

Die Wärmeenergie der Sonne erwärmt das Absorberblech, welches die Wärme an die eingeschlossene Luft oder die Flüssigkeit weitergibt.

Diese Medien transportieren die Wärmeenergie an einen Verbraucher im Haus, beispielsweise einen Pufferspeicher, Lüftungsanlage oder Wärmepumpe. Damit wird dann Warmwasser erzeugt oder die Heizungsanlage unterstützt.

Vor- und Nachteile eines Hybridkollektors

Durch ein Solar-Hybrid-Modul ergeben sich einige Vorteile:

  • Platzersparnis auf dem Dach– die Hybrid-Kollektor spart viel Platz auf dem Dach, weil auf einer Fläche sowohl Photovoltaik- als auch Solarthermie genutzt wird. Allerdings bezieht sich die Platzersparnis nur aufs Dach. Ins Haus führen weiterhin zwei Anschlüsse – für Strom und Wärmeleitung – und es in der Regel gibt es separate Strom- bzw. Wärmespeicher.
  • Effektivere Nutzung des Sonnenlichts – Durch die Kombination von Photovoltaik und Solarthermie wird die Sonnenenergie voll ausgeschöpft. Ganze 70-80% der Sonnenstrahlung wird in nutzbare Energie umgewandelt.
  • Höhere Effizienz der Photovoltaik-Komponente durch Wärmeableitung– durch die Kombination der beiden Systeme entsteht eine interessante Symbiose. Photovoltaik-Anlagen sind bei Extremtemperaturen im Sommer weniger effizient. Durch die darunterliegende Solarthermie-Anlage wird die Wärme besser abgeführt und die Photovoltaik-Komponenten indirekt gekühlt und können somit etwa 5 bis 10 Prozent mehr Strom erzeugen.
    Im Winter bei Schneefall verhindert die Grundwärme der Solarthermie-Anlage das Schnee auf dem Modul liegen bleibt. Wenn allerdings die Wärme der Solarthermie-Anlage nicht schnell genug verbraucht wird, kehrt der Effekt ins Gegenteil: Die Photovoltaik-Komponente wird zusätzlich erwärmt und die Effizienz geringer!

In der Theorie klingt das gut, in der Praxis zeigen sich einige Herausforderungen und Nachteile:

  1. Unterschiedlicher Flächenbedarf von Photovoltaik und Solarthermie
    Um ein Einfamilienhaus über Solarthermie mit Wärme zu versorgen ist nur eine geringe Fläche nötig. Wenn es nur das Warmwasser (Brauchwasser) ist, reichen bereits etwa 5qm. Bei zusätzlicher Heizungsunterstützung sind es maximal 10 bis 15 qm. Um den Strombedarf eines Einfamilienhauses über Photovoltaik zu decken bedarf es hingegen 20 bis 25qm. Natürlich kann das Dach aber auch zum Teil mit Hybrid-Modulen und zusätzlich mit reinen Photovoltaik-Modulen ausgestattet werden.
  2. Unterschiedlicher Wärmebedarf über das Jahr
    Während der Strombedarf ganzjährig relativ gleichbleibt, schwankt der Wärmebedarf über das Jahr gesehen. Das gilt besonders wenn die Solarthermie auch als Heizungsuntersützung genutzt wird. Sogenannte Saison-Speicher können Wärme für mehrere Monate speichern, sind aber für den Privatgebrauch noch zu teuer.
  3. Angestaute Wärme im Modul senken die Effizienz der PV-Module und belasten das Material
  4. relativ junge Technik
    Die Technik der PVT-Anlage ist noch relativ jung und damit können im Langzeit-Gebrauch Probleme auftreten, die wir jetzt noch nicht kennen. Im Gegensatz dazu sind Photovoltaik und Solarthermie als Einzelsysteme „robust“ und gut erforscht. Gerade weil die Anschaffungskosten hoch sind, ist ein reibungsloser Betrieb und lange Haltbarkeit von hoher Bedeutung.

Wann lohnt sich ein Hybridkollektor? – Eine Frage des Wärmebedarfs

Ein Hybridkollektor lohnt sich dann, wenn er verglichen mit der Kombination von Einzel-Anlagen der Photovoltaik und Solarthermie klare Vorteile bringt.

Für einen höheren Strom-Wirkungsgrad und langer Haltbarkeit der Anlage ist es vor allem entscheidend, dass die erzeugte Wärme auch genutzt wird.

Einsatz bei gewerblichen Einrichtungen (hoher Wärmebedarf)

Gewerbliche Einrichtungen wie Hotels, Schwimmbädern, Kliniken oder Produktionshallen haben einen ganzjährig hohen Wärmebedarf. Beispielsweise durch Pool, Sauna oder Lüftungsanlagen und Klimatisierung, die auch im Sommer betrieben werden.

Einsatz im Einfamilienhaus (geringer Wärmebedarf)

Im privaten Haushalten ist der Wärmebedarf im Sommer eher gering, während viel Wärme produziert wird. Würde man die Wärme alleine mit einem Pufferspeicher abfangen, wären bei einem Einfamilienhaushalt 3 große Pufferspeicher nötig!

Für eine ganzjährige Abführung der erzeugten Wärme gibt es folgende Lösungen:

  • Die Kopplung mit einer Sole- oder Luft-Wasser-Wärmepumpe (siehe unten)
  • Nur ein Teil der Solaranlage besteht aus Hybridkollektoren (z.B. zur Deckung des ganzjährig gleichbleibenden Warmwasserbedarf). Darüber hinaus wird eine normale gewöhnliche Photovoltaik-Anlage installiert.

Ausnahme: Privater Haushalt mit Pool oder Sauna, die im Sommer beheizt werden.

Kombinationsmöglichkeiten von Hybridkollektoren mit Wärmepumpen

Gerade für den privaten Haushalt wird die Hybrid-Kollektor-Anlage erst durch die Kombination mit einer Wärmepumpe so richtig effizient. Denn dadurch kann die Wärmeversorgung eines Haushaltes vollständig autark gedeckt werden.

Eine Wärmepumpe nutzt die kostenlose Wärme der Umwelt (Luft, Grundwasser, Erdreich) und erzeugt mithilfe von elektrischen Strom nutzbare Wärmenergie für Heizung und Brauchwasser.

Folgende Kominationsvarianten gibt es:

1) Gemeinsamer Brauchwasser- und Pufferspeicher erhöht die Effizienz der Wärmepumpe

Das ist die konventionelle Herangehensweise. Die überschüssige Wärme aus der Solaranlage wird in einem Wasserspeicher gespeichert. Auch die Wärmepumpe ist an diesen Speicher gekoppelt. Gerade im Winter sorgt die Wärme-Untersützung durch die Solaranlage dafür, dass die Wärmepumpe effizienter arbeitet, weil sie eine geringere Temperaturdifferenz zu bewältigen hat. Nachts, wenn die Sonne nicht scheint, wird die Warmwasserproduktion sowie die Heizungswärme von der Wärmepumpe alleine erarbeitet.

Gemeinsamer Speicher für Solarwärme und Wärmepumpe
Gemeinsamer Speicher für Solarwärme und Wärmepumpe (Grafik: Bosch GmbH)

2) Solarwärme als Wärmequelle der Wärmepumpe

Daneben kann die Solarwärme die Wärmequelle der Wärmepumpe ersetzen oder unterstützen. Die Wärme kann direkt an die Erdwärmesonde geleitet werden, auch um ein Abkühlen im Winter zu verhindern (Sole-Wasser-Wärmepumpe). Das ist bei einer Temperatur ab 60 Grad Celcius sinnvoll, die bei Hybridkollektoren leicht erreicht werden.

Alternativ dient die erwärmte Luft im Hybridkollektor als Wärmequelle einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Auch hier wird wieder die Effizienz im Winter erhöht, weil die vorgewärmte Luft weniger erhitzt werden muss als die Außenluft. Wird die Wärmepumpe zur  Kühlung verwendet, bietet sich ein Eisspeichersystem an.

solarwärme unterstüzung sole-wasser-wärmepumpe
Solarwärme zur Untersützung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärme) (Grafik: 3S Solar Plus)

3) Stromversorgung der Wärmepumpe

Die dritte Kombinationsmöglichkeit stellt die Stromversorgung der Wärmepumpe dar. Die Wärmepumpe steigert somit den Eigenverbrauch von Solarstrom.

Kosten und Wirtschaftlichkeit

Die Technik der Hybridkollektoren ist noch vergleichsweise jung. Dennoch ist das Preis-Leistungs-Verhältnis für Strom und Wärme absolut überzeugend und kann mit den Einzeltechnologien Photovoltaik und Solarthermie mithalten.

Das gesamte Projekt der autarken Energiegewinnung wird durch das duale System entsprechend umfangreicher und auch komplexer. Damit sich das ganze aus Kostensicht lohnt, gilt es daher die Kostenersparnis für Warmwasser und Heizenergie genau zu berechnen und den Mehrkosten von hybriden Kollektoren gegenüberzustellen. Das ist sehr individuell und hier lässt sich keine pauschale Aussage machen.

Damit die Anlage auch effizient arbeitet und möglichst lange hält, ist ein ganzjähriger Verbrauch der erzeugten Wärme wichtig, um eine Überhitzung der Anlage zu vermeiden.

Förderung

Sowohl für Photovoltaik-, Solarthermie- als auch Hybrid-Anlagen (PVT) gibt es Förderungen. Einzelheiten zur Förderung je nach Solaranlage findest du hier.

Grundsätzlich kannst du eine Förderung bei der KfW-Bank oder dem Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) beantragen. Darüber hinaus bieten viele Städte und Gemeinden eine Förderung – frag doch einfach mal nach.

Hersteller für Hybridkollektoren

Solar-Hybrid-Anlagen werden zunehmend populär und so steigt auch die Zahl der Anbieter:

Der beliebte Hersteller Viessmann bietet aktuell keine Solar-Hybridkollektoren, aber dafür hochwertige Pufferspeicher und Wärmepumpen.

Häufige Fragen

Ist ein Hybridkollektor auch als Inselanlage möglich?

Ja. Inselanlage bedeutet, vollständig unabhängig vom öffentlichen Stromnetz zu sein. Das heißt der übschüssige Strom einer Solar-Hybrid-Anlage (oder Photovoltaik-Anlage) wird in einem Stromspeicher gespeichert oder vollständig verbraucht.

Kann überschüssige Wärme in Strom ungewandelt werden?

Ja das ist mit sogenannten thermoelektrischen Generatoren möglich. Bei Temperaturen von über 80 Grad Celcius wird dabei aber nur ein Wirkungsgrad von 5 bis 6 Prozent erreicht. Daher ist es in der Praxis nicht wirtschaftlich den Wärmeüberschuss einer Solar-Anlage umzuwandeln. Er sollte stattdessen für Warmwasser oder Heizung verbraucht oder gespeichert werden. Alternativ ist auch die indirekte Unterstützung einer Wärmepumpe durch Solarwärme sinnvoll.

 

Quellen:

  • https://www.energie-experten.org/heizung/solarthermie/solarkollektoren/hybridkollektoren
  • https://www.energie-experten.org/heizung/waermepumpe/arten/solar-waermepumpe#c29401
  • https://www.wegatech.de/ratgeber/photovoltaik/grundlagen/kwp-kwh/
  • https://solimpeks.de/Solimpeks-EXCELL-Hybridkollektor-330-855-W
  • https://3s-solarplus.ch/de/hybrid-2/

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